CN109291803B - 基于四轮全驱电动汽车虚拟轮的稳定性控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于四轮全驱电动汽车虚拟轮的稳定性控制方法，该***包括差速机构、虚拟轮电机控制***、左前轮轮毂电机及控制***、右前轮轮毂电机及控制***、左后轮轮毂电机及控制***、右后轮轮毂电机及控制***、左前轮轮速检测单元、右前轮轮速检测单元、左后轮轮速检测单元、右后轮轮速检测单元、加权平均单元、理想姿态计算单元、误差控制器、转矩分配控制单元、转向机构单元、虚拟轮、数值转化单元和驾驶员操纵机构；本发明针对四轮全驱电动汽车轮毂电机独立驱动的特点，将任一轮毂电机转矩过大的动态扰动通过加权平均、虚拟轮控制***分配到四轮全驱电动汽车的每一个牵引电机***，动态平衡了四轮转矩，同时稳定平衡了四轮轮速，避免车辆行驶轨迹大幅偏离驾驶指令，提高车辆对行驶指令的跟踪能力。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法。
背景技术
电动汽车与传统燃油汽车相比，电动汽车使用成本低，以蓄电池为动力来源，低碳环保，没有换挡的冲击，行驶更加平顺；四轮全驱电动汽车的四个驱动轮受到每个轮毂电机的单独控制，独立调节每个车轮的转速与转矩，提高了驾驶员对汽车的操纵性能，但是由于四个轮有独立的控制单元，不需要通过电动助力转向***来辅助电动汽车实现转向功能，不需要通过变速箱、减速器等来实现驱动力矩的增减以及车速的改变，不需要通过差速器实现左右轮的差速功能，仅仅依靠驾驶员的感性操纵实现车辆的安全行驶、稳定性的安全是存在风险的，因此需要针对四轮全驱电动汽车的结构特点研发一种自适应主动转矩分配的稳定控制***。
当车辆在行驶过程中，由于四个车轮通过四个轮毂电机独立驱动，多电机驱动***受到传动部件、控制***的非线性影响、低附着路面、路况崎岖等因素的影响，会引起四个车轮的动态不平衡，会产生车辆的偏离行驶路径或发生甩尾等危险现象的发生。
发明内容
发明目的：
本发明公开了一种基于四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法。目的在于构建一种用于四轮全驱电动汽车转矩分配的方法来解决以往所存在的问题。通过检测四轮全驱电动汽车行驶的路面状态、实时工况来选择相应的转矩分配控制策略，从而使电动汽车操纵性更加流畅，提高稳定性。
技术方案：
一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制***，该***包括差速机构(1)、虚拟轮电机控制***(2)、左前轮轮毂电机及控制*** (3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)、右后轮轮毂电机及控制***(6)、左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元 (12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)、加权平均单元 (16)、理想姿态计算单元(17)、误差控制器(18)、转矩分配控制单元(19)、转向机构单元(20)、虚拟轮(21)、数值转化单元(23)和驾驶员操纵机构(24)；
驾驶员操纵机构(24)连接差速机构(1)、虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2) 和理想姿态计算单元(17)；差速机构(1)连接虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)；左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5) 和右后轮轮毂电机及控制***(6)分别连接左前轮(7)、右前轮(8)、左后轮 (9)和右后轮(10)；左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)对应左前轮(7)、右前轮(8)、左后轮(9)和右后轮(10)设置用于检测相应轮的转速；左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)连接至差速机构(1)，进行四个车轮的理想轮速与实际轮速的偏差分析；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)连接理想姿态计算单元(17)和加权平均单元(16)，理想姿态计算单元(17)连接误差控制器(18)，误差控制器(18) 连接转矩分配控制器(19)和转向机构单元(20)，加权平均单元(16)与转矩分配控制器(19)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)相连接，计算出车辆行驶过程中四个车轮需要的复合实时转矩；
左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时获取车轮行驶速度；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)能根据加权平均单元(16)的结果实时更改左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速，进而进行实时的转矩稳定分配；
该***还包括横摆角速度检测单元(25)和质心侧偏角检测单元(26)，横摆角速度检测单元(25)和质心侧偏角检测单元(26)连接至理想姿态单元(17)，实时判断车辆行驶的姿态情况；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)由虚拟轮(21)、虚拟轮电机(22)和数值转化单元(23)构成；差速机构(1)与虚拟轮(21)连接；加权平均单元(16)与虚拟轮 (21)和虚拟轮电机(22)连接；数值转化单元(23)将虚拟轮电机(22)与差速机构(1)相连接。
利用上述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制***所实施的控制方法，其特征在于：该方法利用车轮牵引电机的电压、电流值检测电磁转矩信息，当由于路况条件不佳，导致某个轮胎的轮毂电机转矩变大，车轮牵引电机的电磁转矩会随之增加，此时，利用四个轮速检测单元检测轮速，将信息反馈到轮毂电机控制***，由加权平均单元计算转矩值，合理分配转矩，再次通过差速机构(1)的给定车速，进行多电机的动态协同控制，实时纠正驾驶路径，提高车辆的操纵稳定性，控制车辆的姿态；
具体的说，该方法利用差速机构(1)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出四个车轮的理想转速V1、V2、V3、V4，左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14) 实时检测到四个车轮的轮速并反馈回差速机构(1)，进而进行误差分析，给到左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)进行转矩给定，如遇到某一轮毂电机转矩过大，控制***会将四个车轮的转矩通过加权平均单元(16)，对转矩进行合理的加权平均，通过虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)对四个车轮轮速进行重新给定，使车辆达到安全稳定状态。
利用车辆理想姿态计算单元(17)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出车辆行驶稳定的理想横摆角速度与质心侧偏角，车辆在行驶过程中，通过整车模型(15)实时反馈数据，误差控制器(18)对数据进行分析，通过转向机构(20)对车辆实行合理安全转向角调整，通过转矩分配控制器(19)合理的对左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转矩进行稳定补偿，使之达到合理的转矩分配，使车辆稳定行驶；
误差控制器采用PI控制算法，PI控制算法根据理想横摆角速度、理想质心侧偏角与实际横摆角速度、实际质心侧偏角之间的偏差，实时纠正四轮电机驱动转矩，得到实现理想驾驶路径的横摆力矩和期望的前轮补偿角，使车辆能按照驾驶指令行驶。
当路面条件不佳或者出现凹凸不平路面时，左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)开始自身调节，之后虚拟轮及虚拟轮电机控制***再根据负载转矩的变化更新Δω*。
给定理想车辆速度，正常行驶直接将理想速度给到差速机构(1)；当某一轮毂电机力矩变大，转矩经过加权平均单元(16)与虚拟轮电机(22)相连接，经过数值转化单元(23)与差速机构(1)连接，重新给定符合行驶工况的四轮车速，使车辆达到稳定状态。
差速机构(1)通过整车质心速度与转向角度，分析出左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的实时理想状态轮速，理想轮速方程如下：
V1、V2、V3、V4，分别为前内侧轮速度、前外侧轮速度、后外侧轮速度、后内侧轮速度，V为后轴中点速度，δin为内轮转角，δout为外轮转角，B为轮距，L为轴距。
虚拟轮电机可用如下关系式表示，
式中，i＝1,2,3,4,分别代表四个轮毂电机；ωi为电机的转速；ui为转矩控制量即电磁转矩；Ji为等效的转动惯量；bi为摩擦因数；S为积分。
9、根据权利4所述的控制方法，其特征在于：转矩分配控制器可用如下关系式，
ΔFzbc＝Fxfl-s+Fxfr-s+Fxrl-s+Fxrr-s
ΔN表示车辆的横摆力矩，ΔFzbc表示驾驶员期望的纵向驱动力，Fxfl-s、Fxfr-s、Fxrl-s、 Fxrr-s分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力目标值，Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值。lf表示质心至前轴的距离，Tf表示车轮转矩。左前轮和右前轮的轮胎侧向力与相应的地面摩擦圆大小成比例，即相应轮胎的路面摩擦圆越大，则其提供的轮胎侧向力相应的越大，即：
Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值，Fzfl、Fzfr分别为左前轮、右前轮的轮胎垂向载荷，μ为车轮与地面的摩擦系数。
转矩检测单元即左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时获取车辆四个轮毂电机的转速并进行合理的转矩分配，车轮侧向力主要由转向轮提供，将前两个车轮的纵向力、侧向力和后两个车轮的纵向力6个参数作为分配目标，以四个轮胎产生的轮胎力占各自车轮的摩擦圆比重最小为最优目标，构造目标函数转矩分配最优目标函数关系式
其中，Js为目标约束函数，cxfl、cxfr、cxrl、cxrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力权重系数，cyfl、cyfr分别为左前轮、右前轮的侧向力权重系数，Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎垂向载荷，
分别为左后轮和右后轮轮毂电机的最大驱动力矩，Rw为车轮的轮胎半径，Fxfl-s、Fxfr-s、Fxrl-s、Fxrr-s分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力目标值，Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值。 (j1到j4为分子，但是写到分子上整个公式一行写不下，就用j1-j4分别代替的)
差速机构过车辆的实际车速v与转向角δ，采用Ackermann差速方法，分析得到右前轮、左前轮、右后轮、左后轮的理想轮速。
优点及效果：一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，该***包括驾驶员操纵机构、虚拟轮、虚拟轮电机控制单元、加权平均单元、左前轮轮速检测单元、右前轮轮速检测单元、左后轮轮速检测单元、右后轮轮速检测单元、左前轮轮毂电机及控制***、右前轮轮毂电机及控制***、左后轮轮毂电机及控制***、右后轮轮毂电机及控制***、横摆角速度检测单元、质心侧偏角检测单元、转矩分配控制单元、差速机构、数值转化单元、理想姿态计算单元、转向机构单元、误差控制器、整车模型。
所述的驾驶员操纵机构给定车辆的转向角和车辆的速度。所述的左前轮轮速检测单元、右前轮轮速检测单元、左后轮轮速检测单元、右后轮轮速检测单元、整车速度检测单元实时获取车辆行驶速度。所述的左前轮轮毂电机及控制***、右前轮轮毂电机及控制***、左后轮轮毂电机及控制***、右后轮轮毂电机及控制***通过转速检测单元反馈回的轮速可以给定四个车轮的理想转矩。所述的整车模型包含了横摆角速度检测单元、质心侧偏角检测单元，可以实时获取车辆姿态。所述的转矩检测单元可以获取左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的实时给定转矩。所述的虚拟轮和虚拟轮电机控制单元可以根据加权平均单元的转矩结果实时更改左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速。所述的转矩分配控制单元可以根据车辆姿态对给定转矩进行实时补偿。所述的差速机构可以根据整车速度和转向角度，分析出左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的实时理想状态轮速。
所述的理想姿态计算单元可以根据整车速度和转向角度，分析出理想的横摆角速度和质心侧偏角。所述的误差控制器可以使整车的真实姿态与理想姿态的偏差减小，进而进行转矩补偿。所述的转向机构单元经过误差控制器后，可以自动的补偿人为操纵产生的转向角度的误差。
本发明在车辆行驶过程中，当四轮牵引电机中的某一个轮毂电机由于路面状况出现转矩非正常增大的情况，牵引力需求就会超过电机可能提供的最大转矩，就会形成轮毂电机的发热、四轮转矩失衡、车辆甩尾、车辆行驶路径偏离理想驾驶路径等危险现象。
本发明针对四轮全驱电动汽车轮毂电机独立驱动的特点，将任一轮毂电机转矩过大的动态扰动通过加权平均、虚拟轮控制***分配到四轮全驱电动汽车的每一个牵引电机***，动态平衡了四轮转矩，同时稳定平衡了四轮轮速，避免车辆行驶轨迹大幅偏离驾驶指令，提高车辆对行驶指令的跟踪能力。
附图说明：
图1为四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制总体结构框图。
图2为虚拟轮电机控制***结构框图。
图3为虚拟轮及虚拟轮电机控制***结构框图。
具体实施措施：
一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制***，该***包括差速机构(1)、虚拟轮电机控制***(2)、左前轮轮毂电机及控制*** (3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)、右后轮轮毂电机及控制***(6)、左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元 (12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)、加权平均单元 (16)、理想姿态计算单元(17)、误差控制器(18)、转矩分配控制单元(19)、转向机构单元(20)、虚拟轮(21)、数值转化单元(23)和驾驶员操纵机构(24)；
驾驶员操纵机构(24)连接差速机构(1)、虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2) 和理想姿态计算单元(17)；差速机构(1)连接虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)；左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5) 和右后轮轮毂电机及控制***(6)分别连接左前轮(7)、右前轮(8)、左后轮 (9)和右后轮(10)；左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)对应左前轮(7)、右前轮(8)、左后轮(9)和右后轮(10)设置用于检测相应轮的转速；左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)连接至差速机构(1)，进行四个车轮的理想轮速与实际轮速的偏差分析；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)连接理想姿态计算单元(17)和加权平均单元(16)，理想姿态计算单元(17)连接误差控制器(18)，误差控制器(18) 连接转矩分配控制器(19)和转向机构单元(20)，加权平均单元(16)与转矩分配控制器(19)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)相连接，计算出车辆行驶过程中四个车轮需要的复合实时转矩；
左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时获取车轮行驶速度；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)能根据加权平均单元(16)的结果实时更改左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速，进而进行实时的转矩稳定分配；
该***还包括横摆角速度检测单元(25)和质心侧偏角检测单元(26)，横摆角速度检测单元(25)和质心侧偏角检测单元(26)连接至理想姿态单元(17)，实时判断车辆行驶的姿态情况；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)由虚拟轮(21)、虚拟轮电机(22)和数值转化单元(23)构成；差速机构(1)与虚拟轮(21)连接；加权平均单元(16)与虚拟轮 (21)和虚拟轮电机(22)连接；数值转化单元(23)将虚拟轮电机(22)与差速机构(1)相连接。
利用上述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制***所实施的控制方法，其特征在于：该方法利用车轮牵引电机的电压、电流值检测电磁转矩信息，当由于路况条件不佳，导致某个轮胎的轮毂电机转矩变大，车轮牵引电机的电磁转矩会随之增加，此时，利用四个轮速检测单元检测轮速，将信息反馈到轮毂电机控制***，由加权平均单元计算转矩值，合理分配转矩，再次通过差速机构(1)的给定车速，进行多电机的动态协同控制，实时纠正驾驶路径，提高车辆的操纵稳定性，控制车辆的姿态；
具体的说，该方法利用差速机构(1)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出四个车轮的理想转速V1、V2、V3、V4，左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14) 实时检测到四个车轮的轮速并反馈回差速机构(1)，进而进行误差分析，给到左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)进行转矩给定，如遇到某一轮毂电机转矩过大，控制***会将四个车轮的转矩通过加权平均单元(16)，对转矩进行合理的加权平均，通过虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)对四个车轮轮速进行重新给定，使车辆达到安全稳定状态。
利用车辆理想姿态计算单元(17)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出车辆行驶稳定的理想横摆角速度与质心侧偏角，车辆在行驶过程中，通过整车模型(15)实时反馈数据，误差控制器(18)对数据进行分析，通过转向机构(20)对车辆实行合理安全转向角调整，通过转矩分配控制器(19)合理的对左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转矩进行稳定补偿，使之达到合理的转矩分配，使车辆稳定行驶；
误差控制器采用PI控制算法，PI控制算法根据理想横摆角速度、理想质心侧偏角与实际横摆角速度、实际质心侧偏角之间的偏差，实时纠正四轮电机驱动转矩，得到实现理想驾驶路径的横摆力矩和期望的前轮补偿角，使车辆能按照驾驶指令行驶。
当路面条件不佳或者出现凹凸不平路面时，左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)开始自身调节，之后虚拟轮及虚拟轮电机控制***再根据负载转矩的变化更新Δω*。
给定理想车辆速度，正常行驶直接将理想速度给到差速机构(1)；当某一轮毂电机力矩变大，转矩经过加权平均单元(16)与虚拟轮电机(22)相连接，经过数值转化单元(23)与差速机构(1)连接，重新给定符合行驶工况的四轮车速，使车辆达到稳定状态。
差速机构(1)通过整车质心速度与转向角度，分析出左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的实时理想状态轮速，理想轮速方程如下：
V1、V2、V3、V4，分别为前内侧轮速度、前外侧轮速度、后外侧轮速度、后内侧轮速度，V为后轴中点速度，δin为内轮转角，δout为外轮转角，B为轮距，L为轴距。
虚拟轮电机可用如下关系式表示，
式中，i＝1,2,3,4,分别代表四个轮毂电机；ωi为电机的转速；ui为转矩控制量即电磁转矩；Ji为等效的转动惯量；bi为摩擦因数；S为积分。
转矩分配控制器可用如下关系式，
ΔFzbc＝Fxfl-s+Fxfr-s+Fxrl-s+Fxrr-s
ΔN表示车辆的横摆力矩，ΔFzbc表示驾驶员期望的纵向驱动力，Fxfl-s、Fxfr-s、Fxrl-s、 Fxrr-s分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力目标值，Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值。lf表示质心至前轴的距离，Tf表示车轮转矩。左前轮和右前轮的轮胎侧向力与相应的地面摩擦圆大小成比例，即相应轮胎的路面摩擦圆越大，则其提供的轮胎侧向力相应的越大，即：
Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值，Fzfl、Fzfr分别为左前轮、右前轮的轮胎垂向载荷，μ为车轮与地面的摩擦系数。
转矩检测单元即左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时获取车辆四个轮毂电机的转速并进行合理的转矩分配，车轮侧向力主要由转向轮提供，将前两个车轮的纵向力、侧向力和后两个车轮的纵向力6个参数作为分配目标，以四个轮胎产生的轮胎力占各自车轮的摩擦圆比重最小为最优目标，构造目标函数转矩分配最优目标函数关系式
其中，Js为目标约束函数，cxfl、cxfr、cxrl、cxrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力权重系数，cyfl、cyfr分别为左前轮、右前轮的侧向力权重系数，Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎垂向载荷，
分别为左后轮和右后轮轮毂电机的最大驱动力矩，Rw为车轮的轮胎半径，Fxfl-s、Fxfr-s、Fxrl-s、Fxrr-s分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力目标值，Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值；
差速机构过车辆的实际车速v与转向角δ，采用Ackermann差速方法，分析得到右前轮、左前轮、右后轮、左后轮的理想轮速。
下面结合附图进行详细说明：
如图一所示，四轮全驱电动汽车虚拟轮主动转矩分配控制***，包括差速机构(1)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出四个车轮的理想转速V1、 V2、V3、V4，左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)实时检测到四个车轮的轮速并反馈回差速机构(1)，进而进行误差分析，给到左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)、右后轮轮毂电机及控制***(6)进行转矩给定，如遇到某一轮毂电机转矩过大，控制***会将四个车轮的转矩通过加权平均单元(16)，对转矩进行合理的加权平均，通过虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)对四个车轮轮速进行重新给定，使车辆达到安全稳定状态。
如图1所示，包括车辆理想姿态计算单元(17)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出车辆行驶稳定的理想横摆角速度与质心侧偏角，车辆在行驶过程中，通过整车模型(15)实时反馈数据，误差控制器(18)对数据进行分析，通过转向机构(20)对车辆实行合理安全转向角调整，通过转矩分配控制器(19) 合理的对左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转矩进行稳定补偿，使之达到合理的转矩分配，使车辆稳定行驶。
如图2所示，设计虚拟轮电机控制器的控制作用要滞后于电机控制器的控制作用，所以当路面条件不佳或者出现凹凸不平路面时，异步轮毂电机直接转矩控制***开始自身调节，之后主控制器再根据负载转矩的变化更新ωf。所以将转动惯量Jf整定成比较大的值，可以避免出现尖峰电流，保证逆变器在安全区域内工作。
如图3所示，四轮全驱电动汽车虚拟轮机器控制***，给定理想车辆速度，正常行驶直接将理想速度给到差速机构(1)；当某一轮毂电机力矩变大，转矩经过加权平均单元(16)与虚拟轮电机(22)相连接，经过数值转化单元(23)与差速机构(1)连接，重新给定符合行驶工况的四轮车速，使车辆达到稳定状态。
综上，基于以往存在的问题，本发明提出一种基于四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，主动转矩分配可以根据车辆行驶的路面状态、行驶工况来选择相应的转矩分配控制器，转矩分配控制器可以通过目标算法实现加权平均转矩以及转矩分配控制器合理补偿转矩，提高车辆转向性能，确保车辆时刻处于良好的稳定性区域运行。提高加速性能，保证车辆平稳驶过低附着或更复杂的路面条件的能力。提高主动安全性能，不会因车轮滑转而导致侧向附着力迅速下降而丧失方向稳定性和转向操纵能力、使主动安全性变差。因此，在满足驾驶员对驱动力需求的前提下，达到整车性能最佳，并通过转矩协调控制***来丰富和完善主动安全***具有重要的意义。
Claims (10)
1.一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：该方法利用车轮牵引电机的电压、电流值检测电磁转矩信息，当由于路况条件不佳，导致某个轮胎的轮毂电机转矩变大，车轮牵引电机的电磁转矩会随之增加，此时，利用四个轮速检测单元检测轮速，将信息反馈到轮毂电机控制***，由加权平均单元计算转矩值，合理分配转矩，再次通过差速机构(1)的给定车速，进行多电机的动态协同控制，实时纠正驾驶路径，提高车辆的操纵稳定性，控制车辆的姿态；
具体的说，该方法利用差速机构(1)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出四个车轮的理想转速V1、V2、V3、V4，左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时检测到四个车轮的轮速并反馈回差速机构(1)，进而进行误差分析，给到左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)进行转矩给定，如遇到某一轮毂电机转矩过大，控制***会将四个车轮的转矩通过加权平均单元(16)，对转矩进行合理的加权平均，通过虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)对四个车轮轮速进行重新给定，使车辆达到安全稳定状态。
2.根据权利要求1所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：利用理想姿态计算单元(17)，通过电动汽车实际方向转角与实际车速计算出车辆行驶稳定的理想横摆角速度与质心侧偏角，车辆在行驶过程中，通过整车模型(15)实时反馈数据，误差控制器(18)对数据进行分析，通过转向机构单元(20)对车辆实行合理安全转向角调整，通过转矩分配控制器(19)合理的对左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转矩进行稳定补偿，使之达到合理的转矩分配，使车辆稳定行驶；
误差控制器采用PI控制算法，PI控制算法根据理想横摆角速度、理想质心侧偏角与实际横摆角速度、实际质心侧偏角之间的偏差，实时纠正四轮电机驱动转矩，得到实现理想驾驶路径的横摆力矩和期望的前轮补偿角，使车辆能按照驾驶指令行驶。
3.根据权利要求1所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：当路面条件不佳或者出现凹凸不平路面时，左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)开始自身调节，之后虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)再根据负载转矩的变化更新四个车轮给定的补偿值Δω*。
4.根据权利要求1所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：给定理想车辆速度，正常行驶直接将理想速度给到差速机构(1)；当某一轮毂电机力矩变大，转矩经过加权平均单元(16)与虚拟轮电机(22)相连接，经过数值转化单元(23)与差速机构(1)连接，重新给定符合行驶工况的四轮车速，使车辆达到稳定状态。
5.根据权利要求1所述的一种 面向 四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的 稳定性控制方法，其特征在于：差速机构(1)通过整车质心速度与转向角度，分析出左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的实时理想状态轮速，理想轮速方程如下：
V1、V2、V3、V4，分别为前内侧轮速度、前外侧轮速度、后外侧轮速度、后内侧轮速度，V为后轴中点速度，δin为内轮转角，δout为外轮转角，B为轮距，L为轴距。
6.根据权利要求1所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：虚拟轮电机(22)可用如下传递函数表示，
式中，i＝1,2,3,4,分别代表四个轮毂电机；ωi为电机的转速；ui为转矩控制量即电磁转矩；Ji为等效的转动惯量；bi为摩擦因数S为微分算子。
7.根据权利要求2所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：转矩分配控制器可用如下关系式，
ΔFzbc＝Fxfl-s+Fxfr-s+Fxrl-s+Fxrr-s
ΔN表示车辆的横摆力矩，ΔFzbc表示驾驶员期望的纵向驱动力，B为轮距，Fxfl-s、Fxfr-s、Fxrl-s、Fxrr-s分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力目标值，Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值；lf表示质心至前轴的距离；左前轮和右前轮的轮胎侧向力与相应的地面摩擦圆大小成比例，即相应轮胎的路面摩擦圆越大，则其提供的轮胎侧向力相应的越大，即：
Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值，Fzfl、Fzfr分别为左前轮、右前轮的轮胎垂向载荷，μ为车轮与地面的摩擦系数。
8.根据权利要求2所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法，其特征在于：转矩检测单元即左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时获取车辆四个轮毂电机的转速并进行合理的转矩分配，车轮侧向力主要由转向轮提供，将前两个车轮的纵向力、侧向力和后两个车轮的纵向力6个参数作为分配目标，以四个轮胎产生的轮胎力占各自车轮的摩擦圆比重最小为最优目标，构造目标函数转矩分配最优目标函数关系式：
其中，Js为目标约束函数，cxfl、cxfr、cxrl、cxrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的纵向力权重系数，cyfl、cyfr分别为左前轮、右前轮的侧向力权重系数，Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎垂向载荷，
分别为左后轮和右后轮轮毂电机的最大驱动力矩，Rw为车轮的轮胎半径，Fxfl-s、Fxfr-s、Fxrl-s、Fxrr-s分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮胎纵向力目标值，Fyfl-s、Fyfr-s分别为左前轮、右前轮的轮胎侧向力目标值；
差速机构过车辆的实际车速v与转向角δ，采用Ackermann差速方法，分析得到右前轮、左前轮、右后轮、左后轮的理想轮速。
9.实施权利要求1所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法的控制***，其特征在于：该***包括差速机构(1)、虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)、右后轮轮毂电机及控制***(6)、左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)、加权平均单元(16)、理想姿态计算单元(17)、误差控制器(18)、转矩分配控制器(19)、转向机构单元(20)、虚拟轮(21)、数值转化单元(23)和驾驶员操纵机构(24)；
驾驶员操纵机构(24)连接差速机构(1)、虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)和理想姿态计算单元(17)；差速机构(1)连接虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)；左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)分别连接左前轮(7)、右前轮(8)、左后轮(9)和右后轮(10)；左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)对应左前轮(7)、右前轮(8)、左后轮(9)和右后轮(10)设置用于检测相应轮的转速；左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)、右后轮轮速检测单元(14)连接至差速机构(1)，进行四个车轮的理想轮速与实际轮速的偏差分析；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)连接理想姿态计算单元(17)和加权平均单元(16)，理想姿态计算单元(17)连接误差控制器(18)，误差控制器(18)连接转矩分配控制器(19)和转向机构单元(20)，加权平均单元(16)与转矩分配控制器(19)、左前轮轮毂电机及控制***(3)、右前轮轮毂电机及控制***(4)、左后轮轮毂电机及控制***(5)和右后轮轮毂电机及控制***(6)相连接，计算出车辆行驶过程中四个车轮需要的复合实时转。
10.根据权利要求9所述的一种面向四轮全驱电动汽车虚拟轮的主动转矩分配的稳定性控制方法的控制***，其特征在于：左前轮轮速检测单元(11)、右前轮轮速检测单元(12)、左后轮轮速检测单元(13)和右后轮轮速检测单元(14)实时获取车轮行驶速度；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)能根据加权平均单元(16)的结果实时更改左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速，进而进行实时的转矩稳定分配；
该***还包括横摆角速度检测单元(25)和质心侧偏角检测单元(26)，横摆角速度检测单元(25)和质心侧偏角检测单元(26)连接至理想姿态计算单元(17)，实时判断车辆行驶的姿态情况；
虚拟轮及虚拟轮电机控制***(2)由虚拟轮(21)、虚拟轮电机(22)和数值转化单元(23)构成；差速机构(1)与虚拟轮(21)连接；加权平均单元(16)与虚拟轮(21)和虚拟轮电机(22)连接；数值转化单元(23)将虚拟轮电机(22)与差速机构(1)相连接。
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