一种基于滑移率的四驱电动汽车转矩控制分配方法

摘要

本发明公开了一种基于滑移率的四驱电动汽车转矩控制分配方法，针对四驱电动汽车，进行滑移率计算和轮胎力控制分配，然后根据滑移率判断轮胎是否处于稳定状态，若汽车处于稳定状态，则通过轮胎逆模型求解目标滑移率，进行滑移率控制，实现车轮转矩分配；若汽车处于不稳定状态，则利用滑模极值搜索算法控制车轮转矩，实现最优滑移率和最大轮胎力。该方法考虑轮胎的动力学特性，基于滑移率对轮胎力进行准确控制，同时能够防止车轮滑移率过大，出现车轮抱死或滑转，有效提高四驱电动汽车的动力学安全性能。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆动力学控制领域，特别是一种基于滑移率的四驱电动汽车转矩控制分配方法。

背景技术

基于轮毂电机的四轮独立驱动电动汽车，四个车轮转矩独立可控，可以通过转矩控制分配提高车辆的动力学性能，增加了动力学控制自由度。此外电机既可以进行驱动，也可以进行制动，相比于传统内燃机和液压制动系统，其转矩响应速度和控制精度都较高，有利于改善动力学控制系统的性能。因此，四轮独立驱动电动汽车在动力学控制方面具有明显的优势，近年来逐渐成为一个研究热点。

车轮转矩控制分配是四驱电动汽车动力学控制的一个重要方面，目前关于转矩控制分配的研究，主要包括安全和节能两方面的优化目标，如以稳定性控制广义力跟踪误差、轮胎力利用附着系数等表示安全性控制指标，以驱动系统能量效率表示节能指标。然后利用最优化控制方法，得到各个车轮的期望轮胎力，然后通过车轮半径得到期望车轮转矩，作为执行器的输入指令，实现动力学控制。

在车轮转矩控制分配中，车轮转矩通过轮胎的动力学特性，才可以得到期望轮胎力，因此轮胎的动力学特性不可忽视。而目前关于车轮转矩分配的研究中，主要侧重在轮胎力的控制分配阶段，通过控制车轮转矩实现轮胎力过程通常被忽略。而轮胎力控制的一个主要参量就是滑移率，因此，基于滑移率控制，考虑轮胎的动力学特性，进行四驱电动汽车的转矩控制分配具有重要意义。同时，滑移率控制过程中，需要防止车轮滑移率过大，出现车轮抱死或滑转，影响车辆安全性。这也对目前的基于滑移率的控制带来了挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的四驱电动汽车转矩控制分配方法，该方法考虑轮胎的动力学特性，基于滑移率对轮胎力进行准确控制，同时能够防止车轮滑移率过大，出现车轮抱死或滑转，有效提高四驱电动汽车的动力学安全性能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

一种基于滑移率的四驱电动汽车转矩控制分配方法，其特征在于包括如下主要步骤：

S1：车辆运行过程中采集加速、制动和方向盘转角信号，得到汽车的实际滑移率和纵向力需求，根据约束条件，进行轮胎力控制分配，得到期望轮胎力；

S2：根据汽车实际滑移率判定汽车的稳定状态；

S3：根据汽车的稳定状态，选择控制方法：若汽车处于稳定状态，则将期望轮胎力作为目标滑移率求解模块的输入信号，利用轮胎逆模型求解目标滑移率，然后通过反馈闭环控制使滑移率在安全约束范围内，实现目标滑移率，得到各个车轮的转矩输入，将车轮转矩输入分配给车辆执行器；

若汽车处于不稳定状态，则利用滑模极值搜索控制搜索出最佳滑移率，并通过控制得到各个车轮的转矩输入，将车轮转矩输入分配给车辆执行器，使实际滑移率保持在最优滑移率附近；

S4：电机和液压执行器对得到的需求转矩输入快速响应，输出实际的电机转矩和制动转矩，并将实际输入信息反馈给车辆。

进一步的，步骤S1中，轮胎力控制分配时，将轮胎滑移率功率损耗最小作为优化目标，同时考虑执行器的静态约束，决策四个车轮的期望轮胎力。

进一步的，步骤S1中，将轮胎滑移功率损耗最小作为优化目标：

同时满足约束条件：

其中P为轮胎的滑移功率损耗，F_xid为第i个车轮的目标轮胎力，V_x为纵向车速，S_xi为第i个车轮实际纵向滑移率，F_x为汽车总的纵向力。

进一步的，步骤S2中，根据汽车实际滑移率判断汽车的稳定状态，设定某一个滑移率作为门限值，若实际滑移率大于门限值，则判定此时汽车处于不稳定状态；反之，若实际滑移率小于或等于门限值，则判定此时汽车处于稳定状态。

进一步的，步骤S3中，若汽车处于稳定状态，在将轮胎力控制分配后，利用目标滑移率求解模块，推导出轮胎逆模型，将期望轮胎力转化目标滑移率

其中表示第i个车轮目标纵向滑移率，C_Si分别为第i个车轮的滑移刚度，μ为路面附着系数，F_yid为第i个车轮的期望侧向力，F_zid为第i个车轮的期望载荷。

进一步的，步骤S3中，求出目标滑移率之后，建立被控对象模型和滑模控制器，实现标的目标滑移率控制，最终得到各个车轮的转矩输入。

进一步的，步骤S3中，若汽车处于不稳定状态，则利用滑模极值搜索控制模块，通过在线不断的搜寻“轮胎纵向力--滑移率”曲线的极大值点，此极大值点即为最优滑移率然后通过控制使实际滑移率保持在最优滑移率附近。

进一步的，步骤S4中，将车轮转矩输入分配给车辆电机和液压制动系统，输出实际的电机转矩和制动转矩。

综上，本发明公开了一种四驱电动汽车转矩控制分配方法，针对四驱电动汽车，进行轮胎力控制分配，然后根据滑移率判断轮胎是否处于稳定状态，考虑轮胎的动力学特性，若汽车处于稳定状态，则通过轮胎逆模型求解目标滑移率，进行滑移率控制，实现车轮转矩分配；若汽车处于不稳定状态，则利用滑模极值搜索算法控制车轮转矩，使滑移率保持在最优滑移率附近。包括轮胎力控制分配、稳定性判断、目标滑移率求解、滑移率控制、滑模极值搜索控制五个模块。其中：1)轮胎力控制分配模块，是以轮胎滑移功率损耗最小作为优化目标，决策四个车轮的期望轮胎力，作为目标滑移率求解模块的输入信号；2)稳定性判断模块，是根据实际滑移率和设定的滑移率门限值来判断汽车是否处于稳定状态。3)目标滑移率求解模块，是汽车处于稳定状态时，根据期望轮胎力，利用轮胎逆模型求解目标滑移率，作为滑移率控制模块的控制目标；4)滑移率控制模块，是通过反馈闭环控制使滑移率在安全约束范围内，实现目标滑移率，得到各个车轮的转矩输入；5)滑模极值搜索控制模块，是汽车处于不稳定状态时，利用滑模极值搜索控制方法控制车轮转矩，实现最大轮胎力和最优滑移率。本发明考虑轮胎的动力学特性，基于滑移率约束控制实现转矩控制分配，可以有效提高车辆的动力学安全性。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一，考虑轮胎的动力学特性，在进行轮胎力控制分配后，进行滑移率控制，并考虑轮胎的没滑移状态。汽车处于稳定状态时利用轮胎逆模型求解目标滑移率，并进行滑移率控制，此方法能更加准确的进行车轮转矩分配。

其二，在汽车处于不稳定状态进行滑移率控制时，利用滑模极值搜索方法确定最优滑移率和最大轮胎力，防止车轮滑转和抱死，保证车轮转矩分配的安全性。

附图说明

图1是根据本发明实施的基于滑移率的四驱电动汽车转矩控制分配方法所涉及的四驱电动汽车转矩控制系统结构框图流程图；

图2是本发明所用的滑模极值搜索方法基于的轮胎纵向力特性；

图3是本发明滑模极值搜索算法原理图。

具体实施方式

本发明针对四驱电动汽车，进行滑移率计算和轮胎力控制分配，然后根据滑移率判断轮胎是否处于稳定状态，若汽车处于稳定状态，则通过轮胎逆模型求解目标滑移率，进行滑移率控制，实现车轮转矩分配；若汽车处于不稳定状态，则利用滑模极值搜索算法控制车轮转矩，实现最优滑移率和最大轮胎力。包括轮胎力控制分配、稳定性判断、目标滑移率求解、滑移率控制、滑模极值搜索控制五个模块。其中：1)轮胎力控制分配模块，是以轮胎滑移功率损耗最小作为优化目标，决策四个车轮的期望轮胎力，作为目标滑移率求解模块的输入信号；2)稳定性判断模块，是根据实际滑移率和设定的滑移率门限值来判断汽车是否处于稳定状态。3)目标滑移率求解模块，是汽车处于稳定状态时，根据期望轮胎力，利用轮胎逆模型求解目标滑移率，作为滑移率控制模块的控制目标；4)滑移率控制模块，是通过反馈闭环控制使滑移率在安全约束范围内，实现目标滑移率，得到各个车轮的转矩输入；5)滑模极值搜索控制模块，是汽车处于不稳定状态时，利用滑模极值搜索控制方法求出最优滑移率并对实际滑移率进行滑模控制，使其实现最优滑移率。本发明考虑轮胎的动力学特性，基于滑移率约束控制实现转矩控制分配，可以有效提高车辆的动力学安全性。

本发明具体控制结构如附图1所示，接下来结合附图对本发明的方法进一步说明：

建立如图1所示的分层控制结构，本发明的方法包括以下模块的分别控制，包括轮胎力控制分配、稳定性判断、目标滑移率求解、滑移率控制、滑模极值搜索控制五个模块。

在轮胎力控制分配模块，将轮胎滑移功率损耗最小作为优化目标：

同时满足约束条件：

其中F_xid为第i(i＝1,2,3,4)个车轮的期望纵向轮胎力，V_x为纵向车速，S_xi为第i个车轮实际纵向滑移率，F_x为汽车的总纵向力。

在稳定性判断模块，利用实际滑移率确定汽车是否处于稳定状态：

设定某一滑移率门限值，将实际滑移率与门限值进行比较来确定汽车是否处于稳定状态。

汽车实际滑移率：

其中S_xi表示第i(i＝1,2,3,4)个车轮实际纵向滑移率，ω_xi为第i个车轮的转速，R_i为第i个车轮的半径，V_x为纵向车速

若S_xi>门限值，则汽车处于不稳定状态，反之，若S_xi≤门限值，则汽车处于稳定状态。

在目标滑移率求解模块，利用Dugoff轮胎模型，推导出有关滑移率的逆模型：

Dugoff的轮胎模型可表示为：

其中F_yid为第i个车轮的期望侧向轮胎力，表示第i个车轮目标纵向滑移率，为第i个车轮的目标侧偏角，C_Si和C_αi分别为第i个车轮的滑移刚度和侧偏刚度，为第i个车轮的轮胎动态参数；

满足以下准则：

其中μ为路面附着系数；F_zid为第i个车轮的期望载荷。

设

再经过逆推导可得：

其中表示第i个车轮目标纵向滑移率。

在滑移率控制模块，利用滑模控制期望的滑移率值，建立滑模控制滑移率的模型，设计控制器及被控对象的程序，进性仿真求解，最终得到电机和液压控制的目标需求。

通过单轮模型建立汽车纵向动态运动方程：

其中M为1/4汽车质量，V_x为汽车纵向车速，F_xi为第i个车轮的实际纵向轮胎力，F_w为1/4汽车空气阻力，J_i为第i个车轮的转动惯量，ω_xi为第i个车轮的转速，R_i为第i个车轮的半径，T_i第i个车轮的驱动转矩。

设x₁＝V_x；x₂＝ω_xi；x₃＝S_xi，则有：

其中μ为路面附着系数，

F_zi为第i个车轮的实际载荷。

对滑移率求导：

其中

设滑模面为

滑模控制律分为两部分：等效控制和切换控制即

当时，可求出

设不连续控制为：

其中N为不连续增益。

则：

在滑模极值搜索控制模块，通过在线不断的搜寻“轮胎纵向力--滑移率”曲线的极值点，如图2所示，在曲线的最高处得到对应的最大轮胎力和最优滑移率。汽车在路面上驱动行驶时，轮胎纵向力特性曲线呈现出先增后减的特性，滑模极值搜索控制恰好可以快速准确地搜索到系统的最优值，即最优滑移率和最大轮胎力。

如图3所示，首先构造对应的滑模面，再设计控制率，求出滑模函数的可达条件，搜索出最大轮胎力和最优滑移率，为了防止车轮滑转和抱死，最后根据搜索出的值对驱动力矩进行计算，从而进行控制。

滑模极值搜索算法的滑模面为：

s₂＝F_xi(S_xi)-ρt；

式中F_xi为第i(i＝1,2,3,4)个车轮的实际纵向轮胎力，ρ为常数，t为时间。

选择滑移率导数为控制律：

式中，k和β均为正常数。其中2β是sin函数的周期，影响滑移率切换控制的频率。

滑模极值搜索算法的滑模可达条件为：

表明s₂在任意的初始值条件下，均会收敛kβ，k＝(0，±1，±2，…)。kβ即一系列滑模面，它保证了任意初始值条件下滑模可达性。由于：

s₂＝kβ＝F_xi(S_xi)-ρt；

直线驱动时，F_xi以ρ的斜率不断增大，直到追踪到驱动力的极值。代表驱动力-滑移率曲线的斜率，当该斜率大于时，驱动力一直增加且接近曲线的极大值点(极大值点即为最优滑移率)，直到滑模可达条件不能满足时停止搜索。

驱动力矩的计算：

汽车纵向动态运动方程与滑模控制模块相同，根据

可得到：

电机和液压执行器对得到的需求转矩快速响应，输出实际的电机转矩和制动转矩，并将实际输入信息反馈给车辆。