CN108572086A - 一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统和方法 - Google Patents

一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统和方法。利用电机的输入电压U和输入电流I计算出电机的输入功率，并计算出轮轴输出功率，并求出输出功率的导数及导数的变化值，进一步基于该变化值来检测轮胎‑地面附着状态。本发明只需要测量电机的输入电压U和输入电流I即可判断轮胎‑地面附着状态，检测方法简单方便，且所需传感器少，实施成本低。

Description

一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统 和方法
技术领域
本发明涉及车辆主动安全控制技术领域，尤其是一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统和方法。
背景技术
随着对汽车安全控制性能要求的提高，车辆防滑控制系统的研究受到了众多学者以及专家的关注。车辆防滑控制系统的核心在于调整路面对轮胎的切向作用力，而该作用力受到路面附着条件的制约，同时路面附着条件又受到滑移率的影响，只有滑移率处于稳定区才能最大限度利用路面的附着条件以避免打滑的发生。因此保证车辆轮胎在不同地面条件下处于稳定工作状态对车辆具有非常重要的意义。
传统的车辆轮胎与路面附着状态检测主要是基于当前滑移率的识别和最优滑移率的判断，国内外学者对这一块的研究大致分为两方面：一方面是通过各类速度传感器、力矩传感器等获取车辆底盘速度、车轮速度以及驱动转矩等，通过滑移率和附着系数的变化来检测轮胎与路面间附着状态。但这类研究需要较多高成本的传感器，且环境对其影响敏感，测量精度有限，限制了其在实际情况中的应用。另一方面是通过车辆运动方程测量其他物理量来间接估计车速，估计当前滑移率、判断当前轮胎和路面条件下的最优滑移率，进而判断车辆轮胎与地面附着状态，这种方法虽然避免了车速这个参数，但是难以满足观测鲁棒性的要求，实际应用效果不佳。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统和方法。解决目前检测存在操作成本高昂、最优滑移率不能实时判断等问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，包括测量模块、信息处理模块和信息分析模块；所述测量模块、信息处理模块和信息分析模块依次连接；其中：
所述测量模块，用于测量电机的输入电压U和输入电流I；
所述信息处理模块，用于根据输入电压U和输入电流I、电机相数m、功率因数等电气参数计算电机的输入功率P1和电机的输出功率Pout，并计算出电机的输出功率导数的变化值
所述信息分析模块，用于根据车轮打滑机理-特征量变化关系和输出功率导数的变化值来检测轮胎与地面附着状态。
所述测量模块包括电压测量单元和电流测量单元；分别测量电机的输入电压U和输入电流I，并将采集到的数据传递给信息处理模块。
所述信息处理模块包括电压-电流-空载损耗关系表单元，计算单元、数据存储单元和输出单元；所述电压-电流-空载损耗关系表单元存储有预先试验获得的不同输入电压、输入电流下电机对应的空载损耗P0，即铁损耗PFe与机械摩擦损耗Pmech之和；所述计算单元用于计算电机的输入功率P1和电机的输出功率Pout，并进一步计算得到表征轮胎与地面附着状态的特征参数所述数据存储单元用于存储计算单元所得的结果；所述输出单元用于将上述处理结果输出给信息分析模块。
所述信息分析模块包括轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元和检测单元，所述轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元用于根据路面附着系数与滑移率的关系dμ/dλ来推导出作为表征轮胎与地面附着状态的特征量；所述检测单元基于系统当前计算的输出功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态。
所述根据输出功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，包括：
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态。
所述根据输出功率导数的变化值检测在动态情形下的轮胎与地面附着状态，包括：
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；
其中，是当前计算所得的输出功率导数的变化值，是上次计算所得的输出功率导数的变化值。
一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测方法，具体步骤如下：
步骤S1：测量电机的输入电压U和输入电流I；
步骤S2：计算电机的输入功率P1：根据公式计算得到；
步骤S3：计算电机的输出功率Pout：若牵引电机是永磁同步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech来计算，若牵引电机是异步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech-Ps来计算；其中，Ps为附加损耗；PCu为电机的铜耗；
步骤S4：计算电机的输出功率导数的变化值电机的输出功率导数的变化值表示电机的输出功率导数连续两次测量计算值的差值，其计算公式为 其中，是当前计算所得的输出功率的导数，是上次计算所得的输出功率的导数；
步骤S5：根据输出功率导数的变化值判断轮胎与地面附着状态，具体的标准如下：
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
在动态情况下：
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性和技术进步：
1)本发明提出电机系统既是电力驱动的执行部件，也是系统的传感器的观点。即利用电机系统的电参数信息(输入电压、输入电流等)来等效滑移率和轮胎-地面附着系数μ的变化关系dμ/dλ，建立了基于电气参数表征的附着状态新型观测方程来判断轮胎-地面附着状态，具有创新性和可行性。
2)本发明利用电机系统本身运行控制的参数来检测车辆运动系统的附着状态，进而可为汽车的防滑控制策略提供相应的控制信息，解决了机械系统和电气系统两个异构空间的融合，具有实用性和先进性。
3)本发明中所需的电气参数来自于电机系统本身，仅利用电压电流传感器便可获取，避免了使用超声波、光学或其他专用传感器来测量轮速、车速、轮胎形变程度等信号，同时相比于轮速等物理信号，电气参数具有高带宽、测量精度高、测量方便等优点，具有可靠性和经济性。
4)本发明不仅适用于转矩(电流)闭环控制的车辆轮胎-地面附着状态的检测，而且也适用于采用电机驱动的各种轮式机器人的轮胎-地面附着状态的检测，具有应用推广性。
附图说明
图1是本发明基于牵引电机电气参数的车辆轮胎与地面附着状态检测系统示意图。
图2是四分之一车辆模型。
图3是不同路面(干路面、湿路面和冰雪路面)下的附着系数-滑移率特性曲线。
图4是牵引打滑过程中某种路面下附着系数μ随滑移率λ变化关系图。
图5是一种基于牵引电机电气参数的车辆轮胎与地面附着状态检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施进行详细说明。
如图1所示，一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，包括测量模块1、信息处理模块2和信息分析模块3；所述测量模块1、信息处理模块2和信息分析模块3依次连接；其中：
所述测量模块1，用于测量电机的输入电压U和输入电流I；
所述信息处理模块2，用于根据输入电压U和输入电流I、电机相数m、功率因数等电气参数计算电机的输入功率P1和电机的输出功率Pout，并计算出电机的输出功率导数的变化值
所述信息分析模块3，用于根据车轮打滑机理-特征量变化关系和输出功率导数的变化值来检测轮胎与地面附着状态。
所述测量模块1包括电压测量单元11和电流测量单元12；分别测量电机的输入电压U和输入电流I，并将采集到的数据传递给信息处理模块2。
所述信息处理模块2包括电压-电流-空载损耗关系表单元21，计算单元22、数据存储单元23和输出单元24；所述电压-电流-空载损耗关系表单元21存储有预先试验获得的不同输入电压、输入电流下电机(永磁同步电机或异步电机)对应的空载损耗P0(铁损耗PFe与机械摩擦损耗Pmech之和)；所述计算单元22用于计算电机的输入功率P1和电机的输出功率Pout，并进一步计算得到表征轮胎与地面附着状态的特征参数其中电机的输入功率P1根据公式来计算，若牵引电机是永磁同步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech来计算，若牵引电机是异步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech-Ps来计算，附加损耗Ps一般不易计算，往往根据经验估算，在大型异步电动机中，Ps约为输出额定功率的0.5％，而在小型异步电动机中，满载时Ps可达输出额定功率的1％～3％甚至更大。所述数据存储单元23用于存储计算单元22所得的结果；所述输出单元24用于将上述处理结果输出给信息分析模块3。
所述信息分析模块3包括轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元31和检测单元32，所述轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元31用于根据路面附着系数与滑移率的关系dμ/dλ来推导出作为表征轮胎与地面附着状态的特征量；所述检测单元32基于系统当前计算的输出功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态。
以电动汽车为例，将详细说明轮胎与地面附着状态的检测系统的工作原理和过程。所述的四分之一车辆模型(quarter car model，QCM)如图2所示，四分之一车辆模型假定左右轮上的驱动力和附着力相等，可得到如下运动方程，即
其中，T是车轮的驱动转矩，由电机产生并带动车轮旋转；J是车轮的等效旋转惯量；ω是车轮的转速；r是车轮的有效旋转半径；Fd是经轮胎-路面接触作用产生的摩擦力；μ是纵向附着系数；Fz是车轮法向载荷。
车辆前进的驱动力来自车轮和地面的摩擦力，动力系统给车轮的驱动力转化为车轮前进的驱动力和车轮与地面摩擦发热，因此车辆在牵引状态下车轮的转速总是高于车速。定义滑移率为：
式中，ε表示分母不为零的小常数。
由于牵引状态下车轮的转速总是高于车速，因此：
汽车的滑移率λ与轮胎-地面附着系数μ的特性曲线反映了车辆轮胎和地面的相互作用关系，通过滑移率λ和轮胎-地面附着系数μ的变化关系dμ/dλ可以判断车辆工作时的稳定性。通过大量的测试观察发现：不同路面(干路面、湿路面和冰雪路面)下的附着系数-滑移率特性曲线呈现出为如图3所示的非线性关系。开始阶段滑移率的增加可导致附着力增加(附着系数增加)，直到在操作点dμ/dλ＝0，附着系数达到最大值，其对应的滑移率称为最优滑移率λopt。进一步增加滑移率将造成附着系数的减小，将会引起车辆的不稳定加速导致车轮的严重滑转。车辆一旦进入不稳定状态，应立即减小电机驱动力。一旦当前滑移率超过最优滑移率，纵向附着力或横向附着力会立即减小，这种力的迅速丢失会造成车辆的严重失稳状况。我们将滑移率小于最优滑移率λopt的工作点区域称为稳定附着区，反之为不稳定打滑区。同时，附着系数随着路面附着性质不同而不同，当路面摩擦系数减小时，附着系数-滑移率的关系曲线向下平移。
汽车在牵引打滑过程中滑移率λ随时间t变化关系为：dλ/dt>0。定义附着系数变化率为g：
牵引打滑过程中某种路面下附着系数μ随滑移率λ变化关系图如图4所示。由图中可以看出，当dμ/dλ>0时，轮-地特性处于稳定区，根据公式可知，此时g>0；同理，当dμ/dλ<0时，轮-地特性处于非稳定打滑区，此时g<0。故可通过附着系数变化率g的变化等效dμ/dλ来检测车辆轮胎-地面附着状态。
由动力学知识可知，电机的输出功率Pout又可写为：
Pout＝T×ω (7)
其中，T是车轮的驱动转矩，由电机产生并带动车轮旋转，ω是车轮的转速。
一般车辆(除跑车、越野车等外)的转矩控制策略在整车驱动行驶时并不会使转矩发生剧烈突变，通常通过给定积分环节使转矩的给定变化值缓慢变化。以电动车辆为例，电动车辆通常采用转矩闭环控制，实际转矩跟随给定转矩，一般在毫秒级的时间步长内通过积分环节缓慢变化。
在极短的采样周期内(微秒级)转矩T可看作基本保持恒定，故式(8)可写为：
结合式(6)，并对输出功率Pout进行求导，可得：
用泰勒级数求得在tk处的精确分解为：
其中，h＝tk-tk-1。若从以上解中取前两项之和来近似计算可得：
由式(6)和式(14)可知：当的值小于0时，则g>0，最终可以推出参数dμ/dλ>0，由此可知，车辆轮胎-地面附着状态为稳定附着状态；当的值等于0时，则g＝0，最终可以推出参数dμ/dλ＝0，由此可知，车辆轮胎-地面附着状态为临界稳定状态；的值大于0时，则g<0，最终可以推出参数dμ/dλ<0，由此可知，车辆轮胎-地面附着状态为非稳定打滑状态。因此，由以上推导可以得出，通过值是可以检测电动车辆轮胎-地面附着状态的。
在实际检测中，车辆电机传递到轮轴上输出功率的导数是离散的，因此表示电机的输出功率的导数连续两次检测计算的差值，其计算公式为：实际应用中，电动车辆轮胎-地面附着状态检测方法的描述如下：
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；
其中，是当前计算所得的输出功率导数的变化值，是上次计算所得的输出功率导数的变化值。
如图5所示，一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测方法，具体步骤如下：
步骤S1：测量电机的输入电压U和输入电流I；
步骤S2：计算电机的输入功率P1：根据公式计算得到；
步骤S3：计算电机的输出功率Pout：若牵引电机是永磁同步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech来计算，若牵引电机是异步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech-Ps来计算；附加损耗Ps一般不易计算，往往根据经验估算，在大型异步电动机中，Ps约为输出额定功率的0.5％，而在小型异步电动机中，满载时Ps可达输出额定功率的1％～3％甚至更大，电机的空载损耗(铁损耗PFe与机械摩擦损耗Pmech之和)由电压-电流-空载损耗关系表单元预先存储的空载损耗三维表格中查表获取。
步骤S4：计算电机的输出功率导数的变化值电机的输出功率导数的变化值表示电机的输出功率导数连续两次测量计算值的差值，其计算公式为 其中，是当前计算所得的输出功率的导数，是上次计算所得的输出功率的导数；
步骤S5：根据输出功率导数的变化值判断轮胎与地面附着状态，具体的标准如下：
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
在动态情况下：
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点。
本发明可以通过电机的输出功率的导数变化值来检测电动车辆轮胎与地面附着状态，不需要知道车辆底盘速度、车轮的转速、车辆电机的输出转矩和车轮的粘附力矩，只需要电压传感器和电流传感器来测量牵引电机的输入电压和输入电流即可检测出车辆轮胎-地面附着状态，所需传感器少，实施成本低，且操作过程简单方便。

Claims (7)

1.一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，包括测量模块(1)、信息处理模块(2)和信息分析模块(3)；所述测量模块(1)、信息处理模块(2)和信息分析模块(3)依次连接；其中：
所述测量模块(1)，用于测量电机的输入电压U和输入电流I；
所述信息处理模块(2)，用于根据输入电压U和输入电流I、电机相数m、功率因数等电气参数计算电机的输入功率P1和电机的输出功率Pout，并计算出电机的输出功率导数的变化值
所述信息分析模块(3)，用于根据车轮打滑机理-特征量变化关系和输出功率导数的变化值来检测轮胎与地面附着状态。
2.根据权利要求1所述的基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述测量模块(1)包括电压测量单元(11)和电流测量单元(12)；分别测量电机的输入电压U和输入电流I，并将采集到的数据传递给信息处理模块(2)。
3.根据权利要求1所述的基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述信息处理模块(2)包括电压-电流-空载损耗关系表单元(21)，计算单元(22)、数据存储单元(23)和输出单元(24)；所述电压-电流-空载损耗关系表单元(21)存储有预先试验获得的不同输入电压、输入电流下电机对应的空载损耗P0，即铁损耗PFe与机械摩擦损耗Pmech之和；所述计算单元(22)用于计算电机的输入功率P1和电机的输出功率Pout，并进一步计算得到表征轮胎与地面附着状态的特征参数所述数据存储单元(23)用于存储计算单元(22)所得的结果；所述输出单元(24)用于将上述处理结果输出给信息分析模块(3)。
4.根据权利要求1所述的基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述信息分析模块(3)包括轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元(31)和检测单元(32)，所述轮胎打滑机理-特征量变化关系分析单元(31)用于根据路面附着系数与滑移率的关系dμ/dλ来推导出作为表征轮胎与地面附着状态的特征量；所述检测单元(32)基于系统当前计算的输出功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态。
5.根据权利要求4所述的基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述根据输出功率导数的变化值检测轮胎与地面附着状态，包括：
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态。
6.根据权利要求4所述的基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测系统，其特征在于，所述根据输出功率导数的变化值检测在动态情形下的轮胎与地面附着状态，包括：
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点；
其中，是当前计算所得的输出功率导数的变化值，是上次计算所得的输出功率导数的变化值。
7.一种基于牵引电机电气参数的轮胎与地面附着状态检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：测量电机的输入电压U和输入电流I；
步骤S2：计算电机的输入功率P1：根据公式计算得到；
步骤S3：计算电机的输出功率Pout：若牵引电机是永磁同步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech来计算，若牵引电机是异步电机，则电机的输出功率Pout根据公式Pout＝P1-PCu-PFe-Pmech-Ps来计算；其中，Ps为附加损耗，PCu为电机的铜耗；
步骤S4：计算电机的输出功率导数的变化值电机的输出功率导数的变化值表示电机的输出功率导数连续两次测量计算值的差值，其计算公式为 其中，是当前计算所得的输出功率的导数，是上次计算所得的输出功率的导数；
步骤S5：根据输出功率导数的变化值判断轮胎与地面附着状态，具体的标准如下：
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于临界稳定状态；
当时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
在动态情况下：
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从非稳定打滑状态进入稳定附着状态的临界转换点；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；
当且时，则轮胎与地面附着状态处于即将从稳定附着状态转换为非稳定打滑状态的临界转换点。
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