CN104228609B - 一种用于轮毂电机驱动汽车车速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轮毂电机驱动汽车车速控制方法，属于汽车技术领域。在整车控制器中设置一个输入端与汽车加速踏板位置传感器信号连接，与车轮轮速传感器信号连接，或用电机控制器反馈的电机转速信号代替，整车控制器中设置一车速控制模块，该模块利用四个车轮轮速计算得到实际车速，然后计算实际车速与目标车速的差值，将差值输入PID控制器，由PID控制器输出驱动电机的目标转矩，由此使电机的输出转矩与转速均受加速踏板控制，实现了按功率控制方式控制驱动电机，所述整车控制器还根据整车参数估测匀速行驶时的路面阻力，以保证汽车达到目标车速时保持匀速行驶。该方法以一种更简单的方式实现了轮毂电机驱动汽车的电子差速功能。

Description

一种用于轮毂电机驱动汽车车速控制方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，具体涉及到影响汽车电子差速控制的轮毂电机驱动电动汽车的车速控制方法。

背景技术

电动汽车包括混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车等具有节能、环保的特点，是新一代汽车技术的发展方向。目前所开发的电动汽车一般是在传统汽车底盘中通过改造动力传动系而成。如混合动力汽车是通过在传动系中加入驱动电机并借助动力合成器实现动力合成而驱动汽车。燃料电池汽车则是燃料电池输出的电能及辅助能源的电能给驱动电机提供动力驱动汽车。纯电动汽车则是通过动力电池为驱动电机提供电能驱动汽车。在所有电动汽车构型方案中，采用将电机直接与车轮集成的方案，即轮毂电机驱动方案或者称为“电动轮”，是最有利于整车性能提升的。轮毂电机驱动技术是提高电动汽车性能的一项关键技术，它给汽车带来巨大优势，使整车结构得到简化，各轮驱动力仅通过驱动电机即可实现独立控制而不必像传统汽车那样要对整车动力传动系及制动系进行综合控制才能实现车轮驱动力控制，轮毂电机驱动技术可以较低成本实现性能更好的汽车底盘控制技术并实现传统汽车底盘所无法实现的某些先进技术。

现有的轮毂电机驱动汽车电子差速技术均是根据阿克曼转向原理，通过采集车速信号、转向角信号及整车参数，在汽车行驶过程根据阿克曼模型计算各车轮轮速并将之做为电机转速指令控制驱动电机实现差速。这种方法的最大问题是没有考虑轮胎小滑移率及路面不平问题。难以适应汽车在不平路面条件下的行驶，而汽车实际行驶道路均是不平的。同时现有的电动汽车车速控制均是利用加速踏板位置信号查表直接得到电机转矩值，并将之做为电机转矩指令发送给电机使之驱动汽车，即通过油门位置信号直接控制电机转矩。这种方法的缺点是加速踏板与电机驱动转矩直接相关，需要驾驶员不断调整油门踏板控制电机驱动转矩，而传统内燃机汽车是通过油门踏板控制发动机喷油量，实际是控制发动机输出功率，而发动机转速与转矩均可以自动调节，无须驾驶员过多干预发动机实际输出转矩。

发明内容

本发明主要针对上述电子差速及车速控制存在的问题，提出了轮毂电机驱动电动汽车的一种控制功率模式控制驱动电机的方法，即一种用于轮毂电机驱动汽车车速控制方法。该方法也可直接用于传统集中式驱动的电动汽车并得到更好的驾驶特性。

本发明的技术方案是：

在整车控制器5中设置一个输入端与汽车加速踏板位置传感器2信号连接，与车轮轮速传感器1、3、4、6信号连接，或用电机控制器反馈的电机转速信号代替，整车控制器5中设置一车速控制模块，该模块利用四个车轮轮速计算得到实际车速，然后计算实际车速与目标车速的差值，将差值输入PID控制器，由PID控制器输出驱动电机的目标转矩，由此使电机的输出转矩与转速均受加速踏板控制，实现了按功率控制方式控制驱动电机，所述整车控制器5还根据整车参数估测匀速行驶时的路面阻力，以保证汽车达到目标车速时保持匀速行驶，具体控制步骤如下：

步骤一、其中的油门位置-车速数据表用于由加速踏板位置信号生成与之成线性比例的目标车速，该数据表按下述函数生成：

V_desire＝a×L_p-b(1)

上式中a为油门置于输出车速的转换系数，其值为车辆预设最高车速与最大油门位置值的比值；L_p为油门踏板位置；b为偏移量，其值为车辆开始行驶的最小油门位置，因为一般电子油门最小输出电压都不是0，故而设置这一偏移量；

根据整车控制器采集到的加速踏板位置信号，利用上述数据表即可得到驾驶员目标车速；

步骤二、实际车速计算方法为：各车轮转速之和除以4再乘以车轮半径。

步骤三：计算该实际车速与上述目标车速的差值，将差值输入PID控制器，由PID控制器输出驱动电机的目标转矩，后由最大转矩限制模块则根据电机特性对PID控制器的转矩指令进行调整，然后由电机转矩指令模块输出电机实际驱动转矩指令，并将此时的转速输入到整车控制器中完成循环，目标转矩的计算公式如下：

$vsp=\left(\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i\right)\frac{r}{4}---\left(2\right)$

e(t)＝AccPedPos-vsp(3)

$M\left(t\right)={\{K_{p}e\left(t\right)+K_I\∫e\left(t\right)dt+K_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\}}_{sat\[-M_{max},M_{max}\]}---\left(4\right)$

其中vsp为汽车的实际车速，ω_1～4为四个车轮输入到控制器的转速，r为车轮的滚动半径，AccPedPos为目标车速，e(t)为目标车速与实际车速产生的误差，M(t)为电机的实时驱动转矩，M_max为电机的极限转矩，该值限定了电机的最大输出量，式中的Kp，Ki，Kd可通过具体调式进行优化，在初始赋值时，Kp值可根据5％的油门位置对应输出电机最大转矩值而确定，Ki值可赋为0，Kd可赋一个小于1的值。

本发明的积极效果是通过对驱动电机按功率模式进行控制，使轮毂电机及车轮的转速随车辆行驶工况自动调节，能够实现轮毂电机驱动汽车的自适应差速功能。

该方法以一种更简单的方式实现了轮毂电机驱动汽车的电子差速功能。同时该方法控制功率模式控制驱动电机及驱动轮，使整车驱动特性与传统内燃机汽车的驱动特性等效，且可充分发挥电动机的低速大转矩特性，使汽车具有动力性更强，对转矩自适应调节，减少转矩在调速过程中的波动等优点。

该方法将以一种更简单的方式实现了轮毂电机驱动汽车的电子差速功能，同时该方法以控制功率模式控制驱动电机及驱动轮，使整车驱动特性与传统内燃机汽车的驱动特性等效，且可充分发挥电动机的低速大转矩特性，使汽车具有动力性更强，对转矩自适应调节，以及减少转矩在调速过程中的波动等优点。

本发明的有益效果进一步概括为：

1.本发明与现有的轮毂电机驱动汽车电子差速技术的主要区别在于驱动力矩实现了反馈式的自适应调节，加速踏板并非与电机转矩直接相关，无需驾驶员在行驶的过程中不断的调节油门踏板进行控制，从而减轻了驾驶负担。

2.本发明以控制功率模式控制驱动电机及驱动轮，使整车驱动特性与传统内燃机汽车的驱动特性等效，且可充分发挥电动机的低速大转矩特性，使汽车具有动力性更强，对转矩自适应调节，减少转矩在调速过程中的波动等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明轮毂电机驱动汽车车速控制方法的系统构成示意图。

图2是本发明车速控制方法的具体程序流程框图。

图3是本发明中控制器输出的电机转矩外特性曲线形状。

图4是滑移率与路面附着系数之间的关系。

图5是在交通部操稳实验路面进行的转弯实验过程中车辆的行驶轨迹。

图6是实验中收集到的四个车轮的车速变化。

在整体控制布局图1中：1.左前轮轮速传感器，2.油门踏板位置传感器，3.右前轮轮速传感器，4.左后轮轮速传感器，5.整车控制器，6.右后轮轮速传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体内容作详细描述：

参阅图1和图2，本发明所述的用于轮毂电机驱动汽车车速及自适应电子差速控制方法核心是在整车控制器5中设置一个输入端与汽车加速踏板即油门踏板位置传感器2信号连接的接口，该接口与左右前轮轮速传感器1、3和左右后轮轮速传感器4、6信号连接，也可以用电机控制器反馈的电机转速信号代替。整车控制器5中设置一车速控制模块2，模块2中的车速控制流程如图2所示。其中的油门位置-车速数据表用于由加速踏板位置信号生成与之成线性比例的目标车速，该数据表可按下述函数生成：

V_desire＝a×L_p-b(1)

上式中a为油门置与输出车速的转换系数，其值为车辆预设最高车速与最大油门位置值的比值；L_p为油门踏板位置；b为偏移量，其值为车辆开始行驶的最小油门位置。因为一般电子油门最小输出电压都不是0，故而设置这一偏移量。

根据整车控制器采集到的加速踏板位置信号，利用上述数据表即可得到驾驶员目标车速。

实际车速计算方法为：各车轮转速之和除以4再乘以车轮半径。

然后计算该实际车速与上述目标车速的差值，将差值输入PID控制器，由PID控制器输出驱动电机的目标转矩，目标转矩的计算公式如下：

$vsp=\frac{min\{{\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2,{\mathrm{\ω}}_3,{\mathrm{\ω}}_4\}}{r}---\left(2\right)$

e(t)＝AccPedPos-vsp(3)

$M\left(t\right)={\{K_{p}e\left(t\right)+K_I\∫e\left(t\right)dt+K_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\}}_{sat\[-M_{max},M_{max}\]}---\left(4\right)$

其中vsp为汽车的实际车速，ω_1～4为四个车轮输入到控制器的转速，r为车轮的滚动半径，AccPedPos为目标车速，e(t)为目标车速与实际车速产生的误差，M(t)为电机的实时驱动转矩，M_max为电机的极限转矩。式中的Kp，Ki，Kd可通过具体调式进行优化。在初始赋值时，Kp值可根据5％的油门位置对应输出电机最大转矩值而确定，Ki值可赋为0，Kd可赋一个小于1的值。

由此可以看出，本方法实际是通过电机转速反馈信号和油门位置信号共同调节电机转矩而输出转矩则进一步控制电机输出转矩，从而使电机的输出转矩与转速均受加速踏板控制，实现了按功率控制方式控制驱动电机，这种控制方法实现了电动汽车与传统内燃机汽车的驾驶特性等效。

为证明本控制方法的优热，这里对这种等效特性进一步说明。

传统汽车驱动中，驾驶员踩加速踏板的位置实际上对应的是驾驶的目标车速，这一目标车速是通过发动机控制单元调节发动机负荷率实现的，即发动机在实际车速与驾驶员目标车速相差较大时输出大扭矩(甚至是发动机最大转矩)，当车速达到接近目标车速时，发动机转矩减小到与阻力平衡。这一过程是控制单元自动完成的，并不需要驾驶员不断调节油门位置实现，如驾驶员在车辆起步时，踩50％油门位置，对应目标车速80km/h，驾驶员保持这一位置不动，车辆会在接近80km/h时自动保持匀速而不是一直加速。本发明提出一种新的电动汽车车速控制策略。即加速踏板位置对应的是驾驶员的目标车速，在行驶过程中与实际反馈车速进行求差并通过PID调节电机输出转矩，这一转矩又会控制电机转速，也就是说在油门位置不动的情况下，控制器会自动调节电机转矩与转速并使车速稳定行驶在目标车速。图3所示为本发明所述车速控制方法在保持某一油门位置不变时，输出的电机控制特性，可见该特性与电动机实际特性很接近，也就是说通过这种控制方式，可充分发挥轮毂电机的外特性，提升整车加速性与动力性。

本车速控制方法的另一优势在于，在车辆上坡时，由于道路阻力增加，实际车速会下降，在驾驶员保持油门位置不变时则目标车速不变，故二者差值变大，PID控制器输出转矩会变大，实现了道路阻力增加，车辆驱动力自动增加而无需驾驶员调节，或者说在驾驶员无反应的情况下，车辆不会因驱动力不足而溜坡，这是与现有内燃机汽车驾驶特性一样的，即在上坡时车速会降低但在发动机不熄火时，车不会溜坡。而现有的电动汽车车速控制均是通过油门直接控制电机转矩，在坡道阻力超过当前驾驶员油门对应转矩时，如果驾驶员不增加油门车辆会溜坡导致危险。对下坡行驶一样，传统汽车由于发动机反拖作用的存在，车速并不会无限增加，在本发明所述方法控制下同样可以实现这一功能，由于下坡行驶车速会增加，在驾驶员油门不变时，由于实际车速增加导致其大于目标车速，二者差值成为负值，PID输出的转矩变为负值，此时驱动电机会自动转为反拖发电状态，防止车速的无限止增加。而目前普遍采用油门直接控制转矩方法则会导致车速无限增加，不能实现电机自动反拖功能。

本发明的另一个作用是实现了轮毂电机驱动汽车的自适应差速功能，具体阐述如下，目前所提出的电子差速技术方案，多是以车轮转速为控制参数，即通过检测的转向轮转角及实际车速信号根据阿克曼模型产生四个车轮的理想转速并分配给对应车轮的驱动电动，这种控制方法由于车轮转动参数互相约束，当生成目标转速的理想汽车转向模型不符合汽车实际运动学时，便会产生车轮的转速不协调从而导致车轮拖滑或滑转。而在本发明方法控制下，电机处于功率控制模式，其转速使其随受力状态而自由转动，那么汽车四个车轮就有四个转动自由度。实际上，汽车行驶时，作用于车轮的力除电机驱动转矩，路面反作用力外，还有车体与车轮的相互作用力。由于每个车轮均可以自由转动，电机驱动转矩受控制器控制，在其没有超过车轮与路面之间的极限附着时，路面摩擦力必定与车轮驱动转矩平衡。下面将结合图4进一步说明，路面摩擦力是车轮正压力与路面附着系数的乘积，在附着特性的稳定区，路面附着系数是滑转率的单调函数。也就是说一定的路面摩擦力与一定的滑转率相对应，因此在电机驱动转矩没有超出路面附着极限时，滑转率必定处于附着特性的稳态区，车轮不会出现滑转或拖滑。当电机驱动转矩超出路面附着极限时引起车轮滑转，这已超出汽车差速问题的范畴，是需要汽车牵引力控制来解决的问题。

根据以上分析的提出的对驱动电机采用按转矩指令进行控制并使转速随动的策略，实现了各车轮的自适应差速。整车控制系统只是根据汽车运动状态输出驱动电机的转矩指令信号，电机转矩既可以采用开环控制也可以采用闭环反馈控制。

自适应差速这一功能已经过发明人的实车验证。参阅图5及图6，其中图5为在交通部试验场的操稳试验路面上的实验行车轨迹，图6为在本发明车速控制方法下的转弯特性验证实验中试验时通过can总线系统收集得到的各轮转速变化情况。可以看出汽车各轮转速是明显不同的，汽车各轮实现了转向行驶时的差速。

Claims (1)

1.一种用于轮毂电机驱动汽车车速控制方法，在整车控制器(5)中设置一个输入端与汽车加速踏板位置传感器(2)信号连接，与车轮轮速传感器(1、3、4、6)信号连接，或用电机控制器反馈的电机转速信号代替，整车控制器(5)中设置一车速控制模块，该模块利用四个车轮轮速计算得到实际车速，然后计算实际车速与目标车速的差值，将差值输入PID控制器，由PID控制器输出驱动电机的目标转矩，由此使电机的输出转矩与转速均受加速踏板控制，实现了按功率控制方式控制驱动电机，所述整车控制器(5)还根据整车参数估测匀速行驶时的路面阻力，以保证汽车达到目标车速时保持匀速行驶；

具体控制步骤如下：

步骤一、其中的油门位置-车速数据表用于由加速踏板位置信号生成与之成线性比例的目标车速，该数据表按下述函数生成：

V_desire＝a×L_p-b(1)

上式中a为油门置于输出车速的转换系数，其值为车辆预设最高车速与最大油门位置值的比值；L_p为油门踏板位置；b为偏移量，其值为车辆开始行驶的最小油门位置，因为一般电子油门最小输出电压都不是0，故而设置这一偏移量；

根据整车控制器采集到的加速踏板位置信号，利用上述数据表即可得到驾驶员目标车速；

步骤二、实际车速计算方法为：各车轮转速之和除以4再乘以车轮半径；

步骤三：计算该实际车速与上述目标车速的差值，将差值输入PID控制器，由PID控制器输出驱动电机的目标转矩，后由最大转矩限制模块则根据电机特性对PID控制器的转矩指令进行调整，然后由电机转矩指令模块输出电机实际驱动转矩指令，并将此时的转速输入到整车控制器中完成循环，目标转矩的计算公式如下：

e(t)＝AccPedPos-vsp(3)

其中vsp为汽车的实际车速，ω_1～4为四个车轮输入到控制器的转速，r为车轮的滚动半径，AccPedPos为目标车速，e(t)为目标车速与实际车速产生的误差，M(t)为电机的实时驱动转矩，M_max为电机的极限转矩，该值限定了电机的最大输出量，式中的Kp，K_I，K_D可通过具体调式进行优化，在初始赋值时，Kp值可根据5％的油门位置对应输出电机最大转矩值而确定，K_I值可赋为0，K_D可赋一个小于1的值。