CN113002320B - 一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动车辆主动安全技术领域，特别是涉及一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置及其控制方法，所述电动车自适应电机驱动装置与电动车的油门、轮毂电机***以及车轮连接；所述电动车自适应电机驱动装置包括驾驶员意图解释器、自适应控制单元、电源和车轮传感器；本驾驶员意图解释器根据油门深度获得期望的驾驶速度和加速度，并将信号传递给自适应控制单元，同时车轮传感器实时监测车轮的速度信号，也将车轮信号传递给自适应控制单元，自适应控制单元内含自适应算法，根据接收的信号控制电源输出对应电流，使得轮毂电机系输出合适的力矩，实现电动车辆即使装配不同型号的轮胎都能自适应的输出期望的速度。

Description

一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置及其控制 方法
发明内容
本发明的一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置，所述电动车自适应电机驱动装置与电动车的油门、轮毂电机***以及车轮连接；
所述电动车自适应电机驱动装置包括驾驶员意图解释器、自适应控制单元、电源和车轮传感器；
驾驶员意图解释器连接油门、以及自适应控制单元，用于根据油门深度获得期望速度和期望加速度，并将获得的期望速度和期望加速度信号传递给自适应控制单元；
车轮传感器与车轮以及自适应控制单元连接，用于实时监测车轮的实际速度信号，并将车轮实际速度信号传递给自适应控制单元；
电源与自适应控制单元以及轮毂电机***连接，根据接收的期望速度信号和实际速度信号，通过控制电源向轮毂电机***输出的电流，从而控制轮毂电机***输出的力矩，最终实现电动车辆即使装配不同的轮胎都能自适应的输出期望的速度。
本发明的一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置的控制方法，包括如下步骤：
S1，根据油门深度获得期望速度Vm和期望加速度
Figure GDA00038993064100000110
设电动车辆踏板总行程为L，驾驶员踩油门踏板的深度为L′，电动车辆可达到的最高车速为Vmax，考虑到实际踩油门车辆速度不会立刻达到对应的期望速度，而是存在一定的延迟之后，于是，油门踏板的深度为L′时，对车辆的期望速度Vm可用下式计算得到：
Figure GDA0003899306410000011
其中，G(s)为二阶惯性环节，
Figure GDA0003899306410000012
其中，λ1，λ2均为控制系数，本发明中采用λ1＝0.1和λ2＝1，s为Laplace变换中的复变数；
计算期望速度Vm对应的一阶导数
Figure GDA0003899306410000013
Figure GDA0003899306410000014
就是期望加速度，驾驶员意图解释器并把期望速度Vm和期望加速度
Figure GDA0003899306410000015
传递给自适应控制单元；
S2，根据车轮速度ω和车轮加速度
Figure GDA0003899306410000016
计算车辆速实际速度V和车辆实际加速度
Figure GDA0003899306410000017
根据监测车轮速度ω和车轮加速度
Figure GDA0003899306410000018
可得到车辆速实际速度V和车辆实际加速度
Figure GDA0003899306410000019
计算方式如下，
Figure GDA0003899306410000021
其中，V为根据车轮速度ω计算得到的车辆实际速度，
Figure GDA0003899306410000022
为根据车轮加速度
Figure GDA0003899306410000023
计算得到的车辆实际加速度，R为车轮半径。
S3，设计车轮估计转动惯量自适应律及电源电流控制规律，计算电源输出电流，通过控制电源电流，从而控制轮毂***输出的驱动力矩，最终使得车辆实际速度V与期望速度Vm相等；
设计车轮估计转动惯量的自适应律如下，
Figure GDA0003899306410000024
其中，γ为严格正实数，
Figure GDA0003899306410000025
设计如下的电源电流控制规律，
Figure GDA0003899306410000026
其中，i为输出到轮毂电机***的电源电流，λ为控制参数，是一个严格正实数；
Figure GDA0003899306410000027
为车轮估计转动惯量，
Figure GDA0003899306410000028
车辆速度误差；k为轮毂电机***的电磁力矩系数；
Figure GDA0003899306410000029
附图说明
图1为本发明的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置，所述电动车自适应电机驱动装置与电动车的油门、轮毂电机***以及车轮连接；
所述电动车自适应电机驱动装置包括驾驶员意图解释器、自适应控制单元、电源和车轮传感器；
驾驶员意图解释器连接油门、以及自适应控制单元，用于根据油门深度获得期望速度和期望加速度，并将获得的期望速度和期望加速度信号传递给自适应控制单元；
车轮传感器与车轮以及自适应控制单元连接，用于实时监测车轮的实际速度信号，并将车轮实际速度信号传递给自适应控制单元。
电源与自适应控制单元以及轮毂电机***连接，所述的自适应控制单元内含自适应算法，根据接收的期望速度信号和实际速度信号，通过控制电源向轮毂电机***输出的电流，从而控制轮毂电机***输出的力矩，最终实现电动车辆即使装配不同的轮胎都能自适应的输出期望的速度。
所述的驾驶员意图解释器，用于根据油门深度获得期望速度和期望加速度，具体方法如下，
设电动车辆踏板总行程为L，驾驶员踩油门踏板的深度为L′，电动车辆可达到的最高车速为Vmax，考虑到实际踩油门车辆速度不会立刻达到对应的期望速度，而是存在一定的延迟之后，于是，油门踏板的深度为L′时，对车辆的期望速度Vm可用下式计算得到：
Figure GDA0003899306410000031
其中，G(s)为二阶惯性环节，
Figure GDA0003899306410000032
其中，λ1，λ2为控制系数，根据不同的驾驶风格选取不同的系数值；本发明中选取λ1＝0.1和λ2＝1，从而保证经过式(2)的信号响应快速、而超调误差又不会过大，从而保证精度可靠。s为Laplace变换中的复变数。同时公式(1)保证计期望速度至少存在对应的一阶导数
Figure GDA0003899306410000033
和二阶导数
Figure GDA0003899306410000034
这对自适应算法的设计是必要的，驾驶员意图解释器将期望的车速Vm，及其对应的一阶导数
Figure GDA0003899306410000035
传递给自适应控制单元。
所述的车轮传感器用于实时监测车轮速度ω和车轮加速度
Figure GDA0003899306410000036
实际的车轮速度以及加速度可以转换为车辆速实际速度和车辆实际加速度，计算方式如下，
Figure GDA0003899306410000037
其中，V为根据轮速计算得到的车辆实际速度，
Figure GDA0003899306410000038
为根据车轮加速度计算得到的车辆实际加速度，R为车轮半径，
所述的车轮传感器将车轮速度和车轮加速度信号计算得到车辆实际速度V和车辆实际加速度
Figure GDA0003899306410000039
并传递给自适应控制单元。
所述自适应控制单元，内含自适应算法，如下，
车轮转动可用下式描述，
Figure GDA00038993064100000310
其中，J为车轮实际转动惯量，车辆安装的轮胎不同，车轮对应的转动惯量也不同；T为电动汽车轮毂电机***输出的驱动力矩；
轮毂电机***输出的驱动力矩直接由电流控制，可以用下式描述，
T＝ki (5)
其中，i为电源提供的电流，k为轮毂电机***的电磁力矩系数。
结合公式(4)和(5)可知，自适应控制单元可以通过控制电源电流，从而控制轮毂电机***输出力矩，实现车轮轮速变化也即是车速变化，但由于电动车可能装配不同的车轮轮胎，使得车轮实际转动惯量J未知，因此需要对车轮转动惯量进行估计，设车轮估计转动惯量为
Figure GDA0003899306410000041
车轮转动惯量估计误差
Figure GDA0003899306410000042
为，
Figure GDA0003899306410000043
车轮转动惯量估计误差
Figure GDA0003899306410000044
的导数为，
Figure GDA0003899306410000045
并且定义车辆速度误差
Figure GDA0003899306410000046
为，
Figure GDA0003899306410000047
其中，V是车辆实际速度，Vm是车辆期望速度
根据公式(7)可以得到车辆速度误差的导数
Figure GDA0003899306410000048
为，
Figure GDA0003899306410000049
考虑到车轮实际转动惯量J未知，设计如下的电源电流控制规律，
Figure GDA00038993064100000410
其中，λ为控制参数，是一个严格正实数；
Figure GDA00038993064100000411
为车轮估计转动惯量，
Figure GDA00038993064100000412
车辆速度误差；k为轮毂电机***的电磁力矩系数。
形如公式(9)这样的控制策略，里面包含了车轮估计转动惯量
Figure GDA00038993064100000413
以及其期望速度V和车辆速度误差
Figure GDA00038993064100000414
这样可以使得即便车轮实际转动惯量J未知，车轮也能按照驾驶员的期望而运动。
式(4)和(5)代入式(9)可得，车辆速度误差的动态方程，
Figure GDA00038993064100000415
Figure GDA00038993064100000416
令
Figure GDA00038993064100000417
并把式(6)代入式(11)可得，
Figure GDA0003899306410000051
式(8)代入式(12)可得，
Figure GDA0003899306410000052
定义Lyapunov函数如下，
Figure GDA0003899306410000053
其中，γ为严格正实数，从而保证了公式(14)表示的Lyapunov函数为正定函数；并且公式(14)表示的Lyapunov函数的导数是负定的，那么就可以保证车轮运动是符合期望运动的。
从而得到其导数为，
Figure GDA0003899306410000054
其中，由于
Figure GDA0003899306410000055
而车轮的转动惯量是未知的，且是慢时变的，也即转动惯量不会快速变化，所以
Figure GDA0003899306410000056
所以
Figure GDA0003899306410000057
设计车轮估计转动惯量的自适应律如下，
Figure GDA0003899306410000058
式(16)代入式(15)中可以得到，
Figure GDA0003899306410000059
式(13)代入式(17)再得到，
Figure GDA00038993064100000510
上式为负定，保证了整个自适应控制律的收敛，也即表明在设计的电流控制规律式(9)和车轮估计转动惯量自适应律式(16)下，车辆速度误差会收敛到0，从而实现实际车辆速度按照驾驶员期望速度运行，自适应控制单元控制电流规律为：
Figure GDA0003899306410000061
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的方法设计以及参数调试，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置的控制方法，其特征在于，所述电动车自适应电机驱动装置与电动车的油门、轮毂电机***以及车轮连接；所述电动车自适应电机驱动装置包括驾驶员意图解释器、自适应控制单元、电源和车轮传感器；
驾驶员意图解释器连接油门、以及自适应控制单元，用于根据油门深度获得期望速度和期望加速度，并将获得的期望速度和期望加速度信号传递给自适应控制单元；
车轮传感器与车轮以及自适应控制单元连接，用于实时监测车轮的实际速度信号，并将车轮实际速度信号传递给自适应控制单元；
电源与自适应控制单元以及轮毂电机***连接，根据接收的期望速度信号和实际速度信号，通过控制电源向轮毂电机***输出的电流，从而控制轮毂电机***输出的力矩，最终实现电动车辆即使装配不同的轮胎都能自适应的输出期望的速度；
所述控制方法包括如下步骤：
S1，根据油门深度获得期望速度Vm和期望加速度
Figure FDA0003899306400000011
设电动车辆踏板总行程为L，驾驶员踩油门踏板的深度为L′，电动车辆可达到的最高车速为Vmax，考虑到实际踩油门车辆速度不会立刻达到对应的期望速度，而是存在一定的延迟之后，于是，油门踏板的深度为L′时，对车辆的期望速度Vm可用下式计算得到：
Figure FDA0003899306400000012
其中，G(s)为二阶惯性环节，
Figure FDA0003899306400000013
其中，λ1，λ2为控制系数，s为Laplace变换中的复变数；
计算期望速度Vm对应的一阶导数
Figure FDA0003899306400000014
Figure FDA0003899306400000015
就是期望加速度，驾驶员意图解释器并把期望速度Vm和期望加速度
Figure FDA0003899306400000016
传递给自适应控制单元；
S2，根据车轮速度ω和车轮加速度
Figure FDA0003899306400000017
计算车辆速实际速度V和车辆实际加速度
Figure FDA0003899306400000018
根据监测车轮速度ω和车轮加速度
Figure FDA0003899306400000021
可得到车辆速实际速度V和车辆实际加速度
Figure FDA0003899306400000022
计算方式如下，
Figure FDA0003899306400000023
其中，V为根据车轮速度ω计算得到的车辆实际速度，
Figure FDA0003899306400000024
为根据车轮加速度
Figure FDA0003899306400000025
计算得到的车辆实际加速度，R为车轮半径；
S3，设计车轮估计转动惯量自适应律及电源电流控制规律，计算电源输出电流，通过控制电源电流，从而控制轮毂***输出的驱动力矩，最终使得车辆实际速度V与期望速度Vm相等；
设计车轮估计转动惯量的自适应律如下，
Figure FDA0003899306400000026
其中，γ为严格正实数，
Figure FDA0003899306400000027
设计如下的电源电流控制规律，
Figure FDA0003899306400000028
其中，i为输出到轮毂电机***的电源电流，λ为控制参数，是一个严格正实数；
Figure FDA0003899306400000029
为车轮估计转动惯量，
Figure FDA00038993064000000210
车辆速度误差；k为轮毂电机***的电磁力矩系数；
Figure FDA00038993064000000211
2.根据权利要求1所述一种匹配不同轮胎的电动车自适应电机驱动装置的控制方法，其特征在于，λ1＝0.1和λ2＝1。
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