Modelado de un monoplaza de formula student y control de torque vectoring

Abstract

Este proyecto presenta el diseño, modelado y control de un sistema de control por vectorización de par aplicado a un vehículo eléctrico tipo Formula Student. Se desarrolla un modelo de referencia para generar una guiñada deseada, y se implementa un controlador PI en lazo cerrado que actúa mediante reparto de par entre las ruedas traseras. El control avanzado de la dinámica de vehículos es un aspecto esencial en el desarrollo de vehículos de competición, especialmente en entornos como Formula Student, donde la maniobrabilidad y la estabilidad son factores determinantes del rendimiento. En este trabajo se ha desarrollado un sistema de control de guiñada basado en la vectorización de par, más conocido como torque vectoring, aprovechando la presencia de dos motores eléctricos independientes en el eje trasero. El objetivo es mejorar la estabilidad direccional del vehículo ajustando de forma activa el par aplicado a cada rueda en función de la diferencia entre la guiñada deseada y la real. El proyecto parte de un modelo de vehículo conocido como modelo de bicicleta con representación completa de la dinámica lateral y longitudinal así como un modelo de neumáticos mediante curvas de Pacejka. Se define una velocidad de guiñada de referencia a partir de un modelo de comportamiento neutro, y se construye un controlador PI que genera un momento corrector para cerrar el lazo. Este momento se convierte en una diferencia de par entre ruedas mediante un algoritmo de distribución de par, buscando no superar en ningún momento tanto los límites de los motores como la adherencia disponible. El sistema se ha simulado y validado en el entorno MATLAB/Simulink.

This project studies the design, modelling, and control of a torque vectoring system applied to a Formula Student electric vehicle. A reference model is developed to generate a desired yaw rate, and a closed-loop PI controller is implemented, acting through torque distribution between the rear wheels. Advanced vehicle dynamics control is the new trend when it comes to designing competition vehicles, especially in environments like Formula Student, where stability and handling are critical for performance. In this project, a yaw rate control system based on torque vectoring has been developed, based on the use of two independent electric motors on the rear axle. The objective is to improve the directional stability of the vehicle by actively adjusting the torque applied to each wheel based on the difference between the desired and actual yaw rate. The project is based on a bicycle model that takes into account both lateral and longitudinal vehicle dynamics, as well as a complex, non-linear tire model based on Pacejka’s Magic Formula. A reference yaw rate is defined taking as reference the behavior of a neutral handling behavior model, and a PI controller is implemented to generate a corrective yaw moment to close the control loop. This moment is converted into a torque difference between the rear wheels through a torque allocator algorithm, which ensures that motor torque and tire grip limits are not exceeded. The system has been simulated in the MATLAB/Simulink environment.