CN103879305B - 用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于新能源汽车控制技术领域的一种用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法。该方法步骤为1）根据前后轮的速度V_wf、V_wr，计算得到用于前后轮加速的驱动电机转矩值T_wf、T_wr；2）根据前后轮的驱动电机输出转矩T_f、T_r，计算得到相对应的地面驱动力稳态响应值F_f、F_r；3）根据步骤1）和2）得到的计算结果，估测出当前的前后轮与地面间的作用力4）根据步骤3）的计算结果，计算出前后轮的最大转矩输出值T_max,f、T_max,r。该方法无需速度和加速度传感器，降低了系统的成本，提高了系统的可靠性；可以快速准确的响应，能够保证车轮不打滑，提高了车辆运行过程的稳定性和安全性；易于工程实现，可以广泛应用在四轮驱动电动车的驱动防滑控制系统中。

Description

用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法

技术领域

本发明属于新能源汽车控制技术领域，特别涉及一种用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的加重，电动汽车逐渐得到发展，并一点点走进了人们的生活，四轮独立驱动的电动汽车是主要的构型之一，不仅因为它的节能减排效果出色，还因为它是实现复杂动力学控制的出色实验平台，首先，电机的转矩响应速度是内燃机的50到100倍；其次，所有的四个轮子都能得到单独控制，工作灵活；最后，电机的输出转矩值可以通过三相电流信号进行精确地计算，这对于转矩反馈控制来说十分重要，这也是实现复杂动力学控制过程的基础。

然而，四轮独立驱动电动车的发展还相对初级，某些动力学控制问题还没有得到很好地解决，例如，无整车速度、加速度传感器时的驱动防滑控制问题(TCS)。对于两轮驱动车辆来说，可以通过非驱动轮转速直接估测车辆的速度和加速度，而对于四轮独立驱动电动车来说，由于失去了非驱动轮，导致车辆速度和加速度的估计变得复杂，而这两个参量是传统防滑控制算法的重要输入信息，因此，需要增加额外的整车速度或加速度传感器来保证算法的可行性，这无疑增加了系统的成本，同时降低了可靠性。

因此，对于四轮独立驱动电动车来说，如何在不使用整车速度和加速度传感器的情况下实现驱动防滑控制，成为了一个热点问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法，其特征在于，该算法包括如下步骤：

1)根据前后轮的速度V_wf、V_wr，计算得到用于前后轮加速的驱动电机转矩值T_wf、T_wr；

2)根据前后轮的驱动电机输出转矩T_f、T_r，计算得到相应转矩对应的地面驱动力稳态响应值F_f、F_r；

3)根据步骤1)和2)得到的计算结果，估测出当前的前后轮与地面间的作用力

4)根据步骤3)的计算结果，计算出前后轮的最大转矩输出值T_max，f、T_max，r。

所述步骤1)中，用于前后轮加速的驱动电机转矩值T_wf、T_wr的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{wf}=\frac{J_w{\stackrel{\·}{V}}_{wf}}{r}\\ T_{wr}=\frac{J_w{\stackrel{\·}{V}}_{wr}}{r}\end{array}\right.;$

其中，J_w为车轮和电机转子的转动惯量之和，r为车轮转动半径，为前轮的加速度值，为后轮的加速度值。

所述步骤2)中，相应转矩对应的地面驱动力稳态响应值F_f、F_r的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_f=\frac{T_f}{r}\\ F_r=\frac{T_r}{r}\end{array}\right.;$

其中，T_f为前轮驱动电机的输出转矩，T_r为后轮驱动电机的输出转矩，r为车轮转动半径。

所述步骤3)中，前后轮与地面间的作用力的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{F}}_{df}=F_f-\frac{T_{wf}}{r}\\ {\hat{F}}_{dr}=F_r-\frac{T_{wr}}{r}\end{array}\right.;$

其中，为前轮与地面间的驱动力，为后轮与地面间的驱动力，r为车轮转动半径。

所述步骤4)中，前后轮的最大转矩输出值T_max，f、T_max，r的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{max,f}=(\frac{J_w}{{\mathrm{\αM}}_f{r}^2}+1)r{\hat{F}}_{df}\\ T_{\max ,r}=(\frac{J_w}{{\mathrm{\αM}}_r{r}^2}+1)r{\hat{F}}_{dr}\end{array}\right.;$

其中，α为松弛变量，M_f为前轮的载荷质量，与之对应的M_r为后轮的载荷质量，J_w为车轮和电机转子的转动惯量之和，r为车轮转动半径；

M_f和M_r的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_f=\frac{M_g{L}_b}{2L_{wb}}\\ M_r=\frac{M_g{L}_a}{2L_{wb}}\end{array}\right.;$

其中，M_g为整车质量，L_wb为车辆轴距，L_a为车辆质心距车前轴的距离，L_b为车辆质心距车后轴的距离；

α根据不同踏板位置以及车辆的状态选取，其中α的选取如下：

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{cc}0.9& \mathrm{\α}\≤1\\ G_2/{T_f}^{*}+G_3{(V_{wf}+V_{wr})}^2& \mathrm{\α}\∈(1,5)\\ 5& \mathrm{\α}\≥5\end{array}\right.;$

其中，V_wf为前轮的速度，V_wr为后轮的速度，T_f ^*为根据踏板位置对应得到的驱动电机的转矩参考值，G₂，G₃为数值固定的调节参量。

发明的有益效果：1)无需速度和加速度传感器，降低了系统的成本，并且提高了系统的可靠性。2)本方案可以快速准确的响应，能够保证车轮不打滑，提高了车辆运行过程的稳定性和安全性。3)本方案结构简单，易于工程实现，无需额外硬件，成本低，并且具有很高的使用价值。因此，本方案能够广泛地应用于四轮驱动电动汽车的驱动防滑控制中。

附图说明

图1为四轮独立驱动电动车构型示意图；

图2为车辆纵向动力学模型；

图3为驱动防滑控制算法示意图；

图4为本发明提出的驱动防滑算法的流程图；

图5为驱动防滑控制系统等效闭环控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提出的方法做进一步的说明。

本发明的实现平台为任何常规的四轮独立驱动电动车，如图1为所示，该平台包括四个独立的驱动电机1、2、3、4(本身能够提供轮速信息)，四个与之对应的电机控制器5、6、7、8，一个整车控制器10以及供电机控制器5、6、7、8之间实施通讯的CAN网络9。电机控制器5、6、7、8的主要功能是采集相应的四个轮的转速，利用整车控制器10提供的转矩命令完成相应驱动电机1、2、3、4的转矩闭环控制；整车控制器10的作用就是根据电机控制器5、6、7、8提供的相应的四个轮的转速信息，判断出相应的四个轮是否出现打滑，并且通过计算得到四个轮的最大转矩输出值。该驱动防滑控制算法正是在这样一个闭环过程中实现的。

本发明主要基于车辆的纵向动力学模型进行研究，如图2所示，其相关参数如表1所示，

表1车辆的纵向动力学模型的相关参数

由于不采用速度和加速度传感器，因此采用图3所示的最大转矩估计算法，该算法的核心思想是估测出四个驱动轮与地面间可以传导的最大驱动轮转矩，并限定相应的四个电机输出转矩不超过这个值，进而保证四个轮不出现打滑的情况。

如图4所示为该算法的流程图，以一个前轮和一个后轮为例，则该算法的具体步骤如下：

首先，电机控制器5和7将前后轮的速度V_wf、V_wr通过CAN网络9发送至整车控制器10，通过低通滤波降噪后，计算得到用于前后轮加速的驱动电机转矩值，即前后轮加速过程所“消耗”的驱动电机1和4的转矩值T_wf、T_wr，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{wf}=\frac{J_w{\stackrel{\·}{V}}_{wf}}{r}\\ T_{wr}=\frac{J_w{\stackrel{\·}{V}}_{wr}}{r}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，J_w为车轮和电机转子的转动惯量之和(认为四个轮一样)，r为车轮转动半径，为前轮的加速度值，该变量和车轮的角加速度之间相差一个系数r，为后轮的加速度值。

其次，将电机控制器5和7计算得到的驱动电机1和4的输出转矩T_f、T_r发送至整车控制器10，通过低通滤波降噪后，计算得到相应转矩对应的地面驱动力稳态响应值F_f、F_r，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_f=\frac{T_f}{r}\\ F_r=\frac{T_r}{r}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T_f为前轮驱动电机的输出转矩，T_r为后轮驱动电机的输出转矩。

再次，根据前两步得到的计算结果，利用整车控制器10估测出当前的前后轮与地面间的作用力计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{F}}_{df}=\frac{T_{wf}}{r}-F_f\\ {\hat{F}}_{dr}=\frac{T_{wr}}{r}-F_r\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，为前轮与地面间的驱动力，为后轮与地面间的驱动力。

最后，根据第三步的计算结果，在整车控制器10中计算出前后轮的最大转矩输出值T_max，f、T_max，r，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{max,f}=(\frac{J_w}{{\mathrm{\αM}}_f{r}^2}+1)r{\hat{F}}_{df}\\ T_{\max ,r}=(\frac{J_w}{{\mathrm{\αM}}_r{r}^2}+1)r{\hat{F}}_{dr}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，α为松弛变量，M_f为前轮的载荷质量，与之对应的M_r为后轮的载荷质量，如不考虑动态过程的惯性力作用，其稳态计算过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_f=\frac{M_g{L}_b}{2L_{wb}}\\ M_r=\frac{M_g{L}_a}{2L_{wb}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，M_g为整车质量，L_wb为车辆轴距，L_a为车辆质心距车前轴的距离，L_b为车辆质心距车后轴的距离。

由公式(4)可以看出，T_max，f中包含了两部分内容，第一部分是即维持输出此时刻地面可以传递的转矩部分，保持车辆的动力性；第二部分为这部分转矩是下一时刻车轮本身加速所需的加速转矩，这是按比例计算得到的，基本的比例因子是车轮转动惯量和车身的“等效转动惯量”的比值，除此之外，还有一个可调节因此α，此参量的选择是比较关键的，减小α的值可以提高车辆的加速性能，但是可能损害防滑控制性能，相反，增加α的值可以提高防滑控制过程的稳定性，但是车辆可能被钳制在一个很小的速度下行驶，其加速性能会受到影响，因此，本发明根据不同踏板位置以及车辆的状态选取不同的α，来满足多种性能要求的，其中α的选取如下：

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{cc}0.9& \mathrm{\α}\≤1\\ G_2/{T_f}^{*}+G_3{(V_{wf}+V_{wr})}^2& \mathrm{\α}\∈(1,5)\\ 5& \mathrm{\α}\≥5\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，V_wf为前轮的速度，V_wr为后轮的速度，T_f ^*为根据踏板位置对应得到的驱动电机的转矩参考值，G₂，G₃为数值固定的调节参量。这样的选取不无道理，主要是根据该控制方法的稳定性推导出来的，最大转矩估计算法的等效控制闭环回路如图5所示，其中，P(s)代表了车辆本身的固有系统传递函数，代表了车辆的属性。然后可以推导出z到w的闭环传递函数为：

$\frac{z}{w}=\frac{-{\mathrm{K\β}}_f{J}_w}{J_n{\mathrm{r\τ\τ}}_1{s}^2+J_n\[(r-K)\mathrm{\τ}+{\mathrm{r\τ}}_1\]s+(r-K)J_n+{\mathrm{K\β}}_f{J}_w}---\left(7\right)$

其中，Δ和β_f分别定义为：

$\begin{array}{cc}\stackrel{\·}{V}-{\stackrel{\·}{V}}_{wf}=-\frac{{\mathrm{\ΔT}}_f}{M_{f}r},& \mathrm{\Δ}\∈\[0,\frac{M_f{r}^2}{J_w}\]\end{array}---\left(8\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\β}}_f=1-\frac{F_{f}r}{T_f},& {\mathrm{\β}}_f\∈\[0,1\]\end{array}---\left(9\right)$

其中，J_n为轮胎转动惯量和整车等效转动惯量之和，τ、τ1和τ2代表系统中电磁器件的工作延迟时间，K为增益系数，定义为：s为频域计算符号，Δ为反映传导至车轮与地面接触面的电机转矩比例，当其值为0时，表明车辆处于稳态运行工况，所有的电机转矩全部通过轮胎和地面的作用转化为驱动车辆前进的驱动力，并且驱动力全部用于平衡车辆的行驶阻力；而当它处于最大值时，表明车轮处于空转打滑情况，此时车辆并没有移动。

βf从另一个角度反映了上述问题，即用于车辆和车轮加速的转矩占全部输出转矩的比例，换句话说，电机的输出转矩到底有多少用于加速车辆、加速车轮，是可以反映在β_f中的。因此，通过式(10)的闭环稳定方程，可以推导出所述驱动防滑系统的稳定性条件。

$1-\frac{\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\β}}_f}\frac{z}{w}=0---\left(10\right)$

$\left\{\begin{array}{c}K<\frac{J_{n}r}{J_n-{\mathrm{\&Delta;J}}_w-{\mathrm{\&beta;}}_f{J}_w}\\ \mathrm{\&alpha;}>\frac{1}{M_f{r}^2}(\frac{J_n}{\mathrm{\&Delta;}+{\mathrm{\&beta;}}_f}-J_w)\end{array}\right.---\left(11\right)$

通过式(11)的判定条件可以看到，α的选取同车辆的参数以及行驶条件有关，为了保证车辆的综合性能得到保障(即加速性能和防滑性能)，应该在不同的条件下选取合适的α。因此，便有了式(6)的结论。上述全部计算过程全部在整车控制器中完成，得到的前后轮的最大转矩输出值T_max，f、T_max，r通过CAN网络9发送至电机控制器5和7，限制转矩输出最大值，进而实现驱动防滑。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法，其特征在于，该算法包括如下步骤：

1)根据前后轮的速度V_wf、V_wr，计算得到用于前后轮加速的驱动电机转矩值T_wf、T_wr；

2)根据前后轮的驱动电机输出转矩T_f、T_r，计算得到相应转矩对应的地面驱动力稳态响应值F_f、F_r；

3)根据步骤1)和2)得到的计算结果，估测出当前的前后轮与地面间的作用力

4)根据步骤3)的计算结果，计算出前后轮的最大转矩输出值T_max，f、T_max，r。

2.根据权利要求1所述的用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法，其特征在于，所述步骤1)中，用于前后轮加速的驱动电机转矩值T_wf、T_wr的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{wf}=\frac{J_w{\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_{wf}}{r}\\ T_{wr}=\frac{J_w{\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_{wr}}{r}\end{array}\right.;$

其中，J_w为车轮和电机转子的转动惯量之和，r为车轮转动半径，为前轮的加速度值，为后轮的加速度值。

3.根据权利要求1所述的用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法，其特征在于，所述步骤2)中，相应转矩对应的地面驱动力稳态响应值F_f、F_r的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_f=\frac{T_f}{r}\\ F_r=\frac{T_r}{r}\end{array}\right.;$

其中，T_f为前轮驱动电机的输出转矩，T_r为后轮驱动电机的输出转矩，r为车轮转动半径。

4.根据权利要求1所述的用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法，其特征在于，所述步骤3)中，前后轮与地面间的作用力的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{F}}_{df}=F_f-\frac{T_{wf}}{r}\\ {\hat{F}}_{dr}=F_r-\frac{T_{wr}}{r}\end{array}\right.;$

其中，为前轮与地面间的驱动力，为后轮与地面间的驱动力，r为车轮转动半径。

5.根据权利要求1所述的用于四轮独立驱动电动车的最大转矩估计驱动防滑算法，其特征在于，所述步骤4)中，前后轮的最大转矩输出值T_max，f、T_max，r的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\max ,f}=(\frac{J_w}{{\mathrm{\&alpha;M}}_f{r}^2}+1)r{\hat{F}}_{df}\\ T_{\max ,r}=(\frac{J_w}{{\mathrm{\&alpha;M}}_r{r}^2}+1)r{\hat{F}}_{dr}\end{array}\right.;$

其中，α为松弛变量，M_f为前轮的载荷质量，与之对应的M_r为后轮的载荷质量，J_w为车轮和电机转子的转动惯量之和，r为车轮转动半径；

M_f和M_r的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_f=\frac{M_g{L}_b}{2L_{wb}}\\ M_r=\frac{M_g{L}_a}{2L_{wb}}\end{array}\right.;$

其中，M_g为整车质量，L_wb为车辆轴距，L_a为车辆质心距车前轴的距离，L_b为车辆质心距车后轴的距离；

α根据不同踏板位置以及车辆的状态选取，其中α的选取如下：

$\mathrm{\&alpha;}=\left\{\begin{array}{cc}0.9& \mathrm{\&alpha;}\&le;1\\ G_2/{T_f}^{*}+G_3{(V_{wf}+V_{wr})}^2& \mathrm{\&alpha;}\&Element;(1,5)\\ 5& \mathrm{\&alpha;}\&GreaterEqual;5\end{array}\right.;$

其中，V_wf为前轮的速度，V_wr为后轮的速度，T_f ^*为根据踏板位置对应得到的驱动电机的转矩参考值，G₂，G₃为数值固定的调节参量。