CN105501078A

CN105501078A - 一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法

Info

Publication number: CN105501078A
Application number: CN201510834989.0A
Authority: CN
Inventors: 安吉尧; 周兴; 黄仲; 曹张保; 李涛
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明公开了一种基于CPS的电动汽车四轮独立驱动协同控制方法，包括ECU、SR电机驱动系统、车载电池组和通讯网络；所述的四个SR电机驱动控制系统和ECU均由车载电池组供电；ECU通过通讯网络分别与四个电机控制器进行通讯。ECU为控制网络核心，它将各子控制器以及各传感器的信息进行汇总分析，并将执行指令发送各电机控制器，电机控制器控制SR电机进行转速和转矩的输出。该系统从CPS出发，对整车进行实时在环反馈控制，驱动转矩分配策略采用基于滑移率和横摆力矩的模糊控制，SR电机控制采用自适应模糊控制算法。本发明的优点在于，提高能量利用效率，改善操纵稳定性，并提高四轮独立驱动电动汽车行驶的安全性。

Description

一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车的整车控制领域，特别涉及一种基于信息物理系统的电动汽车四轮独立驱动协同控制方法。

背景技术

无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。它利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。

集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

汽车电子系统是一个同时集成了计算系统、网络系统和控制系统的大规模复杂物理系统，它通过与汽车周围的物理环境、周围行驶的汽车和基础设施之间进行实时通信和交互，来实现对汽车的精确化、智能化和集成化控制，即构成一个典型的信息物理融合系统(CPS，Cyber-physicalsystems)。随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，汽车已经成为了人们不可或缺的代步工具之一，汽车产业也成为了国民经济的支柱产业。由于环境污染的日益严重和石油资源的日益耗竭，以内燃机为动力的传统汽车面临着巨大的挑战。电动汽车作为一种新能源汽车，具有零排放、低噪音、能源利用多元化、能源利用效率高和结构简单等优点，成为了未来汽车发展的必然趋势。

四轮独立驱动型电动汽车将驱动电机(SR电机)直接安装在车轮内，取消了传统汽车的机械传动系统，使结构变得简洁紧凑，增加了可利用空间，降低了整车质量，缩短了传动链，提高了传动效率。且SR电机具有结构简单坚固、成本低、起动电流小、启动转矩大和低速性能好，可在较宽的转速和转矩范围内高效运行、四象限运行等优点，将会是未来电动车的最佳选择。随着电机设计和加工水平的提高，以及电机控制理论的更加完善、新的控制方法的提出，SR电机的转矩波动及振动情况将会得到极大地改善，以符合电动车对驱动电机的性能要求。SR电机在电动车上的应用具有很大的潜力。作为典型的轮边驱动系统，四轮独立驱动系统已经成为直接面向电动汽车的理想的结构形式。电动汽车四轮独立驱动系统是利用四个独立控制的电动机分别驱动汽车的四个车轮，车轮之间没有机械传动环节。采用四轮独立驱动的电动汽车具有以下显著优点：(1)传动系统得到减化，整车质量大大减轻。由电动机直接驱动车轮甚至两者集成为一体，传动效率提高，使汽车很好的实现了轻量化目标；(2)四轮独立驱动系统可通过电动机来完成驱动力的控制，而不需要其他附件，容易实现性能更好的、成本更低的牵引力控制系统(TCS)防抱死制动系统(ABS)及动力学控制系统(VDC)；(3)对各车轮采用制动能量回收控制单元，则可大大提高汽车能量利用效率；(4)实现汽车底盘系统的电子化、主动化。汽车采用四轮独立驱动技术后，汽车采用前驱动、后驱动或全轮驱动可根据汽车行驶工况由控制器进行实时控制与转换，且各车轮的驱动力可根据汽车行驶状态进行实时控制，真正实现汽车的“电子主动底盘”。

因此传统的技术虽然实现了四轮的单个SR电机驱动控制，确缺乏对四个SR电机驱动控制系统的协同控制，从而造成稳定性差，能量利用效率和安全性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CPS的电动汽车四轮独立驱动协同控制方法，克服传统的电动汽车控制系统缺乏实时性，且自适应能力不强的缺点。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现，包括基于信息物理融合系统CPS的信息Cyber单元、物理Physical单元和扩展单元，通过网络环境下的高度集成与交互，形成CPS反馈环，其各组件基于嵌入式设备的高效能网络实现协同控制，实时感知、动态控制以及组件自主协调；

所述信息Cyber单元包括控制决策单元ECU、驱动执行单元、监测感知单元；所述驱动执行单元由对应四驱的四个SR电机驱动控制系统构成，并且在控制决策单元ECU的协同控制下分别控制四驱的转速与转矩输出，以实现车辆的直线行驶、转向、制动；

所述物理Physical单元包括作为外部输入的驾驶操作信号，和作为被控对象的四驱独立驱动电动汽车；

参见附图1，所述控制决策单元ECU依次与驱动执行单元、被控对象、监测感知单元连接形成反馈环；外部输入作用于控制决策单元ECU上。

本发明包括以下步骤：

步骤1，所述外部输入包括由制动传感器、第一加速传感器、转向角度传感器、D/R转换传感器形成的感知信息，并传送给控制决策单元ECU；

步骤2，所述控制决策单元ECU将控制指令发送给驱动执行单元；

步骤3，所述被控对象执行SR电机驱动控制系统的感知信息；

步骤4，所述监测感知单元包括由车轮转速传感器、车轮转角传感器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器形成对被控对象的感知信息，并传送给控制决策单元ECU；

步骤5，循环步骤2至4，形成CPS反馈环，实现协同控制。

本发明的优点在于，从CPS出发，充分满足汽车电子系统对强实时性、高可靠性的要求，提高能量利用效率，其中控制决策单元ECU是实现电动汽车整车控制性能的关键。控制决策单元ECU主要负责接收各车载传感器的信号，计算车辆当前的行驶状况，并对SR电机控制器下达控制指令；控制决策单元ECU整合了协同功能，能根据车载传感器传回的实时信号，采用基于滑移率和横摆力矩的模糊控制算法对四轮的驱动转矩和转速分配策略进行优化，使车辆能更平顺的完成起步、匀速、加减速、转向、制动等行为动作；利用自适应模糊控制对SR驱动控制系统的控制策略进行优化，使电机运行过程中更加平顺，响应速度更快，提高了车辆操纵稳定性和安全性。

附图说明

图1为CPS反馈环示意图。

图2为本发明的框架图。

图3为本发明的四轮独立驱动电动车结构图。

图4为本发明的整车动力学模型图。

图5为线性二自由度车辆模型图。

图6为SR电机驱动控制系统示意图。

图7为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1至7，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明包括基于信息物理融合系统CPS的信息Cyber单元100、物理Physical单元200和扩展单元300，通过网络环境下的高度集成与交互，形成CPS反馈环，其各组件基于嵌入式设备的高效能网络实现协同控制，实时感知、动态控制以及组件自主协调；

所述信息Cyber单元100包括控制决策单元ECU10、驱动执行单元20、监测感知单元30；所述驱动执行单元20由对应四驱的四个SR电机驱动控制系统21构成，并且在控制决策单元ECU10的协同控制下分别控制四驱的转速与转矩输出，以实现车辆的直线行驶、转向、制动；

所述物理Physical单元200包括作为外部输入40的驾驶操作信号，和作为被控对象50的四驱独立驱动电动汽车；

参见附图1，所述控制决策单元ECU10依次与驱动执行单元20、被控对象50、监测感知单元30连接形成反馈环；外部输入40作用于控制决策单元ECU10上。

本发明包括以下步骤：

步骤1，所述外部输入40包括由制动传感器41、第一加速传感器43、转向角度传感器42、D/R转换传感器44形成的感知信息，并传送给控制决策单元ECU10；

步骤2，所述控制决策单元ECU10将控制指令发送给驱动执行单元20；

步骤3，所述被控对象50执行SR电机驱动控制系统21的感知信息；

步骤4，所述监测感知单元30包括由车轮转速传感器31、车轮转角传感器32、横摆角速度传感器33、纵向加速度传感器34、横向加速度传感器35形成对被控对象50的感知信息，并传送给控制决策单元ECU10；

步骤5，循环步骤2至4，形成CPS反馈环，实现协同控制。

所述四个SR电机驱动控制系统21由左前SR电机驱动控制系统、右前SR电机驱动控制系统、左后SR电机驱动控制系统、右后SR电机驱动控制系统构成。

所述SR电机驱动控制系统21包括功率转换器210、SR电机211、控制器212、转子位置检测模块213、电流检测器214；功率转换器210、SR电机211、控制器212、转子位置检测模块213形成环路控制，电流检测器214检测功率转换器210和控制器212。

功率转换器210为相绕组与车载电池组215的通断提供信号指令，为相绕组的储能提供路径，并且给SR电机211的运行提供能量；控制器212接受转子位置检测模块213、电流检测器214传来的转子位置、转速和电流等反馈信号，以及控制决策单元ECU10传来的控制指令，按照自身的控制策略，向功率转换器210发出控制信号，完成对SR电机211的控制；电流检测器214把检测的电流信息传送给控制器212，控制器212通过这些信息来进行电流控制或采取电流保护措施；转子位置检测模块213向控制器212提供转子位置及转速的信息，控制器212通过这些信息确定相绕组的开通和关断。

所述扩展单元300包括电池组管理单元60、制动能量回收单元70。

为实现上述目的，本发明采用以下方法，整车动力学方程的模型参见附图4所示：

∑F_y＝F_ywrl+F_ywrr+(F_xwfl+F_xwfr)sinδ_f+(F_ywfl+F_ywfr)cosδ_f

其中m为整车质量，γ为横摆角速度，C_D为空气阻力系数，A_x为迎风面积，δ_f为前轮转角，J_z为整车绕Z轴转动惯量，l_f、l_r为前、后轴至质心的距离，d_f、d_r为前、后轮轮距，f为路面摩擦系数。

上述方法涉及的线性二自由度车辆模型运动微分方程如下，模型参见附图5所示：

其中k₁、k₂分别为前后轮侧偏刚度、β＝V_y/V_x为质心侧偏角。

本发明所述的SR电机211基本平衡方程组如下：

式中u_k为第k相的端电压；i_k为第k相的电流；R_k为第k相的电阻；Ψ_k为第k相的磁链；Ω为角速度；J为电机系统转动惯量；K_Ω为摩擦系数；T_L为负载；T_e可表示为磁共能W′的函数。

本发明的工作示意图参见附图7：

实施例一，直线行驶，包括启动加速、匀速、减速；

步骤1，转向角度传感器42输入为0，前轮转角δ_f＝0，车速V₀＝0；

步骤2，第一加速传感器43接收到加速信号并传送至决策控制单元ECU10；

步骤3，决策控制单元ECU10在接收到加速信号之后，调用电池管理单元60对驱动执行单元40供电，并根据设定的转矩分配策略，向四个SR电机211输出期望转矩T_0i，i＝1,2,3,4；

步骤4，各SR电机驱动系统21接受指令后，控制SR电机211进行转矩输出；

步骤5，监测感知单元30采集车辆车速V₁(km/h)，四个车轮转速n_i(r/s)，i＝1,2,3,4，并反馈给决策控制单元ECU10，决策控制单元ECU10分别计算四个车轮的滑移率，滑移率计算公式如下：

其中r_r为滚动半径，其值为F计算常数取3.05，d为车轮自由半径；

步骤6，根据路面附着系数μ滑移率λ的关系，取理想滑移率λ在0.15～0.2之间，此时能使车辆纵向附着力和侧向附着力达到较大值，能保证车辆的行驶稳定性；对△λ_i＝λ-λ_i进行PI控制，使其收敛，对期望转矩T_0i进行修正，得到修正值T_1i；

步骤7，在达到指定速度之前，按照步骤4、5、6对期望转矩进行在环修正，得到T_ni，此时车辆进入匀速行驶，速度为V_n；

步骤8，匀速行驶过程中，为保证4轮滑移率基本一致，即使|λ_i-λ_j|<ε，其中i,j＝1,2,3,4,i≠j,ε>0，，按照步骤4、5、6对T_ni进行在环修正；

步骤9，行驶过程中，无人驾驶技术检测到障碍(包括行人、车辆、红灯等)，发出制动信号，制动传感器41接收制动信号，并传送给决策控制单元ECU10，决策控制单元ECU10根据预设的制动距离和制动减速度，根据车轮转速传感器31反馈的实时车速，对制动力进行控制，同时，决策控制单元ECU10调用制动能量回收单元70对制动能量进行回收，直至车辆停止。

实施例二，转向，特别涉及前轮转向；

步骤1，转向角度传感器输入δ>0，车辆左转弯(δ<0，右转弯)，车辆初速度速度V；

步骤2，监测感知单元30采集到车速V，横摆角速度γ₀，纵向加速度横向加速度前轮转角δ₀，质心侧偏角β₀，并传送给决策控制单元ECU10；

步骤3，决策控制单元ECU10根据公式计算出期望横摆角速度γ和期望质心侧偏角β，对△γ＝γ₀-γ，△β＝β₀-β进行滑模变结构控制；

步骤4，根据驱动力分配策略控制车辆转向：定义采样间隔△t，横摆角加速度增量

驱动力矩分配策略包括以下四点：

(1)、前轮转角δ_f>0，转向特性为不足转向，转矩变化为左减或者右加；

(2)、前轮转角δ_f>0，转向特性为过多转向，转矩变化为左加或者右减；

(3)、前轮转角δ_f>0，转向特性为不足转向，转矩变化为左加或者右减；

(4)、前轮转角δ_f<0，转向特性为过多转向，转矩变化为左加或者右减；

(5)、前轮转角为任意δ_f，转向特性为中性转向，转矩无变化；

步骤5，定义：向右转向右侧为内侧(in)，左侧为外侧(out)；向左转向右侧为外侧(out)，左侧为内测(in)；内外侧的转矩差

T_e为SR电机转矩，K(v,δ)为四轮驱动电动车驱动轮转矩分配比，

d_r为后车轮距，V为电动汽车车速，h为车辆质心高度，g为重力加速度，

T_in＝T_e-△T,T_out＝T_e+△T。

实施例三，倒车；外部输入D/R转换信号，由D挡切换至R挡，D/R转换传感器44接收换挡信号，并发送至决策控制单元ECU10，决策控制单元ECU10对四个SR电机驱动系统21发出指令，改变SR电机211各相电路通电顺序，实现反向转矩和转速的输出，实现倒车。

本发明从CPS的角度出发，实现四轮独立驱动电动汽车外部环境和内部信息环境的实时交互，由决策控制单元ECU10来完成实时信息的计算和决策，由驱动执行单元20来完成电机转矩和转速的控制，SR电机驱动控制系统21采用模糊理论优化的控制策略很好的抑制SR电机211的转矩脉动和噪声，保证了车辆行驶的操纵稳定性和安全性。以上所述实施例仅表达了本发明的四种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法，其特征在于，包括基于信息物理融合系统CPS的信息Cyber单元（100）、物理Physical单元（200）和扩展单元（300），通过网络环境下的高度集成与交互，形成CPS反馈环，实现协同控制；

所述信息Cyber单元（100）包括控制决策单元ECU（10）、驱动执行单元（20）、监测感知单元（30）；所述驱动执行单元（20）由对应四驱的四个SR电机驱动控制系统（21）构成，并且在控制决策单元ECU（10）的协同控制下分别控制四驱的转速与转矩输出，以实现车辆的直线行驶、转向、制动；

所述物理Physical单元（200）包括作为外部输入（40）的驾驶操作信号，和作为被控对象（50）的四驱独立驱动电动汽车；所述的驾驶操作信号包括加速信号、制动信号、D/R转换信号、转向信号；

所述控制决策单元ECU（10）依次与驱动执行单元（20）、被控对象（50）、监测感知单元（30）连接形成反馈环；外部输入（40）作用于控制决策单元ECU（10）上。

2.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，所述外部输入（40）的信号为无人驾驶机器人的决策信号，由制动传感器（41）、第一加速传感器（43）、转向角度传感器（42）、D/R转换传感器（44）进行感知，形成的感知信息，并传送给控制决策单元ECU（10）；

步骤2，所述控制决策单元ECU（10）将控制指令发送给驱动执行单元（20）；

步骤3，所述被控对象（50）执行SR电机驱动控制系统（21）的感知信息；

步骤4，所述监测感知单元（30）包括由车轮转速传感器（31）、车轮转角传感器（32）、横摆角速度传感器（33）、纵向加速度传感器（34）、横向加速度传感器（35）形成对被控对象（50）的感知信息，并传送给控制决策单元ECU（10）；

步骤5，循环步骤2至4，形成CPS反馈环，实现协同控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法，其特征在于，

所述四个SR电机驱动控制系统（21）由左前SR电机驱动控制系统、右前SR电机驱动控制系统、左后SR电机驱动控制系统、右后SR电机驱动控制系统构成。

4.根据权利要求3所述的一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法，其特征在于，所述SR电机驱动控制系统（21）包括功率转换器（210）、SR电机（211）、控制器（212）、转子位置检测模块（213）、电流检测器（214）；功率转换器（210）、SR电机（211）、控制器（212）、转子位置检测模块（213）形成环路控制，电流检测器（214）检测功率转换器（210）和控制器（212）。

5.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车协同控制方法，其特征在于，所述扩展单元（300）包括电池组管理单元（60）、制动能量回收单元（70）。