CN110962626B - 一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，旨在解决现有电动轮驱动车辆电子差速控制无法适应多种行驶工况、电机性能要求较高等问题，属于汽车控制***。所述控制方法包括以下步骤：S1、建立8×8轮毂电机独立驱动车辆车身运动方程；S2、建立车轮垂向跳动模型；S3、建立车轮旋转动力学方程；S4、制定控制策略，选择以驱动转矩为控制参数对电机进行控制。本发明的优点是通过电机转矩指令控制且转速随动的方式，模拟传统汽车动力传输的功率分配特性，使多轴轮毂电机驱动车辆在转向、不平路面及车轮滚动半径不同三种工况下具有较好的差速性能，提高了电子差速控制的准确性和多种工况下***的自适应能力。

Description

一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法

技术领域

本发明属于汽车控制***，具体涉及一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法。

背景技术

轮毂电机独立驱动车辆，由于其省去了传统车辆的传动***，同时每个车轮的驱动力矩独立可控、能实时准确反馈转矩转速等信息，使得整车传动效率大大提高，布置设计更为灵活。电子差速器主要为了代替传统车辆的机械式差速器，通过协调各驱动电机，保证车辆行驶时的操纵稳定性。由于多轴重型车辆自重及载重都很大，且行驶工况复杂多变，差速问题相对来说更为突出和严重，所以对轮毂电机电子差速控制器的自适应能力也提出了更高要求。本文根据多轴轮毂电机驱动车辆各车轮的实际受力状态建立平衡方程，同时考虑多种行驶工况的整车差速性能要求，提出一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，进一步提高轮毂电机电子差速控制的准确性和***控制的自适应能力，保证了电子差速控制策略能够适应多种差速工况，具有较好的差速性能。

日本、欧美等的一些车企如本田、奥迪、通用等公司都相继将电子差速***应用于轮毂电机驱动车辆。而近几年，为充分运用电子差速***的突出优势以满足实际驾驶需要，国内学者也对电子差速控制***展开了相关研究。如中国专利公布号为CN110116635A，公布日为2019-08-13，公开了一种双轮独立驱动车辆电子差速控制方法。该控制方法基于双轮独立驱动***，通过调节两电机的转速差使两侧驱动车轮输出基本相同的驱动力矩，且能实现良好的转弯差速，但该专利主要针对运煤车的低速行驶工况，未充分考虑整车横摆稳定性和滑转率，适用性较差。中国专利公布号为CN108177693A，公布日为2018-06-19，公开了一种轮毂驱动电动汽车的电子差速控制***。该***通过测得的车轮转向角和目标行驶车速，计算得到内外侧驱动轮目标转速，并通过与实际转速的偏差计算，完成对驱动轮转速的闭环控制，使驱动轮实际速度跟随目标速度，实现差速控制，但该控制***的单一转速控制对电机要求很高，且无法协调汽车行驶过程中车辆受力的动态变化。本发明针对各种行驶工况下整车差速性能的要求，通过将轮毂电机转速信号闭环反馈实现电机转矩控制，模拟传统汽车从动力***到差速器的功率分配特性，使多轴轮毂电机驱动车辆在多种行驶工况下实现较好的差速性能，具有较强的鲁棒性和适应性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有多轴轮毂电机驱动车辆电子差速控制***无法在多种工况条件下都能实现各车轮的差速协调，无法保证***实现自适应控制等问题，提供一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：包括下列步骤：

1.一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

第一步，建立8×8轮毂电机独立驱动车辆运动方程；

根据车身纵向、侧向、垂向、横摆、俯仰、侧倾运动6个自由度建立坐标系，x轴正向沿车体纵向对称线，向前为正；y轴通过质心沿汽车横向位置，向右为正；z轴根据右手定则，竖直向下为正；建立车身运动方程；

在传统车辆车轮受力基础上考虑悬架和车轮的相互作用力，建立车轮旋转动力学方程如式(1)：

式中：I_w——车轮转动惯量

T_q——车轮驱动力矩

F_d——轮胎与地面之间的纵向力

T_b——制动力矩

M_ω——车轮质量

ξ——作用系数

式(1)中，方程右侧最后一项为由轮轴对从动轮轮心处的作用而在地面上形成的反力，通过该补充项，式(1)可同时表示驱动轮及从动轮动力学问题，利用式(2)确定ξ取值：

第二步，计算车轮轮心处实际运动速度；

利用式(3)计算车轮轮心水平运动速度：

式中：v_hi——各车轮轮心水平运动速度

u——车身纵向速度

v——车身侧向速度

r——车身横摆角速度

L_i——平面内各轴到质心的距离

δ_i——各车轮偏转角

利用式(4)计算车轮轮心垂向运动速度w_ui：

式中：M_ui——各车轮处的非簧载质量

w_ui——车轮轮心垂向运动速度

K_ui——轮胎垂向刚度

Z_ri——车轮所处路面的不平度

Z_ui——车轮质心高度

C_ui——轮胎垂向阻尼

w_ri——车轮处路面不平度变化率

F_vi——各车轮沿z轴方向作用在悬架处的力

B_i——悬架结构参数

利用式(5)计算车轮轮心处实际运动速度v_wi：

第三步，计算综合车速；

根据油门-车速查表得到驾驶员期望车速值V_R；利用车轮转速，计算得到车辆实际车速V_Z；根据得到的驾驶员期望车速值和车辆实际车速值进行加权计算，得到综合车速值，如式(6)所示：

V_T＝AV_R+BV_Z (6)

式中：V_T——综合车速

A、B——加权系数，通过实验标定；

第四步，计算各驱动电机目标转矩；

以油门踏板开度和当前转向盘转角作为控制输入，根据式(6)计算的综合车速值，利用车辆自身结构几何关系得到各车轮轮心处期望速度；将计算得到的车轮轮心处实际速度和各车轮轮心处期望速度输入到PID控制器中，利用式(7)计算各驱动电机目标转矩：

T_Ti＝K_P(v_Ti-v_wi)+K_I(v_Ti-v_wi)+K_D(v_Ti-v_wi) (7)

式中：T_Ti——各驱动电机目标转矩

v_Ti——各车轮轮心处期望速度

K_P、K_I、K_D——PID控制器参数，通过实验标定；

车轮实际转速由电机驱动转矩和实际车轮受力的平衡点决定，并反馈给整车控制器实现闭环，按转矩指令控制且转速随动的策略以实现各车轮自适应差速，整车控制***根据汽车运动状态输出驱动电机转矩指令信号，使得油门踏板同时控制车速和电机转矩；其中，电机转矩既可以采用开环控制，也可以采用闭环反馈控制。

所述车轮差速工况包括：A.在进行转向行驶时，车辆发生横摆运动，导致各车轮轮心处加速度产生差异，造成各轮轮速不同；B.在不平路面行驶时，各轮轮心所经过的轨迹长度存在差异，造成各轮转速不同；C.当各车轮滚动半径不同时，因各轮轮心经过相同的轨迹长度造成的各轮转速不同。

2.所述电子差速控制***包括：主控制器、各轮毂电机及控制器***、CAN总线通讯网络。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法通过采用对轮毂电机转矩指令控制，转速随动的方式，能够适应多种行驶工况，使车轮根据自身受力状态而自由转动，具有更好的差速性能，鲁棒性极强；

2、本发明所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法通过将轮毂电机转速信号闭环反馈实现电机转矩控制，能够模拟传统汽车从动力***到差速器的功率分配特性，使电子差速***控制方式更合理，充分发挥轮毂电机独立驱动的特点；

3、本发明所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法通过在传统车辆车轮受力的基础上考虑悬架和车轮的相互作用力及主动、从动轮问题，建立能够同时反映驱动轮受驱动、制动和路面的作用及车体与车轮相互作用对从动轮运动影响的车轮旋转动力学方程，充分满足了轮毂电机独立驱动车轮的旋转动力学分析要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法流程图；

图2是本发明所述多轴轮毂电机驱动车辆的车轮完整旋转动力学模型示意图；

图3是本发明所述多轴轮毂电机驱动车辆的悬架模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明公开了一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，利用驾驶员期望车速与轮速信号的偏差值，得到驱动电机的目标转矩，通过对各车轮进行转矩控制，并反馈车轮实际转速给整车控制器形成闭环控制，实现对轮毂电机转矩指令控制，转速随动的控制方式，模拟传统汽车从动力***到差速器的功率分配特性，有效避免了各车轮因差速问题出现的打滑现象，保证多轴轮毂电机驱动车辆在转向、不平路面及车轮滚动半径不同三种行驶工况下具有较好的差速性能。

参见图1，本发明所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法主要包括：建立8×8轮毂电机独立驱动车辆车身运动方程；计算车轮轮心处实际运动速度；计算综合车速；计算各驱动电机目标转矩四个步骤。下面分步具体叙述多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法。

包括下列步骤：

第一步，建立8×8轮毂电机独立驱动车辆车身运动方程；

根据车身纵向、侧向、垂向、横摆、俯仰、侧倾运动6个自由度建立坐标系，x轴沿车体纵向对称线，向前为正；y轴通过质心沿汽车横向位置，向右为正；z轴根据右手定则，竖直向下为正。根据车辆受力情况，综合考虑各方向运动之间的影响，车身运动方程由式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算：

纵向运动

侧向运动

垂向运动

式中：M_t——汽车总质量

u——车身纵向速度

v——车身侧向速度

w——车身垂向速度

r——车身横摆角速度

p——车身侧倾角速度

q——车身俯仰角速度

M_s——簧载质量

h'——簧载质量质心至侧倾轴距离

F_f——总行驶阻力

F_xi——各车轮沿x轴方向作用在悬架处的力

F_yi——各车轮沿y轴方向作用在悬架处的力

F_vi——各车轮沿z轴方向作用在悬架处的力

B_i——悬架结构参数

俯仰运动

横摆运动

侧倾运动

式中：I_xxs——簧载质量绕x轴的转动惯量

I_yys——簧载质量绕y轴的转动惯量

I_zzs——簧载质量绕z轴的转动惯量

I_xx——整车绕x轴的转动惯量

I_yy——整车绕y轴的转动惯量

I_zz——整车绕z轴的转动惯量

A_i——悬架结构参数

T——轮距

L_i——平面内各轴到质心的距离

φ——车身侧倾角

参见图2，本发明所述的多轴轮毂电机驱动车辆车轮完整旋转动力学模型示意图。利用式(7)，计算从动轮在非制动时轮心绕接地点p的角加速度：

式中：ω_p——车轮轮心绕接地点p的角速度

r_ω——车轮滚动半径

v_ω——车轮轮心处速度

车轮旋转角加速度和轮心绕接地点处的角加速度相等，式(7)可表示为式(8)：

式中：ω_o——车轮转动角速度

在传统车辆车轮受力基础上考虑悬架和车轮的相互作用力，建立车轮旋转动力学方程如式(9)：

式中：I_w——车轮转动惯量

T_q——车轮驱动力矩

F_d——轮胎与地面之间的纵向力

T_b——制动力矩

M_ω——车轮质量

ξ——作用系数

式(9)中，方程右侧最后一项为由轮轴对从动轮轮心处的作用而在地面上形成的反力，通过该补充项，式(9)可同时表示驱动轮及从动轮动力学问题，利用式(10)确定ξ取值

第二步，计算车轮轮心处实际运动速度；

利用式(11)计算车轮轮心水平运动速度：

式中：v_hi——各车轮轮心水平运动速度

δ_i——各车轮偏转角

参见图3，本发明所述的多轴轮毂电机驱动车辆采用麦弗逊独立悬架，图中C'为簧载质量质心；K_ui、K_si分别为各轮胎及悬架垂向刚度；C_ui、C_si分别为对应阻尼；Z_ri为车轮所处路面的不平度；Z_ui为各车轮质心高度；Z_s为簧上质量质心高度；a_i、b_i、d_i为悬架几何参数。其车轮垂向跳动计算如公式(12)：

式中：M_ui——各车轮处的非簧载质量

w_ui——车轮垂向运动速度

w_ri——车轮处路面不平度变化率

在公式(3)、(4)、(6)、(12)中的悬架结构参数A_i、B_i分别由下式(13)、(14)计算：

利用式(15)计算车轮轮心处实际速度v_wi：

第三步，计算综合车速；

根据油门-车速查表得到驾驶员期望车速值V_R；利用车轮转速，计算得到车辆实际车速V_Z；根据得到的驾驶员期望车速值和车辆实际车速值进行加权计算，得到综合车速值，如式(16)所示：

V_T＝AV_R+BV_Z (16)

式中：V_T——综合车速

A、B——加权系数，通过实验标定；

第四步，计算各驱动电机目标转矩；

以油门踏板开度和当前转向盘转角作为控制输入，根据式(16)计算的综合车速值，利用车辆自身结构几何关系得到各车轮轮心处期望速度；将计算得到的车轮轮心处实际速度和各车轮轮心处期望速度输入到PID控制器中，利用式(17)计算各驱动电机目标转矩：

T_Ti＝K_P(v_Ti-v_wi)+K_I(v_Ti-v_wi)+K_D(v_Ti-v_wi) (17)

式中：T_Ti——各驱动电机目标转矩

v_Ti——各车轮轮心处期望速度

K_P、K_I、K_D——PID控制器参数，通过实验标定；

车轮实际转速由电机驱动转矩和实际车轮受力的平衡点决定，并反馈给整车控制器实现闭环，按转矩指令控制且转速随动的策略以实现各车轮自适应差速，整车控制***根据汽车运动状态输出驱动电机转矩指令信号，使得油门踏板同时控制车速和电机转矩；其中，电机转矩既可以采用开环控制，也可以采用闭环反馈控制。

本发明所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，其特征在于，所述车轮差速工况包括：A.在进行转向行驶时，车辆发生横摆运动，导致各车轮轮心处加速度产生差异，造成各轮轮速不同；B.在不平路面行驶时，各轮轮心所经过的轨迹长度存在差异，造成各轮转速不同；C.当各车轮滚动半径不同时，因各轮轮心经过相同的轨迹长度造成的各轮转速不同。

本发明所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，其特征在于，所述电子差速控制***包括：主控制器、各轮毂电机及控制器***、CAN总线通讯网络。

Claims (3)

1.一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

第一步，建立8×8轮毂电机独立驱动车辆运动方程；

根据车身纵向、侧向、垂向、横摆、俯仰、侧倾运动6个自由度建立坐标系，x轴正向沿车体纵向对称线，向前为正；y轴通过质心沿汽车横向位置，向右为正；z轴根据右手定则，竖直向下为正；建立车身运动方程；

在传统车辆车轮受力基础上考虑悬架和车轮的相互作用力，建立车轮旋转动力学方程如式(1)：

式中：I_w——车轮转动惯量

T_q——车轮驱动力矩

F_d——轮胎与地面之间的纵向力

T_b——制动力矩

M_ω——车轮质量

ξ——作用系数

r_ω——车轮滚动半径

v_ω——车轮轮心处速度

ω_o——车轮转动角速度

式(1)中，方程右侧最后一项为由轮轴对从动轮轮心处的作用而在地面上形成的反力，通过该右侧最后一项，式(1)可同时表示驱动轮及从动轮动力学问题，利用式(2)确定ξ取值：

第二步，计算车轮轮心处实际运动速度；

利用式(3)计算车轮轮心水平运动速度：

式中：v_hi——各车轮轮心水平运动速度

u——车身纵向速度

v——车身侧向速度

r——车身横摆角速度

L_i——平面内各轴到质心的距离

δ_i——各车轮偏转角

利用式(4)计算车轮轮心垂向运动速度w_ui：

式中：M_ui——各车轮处的非簧载质量

w_ui——车轮轮心垂向运动速度

K_ui——轮胎垂向刚度

Z_ri——车轮所处路面的不平度

Z_ui——车轮质心高度

C_ui——轮胎垂向阻尼

w_ri——车轮处路面不平度变化率

F_vi——各车轮沿z轴方向作用在悬架处的力

B_i——悬架结构参数

利用式(5)计算车轮轮心处实际运动速度v_wi：

第三步，计算综合车速；

根据油门-车速查表得到驾驶员期望车速值V_R；利用车轮转速，计算得到车辆实际车速V_Z；根据得到的驾驶员期望车速值和车辆实际车速值进行加权计算，得到综合车速值，如式(6)所示：

V_T＝AV_R+BV_Z (6)

式中：V_T——综合车速

A、B——加权系数，通过实验标定；

第四步，计算各驱动电机目标转矩；

以油门踏板开度和当前转向盘转角作为控制输入，根据式(6)计算的综合车速值，利用车辆自身结构几何关系得到各车轮轮心处期望速度；将计算得到的车轮轮心处实际速度和各车轮轮心处期望速度输入到PID控制器中，利用式(7)计算各驱动电机目标转矩：

T_Ti＝K_P(v_Ti-v_wi)+K_I(v_Ti-v_wi)+K_D(v_Ti-v_wi) (7)

式中：T_Ti——各驱动电机目标转矩

v_Ti——各车轮轮心处期望速度

K_P、K_I、K_D——PID控制器参数，通过实验标定；

车轮实际转速由电机驱动转矩和实际车轮受力的平衡点决定，并反馈给整车控制器实现闭环，按转矩指令控制且转速随动的策略以实现各车轮自适应差速，整车控制***根据汽车运动状态输出驱动电机转矩指令信号，使得油门踏板同时控制车速和电机转矩；其中，电机转矩既可以采用开环控制，也可以采用闭环反馈控制。

2.按照权利要求1所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，其特征在于，车轮差速工况包括：A.在进行转向行驶时，车辆发生横摆运动，导致各车轮轮心处加速度产生差异，造成各轮轮速不同；B.在不平路面行驶时，各轮轮心所经过的轨迹长度存在差异，造成各轮转速不同；C.当各车轮滚动半径不同时，因各轮轮心经过相同的轨迹长度造成的各轮转速不同。

3.按照权利要求1所述的一种多轴轮毂电机驱动车辆的自适应电子差速控制方法，其特征在于，电子差速控制***包括：主控制器、各轮毂电机及控制器***、CAN总线通讯网络。

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