CN106696755B - 一种车辆转矩分配装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车辆驱动控制领域。为了解决车辆在不平路面、低附着路面行驶或翻越障碍时，各个车轮的转速难以协同一致，导致轮胎加速磨损、车辆行驶不稳定、车轮过度滑转和车辆的动力性能下降的问题，本发明提供了一种车辆转矩分配装置及方法，包括计算模块，计算模块用于计算车轮的滑转率；预测模块用于预测车轮的最优滑转率；初始转矩分配模块用于将总转矩分配给各车轮电机；转矩输出模块用于对滑转率与最优滑转率的差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值。本发明降低了车轮的滑转，提高了轮毂电机驱动车辆行驶的安全性、稳定性和整车的动力性能。

Description

一种车辆转矩分配装置及方法
技术领域
本发明涉及车辆驱动控制领域，具体涉及一种车辆转矩分配装置及方法。
背景技术
行驶的安全性和稳定性是轮式车辆的两项重要性能指标，为了提高行驶性能，需要采用有效手段来提高车辆行驶的安全性和稳定性。对于轮毂电机驱动车辆，例如六轮独立驱动电动车辆，每个车轮独立驱动，当车辆在不平路面、低附着路面行驶或翻越障碍时，由于各车轮所获得的路面附着力不同，导致各个车轮的转速难以协同一致，这样一方面加速了轮胎的磨损，另一方面导致车辆行驶不稳定，同时，还会使车轮过度滑转，降低车辆的动力性能。
发明内容
本发明提供了一种车辆转矩分配装置及方法，以解决车辆在不平路面、低附着路面行驶或翻越障碍时，各个车轮的转速难以协同一致，一方面加速了轮胎的磨损，另一方面导致车辆行驶不稳定，同时，还会使车轮过度滑转，降低车辆的动力性能的问题，降低车轮的滑转，提高轮毂电机驱动车辆行驶的安全性、稳定性和整车的动力性能。
第一方面，本发明提供了一种车辆转矩分配装置，包括计算模块、预测模块、初始转矩分配模块和转矩输出模块；所述计算模块与所述转矩输出模块连接，用于计算车轮的滑转率，并将该滑转率发送给所述转矩输出模块；所述预测模块与所述转矩输出模块连接，用于预测车轮的最优滑转率，并将该最优滑转率发送给所述转矩输出模块；所述初始转矩分配模块与所述转矩输出模块连接，用于将总转矩分配给各车轮电机，并将各车轮电机分配得到的初始转矩发送给所述转矩输出模块；所述转矩输出模块用于求得所述滑转率与所述最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将该转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值，并将该输出转矩值输出。
其中，所述预测模块用于将时出现的滑转率作为车轮的最优滑转率，其中，Tdi为第i个车轮的驱动转矩，为Tdi的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度，为的导数。
其中，所述预测模块用于当所述时出现的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将该滑转率作为最优滑转率。
其中，所述预测模块用于将0.15作为最优滑转率的初始值。
其中，所述预测模块用于，当κinκi(n-1)≤0，且当前输出的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将上一步输出的滑转率作为最优滑转率，其中，κin为当前计算值，为上一步计算值， 为第i个车轮的驱动转矩的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度的导数。
其中，还包括车辆行驶模块，该车辆行驶模块与所述转矩输出模块连接，用于接收所述转矩输出模块反馈的输出转矩值；所述车辆行驶模块还分别与所述计算模块、预测模块和初始转矩分配模块连接，用于获取轮毂电机及车辆状态参数并将轮毂电机及车辆状态参数提供给所述计算模块、预测模块和初始转矩分配模块。
其中，所述初始转矩分配模块包括轮荷占比计算单元和分配单元，所述轮荷占比计算单元与分配单元连接，用于计算各车轮轮荷占总轮荷的比值，所述分配单元用于根据各车轮轮荷占总轮荷的比值分配总转矩。
其中，所述转矩输出模块还包括限幅单元，该限幅单元用于比较所述滑转率与所述最优滑转率，当所述滑转率大于所述最优滑转率时，则输出所述滑转率与所述最优滑转率的差值，当所述滑转率小于等于所述最优滑转率时，则不输出所述滑转率与所述最优滑转率的差值。
第二方面，本发明还提供了一种电动车辆，包括上述任一项所述的车辆转矩分配装置。
第三方面，本发明还提供了一种车辆转矩分配方法，包括以下步骤：S1：计算车轮的滑转率；预测车轮的最优滑转率；将总转矩分配给各车轮电机；S2：求得所述滑转率与所述最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将该转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值。
本发明的车辆转矩分配装置及方法具有以下有益效果：
本发明的装置及方法能够修正车辆出现滑转的车轮所对应的驱动电机的转矩，调节其转矩输出，将车轮滑转率控制在最优滑转率附近，增大车轮与地面的附着力，使车轮的驱动力与地面附着力平衡，延长了轮胎使用寿命，降低了车轮的滑转，从而提高了轮毂电机驱动车辆的行驶稳定性、安全性和整车的动力性能。本发明的装置能够对每个车轮进行防滑控制，实时监测每个车轮的滑转情况。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明车辆转矩分配装置的结构示意图；
图2为图1所示的车辆转矩分配装置的流程图；
图3为本发明车辆转矩分配装置的一种优选结构示意图；
图4为图3所示的车辆转矩分配装置的流程图；
图5为本发明车辆转矩分配装置的初始转矩分配模块的结构示意图；
图6为本发明车辆转矩分配装置的转矩输出模块的结构示意图；
图7为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下车速对比；
图8为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下车身加速度对比；
图9为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下第一轮纵向滑转率对比；
图10为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下第二轮纵向滑转率对比；
图11为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下第三轮纵向滑转率对比；
图12为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下第四轮纵向滑转率对比；
图13为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下第五轮纵向滑转率对比；
图14为使用了本发明车辆转矩分配装置和未使用本发明车辆转矩分配装置两种情况下第六轮纵向滑转率对比。
具体实施方式
下面结合附图介绍本发明的实施例。
如图1所示，本发明车辆转矩分配装置包括计算模块11、预测模块12、初始转矩分配模块13和转矩输出模块10。计算模块11与转矩输出模块10连接，用于计算车轮的滑转率，并将计算得出的滑转率发送给转矩输出模块10。预测模块12与转矩输出模块10连接，用于预测车轮的最优滑转率，并将预测的最优滑转率发送给转矩输出模块10。初始转矩分配模块13与转矩输出模块10连接，用于将总转矩分配给各车轮电机，并将各车轮电机分配得到的初始转矩发送给转矩输出模块10。转矩输出模块10用于求得计算模块11发送的滑转率与预测模块12发送的最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值，并将该输出转矩值输出。
如图2所示，图1中的车辆转矩分配装置的工作流程包括：步骤S11，计算车轮的滑转率；步骤S12，预测车轮的最优滑转率；步骤S13，将预先给定的总转矩分配给各车轮电机；步骤S2，计算步骤S11得到的滑转率与步骤S12得到的最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算,得到转矩修正值，将转矩修正值与步骤S13中车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值。其中，步骤S11、S12和S13的顺序可以互换，步骤S11、S12和S13也可以同时进行。步骤S2中，采用比例积分(proportional integral，PI)控制算法得到转矩修正值，该转矩修正值即为转矩调节量，转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加就得到最终的输出转矩值，转矩输出模块10将该输出转矩值输出。
如图3所示，图3所示的车辆转矩分配装置与图2所示的车辆转矩分配装置不同的是还包括车辆行驶模块14，该车辆行驶模块14与转矩输出模块10连接，用于接收转矩输出模块10反馈的输出转矩值，并根据反馈的输出转矩值对各车轮电机的转矩进行控制，形成闭环控制。车辆行驶模块14还分别与计算模块11、预测模块12、初始转矩分配模块13连接，用于获取轮毂电机及车辆状态参数，并将获取的轮毂电机及车辆状态参数提供给计算模块11、预测模块12和初始转矩分配模块13。
如图4所示，图3中的车辆转矩分配装置的工作流程为：步骤S0，车辆行驶模块14获取轮毂电机及车辆状态参数，并将获取的轮毂电机及车辆状态参数提供给计算模块11、预测模块12和初始转矩分配模块13；步骤S11，计算车轮的滑转率；步骤S12，预测车轮的最优滑转率；步骤S13，将预先给定的总转矩分配给各车轮电机；步骤S2，计算步骤S11得到的滑转率与步骤S12得到的最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算,得到转矩修正值，将转矩修正值与步骤S13中车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值；步骤S3，车辆行驶模块14接收转矩输出模块10反馈的输出转矩值，并根据反馈的输出转矩值对各车轮电机的转矩进行控制。其中，步骤S11、S12和S13的顺序可以互换，步骤S11、S12和S13也可以同时进行。
下面介绍预测模块12预测车轮的最优滑转率的过程。
车辆在行驶过程中，由轮毂电机产生的驱动力矩直接作用到车轮上，此时作用于驱动车轮上的转矩Td产生一对地面的圆周力Ff，驱动轮受到地面产生的反作用力Fd(方向与Ff相反)便为驱动汽车的作用力，理论上，动力装置输出的驱动力矩越大，车轮作用于地面而产生的圆周力就会越大，同时地面对驱动轮的反作用力就会越大，加速能力就越好，爬坡能力也就越强。但是，车辆在实际行驶中，地面对车轮的切向反作用力不会因为驱动力矩的不断增加而无限制的增大，比如在潮湿的沥青路面或者光滑的低附着系数路面上行驶的汽车，当驱动力过大时，很可能导致驱动轮在路面上急剧加速滑转，这时地面反作用力就会比较小，不会随着驱动力矩的继续增加而增大，那么车辆的动力性能便会大幅度地降低。所以，车辆的动力性能除了与驱动力有关之外，还与轮胎和地面之间的附着系数有着密切关系。
地面施加给车轮的驱动力可以用垂直载荷与路面附着系数的乘积来表示，即
上式中，Fxi为地面施加给车轮的驱动力，Fzi为垂直载荷，为路面附着系数。
由车轮转动动力学方程：
上式中，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度，Tdi为第i个车轮的驱动转矩，rr为车轮的滚动半径。
由以上两式求出第i个车轮的路面附着系数为：
则附着系数对时间t的导数为：
由滑转率计算公式：
上式中，μi为滑转率，ui为车轮中心纵向速度，即汽车的行驶速度，
可得，滑转率μi对时间t的导数为：
进一步得到：
由于车辆驱动行驶时，上式中的Fzi、rr、Ωi 2均为正数，的正负号由决定。当时，即时，此时出现的滑转率即为最优滑转率μp。
进行驱动防滑控制时，由于驱动轮的加速度是采用差分运算得到的，运算过程中产生了极大的震荡，即使车轮滑转率不大，也会出现的情况。因此，当时出现的滑转率属于0.05-0.20的范围时，才将该滑转率作为最优滑转率，以提高最优滑转率预测的准确度，其中，Tdi为第i个车轮的驱动转矩，为Tdi的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度，为的导数。
预测模块12也可以用于将0.15作为最优滑转率的初始值。
预测模块12还可以取两步计算值进行最佳滑转率的识别，设κin为当前计算值，κi(n-1)为上一步计算值，当κinκi(n-1)≤0时，且当前输出的滑转率属于0.05-0.20的范围时，即认为当前车轮已发生滑转，则取上一步输出的滑转率μi(n-1)作为最优滑转率，其中，为第i个车轮的驱动转矩的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度的导数。
如图5所示，初始转矩分配模块13包括轮荷占比计算单元15和分配单元16，轮荷占比计算单元15与分配单元16连接，用于计算各车轮轮荷占总轮荷的比值，分配单元16用于根据各车轮轮荷占总轮荷的比值分配总转矩。由于电驱动车辆可以通过综合控制器和电机控制器对每个驱动电机进行实时和独立控制，并且驱动电机本身转矩响应快、控制精度高，因而各车轮的转矩可以实现灵活、动态分配，不像机械传动车辆那样受限于固定的传动比，所以在初始转矩分配中采用基于载荷比的分配，即第i轮分配到的转矩占总转矩的比例应为第i轮的轮荷占六轮总轮荷的比值。
如图6所示，转矩输出模块10还包括限幅单元17，该限幅单元17用于比较计算模块11得到的滑转率与预测模块12得到的最优滑转率，当滑转率大于最优滑转率时，则输出滑转率与最优滑转率的差值，当滑转率小于等于最优滑转率时，则不输出滑转率与最优滑转率的差值。
本发明的装置能够修正车辆出现滑转的车轮所对应的驱动电机的转矩，调节其转矩输出，将车轮滑转率控制在最优滑转率附近，增大车轮与地面的附着力，使车轮的驱动力与地面附着力平衡，延长了轮胎使用寿命，降低了车轮的滑转，从而提高了轮毂电机驱动车辆的行驶稳定性、安全性和整车的动力性能。本发明的装置能够对每个车轮进行防滑控制，实时监测每个车轮的滑转情况。本发明的装置尤其适用于多轮独立驱动电动车辆直线行驶工况的转矩分配。
根据本说明书的教导，本领域技术人员应当能够理解，上述的“模块”、“单元”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，本领域技术人员基于成本和处理速度的考虑，可以将本说明书中的“模块”和/或“单元”通过软件和/或硬件实现。
本发明还提供一种电动车辆，包括上述的车辆转矩分配装置。
发明人对本发明车辆转矩分配装置的效果进行了数值仿真分析，进行数值分析时选用六轮独立驱动电动车辆，如图7所示，虚线表示未使用本发明车辆转矩分配装置时车辆的车速，从图中可以看出，最终达到的车速值为8.12m/s；实线表示使用了本发明车辆转矩分配装置后车辆的车速，从图中可以看出，最终达到的车速值约为9.80m/s，高于未使用本发明车辆转矩分配装置时最终的车速值。
如图8所示，虚线表示未使用本发明车辆转矩分配装置时的车身加速度，加速度平均值为1.43m/s2，算数均方根为1.98m/s2；实线表示使用了本发明车辆转矩分配装置后的车身加速度，加速度平均值为2.01m/s2，算数均方根为2.78m/s2，可见，使用了本发明车辆转矩分配装置后，车辆动力性得到了明显提升。
如图9-14所示，从图中可以看出，未使用本发明车辆转矩分配装置时，各车轮纵向滑转率波动较大，有处在0.4～0.7范围内的滑转率数值，这一区间内的滑转率表明车轮在这些时刻发生滑转。使用了本发明车辆转矩分配装置后，纵向滑转率波动范围明显缩小，并且平均值均在最优滑转率0.15附近，可见，本发明车辆转矩分配装置有效改善了车轮的滑转情况。
本发明还提供一种车辆转矩分配方法，包括以下步骤：
S1：计算车轮的滑转率；预测车轮的最优滑转率；将总转矩分配给各车轮电机；
S2：求得滑转率与最优滑转率的差值，并对该差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值。
步骤S1中，将时出现的滑转率作为车轮的最优滑转率，其中，Tdi为第i个车轮的驱动转矩，为Tdi的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度，为的导数。
步骤S1中，当所述时出现的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将该滑转率作为最优滑转率。
步骤S1中，将0.15作为最优滑转率的初始值。
步骤S1中，当κinκi(n-1)≤0，且当前输出的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将上一步输出的滑转率作为最优滑转率，其中，κin为当前计算值，κi(n-1)为上一步计算值， 为第i个车轮的驱动转矩的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度的导数。
步骤S1之前还包括：获取轮毂电机及车辆状态参数；步骤S2之后还包括：接收输出转矩值。
步骤S1中，计算各车轮轮荷占总轮荷的比值，根据各车轮轮荷占总轮荷的比值分配总转矩。
步骤S2中，比较滑转率与最优滑转率，当滑转率大于最优滑转率时，则输出滑转率与最优滑转率的差值，当滑转率小于等于最优滑转率时，则不输出滑转率与最优滑转率的差值。
本说明书中，对于车辆转矩分配方法实施例而言，由于其基本相似于车辆转矩分配装置实施例，相关之处参见车辆转矩分配装置实施例的部分说明即可，以避免重复性描述。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明的技术方案可借助软件或硬件来实现。基于这样的理解，本发明中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品或硬件产品的形式体现出来，其中，计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟和光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。说明书中的“模块”和“单元”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (13)

1.一种车辆转矩分配装置，其特征在于，包括计算模块、预测模块、初始转矩分配模块和转矩输出模块：
所述计算模块与所述转矩输出模块连接，用于计算车轮的滑转率，并将该滑转率发送给所述转矩输出模块；
所述预测模块与所述转矩输出模块连接，用于预测车轮的最优滑转率，并将该最优滑转率发送给所述转矩输出模块；
所述初始转矩分配模块与所述转矩输出模块连接，所述初始转矩模块包括轮荷占比计算单元和分配单元，用于将总转矩分配给各车轮电机，并将各车轮电机分配得到的初始转矩发送给所述转矩输出模块；
所述转矩输出模块用于求得所述滑转率与所述最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将该转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值，并将该输出转矩值输出；
所述预测模块用于当所述时出现的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将该滑转率作为最优滑转率，其中，Tdi为第i个车轮的驱动转矩，为Tdi的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度，为的导数。
2.根据权利要求1所述的车辆转矩分配装置，其特征在于，所述预测模块用于将0.15作为最优滑转率的初始值。
3.根据权利要求1所述的车辆转矩分配装置，其特征在于，所述预测模块还用于，当κinκi(n-1)≤0，且当前输出的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将上一步输出的滑转率作为最优滑转率，其中，κin为当前计算值，κi(n-1)为上一步计算值， 为第i个车轮的驱动转矩的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度的导数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆转矩分配装置，其特征在于，还包括车辆行驶模块，该车辆行驶模块与所述转矩输出模块连接，用于接收所述转矩输出模块反馈的输出转矩值；所述车辆行驶模块还分别与所述计算模块、预测模块和初始转矩分配模块连接，用于获取轮毂电机及车辆状态参数并将轮毂电机及车辆状态参数提供给所述计算模块、预测模块和初始转矩分配模块。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆转矩分配装置，其特征在于，所述初始转矩分配模块包括所述轮荷占比计算单元和所述分配单元，所述轮荷占比计算单元与分配单元连接，用于计算各车轮轮荷占总轮荷的比值，所述分配单元用于根据各车轮轮荷占总轮荷的比值分配总转矩。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆转矩分配装置，其特征在于，所述转矩输出模块还包括限幅单元，该限幅单元用于比较所述滑转率与所述最优滑转率，当所述滑转率大于所述最优滑转率时，则输出所述滑转率与所述最优滑转率的差值，当所述滑转率小于等于所述最优滑转率时，则不输出所述滑转率与所述最优滑转率的差值。
7.一种电动车辆，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的车辆转矩分配装置。
8.一种车辆转矩分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：计算车轮的滑转率；
预测车轮的最优滑转率，当所述时出现的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将该滑转率作为最优滑转率，其中，Tdi为第i个车轮的驱动转矩，为Tdi的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度，为的导数；
将总转矩分配给各车轮电机；
S2：求得所述滑转率与所述最优滑转率的差值，对该差值进行比例积分运算得到转矩修正值，将该转矩修正值与车轮电机分配得到的初始转矩叠加得到输出转矩值。
9.根据权利要求8所述的车辆转矩分配方法，其特征在于，所述步骤S1中，将0.15作为最优滑转率的初始值。
10.根据权利要求8所述的车辆转矩分配方法，其特征在于，所述步骤S1还包括，当κinκi(n-1)≤0，且当前输出的滑转率属于0.05-0.20的范围时，将上一步输出的滑转率作为最优滑转率，其中，κin为当前计算值，κi(n-1)为上一步计算值， 为第i个车轮的驱动转矩的导数，Iw为车轮转动惯量，为第i个车轮的角速度的导数。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的车辆转矩分配方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：获取轮毂电机及车辆状态参数；所述步骤S2之后还包括：接收输出转矩值。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的车辆转矩分配方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算各车轮轮荷占总轮荷的比值，根据各车轮轮荷占总轮荷的比值分配总转矩。
13.根据权利要求8-10中任一项所述的车辆转矩分配方法，其特征在于，所述步骤S2中，比较所述滑转率与所述最优滑转率，当所述滑转率大于所述最优滑转率时，则输出所述滑转率与所述最优滑转率的差值，当所述滑转率小于等于所述最优滑转率时，则不输出所述滑转率与所述最优滑转率的差值。
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