CN105818712B - 一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法，通过隆伯格状态观测器对车辆行驶坡度进行实时估计，根据车辆动力学公式可得车辆在该坡度上保持静止所需驻坡转矩。同时，选取车速作为控制目标，利用PID反馈闭环控制输出补偿转矩。最后，将前述驻坡转矩和补偿转矩叠加在一起通过限幅与滤波后输入电机，以驱动车辆在坡道上实现平稳起步。该方法在起步过程中无需驾驶人员介入，通过自动计算的转矩即可实现车辆在上坡起步过程中不溜坡。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，更为具体地讲，涉及一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法。
背景技术
当前，电动汽车的坡道起步方法正处于研究阶段，其主要有以下几类：反馈起步控制方法，自动起步控制方法，基于HSA(Hill Starting Aid，坡道辅助)系统的起步控制方法，以及基于电机堵转特性的自适应起步控制方法等。然而这些方法中均存在坡道起步时长距离溜坡的问题。此外，上述方法也没有将电动汽车的冲击度作为控制变量引入控制策略的设计中，这势必会导致驾驶员在驾驶电动汽车时经常出现车身抖动厉害等问题，更严重的情况可能导致两车相撞。当然，目前在传统汽车上也广泛配置了坡道辅助系统和自动驻车系统，但随着电动汽车的出现，利用电信号和电转矩来解决车辆起步溜坡和冲击度过高的问题不仅可以节省整车成本，而且可以降低控制难度。
四轮轮毂电动汽车凭借四轮独立驱动的特点势必会成为未来电动汽车发展的方向。目前，四轮轮毂电动汽车控制方法研究的主要工作在于解决控制相关的基本问题，而与本专利相关的自适应起步控制方法还很少考虑。同时，由传统电动汽车以及传统汽车的发展轨迹来看，本专利所述的方法更能满足当代电动汽车发展的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法，避免了四轮轮毂电动汽车在起步时由驾驶员操作不熟练而导致车辆溜坡或者冲击过大的问题。
为实现上述发明目的，本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、基于隆伯格状态观测器的坡道识别
在电动汽车驻车前的正常行驶阶段，利用一个线性的隆伯格状态观测器对电动汽车行驶道路的坡度进行实时估计；
其中，Ft为车轮驱动力，Ff为车轮滚动阻力，Fb为制动力，Fi为坡道阻力， m为车辆满载质量，为车辆纵向加速度，T为四个轮毂电机输出转矩之和，ig为变速器传动比，io为主减速器传动比，η为电动汽车机械传动效率，r为车轮半径，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，θ为路面坡度，βb为制动踏板开度， Tbmax为最大制动器力矩；
电动汽车受到的驱动力、滚动阻力以及制动力的合力可表示为：
Fa＝Ft-Ff-Fb (2)
对公式(1)进行线性化处理后变为：
其中，g为重力加速度，θ为路面坡度；
选取电动汽车车速v和电动汽车行驶时路面坡度θ作为状态变量，故公式 (2)的状态空间表达式如下所示：
其中，y＝v，u＝Fa，C＝[1 0]；
引入隆伯格状态观测器，其状态空间表达式如下所示：
其中，为状态变量x的状态观测值，ye为输出y的观测值，H为状态观测器反馈增益矩阵，进而得到电动汽车行驶时路面坡度估计值θe；
(2)、根据电动汽车行驶时路面坡度估计值θe判断电动汽车进行自适应起步时的运行状态
当路面坡度估计值θe＜0时，电动汽车处于下坡运行状态；
当路面坡度估计值θe＝0时，电动汽车处于平路运行状态；
当路面坡度估计值θe＞0时，电动汽车处于上坡运行状态；
(3)、控制电动汽车进行自适应起步
(3.1)、利用驻坡转矩计算模块计算电动汽车的驻坡转矩Tz
当电动汽车处于下坡运行状态时，驻坡转矩
当电动汽车处于平路运行状态时，驻坡转矩Tz＝0；
当电动汽车处于上坡运行状态时，驻坡转矩
(3.2)、利用PID控制器输出补偿转矩ΔT
判断电动汽车起步后的车速vd是否小于自适应起步稳定目标车速vref，如果 vd＜vref，则PID控制器输出补偿转矩ΔT，如果vd≥vref，则ΔT＝0；其中，e为PID控制器的输入，即自适应起步稳定目标车速vref与电动汽车起步后的车速vd之间的差；kp为PID控制器比例系数，ki为PID控制器积分系数，kd为PID控制器微分系数；
(3.3)、控制四个轮毂电机运行
将驻坡转矩Tz与补偿转矩ΔT求和，得到限幅模块的输入转矩Te，再将输入转矩Te进行限幅处理；
其中，Tmax为轮毂电机最大输出转矩，Tout_lim为限幅后的输出转矩；
再将限幅后的输出转矩Tout_lim进行滤波处理
其中，s表示输出转矩频率，τ为滤波时间常数，Tout为滤波模块输出转矩；
最后将输出转矩Tout输入到电机控制器，通过电机控制器对四个轮毂电机进行调节，以实现四轮轮毂电动汽车自适应起步。
本发明还提供了一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制系统，其特征在于，包括：
一坡道识别模块，利用隆伯格状态观测器对电动汽车行驶道路的坡度进行实时估计，得到路面坡度估计值θe；
一驻坡转矩计算模块，先根据路面坡度估计值θe判断出电动汽车进行自适应起步时的运行状态，再根据不同的运行状态，计算出对应的驻坡转矩Tz；
一自适应起步控制模块，以电动汽车起步后的车速vd作为控制目标，以自适应起步稳定目标车速vref与电动汽车起步后的车速vd之间的差e作为控制变量，利用PID控制器进行控制，进而得到补偿转矩ΔT；
一限幅模块，对驻坡转矩Tz与补偿转矩ΔT之和Te进行限制，即将Te与电机最大输出转矩Tmax作比较，当Te大于Tmax，则限幅模块输出Tmax，否则输出Te；再将输出的结果输入到滤波模块；
一滤波模块，用于对限幅模块的输出结果进行平滑处理，再将输出的结果输入到电动汽车的电机控制器，通过电机控制器对四个轮毂电机进行调节，以实现四轮轮毂电动汽车自适应起步。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法，通过隆伯格状态观测器对车辆行驶坡度进行实时估计，根据车辆动力学公式可得车辆在该坡度上保持静止所需驻坡转矩。同时，选取车速作为控制目标，利用PID反馈闭环控制输出补偿转矩。最后，将前述驻坡转矩和补偿转矩叠加在一起通过限幅与滤波后输入电机，以驱动车辆在坡道上实现平稳起步。该方法在起步过程中无需驾驶人员介入，通过自动计算的转矩即可实现车辆在上坡起步过程中不溜坡。
附图说明
图1是本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法流程图；
图2是隆伯格状态观测器结构图；
图3是利用隆伯格状态观测器对平路进行坡度估计仿真图；
图4是利用隆伯格状态观测器对上坡进行坡度估计仿真图；
图5是利用隆伯格状态观测器对下坡进行坡度估计仿真图；
图6是本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制系统原理框图；
图7是利用本发明所述的方法进行自适应起步控制的仿真位移图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法，包括以下步骤：
S1、基于隆伯格状态观测器的坡道识别
在电动汽车驻车前的正常行驶阶段，利用一个线性的隆伯格状态观测器，如图2所示，对电动汽车行驶道路的坡度进行实时估计；
其中，Ft为车轮驱动力，Ff为车轮滚动阻力，Fb为制动力，Fi为坡道阻力， m为车辆满载质量，为车辆纵向加速度，T为四个轮毂电机输出转矩之和，ig为变速器传动比，io为主减速器传动比，η为电动汽车机械传动效率，r为车轮半径，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，θ为路面坡度，βb为制动踏板开度， Tbmax为最大制动器力矩；
电动汽车受到的驱动力、滚动阻力以及制动力的合力可表示为：
Fa＝Ft-Ff-Fb (9)
对公式(8)进行线性化处理后变为：
其中，g为重力加速度，θ为路面坡度；
选取电动汽车车速v和电动汽车行驶时路面坡度θ作为状态变量，故公式 (9)的状态空间表达式如下所示：
其中，y＝v，u＝Fa，C＝[1 0]；
引入隆伯格状态观测器，其状态空间表达式如下所示：
其中，为状态变量x的状态观测值，ye为输出y的观测值，H为状态观测器反馈增益矩阵，进而得到电动汽车行驶时路面坡度估计值θe；
利用Carsim与Simulink进行联合仿真，分别选取平路和坡度为16％的上坡与下坡路况，利用前述隆伯格状态观测器对坡度进行估计，其平路坡度估计仿真结果如图1所示，上坡、下坡坡度估计仿真结果分别如图2、图3所示，从图 1、图2以及图3可知，隆伯格状态观测器对坡度的估计精度较高，误差可保持在正负1％以内。
S2、电动汽车自适应起步
S2.1、根据电动汽车行驶时路面坡度估计值θe判断电动汽车进行自适应起步时的运行状态
电动汽车在停车阶段，整车控制器检测到的制动踏板开度为0、加速踏板开度为0以及电动汽车车速为0，当驾驶员松开制动踏板，不踩加速踏板时，电动汽车进入坡道自适应起步阶段，那么，需要根据停车前，隆伯格状态观测器估计的行驶坡度值θe，判断电动汽车当前处于上坡、下坡还是平路，具体判断方法如下：
当路面坡度估计值θe＜0时，电动汽车处于下坡运行状态；
当路面坡度估计值θe＝0时，电动汽车处于平路运行状态；
当路面坡度估计值θe＞0时，电动汽车处于上坡运行状态；
S2.2、控制电动汽车进行自适应起步
S2.2.1、利用驻坡转矩计算模块计算电动汽车的驻坡转矩Tz
当电动汽车处于下坡运行状态时，驻坡转矩
当电动汽车处于平路运行状态时，驻坡转矩Tz＝0；
当电动汽车处于上坡运行状态时，驻坡转矩
S2.2.2、利用PID控制器输出补偿转矩ΔT
判断电动汽车起步后的车速vd是否小于自适应起步稳定目标车速vref，如果 vd＜vref，则PID控制器输出补偿转矩ΔT，如果vd≥vref，则ΔT＝0；其中，e为PID控制器的输入，即自适应起步稳定目标车速vref与电动汽车起步后的车速vd之间的差；kp为PID控制器比例系数，ki为PID控制器积分系数，kd为PID控制器微分系数；
S2.2.3、控制四个轮毂电机运行
将驻坡转矩Tz与补偿转矩ΔT求和，得到限幅模块的输入转矩Te，再将输入转矩Te进行限幅处理；
其中，Tmax为轮毂电机最大输出转矩，Tout_lim为限幅后的输出转矩；
再将限幅后的输出转矩Tout_lim进行滤波处理
其中，s表示输出转矩的频率，τ为滤波时间常数，Tout为滤波模块输出转矩；
最后将输出转矩Tout输入到电机控制器，通过电机控制器对四个轮毂电机进行调节，以实现坡道起步不溜坡，冲击度不超标的控制目标，来实现四轮轮毂电动汽车自适应起步。
图3是本发明一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制系统原理框图。
在本实施例中，如图3所示，一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制系统，包括：坡道识别模块、驻坡转矩计算模块、自适应起步控制模块、限幅模块、和滤波模块。
其中，坡道识别模块是利用隆伯格状态观测器对电动汽车行驶道路的坡度进行实时估计，得到路面坡度估计值θe；
驻坡转矩计算模块，先根据路面坡度估计值θe判断出电动汽车进行自适应起步时的运行状态，在本实施例中，电动汽车起步时的运行状态有上坡、下坡和平路三种状态，再根据不同的运行状态，计算出对应的驻坡转矩Tz；
自适应起步控制模块，以电动汽车起步后的车速vd作为控制目标，以自适应起步稳定目标车速vref与电动汽车起步后的车速vd之间的差e作为控制变量，利用PID控制器进行控制，进而得到补偿转矩ΔT；
限幅模块，对驻坡转矩Tz与补偿转矩ΔT之和Te进行限制，即将Te与电机最大输出转矩Tmax作比较，当Te大于Tmax，则限幅模块输出Tmax，否则输出Te；再将输出的结果输入到滤波模块；
滤波模块，用于对限幅模块的输出结果进行平滑处理，再将输出的结果输入到电动汽车的电机控制器，通过电机控制器对四个轮毂电机进行调节，以实现四轮轮毂电动汽车自适应起步。
利用Carsim与Simulink进行联合仿真，选取坡度为10％的上坡路况，利用不同的滤波时间常数τ对前述自适应起步控制方法进行仿真，其位移仿真结果如图4 所示，当滤波时间常数为0.1和0.7时，电机指令转矩上升时间比较快，此时能够实现无溜坡起步；当时间常数为1.0时，电机指令转矩上升时间较慢，故起步过程中会出现较小的溜坡。因此，本方法在选择适当的滤波时间常数的情况下，可以避免四轮轮毂电动汽车在上坡起步过程中出现溜坡现象。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、基于隆伯格状态观测器的坡道识别
在电动汽车驻车前的正常行驶阶段，利用一个线性的隆伯格状态观测器对电动汽车行驶道路的坡度进行实时估计；
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其中，Ft为车轮驱动力，Ff为车轮滚动阻力，Fb为制动力，Fi为坡道阻力，m为车辆满载质量，为车辆纵向加速度，T为四个轮毂电机输出转矩之和，ig为变速器传动比，io为主减速器传动比，η为电动汽车机械传动效率，r为车轮半径，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，θ为路面坡度，βb为制动踏板开度，Tbmax为最大制动器力矩；
电动汽车受到的驱动力、滚动阻力以及制动力的合力可表示为：
Fa＝Ft-Ff-Fb (2)
对公式式(1)进行线性化处理后变为：
<mrow>
<mi>m</mi>
<mover>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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其中，g为重力加速度，θ为路面坡度；
选取电动汽车车速v和电动汽车行驶时路面坡度θ作为状态变量，故公式(2)的状态空间表达式如下所示：
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<mfenced open = "{" close = "">
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其中，y＝v，u＝Fa，C＝[1 0]；
引入隆伯格状态观测器，其状态空间表达式如下所示：
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<mfenced open = "{" close = "">
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<mn>5</mn>
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</mrow>
</mrow>
其中，为状态变量x的状态观测值，ye为输出y的观测值，H为状态观测器反馈增益矩阵，进而得到电动汽车行驶时路面坡度估计值θe；
(2)、根据电动汽车行驶时路面坡度估计值θe判断电动汽车进行自适应起步时的运行状态
当路面坡度估计值θe＜0时，电动汽车处于下坡运行状态；
当路面坡度估计值θe＝0时，电动汽车处于平路运行状态；
当路面坡度估计值θe＞0时，电动汽车处于上坡运行状态；
(3)、控制电动汽车进行自适应起步
(3.1)、利用驻坡转矩计算模块计算电动汽车的驻坡转矩Tz
当电动汽车处于下坡运行状态时，驻坡转矩
当电动汽车处于平路运行状态时，驻坡转矩Tz＝0；
当电动汽车处于上坡运行状态时，驻坡转矩
(3.2)、利用PID控制器输出补偿转矩ΔT
判断电动汽车起步后的车速vd是否小于自适应起步稳定目标车速vref，如果vd＜vref，则PID控制器输出补偿转矩ΔT，如果vd≥vref，则ΔT＝0；其中，e为PID控制器的输入，即自适应起步稳定目标车速vref与电动汽车起步后的车速vd之间的差；kp为PID控制器比例系数，ki为PID控制器积分系数，kd为PID控制器微分系数；
(3.3)、控制四个轮毂电机运行
将驻坡转矩Tz与补偿转矩ΔT求和，得到限幅模块的输入转矩Te，再将输入转矩Te进行限幅处理；
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其中，Tmax为轮毂电机最大输出转矩，Tout_lim为限幅后的输出转矩；
再将限幅后的输出转矩Tout_lim进行滤波处理
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</mrow>
其中，s表示输出转矩的频率，τ为滤波时间常数，Tout为滤波模块输出转矩；
最后将输出转矩Tout输入到电机控制器，通过电机控制器对四个轮毂电机进行调节，以实现四轮轮毂电动汽车自适应起步。
2.一种四轮轮毂电动汽车自适应起步控制系统，其特征在于，包括：
一坡道识别模块，利用隆伯格状态观测器对电动汽车行驶道路的坡度进行实时估计，得到路面坡度估计值θe；
一驻坡转矩计算模块，先根据路面坡度估计值θe判断出电动汽车进行自适应起步时的运行状态，再根据不同的运行状态，计算出对应的驻坡转矩Tz；
一自适应起步控制模块，以电动汽车起步后的车速vd作为控制目标，以自适应起步稳定目标车速vref与电动汽车起步后的车速vd之间的差e作为控制变量，利用PID控制器进行控制，进而得到补偿转矩ΔT；
一限幅模块，对驻坡转矩Tz与补偿转矩ΔT之和Te进行限制，即将Te与电机最大输出转矩Tmax作比较，当Te大于Tmax，则限幅模块输出Tmax，否则输出Te；再将输出的结果输入到滤波模块；
一滤波模块，用于对限幅模块的输出结果进行平滑处理，再将输出的结果输入到电动汽车的电机控制器，通过电机控制器对四个轮毂电机进行调节，以实现四轮轮毂电动汽车自适应起步。
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