CN106114287B - 一种电动汽车防滑控制***及控制方法 - Google Patents

一种电动汽车防滑控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动汽车防滑控制***，包括车辆控制单元、PID控制器、驱动电机、TAmax存储器和TA值检测模块，车辆控制单元和PID控制器及驱动电机相连，TA值检测模块和驱动电机及PID控制器相连，TAmax存储器和PID控制器相连，车辆控制单元用于激励驱动电机，TA值检测模块用于检测驱动电机输出的TA值信号，PID控制器比较TAmax值和TA值并发送指令至车辆控制单元从而使TA值始终小于TAmax值，TAmax存储器用于存储TAmax值，TA值等于驱动轮角加速度和电机扭矩的比值。本发明公开的电动汽车防滑控制***，使用参数TA代替传统的滑移率，避免了对车辆速度信号的测量，无需车辆速度测量的设备，同时也无需依赖传统液压制动***的辅助，降低了生产成本，提高了***稳定性。

Description

一种电动汽车防滑控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种基于车轮角加速度和电机扭矩比值的电动汽车防滑控制***及控制方法。
背景技术
从控制角度而言，电动机与内燃机相比最主要的优点是其既可作为驱动装置也可作为执行装置。作为驱动装置，小尺寸和高功率输出的特点使得其可拥有多样化的车辆驱动配置方案。作为执行装置，快速的响应特性和力矩信息反馈，实现了更为精准和有效的动力学实时控制。从而使电动车辆不仅仅是绿色环保，通过先进的电动化控制技术可实现具有更高的主动安全性、操纵稳定性和更好乘坐舒适性的驾驶体验。
在车辆的安全防滑控制中，传统的内燃机汽车中采用的防抱死制动***(ABS)和牵引力控制***(TCS)来实现相关的功能。其通常采用的是双参数控制方法来评估车辆行驶中的车轮滑移情况。双参数控制法需要测量得到车辆速度和车轮速度这个必要的信息，然后用来计算滑移率。滑移率是被广泛使用的表示车轮锁止或打滑状态的参数之一，在双参数控制法中，需要通过限制滑移率来防止车轮发生打滑。传统的防滑控制器采用滑移率来表示车轮的锁定或者打滑状态。当车辆加速时，假设ωr>v，滑移率被定义为：
其中v为车辆的纵向速度，ω是车轮的角速度，r是车轮等效半径。当车辆减速时，由于ωr<v，滑移率的表达式可以写为：
滑移率与路面的摩擦系数之间的关系较为复杂，路面摩擦系数是一个用来表示摩擦力和垂向正压力之间的比值的标量，其定义如下：
其中Ff是摩擦力，而Fn是垂向正压力。
如图1所示，在路面摩擦系数达到其最大值附近之前(最大值对应的滑移率通常介于0.1和0.3之间)，路面摩擦系数是滑移率的递增函数，这段区域称为线性区域，在线性区域中，车轮的运行状态是稳定可控的，因而也是一个稳定区域。在该区域之后，随着滑移率变得更大，不仅路面摩擦系数开始变小，同时也进入一个不稳定区域。在不稳定区域中，车轮的运行状态失稳，可能发生严重的打滑。因此，滑移率通常是由车辆的防滑控制器将其限制在相对应的安全区域内。
传统的限制滑移率的双参数控制法已经被广泛地应用于目前工业界的防抱死制动***和牵引力控制***的控制器中。然而该方法一方面依赖液压制动机构完成动作执行，增加制动器成本要求；另一方面该方法需要必要的传感设备，完成车辆行驶速度等的精确测量，如加速度计、光学传感器、GPS等，这些设备都会导致成本的增加；其设备的增加也使得在某些特定条件下容易发生故障或信号失效，如在隧道中难以得到GPS信号等。对于电机驱动电动车辆，完全可以利用电机本体的快速响应优势，发挥其同时作为执行器和传感器的特点来设计相应的防滑控制***。
有别于传统双参数防滑控制，本发明充分利用了电机扭矩可以快速而精确的获得这一电动汽车的独特优势，设计了新的参数TA，用来代替传统的滑移率方法，进行车辆的防滑控制。在新的参数TA中，用到了电机的扭矩值和车轮的加速度值这两个参数来进行计算，而这两者在电动汽车上都是非常容易得到的，无需额外传感器；同时也无需液压制动***的配合，直接利用电机本体作为执行机构。因此，本发明是一种成本更低的适用于电动汽车的高效防滑控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是使用新的参数TA，代替传统的滑移率方法，为了解决上述问题，本发明提供一种电动汽车防滑控制***，包括车辆控制单元、PID控制器、驱动电机、TAmax存储器和TA值检测模块，车辆控制单元和PID控制器及驱动电机相连，TA值检测模块和驱动电机及PID控制器相连，TAmax存储器和PID控制器相连，车辆控制单元用于激励驱动电机，TA值检测模块用于检测驱动电机输出的TA值信号，PID控制器比较TAmax值和TA值并发送指令至车辆控制单元从而使TA值始终小于TAmax值，TAmax存储器用于存储TAmax值，TA值等于驱动轮角加速度和电机扭矩的比值。
进一步地，PID控制器包括PI控制器。
进一步地，防滑控制***还包括一个低通滤波器，低通滤波器用于除去在驱动轮角加速度计算中产生的高频噪声。
本发明还公开一种电动汽车防滑控制***的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：TA值检测模块检测驱动电机运行过程中的TA值，并传输至PID控制器；
步骤二：PID控制器比较TA值和TAmax值，当TA值大于TAmax值时，PID控制器将降低扭矩的指令传输至车辆控制单元；
步骤三：车辆控制单元将需要输出的扭矩施加给驱动电机，驱动轮角加速度降低，从而实现TA值小于TAmax值。
进一步地，步骤二中，TA值通过如下公式(4)计算得到：
其中T是电机扭矩；ω是驱动轮角速度，是驱动轮角加速度。
进一步地，TAmax通过如下公式(7)计算得到：
其中，α是车辆行驶加速度和和车轮等效线加速度的比值，M是车辆质量，J是车轮转动惯量，r是车轮半径。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的一种基于车轮角加速度和电机扭矩比值的电动汽车防滑控制方法，使用参数TA代替传统的滑移率，无需整车行驶速度的精准测量的设备，降低了生产成本，提高了***稳定性。
2、本发明的一种基于车轮角加速度和电机扭矩比值的电动汽车防滑控制***中通过利用电机本体作为执行器，实时快速的进行驱动力矩的调节，无需传统防滑***的液压制动器配合，进一步减少设备依赖。
3、本发明的一种基于车轮角加速度和电机扭矩比值的电动汽车防滑控制方法中使用的TA单一参数控制，充分利用了电机扭矩可以快速而精确获得这一独特优势，算法简明易于实现。
附图说明
图1是摩擦系数和滑移率之间的关系示意图。
图2是电动汽车车轮动力学示意图。
图3是本发明的一种基于车轮角加速度和电机扭矩比值的电动汽车防滑控制***结构示意图。
图4是防滑控制***中单参数TA和车辆行驶加速度和车轮等效线加速度的比值对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制发明的范围。
如图3所示，本发明的一种电动汽车防滑控制***及方法，包括车辆控制单元、PID控制器、驱动电机和TA值检测模块，车辆控制单元和PID控制器及驱动电机相连，TA值检测模块和驱动电机及PID控制器相连，车辆控制单元用于激励驱动电机，TA值检测模块用于检测驱动电机输出的TA值信号，PID控制器比较TAmax值和TA值并发送指令至车辆控制单元从而使TA值始终小于TAmax值，TAmax存储器用于存储TAmax值，TA值等于驱动轮角加速度和电机扭矩的比值。当车辆驾驶员踩下加速踏板，发送扭矩指令给车辆控制单元。PID控制器通过一个典型的比例积分微分(PID)控制，将所需要的输出扭矩施加给驱动电机，PID控制器用来限制车轮打滑的监控参数TA，保持其稳定在自身的安全区域之内，以防止车轮发生打滑；在一个实施例中PID控制器为PI控制器。
本发明中TA的定义通过公式(4)表示：
其中T是电机扭矩；ω是驱动轮角速度，是驱动轮角加速度；
如图2所示，汽车轮胎行驶中的动力学表达式如下：
其中M是车辆质量，v是车辆行驶速度，f是路面阻力，ω是驱动轮角速度，J是轮胎转动惯量，T是电机扭矩，r是车轮半径。
如果定义α是车辆行驶加速度和和车轮等效线加速度的比值，如下式：
进一步地，结合公式(4)(5)(6)推导，可导出TA通过如下公式(7)计算得到：
其中TAmax的取值可根据α的取值范围获取。
本发明还公开了一种基于车轮角加速度和电机扭矩比值的电动汽车防滑控制方法，包括如下步骤：
步骤一：TA值检测模块检测驱动电机运行过程中的TA值，并传输至PID控制器；
步骤二：PID控制器比较TA值和TAmax值，当TA值大于TAmax值时，PID控制器将降低扭矩的指令传输至车辆控制单元；
步骤三：车辆控制单元将需要输出的扭矩施加给驱动电机，驱动轮角加速度降低，从而实现TA值小于TAmax值。
在图3所示实施例中，第一步需要评估得出车辆行驶中的TA值大小。使用驱动电机本身实时反馈的电机扭矩T和驱动电机传递的驱动轮角加速度输入到TA值检测模块可以实时获得相应的评估值。由于车辆动力学控制(包括防滑控制)通常要求在相对较低的频率范围内(100-1000赫兹)进行，所以可以用一个低通滤波器来除去在驱动轮角加速度计算中可能产生的高频噪声。
实施的第二步需要评估车辆行驶中维持安全滑移的TA值容许范围。在防滑控制器的设计过程中，TA值会被限制在它的安全区域内，在图3中这个限制值用TAmax表示。
根据滑移率的标准定义，其是车辆行驶速度v和轮胎线速度的比值计算而来，其一个表达式如下式(8)：
定义α是车辆行驶加速度和车轮等效线加速度的比值，如下式(9)：
结合上面两式，滑移率λ可推导出如下公式(10)：
α的控制界限和滑移率λ相关，假设α的取值是有界的，其上限是αH，下限是αL，则上式中的滑移率λ的范围可由下式表达：
根据车辆行驶中轮胎许可滑移率的经验范围，可以得知滑移率λ一般在0.1-0.3之间可实现安全行驶。根据上式进而可推导α的安全范围在0.7到0.9之间。由公式(7)，可以得到TA的最大取值限值如下：
实施的第三步，在图3中，当实测的TA值超过TAmax时，控制器认为车轮发生了打滑现象。此时，PID控制器计算出需要输出的扭矩值，该需要输出的扭矩值使得TA值小于TAmax值，通过降低扭矩的控制指令实现驱动轮角加速度的减小。对本领域技术人员容易知道，当电机扭矩T减小时，驱动轮角加速度也会随之减小，由于打滑状态的驱动轮角加速度减小的幅度更大，从而控制TA值降低以实现不超过TAmax值。在这个控制过程中，TA将被保持在一个合理的范围内，以便保证驱动车轮不进入打滑状态。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电动汽车防滑控制***，其特征在于，包括车辆控制单元、PID控制器、驱动电机、TAmax存储器和TA值检测模块，所述车辆控制单元和所述PID控制器及所述驱动电机相连，所述TA值检测模块和所述驱动电机及所述PID控制器相连，所述TAmax存储器和所述PID控制器相连，所述车辆控制单元用于激励所述驱动电机，所述TA值检测模块用于检测所述驱动电机输出的TA值信号，所述PID控制器比较TAmax值和TA值并发送指令至所述车辆控制单元从而使所述TA值始终小于所述TAmax值，所述TAmax存储器用于存储所述TAmax值，所述TA值等于驱动轮角加速度和电机扭矩的比值。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车防滑控制***，其特征在于，所述PID控制器包括PI控制器。
3.如权利要求1所述的一种电动汽车防滑控制***，其特征在于，所述防滑控制***还包括一个低通滤波器，所述低通滤波器用于除去在所述驱动轮角加速度计算中产生的高频噪声。
4.一种电动汽车防滑控制***的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：TA值检测模块检测驱动电机运行过程中的TA值，并传输至PID控制器，其中TA值通过如下公式(4)计算得到：
<mrow> <mi>T</mi> <mi>A</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mover> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中T是电机扭矩；ω是驱动轮角速度，是驱动轮角加速度；
步骤二：PID控制器比较TA值和TAmax值，当TA值大于TAmax值时，PID控制器将降低扭矩的指令传输至车辆控制单元；
步骤三：车辆控制单元将需要输出的扭矩施加给驱动电机，驱动轮角加速度降低，从而实现TA值小于TAmax值。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述TAmax通过如下公式(7)计算得到：
<mrow> <msub> <mi>TA</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>Mr</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mi>J</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，α是车辆行驶加速度和和车轮等效线加速度的比值，假设α的取值是有界的，下限是αL，M是车辆质量，J是车轮转动惯量，r是车轮半径。
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