CN101028797A - 用于车辆牵引力控制系统的车轮最佳滑转率实时识别方法 - Google Patents

Abstract

用于车辆牵引力控制系统的车轮最佳滑转率实时识别方法，涉及车辆牵引力控制系统中对车轮打滑的判定及车轮打滑时的最佳滑转率的获取技术，是在车辆牵引力控制系统中设置一车轮最佳滑转率识别模块，其输入端与驱动轮上的车轮转速/转矩传感器连接，输出端与车辆牵引力控制器连接。该模块基于车轮的固有参数：车轮半径、车轮绕轮心的转动惯量，根据各驱动车轮上的车轮转速/转矩传感器输入的瞬时车轮转速与转矩信号，即可判定车轮是否打滑，并确定打滑车轮的最佳滑转率，车轮打滑状态与最佳滑转率输入车辆牵引力控制器以实现车辆的牵引力控制。本发明明显提高车辆牵引力控制系统对车轮打滑现象的控制效果，并使其控制实时性更强，且成本降低。

Description

用于车辆牵引力控制系统的车轮最佳滑转率实时识别方法

技术领域

本发明涉及车辆牵引力控制系统中对车轮是否打滑的判定及车轮打滑时的最佳滑转率的获取技术，特别是车辆车轮打滑时的最佳滑转率简单、有效的确定方法。

背景技术

轮胎与地面之间的附着特性与轮胎滑转率之间的关系为：设λ_p为附着系数最大点对应的滑转率，在滑转率λ＜λ_p时纵向附着系数随滑转率增加而增加，同时侧向附着系数保持较大值，也就是说在该区域车辆既可保持较大驱动力又具有较大侧向力从而保持车辆的稳定性。而在λ＞λ_p时纵向附着系数随滑转率增加而减小且侧向附着系数也快速减小，这意味着车辆传动系给车轮的驱动力越大而地面作用于车辆的驱动力越小，并且侧向力也快速减小，使车辆失去稳定性。车辆牵引力控制的目的是改善车辆动力性并保持车辆的稳定性。车辆牵引力控制的一个重要变量就是滑转率，目标是控制车轮的滑转率处于λ＜λ_p范围。λ_p是车轮是否打滑的标志，因为在λ＞λ_p时，车辆传动系作用于车轮的驱动力不能转化为车辆行驶的驱动力而是被打滑的车轮消耗掉。在但λ_p与轮胎及地面的类型关系密切，不同的轮胎在同一种路面上λ_p不同，同一种轮胎在不同路面上λ_p也差别很大。因此λ_p的确定成为车辆牵引力控制系统的一个最关键变量，它直接影响牵引力控制的性能。

目前国内外均没有可靠而准确的方法来确定λ_p，在实际牵引力控制系统中，多是预先在控制器中保存几个靠经验数据确定的滑转率，在控制器作用过程中靠查表方法，从预存的数据中选一个近似的滑转率，作为目标滑转率，这种方法确定的最佳滑转率路面适应性差，且无法准确确定车轮是否处于打滑状态，因此需要将车轮及车辆的加减速度也作为控制变量，以监测车轮是否打滑，这使控制系统变得复杂且效果有限，成本较高，大大影响了牵引力控制系统在车辆上的应用。

发明内容

本发明目的是提出一种可以在车辆牵引力控制系统中，准确判断车辆车轮是否打滑，并实时确定车轮最佳滑转率的方法。通过该方法实时判定车辆驱动车轮是否打滑，并获得车轮打滑时车轮与路面之间的最佳滑转率，从而使车辆牵引力控制系统仅以滑转率为控制变量，即可在各种行驶路面上获得良好性能，简化了车辆牵引力控制系统结构，降低系统成本，并使其路面适应性大大增加。

本发明是在车辆牵引力控制系统中，设置一车轮最佳滑转率识别模块6，车轮最佳滑转率识别模块6的输入端与各驱动车轮上的车轮转速/转矩传感器3连接，车轮最佳滑转率识别模块6的输出端与车辆牵引力控制器7连接。

车轮最佳滑转率识别模块6是基于车体的固有参数：车轮半径、车轮绕轮心的转动惯量，根据各驱动车轮上的车轮转速/转矩传感器3输入的瞬时车轮转速与转矩，并按函数式计算出车轮滑转率λ及ε、σ的值。

上述的函数式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=\frac{\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w-v}{\mathrm{\&omega;}{r}_w},\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w\&GreaterEqual;v\\ \mathrm{\&lambda;}=\frac{v-\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w}{v},\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w<v\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{d(T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}})}{\mathrm{dt}},\mathrm{\&sigma;}=\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

λ-车轮滑转率；

v-车速(m/s)；

ω-驱动车轮转速(rad/s)；

r_w-车轮半径(m)；

T_m-作用于车轮的驱动转矩(N.m)；

I_w-车轮绕轮心的转动惯量(kg.m2)；

根据ε、σ值的正负，设置flag为车轮是否处于滑转状态的标志变量，判断车轮打滑状态及车轮打滑时的最佳滑转率λ_p，其判定规则为：

(1)若ε＜0且flag＝0，则表示车轮由不打滑过渡为打滑，此时将flag赋值为1，并记录该时刻的滑转率λ_k作为最佳滑转率λ_p，即λ_p＝λ_k；

(2)若ε＜0且flag＝1或者ε×σ＜0，则表示车轮处于持续打滑状态，此时保持λ_p不变；

(3)若ε×σ＞0且flag＝1，则表示车轮由打滑状态恢复到不打滑状态，此时将flag赋值为0，且令λ_p＝0。

输出flag和λ_p至车辆牵引力控制器7，车辆牵引力控制器7根据flag与λ_p的值，决定是否对车轮驱动力进行控制。

若flag＝0，则表示车轮没有打滑，不必对车轮驱动力进行调节；

若flag＝1，则车辆牵引力控制器7以λ_p为目标滑转率，根据输入的λ_p以及λ_p与此刻车轮对应的滑转率λ_k的差，产生控制作用，改变系统的转矩指令，使车轮始终保持在不打滑状态。

本发明的积极效果在于：

(1)车轮与路面之间最佳滑转率的实时获取，一直是车辆牵引力控制领域尚没有得到有效解决的技术难题，本发明为这一技术难题的解决，提供了简便可行的方案，其简化了传统车辆牵引力控制系统的控制变量，明显提高车辆牵引力控制系统对车轮打滑现象的控制效果，并使其控制实时性更强，而且成本也得到降低。

(2)本发明使车辆牵引力控制系统在各种行驶工况或行驶路面上均可以控制车轮驱动力保持最大，因此使汽车动力性、通过性及稳定性得到大幅提高，特别是在一些附着特性变化大的路面如沙地上行驶时效果更明显。

(3)由于车轮是否打滑可实时监测，使利用车轮转速识别汽车其他运动学参数成为可能，如车速、横摆角速度等。

附图说明

图1为最佳滑转率应用于车辆牵引力控制系统的技术方案示意图

其中：1.车轮  2.驱动半轴  3.车轮转速/转矩传感器  4.主减速器  5.车速获取模块6.车轮最佳滑转率识别模块  7.车辆牵引力控制器

图2为轮胎与路面之间的典型纵向附着特性曲线图

图3为附着系数与滑转率特性关系图

图4为对应最大附着系数的滑转率识别规则流程图

具体实施方式

以下结合附图对本发明实现施方式作进一步详细说明。

本发明具体实现的技术方案如图1所示。在车辆的驱动半轴2与主减速器4之间安装一台车轮转矩/转速传感器3，用以检测驱动车轮的转矩与转速。车速获取模块5仍采用传统车辆牵引力控制系统检测车速的方法，得到车辆车速信号。驱动车轮的驱动转矩与转速信号及车速信号，输入车轮最佳滑转率识别模块6。车轮最佳滑转率识别模块6根据前述识别方法，判定车轮是否打滑并记录最佳滑转率，然后将车轮滑转状态与最佳滑转率输入车辆牵引力控制器7，实现牵引力控制。

下面对车轮滑转状态判定及车轮最佳滑转率识别原理做详细说明：

车轮的运动方程为：

$I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}=T_m-F_d\&CenterDot;r_w---\left(3\right)$

式中：

T_m-车辆传动系传给车轮的转矩(N.m)；

F_d-路面与轮胎之间的摩擦力(N)；

I_w-车轮惯量(kg.m²)；

ω-车轮转速(rad/s)；

V-车体速度(m/s)；

r_w-车轮半径(m)；

F_d是路面给轮胎的反作用力，也是车辆行驶的牵引力，它等于车轮垂直载荷与轮胎和路面之间附着系数的乘积，即：

F_d＝N·u(λ)                                                      (4)

式中，N为车轮对地面的垂直压力(N)，u(λ)为轮胎与路面之间的附着系数，它是车轮滑转率λ的函数。

式(4)也可写为

$u\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{F_d}{N}---\left(5\right)$

由式(3)可得

$F_d=\frac{T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}}}{r_w}---\left(6\right)$

由式(5)、(6)可得：

$u\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{1}{N{r}_w}(T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}})---\left(7\right)$

由式(7)可知，轮胎与路面之间的附着系数可表示为车轮与地面之间正压力N、车轮半径r_w、车轮驱动转矩T_m、车轮转速ω的函数。

轮胎与路面之间的典型纵向附着特性曲线如图2，设λ_p为附着系数u达到最大值u_max时的滑移率。图3为

的变化特性曲线。由图3可以看出，当λ＜λ_p时， $\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{d\&lambda;}}>0,$ 此时，附着系数随滑转率增加而增加，车轮没有滑转，车轮运动状态处于稳定区；λ＞λ_p时， $\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{d\&lambda;}}<0,$ 附着系数随滑转率增加而减小，车轮开始滑转，车轮运动状态进入非稳定区。由此可见

的符号表示了车轮是否打滑。

在车辆行驶时，轮胎与路面的之间的附着系数u，滑转率λ的变化存在时间历程，故下式成立：

$\frac{\mathrm{du}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{\mathrm{d\&lambda;}}=\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{d\&lambda;}}---\left(8\right)$

与

是同符号的，因此可通过 值的正负来表示 的正负。也就是说可以利用轮胎与路面之间的附着系数对时间的导数及滑转率对时间的导数来表征车轮是否打滑及监测车轮的运动状态。

根据附着系数与滑转率特性(图2所示)可以看出存在以下规律：

对于加速转动的车轮：

1)当车轮工作状态进入非稳定区(λ＞λ_p)时，附着系数随时间增加而减小，滑转率随时间增加而增加。此时有：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}<0,\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}>0.---\left(9\right)$

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}<0---\left(10\right)$

2)当车轮工作状态在稳定区(λ≤λ_p)时，附着系数随时间增加而增加，滑转率随时间增加而增加此时有：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&GreaterEqual;0,\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}>0.---\left(11\right)$

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}>0---\left(12\right)$

对于减速转动的车轮：

3)当车轮工作状态处于非稳定区(λ＞λ_p)时，附着系数随时间增加而增加，滑转率随时间增加而减小。此时有：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}>0,\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}<0---\left(13\right)$

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}<0---\left(14\right)$

4)当车轮工作状态在稳定区(λ≤λ_p)时，附着系数随时间增加而减小，滑转率随时间增加而减小。此时有：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&le;0,\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}<0.---\left(15\right)$

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}>0---\left(16\right)$

根据以上分析，可以看出，车轮运动状态由稳定区进入非稳定区即开始出现滑转时，可由 $\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}<0$ 表征。而车轮工作状态是否由非稳定区回到稳定区可由 $\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}>0$ 表征。由式(7)得：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(\frac{1}{N{r}_w}(T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}})\right)}{\mathrm{dt}}---\left(17\right)$

对路面附着系数而言，在车轮正压力一定时，它只与路面性质及轮胎特性有关。另外，相对于车轮转动来说，车辆载荷转移的变化及车轮半径的变化可以认为是大惯量系统的变化，因此可以将车轮正压力及车轮半径作为常数对待，故有：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{N{r}_w}\frac{d(T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}})}{\mathrm{dt}}---\left(18\right)$

车轮滑转率由下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_i{r}_w-v_{\mathrm{wi}}}{{\mathrm{\&omega;}}_i{r}_w}{,{\mathrm{\&omega;}}_{i}r}_w\&GreaterEqual;v_{\mathrm{wi}}\\ \mathrm{\&lambda;}=\frac{v_{\mathrm{wi}}-{\mathrm{\&omega;}}_i{r}_w}{v_{\mathrm{wi}}}{,\mathrm{\&omega;}}_i{r}_w<v_{\mathrm{wi}}\end{array}\right.---\left(19\right)$

式中ω_i是第i个车轮的转速，v_wi是第i个车轮的轮心速度。

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{d(T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}})}{\mathrm{dt}},\mathrm{\&sigma;}=\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}---\left(20\right)$

在实际应用中，判断车轮打滑与否的识别规则示意图如图4所示。具体为：

(1)设flag为车轮是否处于滑转状态的标志变量，即flag＝1为车轮没有打滑，flag＝0为车轮打滑。为变量ε、σ、flag进行初始化，即ε＝0：σ＝0；flag＝1。

(2)根据检测到的车轮上转矩/转速，计算ε、σ。

判断ε、ε×σ的正负。若ε＜0且flag＝1则表示车轮由不打滑过渡为打滑，此时将flag赋值为0，并记录该时刻的滑转率λ作为最佳滑转率；若ε×σ＜0则表示车轮处于打滑状态，若ε×σ＞0且flag＝0则表示车轮由打滑状态恢复到不打滑状态，此时为将flag赋值为1。

Claims (5)

1.一种用于车辆牵引力控制系统的车轮最佳滑转率实时识别方法，其特征在于在车辆牵引力控制系统中设置一车轮最佳滑转率识别模块(6)，车轮最佳滑转率识别模块(6)的输入端与各驱动车轮上的车轮转速/转矩传感器(3)连接，车轮最佳滑转率识别模块(6)的输出端与车辆牵引力控制器(7)连接。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的车轮最佳滑转率识别模块(6)是基于车体的固有参数：车轮半径、车轮绕轮心的转动惯量，根据各驱动车轮上的车轮转速/转矩传感器(3)输入的瞬时车轮转速与转矩，并按函数式计算出车轮滑转率λ及ε、σ的值。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的函数式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=\frac{\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w-v}{{\mathrm{\&omega;r}}_w}\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w\&GreaterEqual;v\\ \mathrm{\&lambda;}=\frac{v-\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w}{v}\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;r_w<v\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{d(T_m-I_w\frac{\mathrm{d\&omega;}}{\mathrm{dt}})}{\mathrm{dt}},$

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{\mathrm{d\&lambda;}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

λ-车轮滑转率；

v-车速(m/s)；

ω-驱动车轮转速(rad/s)；

r_w-车轮半径(m)；

T_m-作用于车轮的驱动转矩(N.m)；

I_w-车轮绕轮心的转动惯量(kg.m2)；

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于根据ε、σ值的正负，设置flag为车轮是否处于滑转状态的标志变量，判断车轮打滑状态及车轮打滑时的最佳滑转率λ_p，其判定规则为：

(1)若ε＜0且flag＝0，则表示车轮由不打滑过渡为打滑，此时将flag赋值为1，并记录该时刻的滑转率λ_k作为最佳滑转率λ_p，即λ_p＝λ_k；

(2)若ε＜0且flag＝1或者ε×σ＜0，则表示车轮处于持续打滑状态，此时保持λ_p不变；

(3)若ε×σ＞0且flag＝1，则表示车轮由打滑状态恢复到不打滑状态，此时将flag赋值为0，且令λ_p＝0。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于输出falg和λ_p至车辆牵引力控制器(7)，车辆牵引力控制器(7)根据flag与λ_p的值，决定是否对车轮驱动力进行控制。

若flag＝0，则表示车轮没有打滑，不必对车轮驱动力进行调节；

若flag＝1，则车辆牵引力控制器7以λ_p为目标滑转率，根据输入的λ_p以及λ_p与此刻车轮对应的滑转率λ_k的差，产生控制作用，改变系统的转矩指令，使车轮始终保持在不打滑状态。

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