CN103786602B - 基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，包括：理想差动转向助力曲线获取步骤，根据车辆纵向车速和转向盘力矩获取差动转向助力曲线；参考横摆角速度计算步骤，根据转向盘转角和车辆行驶参数计算理想横摆角速度目标值作为参考横摆角速度；附加横摆转矩计算步骤，实时跟踪计算出的参考横摆角速度，通过前馈控制和反馈控制计算附加横摆转矩；纵向力分配步骤，根据理想差动转向助力曲线和附加横摆转矩分配前轴左右轮和后轴左右轮的驱动力矩。与现有技术相比，本发明在减小驾驶员操纵负担的同时也提高了整车横摆角速度响应，从而有效地改善了整车操纵性能。

Description

基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车控制方法，尤其是涉及一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法。

背景技术

发展节能环保安全的电动汽车(EV)被认为是解决未来能源、环境问题及实现主动安全最有希望的措施之一。分布式驱动电动汽车多个电机独立驱动，电机的输出转矩独立精确可控，在电机能力范围内各车轮转矩可按照任意比例分配，甚至一侧驱动一侧制动，其整车结构紧凑，传动效率高，因此分布式驱动电动汽车被认为是未来电动汽车发展的重要方向。

转向轻便性和操纵灵敏性是汽车操纵性品质评价中的两项重要指标。在传统汽车上通常采用电动助力转向系统(ElectricPowerSteering,简称EPS)来改善转向轻便性，该系统由助力电机直接提供转向助力，减小了转向盘手力。其次，通常采用转矩矢量控制(TorqueVectoringControl,简称TVC)方法来改善操纵灵敏性，该方法通过限滑差速器来改变各车轮间的转矩分配，使整车产生一个附加横摆力矩，加快整车横摆响应从而改善操纵性。然而，在传统汽车上加装转向助力电机和限滑差速器会使系统结构复杂，成本增加。

由于其独特的动力学控制形式，分布式驱动电动汽车在操纵性方面具有显著优势。前轴左右车轮差动力矩分配可以产生转向助力，实现整车转向轻便性；后轴左右车轮差动力矩分配可以提高整车横摆角速度响应，实现整车操纵灵敏性。近年来国内外学者对此也作了大量研究，王军年提出了差动转向助力的差动转矩控制策略，RussellJamesThacher发明了一种应用于非公路多功能车的差动转向辅助系统，该系统改善了车辆的转向性能，提高了车辆入弯和出弯能力。Feng-KungWu提出了一种电子转向系统，并将其应用在无齿轮齿条转向器的前轮独立驱动电动车上。LorenzoPinto等人也对在双后轮电动汽车上使用转矩矢量控制方法的横摆角控制策略进行了研究。KaoruSAWASE研究了应用转矩矢量控制方法增加过弯速度。一些国外汽车公司也研究了基于转矩矢量控制技术的动力学稳定控制系统。然而前人的研究往往都局限于单独研究差动转向助力或转矩矢量控制，但差动转向助力会对整车的横摆运动产生影响，转矩矢量控制也会对驾驶员转向盘力矩产生影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可有效提高整车操纵性能的基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，该方法具体包括：

理想差动转向助力曲线获取步骤，根据车辆纵向车速和转向盘力矩获取差动转向助力曲线；

参考横摆角速度计算步骤，根据转向盘转角和线性二自由度单轨模型计算出理想横摆角速度目标值作为参考横摆角速度；

附加横摆转矩计算步骤，实时跟踪计算出的参考横摆角速度，通过前馈控制和反馈控制计算附加横摆转矩；

纵向力分配步骤，根据理想差动转向助力曲线和附加横摆转矩分配前轴左右轮和后轴左右轮的驱动力矩。

所述的理想差动转向助力曲线为差动助力转矩与转向盘力矩、车辆纵向车速间的关系，理想差动转向助力曲线为二次曲线型助力曲线。

所述的参考横摆角速度计算步骤中，以线性二自由度单轨模型为参考模型，该参考模型的输入变量包括转向盘转角和车辆行驶参数，输出量为理想横摆角速度目标值，具体计算公式为

${\mathrm{\δ}}_f=\frac{{\mathrm{\δ}}_{SW}}{i_L}$

且， $K=\frac{m\·(l_f{C}_f-l_r{C}_r)}{l^2\·C_f\·C_r}$

其中，为理想横摆角速度目标值，G_ref(s)为参考模型传递函数，δ_f为前轮转角，δ_SW为转向盘转角，为稳态增益，代表稳态时单位前轮转向角输入下车辆横摆角速度响应大小，为时间常数，ζ为阻尼常数，ω′_n为参考模型固有频率，i_L为转向系统传动比，m为整车质量，K为车辆稳定性因数，l为车辆轴距，l_f为质心到前轴的距离，l_r为质心到后轴的距离，C_f和C_r分别为前后轴等效侧偏刚度。

横摆角速度由前轮转向和转矩矢量控制系统两方面产生，且这两方面的输入都是转向盘转角δ_SW，输出为横摆转矩M_Z,FFC，它们之间的传递函数分别为G(s)和H(s)，所述的横摆转矩计算步骤具体为：

101)计算前馈横摆转矩M_Z,FFC：

$M_{Z,FFC}=\frac{G_{ref}\left(s\right)-G\left(s\right)}{H\left(s\right)}\·{\mathrm{\δ}}_f$

$H\left(s\right)=\frac{G_M\left(0\right)(1+T_{M}s)}{1+\frac{2\mathrm{\ζ}}{{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}s+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n^{\′2}}{s}^2},$

其中，G_M(0)为稳态增益，T_M为时间常数，ω_n为整车固有频率，且：

$G_M\left(0\right)=\frac{v(C_r+C_f)}{l^2{C}_r{C}_f(1+{\mathrm{Kv}}^2)},T_M=\frac{mv}{2(C_r+C_f)}$

102)计算反馈横摆转矩M_Z,FBC：

其中，为车辆实际横摆角速度；

103)根据步骤101)和102)计算整车的附加横摆转矩M_Z,req：

M_Z,req＝M_Z,FFC+M_Z,FBC。

所述的纵向力分配步骤具体为：

201)实时观测车辆纵向车速和实际的转向盘力矩，并根据理想差动转向助力曲线得到差动助力转矩ΔT_Z，根据以下公式分配前轴左右轮驱动力矩T_fl，T_fr：

T_fl＝T_total·p_f/2-ΔT_Z/2

T_fr＝T_total·p_f/2+ΔT_Z/2

其中，T_total为整车总的驱动转矩，p_f为前轴转矩占总转矩的比例；

202)计算前轴左右车轮纵向力对整车产生的横摆转矩为M_Z,f：

$M_{Z,f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_Z}{r_{\mathrm{\ω}}}\×\frac{b}{2}$

其中，r_ω为轮胎滚动半径，b为轮距；

203)计算后轴左右轮纵向力对整车产生的横摆转矩M_Z,r：

$M_{Z,r}=M_{Z,req}-M_{Z,f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_r}{r_{\mathrm{\ω}}}\×\frac{b}{2}$

其中，ΔT_r为后轮差动力矩；

204)分配后轴左右轮驱动力矩T_rl，T_rr：

T_rl＝T_total·(1-p_f)/2+ΔT_r/2

T_rr＝T_total·(1-p_f)/2-ΔT_r/2

与现有技术相比，本发明以前轮实现差动转向助力、后轮基于前轮对整车横摆运动的影响下实现转矩矢量控制的控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明的差动转向助力控制算法能显著减小转向盘力矩，也能在一定程度上减小转向盘转角，有效地减小了驾驶员操纵负担。同时，差动助力随车速的增加而减小，有效地保证了驾驶员的路感信息。

2、本发明的转矩矢量控制算法能显著提高整车横摆角速度响应，提高了过弯车速，有效地抑制了加速不足转向，提升了车辆机动性能。

3、本发明通过合理分配前后轴的驱动/制动转矩，协调了差动转向助力/转矩矢量分配联合控制算法，使其在减小驾驶员操纵负担的同时也提高了整车横摆角速度响应，从而有效地改善了整车操纵性能。

附图说明

图1为本发明的控制框架图；

图2是差动转向助力特性曲线图；

图3是固定转向盘转角加速转弯工况的纵向车速对比图；

图4是固定转向盘转角加速转弯工况的转向盘力矩对比图；

图5是固定转向盘转角加速转弯工况的横摆角速度对比图；

图6是固定转向盘转角加速转弯工况的车轮转矩对比图；

图7是固定转向盘转角加速转弯工况的横摆角速度随车速变化曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、本发明的控制方法原理与框架

为了达到转向助力及提高横摆角速度响应两种控制目标，本发明基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法利用前轴左右轮转矩差动控制现实转向助力的控制目标，利用后轴左右轮转矩差动控制来实现提高横摆角速度响应的控制目标。该方法具体包括：

理想差动转向助力曲线获取步骤，根据车辆纵向车速和转向盘力矩获取差动转向助力曲线；

参考横摆角速度计算步骤，根据转向盘转角和线性二自由度单轨模型计算理想横摆角速度目标值作为参考横摆角速度；

附加横摆转矩计算步骤，实时跟踪计算出的参考横摆角速度，通过前馈控制和反馈控制计算附加横摆转矩；

纵向力分配步骤，根据理想差动转向助力曲线和附加横摆转矩分配前轴左右轮和后轴左右轮的驱动力矩。

本方法控制框架如图1所示。整车控制器分为两个部分，一部分是差动转向助力模块2，另一部分是转矩矢量控制模块3。根据设定工况，驾驶员模型1会输出转向盘转角与驱动/制动信号。差动转向助力模块2的输入变量为前轮转角δ_f、纵向车速v_x、转向盘的实际转矩T_sc，其输出变量为前轮差动助力转矩ΔT_Z。转矩矢量控制模块3的输入变量为转向盘转角δ_SW，纵向车速v_x，其输出变量为整车需求的附加横摆转矩M_Z,req。驱动转矩分配模块4的输入变量为前轮差动助力转矩ΔT_Z、整车需求的附加横摆转矩M_Z,req以及四轮的轮速v_ω，输出变量为四个车轮的驱动转矩，四个车轮的驱动转矩作为四轮独立驱动电动汽车模型5的输入变量。

1.1理想差动转向助力特性曲线设计

理想差动转向助力特性曲线是指差动助力转矩与转向盘力矩、车速之间的关系。本方法在差动转向助力特性曲线设计上选择较为优越的二次曲线型助力曲线作为差动转向助力特性的形式。其具体制定遵循以下原则：

1)差动助力转矩大小|ΔT|随转向盘力矩|T_SW|的增大而增大，随v的增大而减小。

2)开始助力时的转向盘输入转矩|T_SW0|＝1N·m。

3)达到最大助力扭矩时的转向盘输入转矩|T_SWmax|＝7N·m。

4)提供最大助力的左右轮扭矩分配差|ΔT|由原地转向时的最大阻力矩T_PK通过式(1)求得：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{PK}=\frac{f}{3}\sqrt{\frac{G_f^3}{P}}\\ |\mathrm{\Δ}T{|}_{\max }\frac{r_{\mathrm{\σ}}}{r_w}=T_{PK}-T_{SW}{i}_L\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T_PK为原地转向阻力矩(即为最大阻力矩)，T_SW为转向盘力矩，f为轮胎与路面间的滑动摩擦因数，G_f为转向轴负荷，P为轮胎气压；i_L为转向系统传动比，r_σ为主销横向偏移距，r_ω为轮胎滚动半径。

确定几组高中低车速下的助力特性后，其余车速则进行线性插值获取。最终制定的助力特性曲线如图2所示。

1.2转矩矢量控制策略设计

转矩矢量控制策略以提高车辆操纵性作为主要控制目标，以车辆的横摆角速度作为被控状态量，并实时跟踪参考横摆角速度，最后由前馈和反馈控制两部分计算出附加横摆转矩。

1.2.1参考横摆角速度的确定

横摆角速度计算的基本参考模型是线性二自由度单轨模型，输入变量是转向盘转角并结合车辆行驶参数，计算出一个代表驾驶员驾驶意图的理想横摆角速度目标值，其线性化表达式如下：

${\mathrm{\δ}}_f=\frac{{\mathrm{\δ}}_{SW}}{i_L}$

其中，其中，为理想横摆角速度目标值，G_ref(s)为参考模型传递函数，δ_f为前轮转角，δ_SW为转向盘转角，为稳态增益，代表稳态时单位前轮转向角输入下车辆横摆角速度响应大小，为时间常数，ω′_n为参考模型固有频率，i_L为转向系统传动比，本实施例中定义i_L＝17，ζ为阻尼比

$\mathrm{\ζ}=\frac{m\·({l_f}^2{C}_f-{l_r}^2{C}_r)+I_Z(C_f+C_r)}{2l\sqrt{{\mathrm{mI}}_Z{C}_f{C}_r(1+{\mathrm{Kv}}^2)}}---\left(3\right)$

其中，m为整车质量，K为车辆稳定性因数，l为车辆轴距，l_f为质心到前轴的距离，l_r为质心到后轴的距离，C_f和C_r分别为前后轴等效侧偏刚度，I_Z为绕车身Z轴的横摆转动惯量。

由式(2)可见，参考模型传递函数G_ref(s)包含稳态和瞬态响应两部分。在参考模型设计过程中对稳态和瞬态响应部分进行单独设计，且

其中，K是车辆稳定性因数。

$K=-\frac{m\·(l_f{C}_f-l_r{C}_r)}{2\·l^2\·C_f\·C_r}---\left(5\right)$

为时间常数，

ω_n为车辆固有频率：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{2l}{v}\sqrt{\frac{C_f\·C_r}{m\·I_Z}}\·\sqrt{1+{\mathrm{Kv}}^2}---\left(7\right)$

设定参考模型固有频率ω′_n＝1.5ω_n。

1.2.2前馈控制策略

前馈控制认为车辆的横摆角速度来自两方面，一是由前轮转向产生；二是由转矩矢量控制系统产生。这两个方面都是由转向盘转角δ_f输入，并且输出横摆转矩M_Z,FFC，它们的传递函数分别为G(s)和H(s)。

G_M(0)是稳态增益，T_M是时间常数

$G_M\left(0\right)=\frac{v(C_r+C_f)}{l^2{C}_r{C}_f(1+{\mathrm{Kv}}^2)}---\left(9\right)$

$T_M=\frac{mv}{2(C_r+C_f)}---\left(10\right)$

由式(2)(9)可得

则横摆转矩可以由如下公式获得

$M_{Z,FFC}=\frac{G_{ref}\left(s\right)-G\left(s\right)}{H\left(s\right)}\·{\mathrm{\δ}}_f---\left(12\right)$

1.2.3反馈控制策略

在反馈控制该策略中，利用参考横摆角速度和实际横摆角速度作为输入变量，与间的差值产生使车辆稳定的必要的横摆转矩，具体计算如式(15)所示，并且可以能过仿真进一步调整来配合需求的响应值。

即

最终整车的需求附加横摆力矩为M_Z,req：

M_Z,req＝M_Z,FFC+M_Z,FBC(15)

1.3纵向力分配策略

在差动转向助力/转矩矢量分配联合控制算法的纵向力分配模块里，差动转向助力模块通过观测整车车速与实际转向盘力矩并按理想差动助力曲线计算得到差动转矩ΔT_Z，并根据式(16)分配前轴左右轮驱动力矩T_fl,T_fr。

T_fl＝T_total·p_f/2-ΔT_Z/2

(16)

T_fr＝T_total·p_f/2+ΔT_Z/2

其中T_total为整车总的驱动转矩，p_f为前轴转矩占总转矩的比例。

则前轴左右车轮纵向力可由式(17)求得

F_fl＝T_fl/r_ω,F_fr＝T_fr/r_ω(17)

此时，前轴左右车轮纵向力对整车产生的横摆转矩为M_Z,f，且

$M_{Z,f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_Z}{r_{\mathrm{\ω}}}\×\frac{b}{2}---\left(18\right)$

其中F_fl、F_fr分别为左右前轮驱动力，b为轮距。

后轴左右轮纵向力对整车产生的横摆转矩

$M_{Z,r}=M_{Z,req}-M_{Z,f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_r}{r_{\mathrm{\ω}}}\×\frac{b}{2}---\left(19\right)$

则左右后轮驱动力矩可由式(20)计算得到

T_rl＝T_total·(1-p_f)/2+ΔT_r/2

(20)

T_rr＝T_total·(1-p_f)/2-ΔT_r/2

则后轴左右车轮纵向力可由式(21)求得

F_rl＝T_rl/r_ω,F_rr＝T_rr/r_ω(21)

ΔT_r为后轮差动力矩，T_rl,T_rr为后轴左右轮驱动力矩，F_rl,F_rr分别为后轴左右车轮纵向力。

2、试验验证

2.1、试验设备

本试验利用高速分布式驱动电动车平台进行实车试验，其整车及电机参数如表1所示。

表1

2.2、固定转向盘转角加速转弯试验工况

本试验工况主要考察车辆在不同车速下，差动转向助力与转矩矢量分配联合控制策略对改善转向轻便性与提高过弯能力的有效性。车辆以15km/h的车速进行匀速行驶，调整转向盘转角至120°，保持转向盘转角不变后，逐渐增大油门开度，开始均匀地加速，接近20km/h时开始记录数据，车速到达50km/h记录数据完毕，减速停车。试验结果图3～7所示。

从图3可见，在试验过程中有控制和无控制车辆的纵向车速均从20km/h均匀增加到50km/h，加速过程中基本上没有大波动。

图4为转向盘力矩对比图，可以看到随着车速的增加，转向助力的效果逐渐减弱，有/无控制的转向盘力矩差从20km/h时的1.3N·m变化到了50km/h时的0.6N·m，如表2所示为固定转向盘转角加速转弯工况下车辆参数。这有利于驾驶员掌握路面反馈信息，增强了路感。由图5可见，在联合控制算法介入后，整车横摆角速度有显著提高。

表2

图6示出了四个车轮的转矩对比，在固定转向盘转角加速过程中，随着车速的提高，实际的横摆角速度与参考横摆角速度存在一定偏差。在有控制时，为了跟踪参考横摆角速度，四个车轮的转矩得到了优化分配，前轴左右轮存在一个较小的差动来减小转向盘力矩，实现转向助力功能；而此时后轴的左右车轮转矩则保持在正负极限转矩的状态下工作，来获得更高的横摆角速度增益(图5)，同时也保证了车辆的目标车速。而无控制时，车辆四个车轮转矩则一直处于较高的能力利用位置固定不变。

图7为整车横摆角速度与车速的变化曲线对比图，在20km/h～45km/h加速的过程中，横摆角速度随车速的增加而增加，且有/无控制的横摆角速度之差也随车速的提高而增大，因此在联合控制算法介入后整车更接近于中性转向。

Claims (4)

1.一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，其特征在于，该方法具体包括：

理想差动转向助力曲线获取步骤，根据车辆纵向车速和转向盘力矩获取差动转向助力曲线；

参考横摆角速度计算步骤，根据转向盘转角和线性二自由度单轨模型计算出理想横摆角速度目标值作为参考横摆角速度，具体为：

以线性二自由度单轨模型为参考模型，该参考模型的输入变量包括转向盘转角和车辆行驶参数，输出量为理想横摆角速度目标值，具体计算公式为

${\mathrm{\δ}}_f=\frac{{\mathrm{\δ}}_{SW}}{i_L}$

且，

其中，为理想横摆角速度目标值，G_ref(s)为参考模型传递函数，δ_f为前轮转角，δ_SW为转向盘转角，为稳态增益，代表稳态时单位前轮转向角输入下车辆横摆角速度响应大小，为时间常数，ζ为阻尼常数，ω′_n为参考模型固有频率，i_L为转向系统传动比，m为整车质量，K为车辆稳定性因数，l为车辆轴距，l_f为质心到前轴的距离，l_r为质心到后轴的距离，C_f和C_r分别为前后轴等效侧偏刚度；

附加横摆转矩计算步骤，实时跟踪计算出的参考横摆角速度，通过前馈控制和反馈控制计算附加横摆转矩；

纵向力分配步骤，根据理想差动转向助力曲线和附加横摆转矩分配前轴左右轮和后轴左右轮的驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，其特征在于，所述的理想差动转向助力曲线为差动助力转矩与转向盘力矩、车辆纵向车速间的关系，理想差动转向助力曲线为二次曲线型助力曲线。

3.根据权利要求2所述的一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，其特征在于，横摆角速度由前轮转向和转矩矢量控制系统两方面产生，且这两方面的输入都是转向盘转角δ_SW，输出为横摆转矩M_Z,FFC，它们之间的传递函数分别为G(s)和H(s)，所述的横摆转矩计算步骤具体为：

101)计算前馈横摆转矩M_Z,FFC：

$M_{Z,FFC}=\frac{G_{ref}\left(s\right)-G\left(s\right)}{H\left(s\right)}\·{\mathrm{\δ}}_f$

$H\left(s\right)=\frac{G_M\left(0\right)(1+T_{M}s)}{1+\frac{2\mathrm{\ζ}}{{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}s+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n^{\′2}}{s}^2},$

其中，G_M(0)为稳态增益，T_M为时间常数，ω_n为整车固有频率，且：

$G_M\left(0\right)=\frac{v(C_r+C_f)}{l^2{C}_r{C}_f(1+{\mathrm{Kv}}^2)},$ $T_M=\frac{mv}{2(C_r+C_f)}$

102)计算反馈横摆转矩M_Z,FBC：

其中，为车辆实际横摆角速度；

103)根据步骤101)和102)计算整车的附加横摆转矩M_Z,req：

M_Z,req＝M_Z,FFC+M_Z,FBC。

4.根据权利要求3所述的一种基于分布式驱动电动汽车的操纵性改善控制方法，其特征在于，所述的纵向力分配步骤具体为：

201)实时观测车辆纵向车速和实际的转向盘力矩，并根据理想差动转向助力曲线得到差动助力转矩ΔT_Z，根据以下公式分配前轴左右轮驱动力矩T_fl，T_fr：

T_fl＝T_total·p_f/2-ΔT_Z/2

T_fr＝T_total·p_f/2+ΔT_Z/2

其中，T_total为整车总的驱动转矩，p_f为前轴转矩占总转矩的比例；

202)计算前轴左右车轮纵向力对整车产生的横摆转矩为M_Z,f：

$M_{Z,f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_Z}{r_{\mathrm{\ω}}}\×\frac{b}{2}$

其中，r_ω为轮胎滚动半径，b为轮距；

203)计算后轴左右轮纵向力对整车产生的横摆转矩M_Z,r：

$M_{Z,r}=M_{Z,req}-M_{Z,f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_r}{r_{\mathrm{\ω}}}\×\frac{b}{2}$

其中，ΔT_r为后轮差动力矩；

204)分配后轴左右轮驱动力矩T_rl，T_rr：

T_rl＝T_total·(1-p_f)/2+ΔT_r/2

T_rr＝T_total·(1-p_f)/2-ΔT_r/2。