一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法

摘要

本发明公开了一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法，包括以下步骤：S1、提取横摆角速度偏差和实际质心侧偏角组成特征状态；S2、基于可拓理论，计算出不同集合状态下的可拓协调控制的关联函数；S3、根据上述关联函数确定关联函数在不同集合状态下对应的差动助力矩权重系数以及横摆力矩权重系数；S4、建立差动助力转向控制器并结合差动助力矩权重系数得到差动助力矩；S5、建立横摆力矩控制器并结合横摆力矩权重系数得到横摆力矩；S6、根据实际车速信息并通过PID控制获取达到目标车速所需的总驱动转矩；S7、对差动助力矩、横摆力矩、总驱动转矩进行分配，并建立约束条件以满足汽车在不同状态下对转矩调节的不同要求。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法。

背景技术

轮毂电机驱动电动汽车以其四轮转矩独立可控的特点，在汽车稳定性控制及转向助力方面有着显著的优势。

在转向助力方面，通过调节转向轮的驱动转矩，进而改变左右转向轮的驱动力，使得该驱动力差值作用在转向系中，为驾驶员转向提供助力，该过程称为差动助力转向(differential drive assisted steering，简称DDAS)。在轮毂电机驱动电动汽车中，DDAS不仅能够代替电动助力转向(EPS)的作用，还能够简化转向系结构，降低整车质量及成本。但是，在DDAS工作过程中，左右转向轮驱动力的改变会引入额外的横摆力矩，对汽车的稳定性产生影响。一方面，在汽车安全行驶状态下，该横摆力矩减小了汽车不足转向量，并间接减小了转向盘转矩。另一方面，助力产生过大的正横摆力矩，有可能使汽车迅速变为过度转向，趋于不稳定，发生危险。因此，为了保证汽车行驶的稳定性，在趋于失稳时需要加入横摆力矩控制，这样不仅拓展了DDAS的工作范围，还能提高整车稳定性，当保证助力效果难以维持汽车行驶稳定性时，需要取消DDAS，只对汽车进行横摆力矩控制，最大可能地保证整车稳定性。所以，如何提高装备差动助力转向系统电动汽车的稳定性具有重要意义。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法。

本发明提出的轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法，包括以下步骤：

S1、获取汽车参考横摆角速度，且获取汽车实际横摆角速度、实际质心侧偏角，并对汽车参考横摆角速度与实际横摆角速度进行差值计算得到横摆角速度偏差，并提取横摆角速度偏差和实际质心侧偏角组成特征状态；

S2、基于可拓理论，并根据特征状态对可拓理论的可拓集合进行划分，并计算出不同集合状态下的可拓协调控制的关联函数；

S3、根据上述关联函数对可拓集合协调权重进行划分，以确定关联函数在不同集合状态下对应的差动助力矩权重系数以及横摆力矩权重系数；

S4、建立差动助力转向控制器并结合差动助力矩权重系数得到差动助力矩；

S5、建立横摆力矩控制器并结合横摆力矩权重系数得到横摆力矩；

S6、获取车辆实际车速信息，根据实际车速信息并通过PID控制获取达到目标车速所需的总驱动转矩；

S7、对差动助力矩、横摆力矩、总驱动转矩进行分配，分别在可拓集合不同位置下建立约束条件以满足汽车在不同状态下对转矩调节的不同要求。

优选地，步骤S1具体包括采集汽车动力学模型的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度ω_r，并获取参考横摆角速度并对实际横摆角速度ω_r和参考横摆角速度进行差值运算得到横摆角速度偏差Δω_r，提取特征量实际质心侧偏角β和横摆角速度偏差Δω_r，组成特征状态S(Δω_r,β)；

优选地，通过双轨二自由度线性模型获得参考横摆角速度所述双轨二自由度线性模型为：

其中，δ为前轮转角，v为车速，m为汽车质量，I_z为汽车绕z轴的转动惯量，l_f为质心到前轴的距离，l_r为质心到后轴的距离，l_w为轮距，k_i为轮胎侧偏刚度，α_i为轮胎侧偏角，T_wi为轮毂电机转矩，i＝1，2,3,4。

优选地，步骤S2具体包括根据特征状态S(Δω_r,β)将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域，并计算出不同集合状态下的可拓协调控制的关联函数；

优选地，域值边界划分方法具体包括：

对纵坐标横摆角速度偏差采用公差带划分法，其中经典域为即令经典域边界值可拓域为即令可拓域边界值其中常系数C₁、C₂取值范围分别为0.01～0.1和0.1～0.2，由此确定了横摆角速度偏差的经典域和可拓域边界；

在横坐标划分中，可拓域边界为β₂＝arctan(0.02μg)，μ为路面附着系数；经典域边界通过横摆角速度增益的线性区和非线性区的界限确定，在某一车速下给前轮转角输入逐渐增大的正弦转角，得到前轮转角和横摆角速度的关系曲线，观察曲线中线性区和非线性区可得，当前轮转角小于极限值δ_max时，横摆角速度和前轮转角呈现线性关系，据此拟合出不同车速下前轮转角极限值δ_max与车速v关系式，即

其中，a、b、c、d为拟合数据；

将δ_max单独输入到双轨二自由度参考模型式中可确定此时的经典域边界值β₁；

根据特征状态在可拓集合的位置，计算出可拓协调控制的关联函数K(S)；

其中，D(P₃,＜P₅,P₂＞,＜P₄,P₁＞)＝ρ(P₃,＜P₅,P₂＞)-ρ(P₃,＜P₄,P₁＞)；

P₃为某一时刻的特征状态，P₁、P₂、P₄、P₅为该时刻下，线段|0P₃|所在直线与经典域、可拓域边界的交点，则：

优选地，步骤S3具体包括对特征状态进行划分，根据关联函数K(S)对可拓集合协调控制权重划分如下：

当K(S)≥1时，特征状态S(Δω_r,β)处在经典域中，此时汽车稳定性较好，在该情况下取差动助力矩权重γ_t＝1，横摆力矩权重γ_m＝0；

当0≤K(S)＜1时，特征状态S(Δω_r,β)处于可拓域中，汽车行驶趋于不稳定，取γ_t＝K(S)，γ_m＝1-K(S)；

当K(S)＜0时，特征状态S(Δω_r,β)处于非域中，此时汽车转向行驶将处于不稳定状态，取γ_t＝0，γ_m＝1。

优选地，步骤S4具体包括建立差动助力转向控制器，根据汽车动力学模型获得车速v、转向盘转角θ、侧向加速度a_y以及实际转向盘转矩T_s，根据下式计算得到参考转向盘转矩：

其中，m_i、n_i、z_i、g_i、h_i为常系数，i＝1,2；

将参考转向盘转矩T_dsw和实际转向盘转矩T_s作差，通过PID控制得到差动助力矩，再乘以差动助力矩权重γ_t，得到满足稳定性控制所需的差动助力矩ΔT；计算公式如下：

其中，k_p、k_t、k_d为PID控制参数。

优选地，步骤S5具体包括建立横摆力矩控制器，根据双轨二自由度线性参考模型所确定的β^*以及汽车动力学模型反馈的实际横摆角速度ω_r和实际质心侧偏角β，求得横摆角速度偏差Δω_r及其微分质心侧偏角偏差Δβ及其微分并将横摆角速度偏差Δω_r及其微分作为横摆角速度模糊控制器的输入量、将质心侧偏角偏差Δβ及其微分作为质心侧偏角模糊控制器的输入量，再根据横摆角速度控制模糊规则和质心侧偏角控制模糊规则计算出所需横摆力矩ΔM_zω和ΔM_zβ，再根据汽车特征状态，计算出维持整车稳定性所需的横摆力矩ΔM_z如下：

其切换规则为：

当特征状态处于经典域时，横摆力矩控制器不工作；

当特征状态处于可拓域时，采用横摆角速度控制；

当特征状态处于非域时，需采用质心侧偏角控制确定横摆力矩。

优选地，步骤S6具体包括根据实际车速信息与目标车速的偏差，并通过PID控制获取总驱动转矩T_q。

优选地，步骤S7具体包括：

优选地，采用二次规划法对所得的力矩ΔT、ΔM_z、T_q进行优化分配，得到四轮目标转矩；

二次规划法包含的二次规划目标函数如下所示：

其中，F_zi为各轮垂向力，r_w为车轮有效半径，T_wi为可拓协调控制系统所求的目标转矩；

约束条件根据特征状态所处可拓集合的位置进行选择：

当特征状态处于经典域时，建立约束如下：

当特征状态处于可拓域时，建立约束如下：

当特征状态处于非域时，建立约束如下：

其中，T_w1为汽车左前轮的转矩，T_w2为汽车右前轮的转矩，T_w3为汽车左后轮的转矩，T_w4为汽车右后轮的转矩。

本发明旨在提供一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法，该方法基于可拓理论对汽车的行驶状态进行划分，对应可拓集合中的经典域、可拓域和非域，在汽车趋于失稳(可拓域)和失稳状态(非域)时加入横摆力矩控制，确定差动助力转向系统和横摆力矩控制系统的协调控制范围，提高装配差送助力转向系统电动汽车的转向行驶稳定性；进一步地，本发明选用汽车的质心侧偏角和横摆角速度偏差作为特征状态提取量，且当上述特征状态处于不同的集合状态时采用不同的控制策略以协调横摆力矩和差动转向力矩，针对汽车不同行驶状态完成四轮驱动转矩的优化分配，从而拓展差动助力转向DDAS的工作范围，有效地提高了整车的稳定性，降低危险发生的可能性，保证汽车在行驶过程中的安全性。

附图说明

图1为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法的步骤示意图；

图2为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中可拓集合的结构示意图；

图3为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.8时的仿真结果图；

图4为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.8时的仿真结果图；

图5为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.8时的仿真结果图；

图6为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.8时的仿真结果图；

图7为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.4时的仿真结果图；

图8为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.4时的仿真结果图；

图9为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.4时的仿真结果图；

图10为一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法中当路面附着系数为0.4时的仿真结果图。

具体实施方式

如图1、图2所示，图1、图2为本发明提出的一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法。

参照图1、图2，本发明提出的轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法，包括以下步骤：

S1、获取汽车参考横摆角速度，且获取汽车实际横摆角速度、实际质心侧偏角，并对汽车参考横摆角速度与实际横摆角速度进行差值计算得到横摆角速度偏差，并提取横摆角速度偏差和实际质心侧偏角组成特征状态；

具体包括采集汽车动力学模型的实际质心侧偏角β和实际横摆角速度ω_r，并获取参考横摆角速度并对实际横摆角速度ω_r和参考横摆角速度进行差值运算得到横摆角速度偏差Δω_r，提取特征量实际质心侧偏角β和横摆角速度偏差Δω_r，组成特征状态S(Δω_r,β)；

优选地，通过双轨二自由度线性模型获得参考横摆角速度所述双轨二自由度线性模型为：

其中，δ为前轮转角，v为车速，m为汽车质量，I_z为汽车绕z轴的转动惯量，l_f为质心到前轴的距离，l_r为质心到后轴的距离，l_w为轮距，k_i为轮胎侧偏刚度，α_i为轮胎侧偏角，T_wi为轮毂电机转矩，i＝1，2,3,4。

S2、基于可拓理论，并根据特征状态对可拓理论的可拓集合进行划分，并计算出不同集合状态下的可拓协调控制的关联函数；

具体包括根据特征状态S(Δω_r,β)将可拓集合划分为经典域、可拓域和非域，并计算出不同集合状态下的可拓协调控制的关联函数；

优选地，域值边界划分方法具体包括：

对纵坐标横摆角速度偏差采用公差带划分法，其中经典域为即令经典域边界值可拓域为即令可拓域边界值其中常系数C₁、C₂取值范围分别为0.01～0.1和0.1～0.2，由此确定了横摆角速度偏差的经典域和可拓域边界；

在横坐标划分中，可拓域边界为β₂＝arctan(0.02μg)，μ为路面附着系数；经典域边界通过横摆角速度增益的线性区和非线性区的界限确定，在某一车速下给前轮转角输入逐渐增大的正弦转角，得到前轮转角和横摆角速度的关系曲线，观察曲线中线性区和非线性区可得，当前轮转角小于极限值δ_max时，横摆角速度和前轮转角呈现线性关系，据此拟合出不同车速下前轮转角极限值δ_max与车速v关系式，即

其中，a、b、c、d为拟合数据；

将δ_max单独输入到双轨二自由度参考模型式中可确定此时的经典域边界值β₁；

根据特征状态在可拓集合的位置，计算出可拓协调控制的关联函数K(S)；

其中，D(P₃,＜P₅,P₂＞,＜P₄,P₁＞)＝ρ(P₃,＜P₅,P₂＞)-ρ(P₃,＜P₄,P₁＞)；

P₃为某一时刻的特征状态，P₁、P₂、P₄、P₅为该时刻下，线段|0P₃|所在直线与经典域、可拓域边界的交点，则：

S3、根据上述关联函数对可拓集合协调权重进行划分，以确定关联函数在不同集合状态下对应的差动助力矩权重系数以及横摆力矩权重系数；

具体包括对特征状态进行划分，根据关联函数K(S)对可拓集合协调控制权重划分如下：

当K(S)≥1时，特征状态S(Δω_r,β)处在经典域中，此时汽车稳定性较好，在该情况下取差动助力矩权重γ_t＝1，横摆力矩权重γ_m＝0；

当0≤K(S)＜1时，特征状态S(Δω_r,β)处于可拓域中，汽车行驶趋于不稳定，取γ_t＝K(S)，γ_m＝1-K(S)；

当K(S)＜0时，特征状态S(Δω_r,β)处于非域中，此时汽车转向行驶将处于不稳定状态，取γ_t＝0，γ_m＝1。

S4、建立差动助力转向控制器并结合差动助力矩权重系数得到差动助力矩；

具体包括建立差动助力转向控制器，根据汽车动力学模型获得车速v、转向盘转角θ、侧向加速度a_y以及实际转向盘转矩T_s，根据下式计算得到参考转向盘转矩：

其中，m_i、n_i、z_i、g_i、h_i为常系数，i＝1,2；

将参考转向盘转矩T_dsw和实际转向盘转矩T_s作差，通过PID控制得到差动助力矩，再乘以差动助力矩权重γ_t，得到满足稳定性控制所需的差动助力矩ΔT；计算公式如下：

其中，k_p、k_t、k_d为PID控制参数。

S5、建立横摆力矩控制器并结合横摆力矩权重系数得到横摆力矩；

具体包括建立横摆力矩控制器，根据双轨二自由度线性参考模型所确定的β^*以及汽车动力学模型反馈的实际横摆角速度ω_r和实际质心侧偏角β，求得横摆角速度偏差Δω_r及其微分质心侧偏角偏差Δβ及其微分并将横摆角速度偏差Δω_r及其微分作为横摆角速度模糊控制器的输入量、将质心侧偏角偏差Δβ及其微分作为质心侧偏角模糊控制器的输入量，再根据横摆角速度控制模糊规则和质心侧偏角控制模糊规则计算出所需横摆力矩ΔM_zω和ΔM_zβ，再根据汽车特征状态，计算出维持整车稳定性所需的横摆力矩ΔM_z如下：

其切换规则为：

当特征状态处于经典域时，横摆力矩控制器不工作；

当特征状态处于可拓域时，采用横摆角速度控制；

当特征状态处于非域时，需采用质心侧偏角控制确定横摆力矩。

S6、获取车辆实际车速信息，根据实际车速信息并通过PID控制获取达到目标车速所需的总驱动转矩；具体包括根据实际车速信息与目标车速的偏差，并通过PID控制获取总驱动转矩T_q。

S7、对差动助力矩、横摆力矩、总驱动转矩进行分配，分别在可拓集合不同位置下建立约束条件以满足汽车在不同状态下对转矩调节的不同要求；

具体包括：

优选地，采用二次规划法对所得的力矩ΔT、ΔM_z、T_q进行优化分配，得到四轮目标转矩；

二次规划法包含的二次规划目标函数如下所示：

其中，F_zi为各轮垂向力，r_w为车轮有效半径，T_wi为可拓协调控制系统所求的目标转矩；

约束条件根据特征状态所处可拓集合的位置进行选择：

当特征状态处于经典域时，建立约束如下：

当特征状态处于可拓域时，建立约束如下：

当特征状态处于非域时，建立约束如下：

其中，T_w1为汽车左前轮的转矩，T_w2为汽车右前轮的转矩，T_w3为汽车左后轮的转矩，T_w4为汽车右后轮的转矩。

本实施方式所提出的方法旨在提供一种轮毂电机驱动电动汽车差动助力转向稳定性控制方法，该方法基于可拓理论对汽车的行驶状态进行划分，对应可拓集合中的经典域、可拓域和非域，在汽车趋于失稳(可拓域)和失稳状态(非域)时加入横摆力矩控制，确定差动助力转向系统和横摆力矩控制系统的协调控制范围，提高装配差送助力转向系统电动汽车的转向行驶稳定性；进一步地，本方法所建立的控制系统采用上下两层结构，各层控制职责清晰，层次性好，且所设计控制系统选择汽车的质心侧偏角和横摆角速度偏差为特征量，在不同的区域中采用不同的控制策略以协调横摆力矩和差动转向力矩，针对汽车不同行驶状态完成四轮驱动转矩的优化分配，从而拓展DDAS的工作范围，有效提高整车稳定性；将二维可拓集合中的可拓矩转换到一维可拓集合中计算，简化关联函数计算，该方法可进行进一步推广。

为验证本方法的可行性和准确性，以下结合一个具体对上述方法进行验证：采用双移线工况，车速为80km/h，路面附着系数为0.8时，仿真结果如图3-图6所示。当路面附着系数为0.4时，仿真结果如图7-图10所示。本次仿真中C₁、C₂取值分别为0.05和0.15，a、b、c和d分别为0.05、0.00667、0.575和13.333；m₁＝0.018、n₁＝0.67、z₁＝g₁＝2.18、h₁＝-0.3、m₂＝0.006、n₂＝0.71、z₂＝2.5、g₂＝0.5和h₂＝-6.9。在高附着系数路面，采用本发明方法时，汽车实际行驶路径与期望路径的横向误差和纵向误差均有较大改善，横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度有着明显地减小，拓展了差动助力转向系统的适应范围；在低附着系数路面，若只有差动助力转向工作，仿真进行到13s时，汽车失稳，若采用横摆力矩进行可拓协调控制，则进一步提高了汽车的稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。