CN105835721B - 一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法 - Google Patents

一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法，通过当前的驱动模式选取合适的车速估计模块，即基于UKF的车速估计模块或者基于轮速的车速估计模块，实时估计当前的车速；同时，针对驱动模式切换时车速的跳变进行平滑滤波处理；然后，以期望车速为控制目标，利用PID控制器控制输出总转矩；最后，将总转矩通过转矩分配和限幅输入至各个电机控制器，进而控制电动汽车车速达到期望速度。

Description

一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法
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车速控制方法。
背景技术
车速是车辆动力学控制和稳定性控制中的重要变量，车速的测量精度将直接影响车辆的控制效果。目前，针对于轮毂汽车的控制方法，主要包括驱动防滑控制、牵引力控制以及稳定性控制，但是，上述方法都假设车速是已知量，并没有考虑车速测量对车辆稳定性和乘坐舒适性的影响。
为了降低成本，车速测量方法主要是基于车载普通传感器实现。现有的测量方法主要有两种，一是由非驱动轮轮速和车身加速度等基本测量信息的直接换算得到。但是，由非驱动轮轮速得到车速的车速估计方法只适用于传统的两驱汽车，针对于四轮轮毂电动汽车，该方法已经不再适用。二是利用卡尔曼滤波相关算法以及其他相关传感器间接估算得到。此方法并没有考虑四轮轮毂电动汽车存在多种驱动模式的情况，并且驱动模式的切换会对车速估计精度带来一定的影响。
因此，本发明针对四轮轮毂电动汽车，利用其存在多种驱动模式的特点，提出了一种适用于多驱动模式下的车速估计改进方法，在四驱模式下采用基于加速度传感器信息的车速估计方法，两驱模式下采用基于轮速的车速估计方法，并对车速估计方法的切换进行平滑滤波处理。
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车速控制方法，在提高了车速控制精度同时，减小了车速估计对车辆稳定性和乘坐舒适性的影响。
为实现上述发明目的，本发明一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、对电动汽车进行车速估计
(1.1)、基于UKF的车速估计方法
利用采集的车载传感器信号和带有HSRI轮胎的非线性三自由度估算模型，对电动汽车的车速进行实时估计；
其中，利用非线性三自由度估算模型得到动力学方程为：
其中，Vx为车轮纵向速度，Vy为车轮侧向速度，γ为横摆角速度，ax为纵向加速度，ay为侧向加速度，Iz为电动汽车车身绕Z轴的转动惯量，m为电动汽车质量，δ为前轮转向角，a为质心到前轴的距离，b质心到后轴的距离，Tz为横摆转矩，Tf为前轮轮距，Tr为后轮轮距，Fx_ij为车轮纵向力，Fy_ij为轮胎侧向力，ij＝lf,lr,rl,rr，分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮；
根据公式(1)-(6)构建无轨卡尔曼滤波器(UKF)，其状态方程为:
对UKF的状态方程离散化，得到离散化后的状态方程为：
量测方程为：
其中，Δt为采样时间，w(t)为过程激励噪声，v(t)为测量观测噪声；状态量控制输入量：u(t)＝[δ,ωij]T，量测比较量：
通过上述公式(1)-(8)联合求解，得到UKF车速估计算法估计的车速VUKF＝Vx；
(1.2)、基于轮速的车速估计方法
根据电动汽车的非驱动轮轮速，得到基于轮速的车速估计Vwheel，Vwheel＝ωnmR；其中，ωmn为非驱动轮转速，R为非驱动轮半径；
(2)、根据车轮动力学模型，计算非驱动轮的滑移率smn：
(3)、依据当前采用的驱动模式以及非驱动轮的滑移率smn，判定当前采用的估计车速方法；
预设非驱动轮滑移的绝对值阈值为A；
当电动汽车采用四驱模式行驶时，采用基于UKF的车速估计方法，得到实时车速V，V＝VUKF；
当电动汽车采用两驱模式行驶时，如果非驱动轮的滑移率的绝对值|smn|＞A，则非驱动轮处于打滑状态，采用基于UKF的车速估计方法，得到实时车速V，V＝VUKF；
当电动汽车采用两驱模式行驶时，如果非驱动轮滑移率的绝对值|smn|≤A，则非驱动轮处于正常运行状态，则采用基于轮速的车速估计方法，得到实时车速V，V＝Vwheel；
(4)、对电动汽车行驶过程中，车速估计方法切换过程产生的车速跳变进行平滑滤波处理，得到滤波后的车速V*；
其中，s为车速估计频率，τ为滤波时间常数；
(5)、控制车速达到期望车速Vref
(5.1)、利用PID控制器输出总转矩Tc
利用PID控制器对车速V*与期望车速Vref间的差值e进行控制，输出总转矩Tc，其中，e作为PID控制器的输入，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；
(5.2)、根据当前采用的驱动模式以及总转矩Tc计算各个电机的指令转矩Te_ij，再将指令转矩输入至各电机控制器，进而控制电动汽车车速。
其中，计算各个电机的指令转矩Te_ij的方法为：
当电动汽车采用四驱模式行驶时，则各电机的指令转Te_ij＝min{Tc/4,Tmax}；
当车辆采用两驱模式行驶时，各电机指令转矩Te_ij＝min{Tc/2,Tmax}；其中Tmax为轮毂电机最大输出转矩。
本发明还提供一种四轮轮毂电动汽车车速控制系统，其特征在于，包括：
基于UKF的车速估计模块，利用采集的车载传感器信号和带有HSRI轮胎的非线性三自由度估算模型，实时估计电动汽车的车速；
基于轮速的车速估计模块，利用电动汽车的非驱动轮轮速，实时估计电动汽车的车速；
车速估计方法切换模块，根据当前采用的驱动模式以及非驱动轮的滑移率，选择合适的车速估计模块，即选取基于UKF的车速估计模块或者基于轮速的车速估计模块，并在当前的驱动模式下实时估计车速；
速度控制器，利用期望速度与实时车速之间的差值进行PID控制，计算出电机控制总转矩，再将总转矩输入到转矩分配模块；
转矩分配模块，根据电动汽车当前采用的驱动模式计算出各个电机的指令转矩；
限幅模块，根据电动汽车当前采用的驱动模式，对各电机的指令转进行限幅处理，得到最终的指令转矩，并输入至各电机控制器，进而控制电动汽车车速。
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车速控制方法，通过当前的驱动模式选取合适的车速估计模块，即基于UKF的车速估计模块或者基于轮速的车速估计模块，实时估计当前的车速；同时，针对驱动模式切换时车速的跳变进行平滑滤波处理；然后，以期望车速为控制目标，利用PID控制器控制输出总转矩；最后，将总转矩通过转矩分配和限幅输入至各个电机控制器，进而控制电动汽车车速达到期望速度。
同时，本发明一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法还具有以下有益效果：
(1)、四轮轮毂电动汽车存在多种驱动模式，而驱动模式的切换会影响车速估计精度；针对现有车速估计算法的不足，本发明提出的车速估计方法，能够适用于多驱动模式下的车速估计；
(2)、本发明提出的车速控制方法，利用车速估计方法估计出的车速，通过PID控制器，能够有效地控制车速达到期望速度；
(3)、本发明提出的车速估计方法，通过对车速滤波平滑处理，能够有效地减小驱动模式切换对车速估计精度、车辆稳定性和乘坐舒适性的影响。
附图说明
图1是本发明一种四轮轮毂电动汽车车速控制系统原理图；
图2是本发明一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法流程图；
图3是四驱模式下基于UKF的车速估计方法的车速估计曲线图；
图4是两驱模式下基于轮速的车速估计方法的车速估计曲线图；
图5是驱动模式切换时车速估计结果图；
图6是利用本发明所述车速控制方法在四驱模式下车速控制效果图；
图7是利用本发明所述车速控制方法在两驱模式下车速控制效果图。
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车速控制系统原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种四轮轮毂电动汽车车速控制系统包括：
基于UKF的车速估计模块，利用采集的车载传感器信号和带有HSRI轮胎的非线性三自由度估算模型，实时估计电动汽车的车速；
基于轮速的车速估计模块，利用电动汽车的非驱动轮轮速，实时估计电动汽车的车速；
车速估计方法切换模块，根据当前采用的驱动模式以及非驱动轮的滑移率，选择合适的车速估计模块，即选取基于UKF的车速估计模块或者基于轮速的车速估计模块，并在当前的驱动模式下实时估计车速；
速度控制器，利用期望速度与实时车速之间的差值进行PID控制，计算出电机控制总转矩，再将总转矩输入到转矩分配模块；
转矩分配模块，根据电动汽车当前采用的驱动模式计算出各个电机的指令转矩；
限幅模块，根据电动汽车当前采用的驱动模式，对各电机的指令转进行限幅处理，得到最终的指令转矩，并输入至各电机控制器，进而控制电动汽车车速。
下面结合图2，对上述四轮轮毂电动汽车车速系统进行车速控制的具体方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、对电动汽车进行车速估计
S1.1、基于无轨卡尔曼滤波器(UKF)的车速估计方法
利用采集的车载传感器信号和带有密歇根大学高速公路研究所(HSRI)提出的轮胎的非线性三自由度估算模型，对电动汽车的车速进行实时估计；；
其中，利用非线性三自由度估算模型得到动力学方程为：
其中，Vx为车轮纵向速度，Vy为车轮侧向速度，γ为横摆角速度，ax为纵向加速度，ay为侧向加速度，Iz为电动汽车车身绕Z轴的转动惯量，m为电动汽车质量，δ为前轮转向角，a为质心到前轴的距离，b质心到后轴的距离，Tz为横摆转矩，Tf为前轮轮距，Tr为后轮轮距，Fx_ij为车轮纵向力，可以由车轮转速ωij以及电机转矩Tij获得，Fy_ij为轮胎侧向力，可由HSRI轮胎模型获得，ij＝lf,lr,rl,rr，分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮；
根据公式(1)-(6)构建无轨卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter，UKF)，其状态方程为:
对于非线性连续方程，要想通过卡尔曼理论进行状态估算，需要将连续系统状态方程离散化，因此，对上述状态方程进行离散化，可以得到离散化后的状态方程为：
量测方程为：
其中，Δt为采样时间，w(t)为过程激励噪声，v(t)为测量观测噪声，在本实施例中，二者均设为高斯白噪声；状态量控制输入量：u(t)＝[δ,ωij]T，量测比较量：ωij为车轮转速；
通过上述公式(1)-(8)联合求解，得到UKF车速估计算法估计的车速VUKF＝Vx；
在本实施例中，利用CarSim与Simulink联合仿真，设置四轮轮毂电动汽车车速为60km/h，路面附着系数为0.6，驱动模式为四驱模式，在具有代表性的双移线工况下，利用基于UKF的车速估计方法进行车速估计，车速估计结果如图3所示，从图中可以看出，基于UKF的车速估计方法车速估计精度较高，误差可以保持在1％以内。
S1.2、基于轮速的车速估计方法
根据电动汽车的非驱动轮轮速，得到基于轮速的车速估计Vwheel，Vwheel＝ωnmR；其中，ωmn为非驱动轮转速，R为非驱动轮半径；
在本实施例中，同样利用CarSim与Simulink联合仿真，设置四轮轮毂电动汽车车速为60km/h，路面附着系数为0.6，驱动模式为两驱模式，在具有代表性的双移线工况下，利用基于轮速的车速估计方法进行车速估计，车速估计结果如图4所示，从图中可以看出，基于轮速的车速估计方法车速估计精度较高，误差可以保持在1％以内。
S2、根据车轮动力学模型，计算非驱动轮的滑移率smn：
S3、依据当前采用的驱动模式以及非驱动轮的滑移率smn，判定当前采用的估计车速方法；
四轮轮毂电动汽车在整车结构上相对传统汽车有了很大的变化，各个车轮都安装了电驱动系统，可以独立驱动，由此可见，四轮轮毂电动汽车存在多种驱动模式。同时，在车辆正常行驶时，通过切换驱动模式，可以提高能源利用效率；当四轮轮毂电动汽车电驱动系统失效时，通过切换驱动模式，利用剩余尚可正常工作的电机驱动系统，可以保障电驱动系统失效时车辆安全行驶。因此，四轮轮毂电动汽车存在多种驱动模式，并且驱动模式之间存在相互切换。
基于UKF的车速估计算法利用纵向加速度、侧向加速度和横摆角速度，采用无轨卡尔曼滤波理论估算电动汽车纵向车速，能够获得较好的车速估计效果，然而，这种车速估计方法并没有考虑四轮轮毂电动汽车存在非驱动轮的情况，而且基于加速度信号的长期积分会有造成累计误差；基于轮速的车速估计算法设计简便，成本低，准确度也较高，但是，四轮轮毂电动汽车在行驶过程中，会出现四轮驱动模式，此时，车辆不存在非驱动轮。因此，针对四轮轮毂电动汽车，利用其存在多种驱动模式的特点，可结合两种车速估计算法，在四驱模式下采用基于UKF的车速估计算法，在两驱模式下采用基于轮速的车速估计算法，通过判断驱动模式选择合适的车速估计算法。
此外，考虑到轮毂汽车在低路面附着系数路面上行驶，驱动模式由四驱切换成两驱时，由于非驱动轮打滑会造成基于轮速的车速估计算法出现车速估计错误的情况。因此，车速估计算法切换时还需考虑当前非驱动轮的滑移率。
针对上述原因，在此需要先对当前采用的估计车速方法进行判断，具体判断方法为：
预设非驱动轮滑移的绝对值阈值为A；
当电动汽车采用四驱模式行驶时，采用基于UKF的车速估计方法，得到实时车速V，V＝VUKF；
当电动汽车采用两驱模式行驶时，如果非驱动轮的滑移率的绝对值|smn|＞A，则非驱动轮处于打滑状态，采用基于UKF的车速估计方法，得到实时车速V，V＝VUKF；
当电动汽车采用两驱模式行驶时，如果非驱动轮滑移率的绝对值|smn|≤A，则非驱动轮处于正常运行状态，则采用基于轮速的车速估计方法，得到实时车速V，V＝Vwheel；
S4、四轮轮毂电动汽车存在多驱动模式，从能效利用以及失效安全方面考虑，存在驱动模式的切换，而驱动模式的切换会影响车速估计精度。电动汽车行驶过程中，当驱动模式由四驱切换成两驱时，车速估计方法由基于UKF的车速估计方法切换成基于轮速的车速估计方法，此时，会造成车速的跳变。因此电动汽车行驶过程中，车速估计方法切换过程会产生车速跳变，需要进行平滑滤波处理，将车速通过滤波器后得到滤波后的车速；
其中，s为车速估计频率，τ为滤波时间常数；
在本实施例中，利用CarSim与Simulink联合仿真，设置四轮轮毂电动汽车车速为60km/h，路面附着系数为0.6，驱动模式在20s由四驱模式切换成两驱模式，分别仿真添加滤波平滑和为添加车速滤波平滑两种情况，车速估计结果对比图如图5所示，从图中可以看出，四驱和两驱模式下，车速估计方法都能较为准确的估计车速，并且能够有效的平滑驱动模式切换造成的车速跳变。
S5、控制车速达到期望车速Vref
S5.1、利用PID控制器输出总转矩Tc
利用PID控制器对车速V*与期望车速Vref间的差值e进行控制，输出总转矩Tc，其中，e作为PID控制器的输入，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；
S5.2、根据当前采用的驱动模式以及总转矩Tc计算各个电机的指令转矩Te_ij，当电动汽车采用四驱模式行驶时，则各电机的指令转Te_ij＝min{Tc/4,Tmax}；当车辆采用两驱模式行驶时，各电机指令转矩Te_ij＝min{Tc/2,Tmax}，其中Tmax为轮毂电机最大输出转矩；再将指令转矩输入至各电机控制器，进而控制电动汽车车速。
在本实施例中，利用CarSim与Simulink联合仿真，设置四轮轮毂电动汽车初始车速为5km/h，期望速度为60km/h，路面附着系数为0.6，分别仿真四驱模式和两驱模式两种工况。四驱模式下车速控制结果图如图6所示，稳态误差为0.068km/h，超调量为0％；两驱模式下车速控制结果图如图7所示，稳态误差为0.017km/h，超调量为0％。从仿真结果可以看出，四驱和两驱模式下，车速控制方法都能达到较高的车速控制精度。
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 (3)

1.一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、对电动汽车进行车速估计
(1.1)、基于无轨卡尔曼滤波器(UKF)的车速估计方法
利用采集的车载传感器信号和带有密歇根大学高速公路研究所(HSRI)提出的轮胎的非线性三自由度估算模型，对电动汽车的车速进行实时估计；
其中，利用非线性三自由度估算模型得到动力学方程为：
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其中，Vx为车轮纵向速度，Vy为车轮侧向速度，γ为横摆角速度，ax为纵向加速度，ay为侧向加速度，Iz为电动汽车车身绕Z轴的转动惯量，m为电动汽车质量，δ为前轮转向角，a为质心到前轴的距离，b质心到后轴的距离，Tz为横摆转矩，Tf为前轮轮距，Tr为后轮轮距，Fx_ij为车轮纵向力，Fy_ij为轮胎侧向力，ij＝lf,lr,rl,rr，分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮；
根据公式(1)-(6)构建无轨卡尔曼滤波器(UKF)，其状态方程为:
对UKF的状态方程离散化，得到离散化后的状态方程为：
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其中，Δt为采样时间，w(t)为过程激励噪声，v(t)为测量观测噪声；状态量控制输入量：u(t)＝[δ,ωij]T，量测比较量：
通过上述公式(1)-(8)联合求解，得到UKF车速估计算法估计的车速VUKF＝Vx；
(1.2)、基于轮速的车速估计方法
根据电动汽车的非驱动轮轮速，得到基于轮速的车速估计Vwheel，Vwheel＝ωnmR；其中，ωmn为非驱动轮轮速，R为非驱动轮半径；
(2)、根据车轮动力学模型，计算非驱动轮的滑移率smn：
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(3)、依据当前采用的驱动模式以及非驱动轮的滑移率smn，判定当前采用的估计车速方法；
预设非驱动轮滑移的绝对值阈值为A；
当电动汽车采用四驱模式行驶时，采用基于UKF的车速估计方法，得到实时车速V，V＝VUKF；
当电动汽车采用两驱模式行驶时，如果非驱动轮的滑移率的绝对值|smn|＞A，则非驱动轮处于打滑状态，采用基于UKF的车速估计方法，得到实时车速V，V＝VUKF；
当电动汽车采用两驱模式行驶时，如果非驱动轮滑移率的绝对值|smn|≤A，则非驱动轮处于正常运行状态，则采用基于轮速的车速估计方法，得到实时车速V，V＝Vwheel；
(4)、对电动汽车行驶过程中，车速估计方法切换过程产生的车速跳变进行平滑滤波处理，得到滤波后的车速V*；
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其中，s为车速估计频率，τ为滤波时间常数；
(5)、控制车速达到期望车速Vref
(5.1)、利用PID控制器输出总转矩Tc
利用PID控制器对车速V*与期望车速Vref间的差值e进行控制，输出总转矩Tc，其中，e作为PID控制器的输入，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；
(5.2)、根据当前采用的驱动模式以及总转矩Tc计算各个电机的指令转矩Te_ij，再将指令转矩输入至各电机控制器，进而控制电动汽车车速。
2.根据权利要求1所述的一种四轮轮毂电动汽车车速控制方法，其特征在于，所述步骤(5.2)中，计算各个电机的指令转矩Te_ij的方法为：
当电动汽车采用四驱模式行驶时，则各电机的指令转矩Te_ij＝min{Tc/4,Tmax}；
当车辆采用两驱模式行驶时，各电机指令转矩Te_ij＝min{Tc/2,Tmax}；其中Tmax为轮毂电机最大输出转矩。
3.一种四轮轮毂电动汽车车速控制系统，其特征在于，包括：
一基于UKF的车速估计模块，利用采集的车载传感器信号和带有HSRI轮胎的非线性三自由度估算模型，实时估计电动汽车的车速；
一基于轮速的车速估计模块，利用电动汽车的非驱动轮轮速，实时估计电动汽车的车速；
一车速估计方法切换模块，根据当前采用的驱动模式以及非驱动轮的滑移率，选取基于UKF的车速估计模块或者基于轮速的车速估计模块，并在当前的驱动模式下实时估计车速；
一速度控制器，利用期望速度与实时车速之间的差值进行PID控制，计算出电机控制总转矩，再将总转矩输入到转矩分配模块；
一转矩分配模块，根据电动汽车当前采用的驱动模式计算出各个电机的指令转矩；
一限幅模块，根据电动汽车当前采用的驱动模式，对各电机的指令转进行限幅处理，得到最终的指令转矩，并输入至各电机控制器，进而控制电动汽车车速。
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