CN107117073A

CN107117073A - 一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法

Info

Publication number: CN107117073A
Application number: CN201710316266.0A
Authority: CN
Inventors: 辛晓帅; 汪晓琴; 何建; 邹见效
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2017-09-01

Abstract

本发明公开了一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，通过模糊路面识别算法来获取车轮最佳滑移率，从而实现电动汽车牵引力的控制策略；具体讲，通过最佳滑移率计算期望的车轮转速，再对各车轮当前转速进行判断，确定是否需要减小牵引力；最后通过补偿转矩和基本转矩合成得到单轮转矩，再进行整车转矩分配，最终使四轮均获得合理的驱动转矩，从而避免了电动汽车非期望横摆运动的出现，且更好地保证车辆行驶稳定；本发明采用的牵引力控制策略的加速性能更好。

Description

一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，更为具体地讲，涉及一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法。

背景技术

四轮轮毂电动汽车采用四轮电机独立驱动，避免了内燃机汽车既复杂又繁重的离合器、变速器等驱动***，实现了电机一体化。与传统内燃机汽车相比，四轮轮毂电动汽车在牵引力控制方面具有明星的优势：能快速测量各轮力矩、提高了能量的利用率、驾驶更加智能化等。电动汽车牵引力控制***的控制策略是使各个驱动电机之间的功率和转矩得到合理的分配，让整车具有最佳的驱动特性。其主要目标是通过调节牵引力控制车轮在行驶过程中的滑移率，以此来获得最佳的驱动效果：将车轮的滑移率控制在实际工况最大附着系数对应的滑移率附近，防止车轮滑移，再根据设定的牵引力分配策略为各个轮胎分配最佳力矩，从而使电动汽车处于最佳行驶状态。

目前，汽车牵引力控制***的控制方式主要包括逻辑门限制控制、PID控制、最优控制以及滑膜变结构模糊智能控制等，其中PID控制因其结构简单且使用时不需要精确的***模型被广泛使用。车辆动力学参数对牵引力控制***有至关重要的作用，主要包括路面附着条件和行驶速度。基于u-s曲线路面识别方法具有高精度、高性价比以及实现容易，属于电动汽车路面识别的研究重点。

传统牵引力控制策略路面附着系数估算根据u-s曲线特征获取最佳滑移率，经典算法包括基于u-s曲线斜率路面识别算法、基于附着系数变化范围路面识别方法、基于平均附着系数的路面识别方法等。本文在路面识别中引入模糊技术，使车辆在不同工况下识别精度更高、识别速度更快。同时设计一种基于PID闭环控制的牵引力控制***，使电动汽车在不同工况下具有较好的加速度性能，并保障车辆的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，采用模糊路面识别算法来获取车轮最佳滑移率，完成牵引力控制，保证电动汽车稳定行驶。

为实现上述发明目的，本发明一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、计算车轮的实时滑移率s_ij和利用附着系数u_ij；

(1.1)、计算实时滑移率s_ij

其中，ω_ij表示各车轮转速，v表示车速，r表示车轮半径，ij∈{fl,fr,rl,rr}，分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；

(1.2)、计算利用附着系数u_ij

其中，F_xij、F_zij分别表示各车轮的纵向力和垂向力；

(2)、利用模糊路面识别算法计算电动汽车的最佳滑移率s_{opt_ij}和峰值附着系数μ_{max_ij}；

其中，u_max1-u_max6和s_opt1-s_opt6分别是6种标准路面对应u-s曲线的峰值附着系数和最佳滑移率，x₁～x₆表示当前路面与6种标准路面的相似度权重系数；

(3)、计算车轮的期望转速ω_{ref_ij}；

(4)、添加基本转矩T_{θ_ij}实现基本车速控制；

(4.1)、利用PID控制器计算整车力矩T；

其中，k_p、k_i和k_d分别是PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数，v_ref是车辆期望车速；

(4.2)、分配整车力矩T得到单个车轮的基本转矩T_{θ_ij}；

(5)、添加补偿转矩ΔT_{θ_ij}实现车轮转速控制；

对比各车轮的期望转速ω_{ref_ij}和实际轮速ω_ij，判断车轮是否处于滑移状态：

如果ω_ij＞ω_{ref_ij}时，车轮处于滑移状态，则需在基本转矩T_{θ_ij}的基础上添加额外的补偿转矩ΔT_{θ_ij}；

此时，添加的补偿转矩ΔT_{θ_ij}为：

当ω_ij≤ω_{ref_ij}时，车轮处于非滑移状态，则此时添加的补偿转矩ΔT_{θ_ij}为零；

(6)、转矩合成；

T_{t_ij}＝T_{θ_ij}+ΔT_{θ_ij} (8)

(7)、整车力矩分配；

(7.1)、分配整车力矩，使车辆同轴两侧车轮驱动转矩相等，即：

其中，T_{w_fr}、T_{w_fl}分别表示右前轮、左前轮驱动转矩；T_{w_rr}、T_{w_rl}分别表示右后轮和左后轮驱动转矩；

(7.2)、计算各车轮的轮毂电机的转矩；

其中，T_max为轮毂电机最大承受转矩；

(7.3)、将左前轮转矩T_{w_fl}、右前轮转矩T_{w_fr}、左后轮转矩T_{w_rl}以及右后轮转矩T_{w_rr}作为转矩指令值，输入到对应的轮毂电机，完成四轮轮毂电动汽车牵引力控制。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，通过模糊路面识别算法来获取车轮最佳滑移率，从而实现电动汽车牵引力的控制策略；具体讲，通过最佳滑移率计算期望的车轮转速，再对各车轮当前转速进行判断，确定是否需要减小牵引力；最后通过补偿转矩和基本转矩合成得到单轮转矩，再进行整车转矩分配，最终使四轮均获得合理的驱动转矩，从而避免了电动汽车非期望横摆运动的出现，且更好地保证车辆行驶稳定；本发明采用的牵引力控制策略的加速性能更好。

附图说明

图1是本发明一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制原理图；

图2是本发明模糊逻辑控制原理图；

图3是本发明的滑移率隶属度函数图；

图4是本发明附着系数隶属度函数图；

图5是本发明相似度隶属度函数图；

图6是本发明基本车速控制原理图；

图7是两种控制方法下的车速曲线对比图；

图8是两种控制方法下的车辆加速对比图；

图9是两种控制方法下四个车轮的滑移率对比图；

图10是两种控制方法下车辆行驶轨迹对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制原理图。

在本实施例中，选用的电动汽车的参数为：整车重量2150kg，车轮半径0.326m，单个轮毂电机最大转矩320Nm，车轮转动惯量0.6kg·m²，质心到前轴的距离1.35m，质心到后轴的距离1.35m，最小离地间隙0.123m，前轮轮距1.55m，后轮轮距1.55m等。

下面结合图1，对本发明一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法进行详细说明，具体包括以下步骤：

S1、计算车轮的实时滑移率s_ij和利用附着系数u_ij

S1.1计算实时滑移率s_ij

车辆利用传感器获取车速、车轮转速等运动参数，再结合车轮半径计算得到车辆各车轮的实时滑移率：

其中，ω_ij表示各车轮转速，v表示车速，r表示车轮半径；且ij∈{fl,fr,rl,rr}，分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；

S1.2、计算利用附着系数u_ij

依据车轮的纵向力和垂向力计算各车轮的利用附着系数：

其中，μ_ij、F_xij、F_zij分别表示各车轮的利用附着系数、纵向力和垂向力；

其中，车轮纵向力由车轮驱动转矩T_ij、转动惯量I、角加速度以及车轮半径r计算得：

车轮垂向力由整车重量mg、纵向加速度a_x、车轮前后轴之间的距离L、前后轮到质心的距离L_f和L_r以及车辆质心与地面间的垂直高度h计算得：

S2、利用模糊逻辑控制器计算电动汽车的最佳滑移率s_{opt_ij}和峰值附着系数μ_{max_ij}；

模糊逻辑控制器对路面进行模糊识别一般采用的控制流程为：模糊化、模糊逻辑推理和清晰化，如图2所示，将实时滑移率s_ij和利用附着系数μ_ij分别输入模糊化模块求得权重系数，并计算车辆的最佳滑移率和峰值附着系数；下面对流程过程进行详细描述：

S2.1、输入模糊化

实时滑移率s_ij和利用附着系数μ_ij分别输入模糊化模块，实时滑移率s_ij和利用附着系数μ_ij的隶属度函数通过大量实验得到：滑移率的论域为[0，1]，共有S、M、ML、L四个模糊子集，分别代表小滑移率[0，0.05]、中等滑移率[0，0.15]、较大滑移率[0.05，0.9]和大滑移率[0.8，1.0]，如图3所示；每种滑移率分别对应一个利用附着系数隶属度函数，且采用高斯函数和三角函数结合，分别如图4a-d所示，其中，图4(a)小滑移率对应隶属度函数图，图4(b)中等滑移率对应隶属度函数图，图4(c)是较大滑移率对应隶属度函数图，图4(d)是大滑移率对应隶属度函数图；

S2.2、逻辑推理

经过模糊化的输入量通过模糊规则进行推理，共包含冰、雪、湿鹅卵石、湿沥青、干水泥和干沥青6种标准路面，分别用RS1、RS2、RS4、RS5和RS6表示。推理后共有5种模糊相似度为不相似、一般相似、较相似、相似和非常相似，可用DS、GS、MS、S和VS表示，如表1所示：

表1是逻辑推理规则表；

S2.3、清晰化

模糊推理后的模糊输出量经过清晰化模块得到6种路面的权重x₁、x₂、x₃、

x₄、x₅和x₆，清晰化模块相似度隶属度函数采用高斯函数与三角函数，如图5所示；

S2.4、最佳滑移率s_{opt_ij}和峰值利用附着系数μ_{max_ij}计算

模糊路面识别的最终结果为各个车轮最佳滑移率和路面峰值利用附着系数，利用模糊模块得到的6个权重计算得：

其中，u_max1-u_max6和s_opt1-s_opt6分别是冰、雪、湿鹅卵石、湿沥青、干水泥和干沥青路面对应u-s曲线的峰值附着系数和最佳滑移率。

S3、计算车轮期望转速ω_{ref_ij}

利用上一步骤得到的最佳滑移率s_{opt_ij}计算各车轮对应情况下的车轮转速：

S4、添加基本转矩T_{θ_ij}实现基本车速控制

S4.1、计算整车力矩T

PID控制器是基本车速控制的核心模块，通过对比车辆期望车速v_ref和实际车速v输出应添加的整车力矩T。PID控制器由比例(P)、积分(I)和微分(D)三部分组成，输入是车速的差值e，输出整车力矩T：

其中k_p、k_i和k_d分别是比例参数、积分参数和微分参数；

S4.2、分配整车力矩T得到单个车轮的基本转矩T_{θ_ij}

将得到的整车力矩T平均分配给四个车轮：

其中，T_{θ_ij}为每个轮毂电机获得的基本转矩；

S5、添加补偿转矩ΔT_{θ_ij}实现车轮转速控制

通过对比各车轮期望转速ω_{ref_ij}和实际轮速ω_ij判断车轮是否处于滑移状态：

当ω_ij＞ω_{ref_ij}时，车辆处于滑移状态，则需在基本转矩T_{θ_ij}的基础上添加额外的补偿转矩ΔT_{θ_ij}；当ω_ij＞ω_{ref_ij}时，添加的额外补偿转矩ΔT_{θ_ij}为：

当ω_ij≤ω_{ref_ij}时，车轮处于非滑移状态，则此时补偿转矩ΔT_{θ_ij}为零，则此时添加的额外补偿转矩ΔT_{θ_ij}为：

S6、转矩合成

利用基本车速控制和车轮转速控制求得的基本转矩T_{θ_ij}和附加转矩ΔT_{θ_ij}共同作用于车轮，完成基本车速控制同时保证车轮不滑移，即对两组转矩进行合成：

T_{t_ij}＝T_{θ_ij}+ΔT_{θ_ij} (11)

S7、整车力矩分配

为了避免车辆产生非期望横摆力矩而导致车辆行驶不稳定，有必要在单轮牵引力控制的基础上再对整车力矩进行分配,，分配流程如图6所示；

S7.1、分配整车力矩，使车辆同轴两侧车轮驱动转矩相等，即：

S7.2、计算各车轮的轮毂电机的转矩；

其中，T_max为轮毂电机最大承受转矩；

S7.3、将左前轮转矩T_{w_fl}、右前轮转矩T_{w_fr}、左后轮转矩T_{w_rl}以及右后轮转矩T_{w_rr}作为转矩指令值，输入到对应的轮毂电机，完成四轮轮毂电动汽车牵引力控制。

仿真验证

基于CarSim和MATLAB/Simulink联合仿真，仿真模型搭建中，四轮轮毂电动汽车模型是在CarSim中基于传统燃油汽车模型改造而成，而牵引力控制模型是在MATLAB/Simulink中实现的。在该仿真过程中控制指令通过Simulink输入到CarSim中，CarSim再将车辆相关的动力学参数输出到simulink，最终实现闭环控制。

为了更好理解本发明的特征以及优势，下面将本发明的牵引力控制方法与基于曲线斜率路面识别的牵引力控制方法进行对比，分别称作控制方法1和控制方法2。设电动汽车初始速度为5km/h、期望车速为60km/h，工况选为附着系数为0.1的低附着直线道路，图7至图10是两者的对比图，下面分别阐述：

图7展示两种控制方法下的车速曲线对比情况，两者的车速曲线均从初始车速渐渐上升到稳态值，没有超调，但控制方法1的车速调节时间为16.5s，比控制方法2缩短了20.3％。

图8展示两种控制方法下的车辆加速对比情况，控制方法1加速阶段的加速度为0.89m/s²，控制方法2加速阶段的加速度为0.72m/s²，显然本发明拥有更好的加速性能。

图9a-d分别展示两种控制方法下四个车轮的滑移率对比情况，其中，图9(a)是左前车轮滑移率，图9(b)是右前车轮滑移率，图9(c)左后车轮滑移率，图9(d)是右后车轮滑移率，可见两种控制方法的车轮滑移率都在最佳滑移率0.055附近。

图10展示两种控制方法下车辆行驶轨迹对比情况，表明两者都没有发生侧向偏离，汽车的行驶轨迹能较好地跟踪期望轨迹。

从整体仿真情况可见本发明采用的牵引力控制策略能较好的跟踪期望车速，保证车辆的稳定行驶，且加速性能更好。

管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、计算车轮的实时滑移率s_ij和利用附着系数u_ij；

(1.1)、计算实时滑移率s_ij

<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>v</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mi>r</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，ω_ij表示各车轮转速，v表示车速，r表示车轮半径，ij∈{fl,fr,rl,rr}，分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右轮；

(1.2)、计算利用附着系数u_ij

其中，F_xij、F_zij分别表示各车轮的纵向力和垂向力；

(3)、计算车轮的期望转速ω_{ref_ij}；

<mrow> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>v</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

(4)、添加基本转矩T_{θ_ij}实现基本车速控制；

(4.1)、利用PID控制器计算整车力矩T；

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>e</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&Integral;</mo> <mi>e</mi> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>d</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>v</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

(4.2)、分配整车力矩T得到单个车轮的基本转矩T_{θ_ij}；

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(5)、添加补偿转矩ΔT_{θ_ij}实现车轮转速控制；

此时，添加的补偿转矩ΔT_{θ_ij}为：

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当ω_ij≤ω_{ref_ij}时，车轮处于滑移状态，则此时添加的补偿转矩ΔT_{θ_ij}为零；

(6)、转矩合成；

T_{t_ij}＝T_{θ_ij}+ΔT_{θ_ij} (8)

(7)、整车力矩分配；

(7.1)、分配整车力矩，使车辆前轮和后轮的各自驱动转矩相等，即：

(7.2)、计算各车轮的轮毂电机的转矩；

其中，T_max为轮毂电机最大承受转矩；

2.根据权利要求1所述的一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，其特征在于，所述的车轮纵向力F_xij为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>I</mi> <msub> <mover> <mi>&omega;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>r</mi> </mfrac> </mrow>

其中，T_ij表示各车轮驱动力矩，I表示各车轮转动惯量，表示各车轮角加速度；

所述的车轮垂向力F_zij为：

其中，F_z(fl,fr)表示左前轮和右前轮的垂向力，F_z(rl,rr)表示左后轮和右后轮的垂向力，a_x为车辆纵向加速度，L表示车轮前后轴之间的距离，L_f和L_r分别表示车轮前轴和车轮后轴到车辆质心的距离，h表示车辆质心与地面间的垂直高度，m表示车辆的质量，g表示重力加速度。

3.根据权利要求1所述的一种四轮轮毂电动汽车牵引力控制方法，其特征在于，所述6种标准路面分别为：冰、雪、湿鹅卵石、湿沥青、干水泥和干沥青6种路面。