CN102616238B - 车辆中的促动器扭矩的实时分配 - Google Patents

Abstract

一种用于在具有冗余促动器组的车辆的角之间分配力的方法包括确定车辆的重心处的一组期望的力，和利用控制器在车辆的角之间分配该组期望的力，作为虚拟控制指令。该方法还包括将角处的虚拟控制指令映射至角处的实际或真实控制指令，和使用该实际或真实控制指令控制该角处的多个促动器。促动器可包括摩擦制动器和车轮马达。映射虚拟控制指令可包括使用最小平方公式。促动器的控制可被使用加权矩阵划分相对于彼此的优先次序。一种车辆包括控制器，其具有促动器，该控制器被配置为执行上述方法。

Description

车辆中的促动器扭矩的实时分配

技术领域

本披露内容涉及相对于混合动力电或蓄电池电动车的角来分配或分布各马达、摩擦制动器、或其它促动器扭矩。

背景技术

混合动力和蓄电池电动动力传动系控制器自动地管理一个或多个原动机，例如内燃发动机，和/或一个或多个电牵引马达的扭矩输出。附加的促动器，例如摩擦制动器和车轮马达，可直接作用在车辆的每个角处以提供各个水平的期望的制动和推进力。某些整体控制方案可确定理想水平的要被施加在各个角处的力，作为一组虚拟控制指令。

虚拟控制指令至一组实际或真实扭矩控制指令的有效转换通常被称为控制分配问题。在存在冗余促动器组时，例如当使用在车辆的角或各车轮/道路界面处的促动器的数量超过在相同角处被控制的力的数量时，控制分配问题尤其复杂。当具有冗余促动器组时，存在促动器位置的多个组合，其都产生相同的虚拟控制，且由此提供相同的整体系统性能。

发明内容

这里披露了一种方法，用于在具有这种冗余促动器组的车辆的角之间实时地分布或分配实际扭矩指令。如这里使用的，“角”是指车辆的位置，因此通常车辆具有四个角，尽管不是必须如此。车辆包括多个角促动器，例如摩擦制动器或电车轮马达，其超过了在角处被控制的力的数量。这种控制状况也被称为“过促动(overactuation)”。

本方法包括经由控制将虚拟控制指令映射至每个角处的物理/扭矩控制，即实际控制指令。促动器可关于能量效率和/或这里提出的带宽加权矩阵而被区分优先次序和被控制，由此定制特定动力传动系设计/促动器组合的性能。

特别地，用于在具有冗余促动器组的车辆的角之间分配力的方法包括确定车辆的重心处的一组期望的力，和利用控制器在车辆的角之间分配该组期望的力，作为虚拟控制指令。该方法还包括将角处的虚拟控制指令映射至相同角处的实际或真实控制指令，和使用该实际或真实控制指令控制该角处的多个促动器。

用于具有冗余促动器暂时性组的车辆的控制器包括计算设备和有形/非暂时储存器。计算设备被配置为经由处理命令的执行来执行上述方法。

具有冗余促动器组的车辆包括多个驱动车轮，多个促动器，和如上所述配置的控制器，其中驱动车轮每个定位在车辆的不同角处，促动器每个都关于至少一个驱动车辆定位，且包括摩擦制动器和车轮马达。

当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。

附图说明

图1是具有冗余促动器组和配置为在车辆的角处分配实际扭矩指令的控制器的车辆的示意图；

图2是描述图1中的控制器的一个可能实施例的示意性流程图；以及

图3是描述用于在车辆的角处分配实际扭矩指令的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，具有重心(点45)的车辆10被示意性地在图1中示出。根据两个可能实施例，车辆10可被配置为混合动力车(HEV)或蓄电池电动车(BEV)。如果被配置为HEV，车辆10可包括内燃发动机12，如虚线所示。车辆10包括一个或多个电马达14，一个或多个后车轴16，一个或多个前车轴18，以及车轮20、22、24和26，即车辆10的每个角处一个。其它车辆实施例可具有不同数量的角，例如具有三个角的三轮车设计。

在一些实施例中，车辆10还可包括变速器(未示出)，其具有一个或多个离合器，齿轮组等，适于建立期望的速比或扭矩比。图1中所示的特定车辆实施例将不同的马达14定位在每个角处作为车轮马达，尽管马达14可被替换地配置为单个电动发电机单元，其马达扭矩输出被分布至车轮20、22、24和26中的至少一些，如本领域熟知的。

当使用如所示配置的多个马达14时，每个马达14可单独地提供马达扭矩至车轮20、22、24和26中的相应一个。在图1中所示的实施例中的车轮20和22的每个处，摩擦制动器30被定位且被配置为施加制动扭矩至相关联的驱动轮20或22。附加的摩擦制动器也可被定位在驱动轮24和26处的后车轴16上，其配置将增加被控制促动器的数量两个。

仍参考图1，车辆10包括控制器40，其分配一组虚拟控制指令(v)至车辆10的角，然后如下所述从虚拟控制指令(v)映射一组实际/真实扭矩控制指令(u)。控制器40可被配置为数字计算机或其它计算设备，其具有微处理器或中央处理单元，只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、高速时钟、模拟至数字(A/D)和数字至模拟(D/A)电路，和输入/输出电路和设备(I/O)，以及适当的信号调制和缓冲电路。驻留在控制器40内或可由其访问的任意算法，包括用于执行如下所述关于图3的本方法100所需的任意处理命令或代码，可被记录在有形/非暂时性存储器42上且由控制器40的相关联硬件部件按需执行。

存储器42可为任意介质，其参与提供计算机可读数据或处理命令。这种介质可采取许多形式，包括但不限于非挥发性介质和挥发性介质。非挥发性介质可包括，例如光学或磁性盘和其他连续储存器。挥发性介质可包括，例如动态随机访问储存器(DRAM)，其可构成主储存器。这种指令可被一个或多个传输介质传输，包括同轴电缆、铜线和光纤，包括电线(其包括连接到计算机的处理器的系统总线)。存储器42还可包括软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任意其它磁介质、CD-ROM、DVD、任意其它光学介质，等等。

各种促动器可被用于修正不同车辆系统的操作，用于优化车辆控制。摩擦制动器30、马达14和可能的其它促动器使得能利用来自驱动器的、和/或来自半自主或自主系统的输入实现车辆10上精确的力控制。为了示出的目的，摩擦制动器30和马达14在下面被描述为代表性促动器，其控制根据本方法100确定和分配。但是，在本方法100的范围内，其它促动器可被设想和控制。

参考图2，图1的控制器40的逻辑流程被根据一个可能实施例示出。如上所述，控制器40被配置为协调在具有冗余促动器组的车辆的角处的扭矩控制，例如在图1中所示的示例性车辆10上。控制器40可包括指令集成模块110，其监视各个手动驱动输入112和/或传感器指导的自主驱动输入114。指令集成模块110可产生期望的车辆动力学/运动学122且将其传输至车辆动力学模块120。响应该期望的车辆动力学/运动学122，车辆动力学模块120产生期望的车辆力和矩132，例如描述作用在重心(图1中所示的车辆10的点45)的力和矩，且产生得到的车辆动力学/运动学124。

在图2的示例性实施例中，指令集成模块110附加地监视得到的车辆动力学/运动学124，且可使用该得到的车辆动力学/运动学124来提供反馈至期望的车辆动力学/运动学122。促动器监控控制模块130可输入期望的车辆力和矩132和产生一组控制指令142、147和152至各促动器模块140、145和150，例如用于图1中所示的各制动器30和马达14的制动控制模块和/或马达控制处理器。反馈信号144、149和154被从各促动器模块140、145和150提供返回至促动器监控控制模块130，以使得能进行各促动器的闭环反馈控制。

如上所述，控制器40被配置为确定车辆10的重心(图1的点45)处的一组期望的力，和在车辆10的角之间分配该期望的力作为虚拟控制指令(v)，例如期望的角力和矩。控制器40可监视手动驱动输入112和/或传感器指导的自主驱动输入114，和产生期望的车辆动力学/运动学122，其描述车辆10的驾驶员期望的车辆操作。例如，该期望的车辆动力学/运动学122可为期望的车辆纵向、横向力，和偏航矩。

根据一个实施例，控制器40的指令集成模块110可使用反逆车辆动力学模块。附加地，指令集成模块110可监视得到的车辆动力学/运动学124，如上所述。得到的车辆动力学/运动学124可经由传感器或本领域已知类型的测量系统而被产生，例如通过监视偏航率、横向加速度、纵向加速度、轮速、估计的轮胎打滑、车辆质量、轮胎半径、估计的力、和/或估计的车轮和道路表面之间的摩擦力。

使用动力学模型或任意其它适当的装置，控制器40在车辆10的角之间分配在重心(图1的点45)处的力。一旦被分配，控制器40将角处的力映射以最终确定用于各促动器的控制扭矩，然后协调车辆10的每个角处的扭矩控制。该过程将参考图3进行详细解释。

参考图3，本方法100可由图1的控制器40执行，以将车辆10的角处的一组虚拟控制指令(v)转换为一组实际/真实控制指令(u)。以步骤102开始，控制器40首先确定每个角处的角力，即图1中所示的车辆10的四个角实例中的F_X1、F_X2、F_X3和F_X4。换句话说，在步骤102，控制器40考虑下面的方程：

$\left[\begin{array}{c}{F}_X\\ F_Y\\ G_Z\end{array}\right]=A_F^{3x4}\left[\begin{array}{c}{F}_{X1}\\ F_{X2}\\ F_{X3}\\ F_{X4}\end{array}\right]$

其中F_X和F_Y是在图1中所示的车辆10的重心(点45)处的沿各纵向和横向方向作用的力，G_Z是重心(点45)处的偏航矩。A_F是四个角力(F_X1，...，F_X4)的矩阵。步骤102可包括使用传感器和/或如上所述的适当的动力学模型，或任意其他适当的装置，潜在地包括假设在稳定速度下在线性行进的状态中角处具有大致相等的力。当期望的力已被在角之间分配时，方法100进行至步骤104。

在步骤104处，控制器40针对上面分配的力组建立扭矩对力的关系的公式。一个可能的公式是关系v＝Bu，其中B是提供传递函数的矩阵，其映射期望的力至实际扭矩。例如，使用图1的车辆10，该车辆具有四个马达14和两个摩擦制动器30：

$v=\left[\begin{array}{c}{F}_{X1}\\ F_{X2}\\ F_{X3}\\ F_{X4}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{N_{\mathrm{fg}}}{r_w}& 0& 0& 0& \frac{1}{r_w}& 0\\ 0& \frac{N_{\mathrm{fg}}}{r_w}& 0& 0& 0& \frac{1}{r_w}\\ 0& 0& \frac{N_{\mathrm{fg}}}{r_w}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{N_{\mathrm{fg}}}{r_w}& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{T}_{m1}\\ T_{m2}\\ T_{m3}\\ T_{m4}\\ T_{f1}\\ T_{f2}\end{array}\right]$

其中(N_fg)是前进挡的齿轮比，(r_w)是驱动轮20、22、24、26的半径，T_m1-T_m4是每个马达14的实际/真实控制扭矩，T_f1和T_f2是每个摩擦制动器30的控制扭矩。换句话说，实际控制指令(u)提供期望的输出指令，且经由传递函数矩阵(B)处理。方法100然后进行至步骤106。

在步骤106，控制器40继续映射虚拟控制指令(v)至实际控制指令(u)。下面的方程可被控制器40应用：

||W_u(u-u_des)||²+γ||W_v(Bu-v)||²

其中W_u和W_v是校准的加权矩阵，如下所述。如果存在多个可能的方案，控制器40选择最优方案。如果不存在方案，控制器40可确定最接近的可能的方案。即，控制器40可使用加权最小平方法(weightedleastsquares)，其中：

u＝argmin||Wu(u-u_des)||²+γ||W_v(Bu-v)||²

γ＞＞1是整数，其被选择用于强调初始(Bu-v)应被最小化。在该方程中，(u_des)是期望的控制输入，(W_u)和(W_v)是加权矩阵。矩阵(W_u)允许促动器优先化，即允许选择图1的车辆10上的哪一个促动器应被优先使用。当(Bu-v)无解时，矩阵(W_v)允许控制优先化。由此：

${\left|\right|\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}{W}_{v}B\\ W_u\end{array}\right]u-\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}{W}_{v}v\\ W_u{u}_{\mathrm{des}}\end{array}\right]\left|\right|}^2={\left|\right|\mathrm{Au}-b\left|\right|}^2$

在图1中所示的车辆10的示例性实施例中，具有六个促动器，即四个马达14和两个摩擦制动器30。这些促动器可任意标记为(1)-(6)，矩阵(W_v)和(W_u)标注如下：

$W_v=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{Wv}\left(1\right)& 0& 0& 0\\ 0& \mathrm{Wv}\left(2\right)& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{Wv}\left(3\right)& 0\\ 0& 0& 0& \mathrm{Wv}\left(4\right)\end{array}\right]$

$W_u=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{Wu}\left(1\right)& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& \mathrm{Wu}\left(2\right)& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{Wu}\left(3\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \mathrm{Wu}\left(4\right)& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& \mathrm{Wu}\left(5\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& \mathrm{Wu}\left(6\right)\end{array}\right]$

从该公式，控制器40可定义矩阵A和B如下：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}\frac{N_{\mathrm{fg}}{W}_v\left(1\right)}{r_w}& 0& 0& 0& {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}\frac{W_v\left(1\right)}{r_w}& 0\\ 0& {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}\frac{N_{\mathrm{fg}}{W}_v\left(2\right)}{r_w}& 0& 0& 0& {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}\frac{W_v\left(2\right)}{r_w}\\ 0& 0& {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}\frac{N_{\mathrm{rg}}{W}_v\left(3\right)}{r_w}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}\frac{N_{\mathrm{rg}}{W}_v\left(4\right)}{r_w}& 0& 0\\ \mathrm{Wu}\left(1\right)& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& \mathrm{Wu}\left(2\right)& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{Wu}\left(3\right)& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \mathrm{Wu}\left(4\right)& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& \mathrm{Wu}\left(5\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& \mathrm{Wu}\left(6\right)\end{array}\right]$

$b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}{F}_{X1}\\ {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}{F}_{X2}\\ {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}{F}_{X3}\\ {\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}{F}_{X4}\\ T_{\mathrm{dm}1}{W}_u\left(1\right)\\ T_{\mathrm{dm}2}{W}_u\left(2\right)\\ T_{\mathrm{dm}3}{W}_u\left(3\right)\\ T_{\mathrm{dm}4}{W}_u\left(4\right)\\ T_{\mathrm{df}1}{W}_u\left(5\right)\\ T_{\mathrm{df}2}{W}_u\left(6\right)\end{array}\right]$

在上述矩阵中，组[T_dm1，T_dm2，T_dm3，T_dm4，T_df1，和T_df2]是用于马达扭矩(m1-m4)和摩擦制动器(f1，f2)的期望的实际控制指令(u)。为了最大化再生制动的使用，控制器40可设定期望的摩擦扭矩T_df1和T_df2为零，由此将马达14优先于制动器30使用。其它促动器同样可被选择性地限制以提供期望的动力传动系操作，或用于以其它方式调整各个促动器的性能。

控制器40可最小化函数

${\left|\right|\mathrm{Au}-b\left|\right|}_2^2={(\mathrm{Au}-b)}^T(\mathrm{Au}-b)=(b^T-u^T{A}^T)..$ 如本领域技术人员应认识到的，存在实际控制指令(u)的二次方程，且由此具有全局最小量。控制器40可由此取导且将其设定为零，即：

AT^Au-A^Tb＝0

存在逆矩阵(A^TA)，由此导致封闭形式的方案。

在步骤108，控制器40可然后使用(如上确定的)实际控制指令(u)协调每个角处的扭矩控制。增加附加的促动器，例如图1的后车轴(一个或多个)16处的两个制动器30，将仅增加上面的公式中使用的矩阵的大小，例如如果八个促动器被使用以代替图1中所示的六个示例性促动器则使用4×8矩阵。

因此，使用控制器40和上述方法100，可重复使用的优选方案被提供用于实时优化车辆上的监控的扭矩控制和分配。通过修正矩阵以适合特定车辆构造和使用的促动器的数量/类型，方法100可被配置用于其它HEV和BEV设计，如上所述。例如，如果蓄电池可从前和后马达接收能量，则可调整控制器40从而仅再生制动被使用，如上所述。在替换实例中，后马达14可被用于制动，前马达被加速以给蓄电池充电，且摩擦制动器被用于抵消前马达和制动前轮。依此方式，开发时间和成本可被减少。

虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。

Claims (9)

1.一种用于在具有冗余促动器组的车辆的角部之间分配力的方法，所述冗余促动器组具有多个促动器，该方法包括：

确定在车辆的重心处的一组期望的力；

使用控制器将该组期望的力在车辆的角部之间分配为虚拟控制指令；

映射角部处的虚拟控制指令至角部处的实际控制指令；和

使用该实际控制指令控制角部处的所述多个促动器；

其中在车辆的角部处使用的促动器的数量超过在角部处被控制的力的数量；

其中确定车辆的重心处的一组期望的力包括使用车辆动力学模型。

2.如权利要求1所述的方法，其中控制多个促动器包括控制多个摩擦制动器和多个车轮马达。

3.如权利要求1所述的方法，其中映射虚拟控制指令包括使用最小平方公式。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：使用加权矩阵划分促动器的控制相对于彼此的优先次序。

5.一种用于具有冗余促动器组的车辆的控制器，所述冗余促动器组具有多个促动器，该控制器可被操作用于在车辆的角部之间分配力，该控制器包括：

计算设备；和

有形/非暂时性储存器，用于在角部之间分配力的处理命令被记录在该储存器上；

其中计算设备被配置为经由处理命令的执行用于：

确定在车辆的重心处的一组期望的力；

将该组期望的力在车辆的角部之间分配为虚拟控制指令；

使用最小平方公式映射角部处的虚拟控制指令至角部处的实际控制指令；和

使用该实际控制指令控制角部处的所述多个促动器；

其中在车辆的角部处使用的促动器的数量超过在角部处被控制的力的数量。

6.如权利要求5所述的控制器，其中控制多个促动器包括控制多个摩擦制动器和多个车轮马达。

7.一种具有冗余促动器组的车辆，所述冗余促动器组具有多个促动器，所述车辆包括：

多个驱动轮，其每个都被定位在车辆的不同角部处；

多个促动器，其每个都相对于驱动轮中的至少一个定位，所述促动器包括摩擦制动器和车轮马达；和

控制器，其被配置为在车辆的角部之间分配力；

其中该控制器被配置用于：

确定在车辆的重心处的一组期望的力；

使用控制器将该组期望的力在车辆的角部之间分配为虚拟控制指令；

映射角部处的虚拟控制指令至角部处的实际控制指令；和

使用该实际控制指令控制该多个促动器；

其中在车辆的角部处使用的促动器的数量超过在角部处被控制的力的数量。

8.如权利要求7所述的车辆，其中该车辆被配置为混合动力电动车和电池电动车中的一种。

9.如权利要求7所述的车辆，其中控制器被配置为使用加权矩阵划分促动器的控制相对于彼此的优先次序。