CN108725254A - 一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法，该方法包括：获取整车扭矩给定值并设定电动汽车的工作模式，得到对应工作模式下的车速变化率阈值和电机可输出最大扭矩幅值；获取车辆的实时车速变化率，利用所述车速变化率阈值和所述实时车速变化率计算扭矩调节量；根据所述扭矩调节量、所述整车扭矩给定值和所述电机可输出最大扭矩幅值，得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。本发明不需要安装车速测量装置，不需要对地面路况进行识别和估算，不需要加任何其他硬件和设备资源就可对普通电动汽车实现驱动防滑和制动防抱死的功能，可适应各种不同驱动系统和不同路况，能够移植到任何混合动力车辆。

Description

一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法及系统
技术领域
本发明涉及电动汽车领域自动控制技术，尤其涉及一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法及系统。
背景技术
驱动防滑和制动防抱死系统是汽车的一种安全系统，它保证车辆能够充分地利用地面附着力，防止车轮打滑，从而提高车辆的驱动加速性能和操作稳定性能，并且可以在一定程度上改善车辆的安全性和通过性，提高车辆对各种路况的适应能力。
在现有技术中，有关电动汽车驱动防滑和制动防抱死方法比较复杂或者效果不太理想。其中一种方法需要估算地面的附着参数，以滑移率为控制目标实现驱动防滑和制动防抱死功能，这种方法需要对地面的路况进行识别，并且还要设计复杂的地面附着参数估算方法。另一种方法需通过测速系统获得车辆行驶的车速实现防滑和防抱死的功能，在实现过程中，需要另外安装车速测量装置。还有某些方法通过选取逻辑门限进行控制，但该方法门限值难以确定，输出扭矩波动大，系统稳定性较差，其通用性及鲁棒性也较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是需要提出一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法，该方法避免车辆滑移率的计算，不用额外增加车辆测速装置，无需对地面的路况进行识别和估算，还不需要加入任何其他硬件和设备资源就可在普通电动汽车上实现驱动防滑和制动防抱死的功能，从而提高该方法的鲁棒性和通用性。
为实现上述目的，本实施例提出了一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法，该方法包括如下步骤：步骤一，获取整车扭矩给定值并设定电动汽车的工作模式，得到对应工作模式下的车速变化率阈值和电机可输出最大扭矩幅值，所述工作模式为驱动模式或制动模式；步骤二，获取车辆的实时车速变化率，利用所述车速变化率阈值和所述实时车速变化率计算扭矩调节量；步骤三，根据所述扭矩调节量、所述整车扭矩给定值和所述电机可输出最大扭矩幅值，得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
优选地，在步骤一中，在所述工作模式为驱动模式时，所述车速变化率阈值为车辆能产生的最大加速度；在所述工作模式为制动模式时，所述车速变化率阈值为车辆能产生的最大减速度。
优选地，在步骤二中，基于获得的电机实时转速计算车辆车速，从而得到实时车速变化率。
优选地，在步骤二中，将实时获得的车速变化率与对应工作模式下的车速变化率阈值作差值运算，将该差值作为控制对象，运用自动控制算法计算出扭矩调节量。
优选地，进一步，在步骤三中，将获得的整车扭矩给定值与所述扭矩调节量作差值运算，得到电机扭矩指令值，基于电机可输出最大扭矩幅值对所述电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
另一方面，还提供了一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的系统，该系统包括如下模块：整车控制器指令模块，其输出整车扭矩给定值和电动汽车的工作模式，所述工作模式为驱动模式或制动模式；驱动制动判断模块，其根据电动汽车的工作模式，得到对应工作模式下的电机可输出最大扭矩幅值；车速变化率设定模块，其根据电动汽车的工作模式，设置对应工作模式下的车速变化率阈值；扭矩调节量计算模块，其获取车辆的实时车速变化率，利用所述车速变化率阈值与所述实时车速变化率计算得到扭矩调节量；扭矩调整和限幅输出模块，其根据所述扭矩调节量、所述整车扭矩给定值和所述电机可输出最大扭矩幅值，得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
优选地，所述扭矩调节量计算模块进一步包括如下单元：转速车速折算单元，其基于获得的电机实时转速计算车辆车速，从而得到实时车速变化率。
优选地，所述扭矩调节量计算模块进一步包括如下单元：第一差值计算单元，其将获得的实时车速变化率与对应工作模式下的车速变化率阈值作差值运算；扭矩调节量确定单元，其将该差值作为控制对象，通过自动控制算法计算得到扭矩调节量。
优选地，所述扭矩调整和限幅输出模块进一步包含如下单元：第二差值计算单元，其将获得的整车扭矩给定值与所述扭矩调节量作差值运算，得到电机扭矩指令值；扭矩限幅处理单元，其基于所述电机可输出最大扭矩幅值，对所述电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
优选地，在所述工作模式为驱动模式时，车速变化率设定模块将所述车速变化率阈值设置为车辆能产生的最大加速度；在所述工作模式为制动模式时，车速变化率设定模块将所述车速变化率阈值设置为车辆能产生的最大减速度。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明的实施例基于电机转速变化率实现电动汽车驱动防滑和制动防抱死的功能，该方法实现简单，鲁棒性和通用性强，不需要安装车速测量装置，不需要设计复杂的地面附着参数估算算法，可适应各种不同驱动系统和不同路况，能够移植到任何混合动力车辆。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例的控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的系统模块框图。
图2为本发明实施例的控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死方法原理图。
图3为本发明实施例的驱动防滑控制方法的流程图。
图4为本发明实施例的制动防抱死控制方法的流程图。
图5为本发明实施例的驱动防滑和制动防抱死算法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加的清晰，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
本发明实施例根据现有技术的问题提出了一种以电机转速变化率作为关键参数，通过自动控制算法对电机扭矩指令值进行实时补偿的方法，使电机实际扭矩命令值逐渐减小，从而减弱了车辆打滑或抱死的趋势，实现了针对电动汽车的驱动防滑或制动防抱死的功能。
图1为本发明实施例的控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的系统模块框图，如图1所示，该系统包括下列模块：整车控制器指令模块11、驱动制动判断模块12、车速变化率设定模块13、扭矩调节量计算模块14、扭矩调整和限幅输出模块15(模块12～15为电机控制器的组成示例)。
整车控制器指令模块11，其输出整车扭矩给定值和电动汽车的工作模式指令。在本发明实施例中，基于车辆档位和踏板意图，得到整车扭矩给定值。具体地，整车扭矩给定值的获取过程包含如下步骤：解析当前电动汽车的档位和踏板意图；基于解析结果获得踏板位移、档位和车辆车速等参数；根据上述参数计算得到整车扭矩给定值。另外，整车控制器指令模块11还可以根据上述参数确定电动汽车的当前工作模式。在本实施例中，工作模式为驱动模式或制动模式。
驱动制动判断模块12，其与整车控制器指令模块11连接，接收整车控制器指令模块11发出的指令，根据指令设定电动汽车的工作模式，得到相应工作模式下的电机可输出最大扭矩幅值。
车速变化率设定模块13，其与驱动制动判断模块12连接，基于电动汽车的当前工作模式，设置对应工作模式下的车速变化率阈值。具体地，在工作模式为驱动模式时，车速变化率阈值设置为车辆能产生的最大加速度；在工作模式为制动模式时，车速变化率阈值设置为车辆能产生的最大减速度。
如图1所示，扭矩调节量计算模块14与车速变化率设定模块13和扭矩调整和限幅输出模块15相连，模块14获得实时车速变化率，利用车速变化率设定模块13输出的车速变化率阈值与实时车速变化率计算得到扭矩调节量。该模块14包括三个单元：转速车速折算单元141、第一差值计算单元142以及扭矩调节量确定单元143。转速车速折算单元141，其基于获得的电机实时转速计算车辆车速，从而得到实时车速变化率；第一差值计算单元142，其将获得的实时车速变化率与相应模式下的车速变化率阈值进行差值运算；扭矩调节量确定单元143，其利用第一差值计算单元142的运算结果作为控制对象，使用自动控制算法得到扭矩调节量。
需要说明的是，本实施例中优选PID自动控制算法对扭矩调节量进行计算，但本发明针对扭矩调节量的计算方法不作具体限定，可以采用其他方法进行替代，例如：神经网络算法，逻辑指令门限算法，模糊算法等自动控制算法。
再次参考图1，扭矩调整和限幅输出模块15，其接收扭矩调节量计算模块14输出的扭矩调节量，将整车扭矩给定值与扭矩调节量作差值运算，得到电机扭矩指令值，基于电机可输出最大扭矩幅值对电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。该模块15包括两个单元：第二差值计算单元151和扭矩限幅处理单元152。第二差值计算单元151将整车扭矩给定值与扭矩调节量作差值运算，得到电机扭矩指令值；扭矩限幅处理单元152基于电机可输出最大扭矩幅值，对电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
图2为本发明实施例的控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的系统原理图，如图2所示，首先，整车控制器指令模块11获取整车扭矩给定值和电动汽车工作模式，将工作模式指令发送给驱动制动判断模块12。其次，驱动制动判断模块12根据指令设定电动汽车的工作模式，并基于电动汽车的工作模式，计算对应工作模式下的电机可输出最大扭矩幅值。
需要说明的是，电机可输出最大扭矩幅值一方面受到电机实时转速、当前电机输出功率等因素的影响，另一方面受到在所属驱动模式或制动模式工况下的限制，故电机可输出最大扭矩幅值是实时计算得到的，其可通过如下表达式来计算：
其中，Tmax表示电机可输出的最大扭矩幅值，n表示电机实时转速，p表示车辆实时功率(单位为kw)。
然后，车速变化率设定模块13根据驱动制动判断模块12发送的指令，设置对应工作模式下的车速变化率阈值，当工作模式为驱动模式时，车速变化率阈值为车辆能产生的最大加速度；当工作模式为制动模式时，车速变化率阈值为车辆能产生的最大减速度。
接下来，转速车速折算单元141通过获得的电机实时转速计算车辆实时线速度，进而得到实时车速变化率。具体地，利用下列表达式计算车辆实时线速度：其中，v表示车辆线速度，r表示车轮半径，n表示电机实时转速，K表示后桥速比。
在本实施例中，第一差值计算单元142将相应工作模式下的车速变化率阈值与实时车速变化率作差值运算，扭矩调节量确定单元143将该差值作为控制对象，使用PID自动控制算法得到扭矩调节量。
在PID算法中，将车速变化率阈值与实时车速变化率的差值作为控制对象进行监控，从而输出扭矩调节量。PID算法原理的表达式如下所示：
其中，e(t)＝c(t)-r(t)，c(t)表示实时车速变化率，r(t)表示车速变化率阈值，e(t)表示输入即PID算法的控制对象，u(t)表示输出即扭矩调节量，Kp表示比例系数，TI表示时间常数，TD表示微分时间常数。根据PID控制原理，比例调节一般是起到放大的作用，其系数的大小关系到汽车的灵敏度和稳定性，一般的比例系数越大，系统的灵敏度也就会越高，但同时系统的稳定性也会变差。积分一般用来消除稳态误差，减缓比例放大信号的变化速度，防止震荡。积分常数反映系统的积分作用的大小；微分可以预测偏差变化趋势，提前给定一个控制信号，克服积分信号滞后的缺陷，但不可单独使用。
在驱动工作模式下，若实时车速变化率小于车速变化率阈值，根据PID算法输出的扭矩调节量为零，此时车辆未发生打滑现象，若实时车速变化率大于车速变化率阈值则通过PID算法输出扭矩调节量，此时车辆发生打滑现象。在制动工作模式下，若实时车速变化率大于车速变化率阈值，根据PID算法输出的扭矩调节量为零，此时车辆未发生抱死现象，若实时车速变化率小于车速变化率阈值则通过PID算法输出扭矩调节量，车辆发生抱死现象。
接着，当扭矩调整和限幅输出模块15接收到PID算法输出的扭矩调节量后，将获得的整车扭矩给定值和扭矩调节量进行差值计算，得到电机扭矩指令值，再对该差值进行扭矩限幅处理，得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
需要说明的是，扭矩限幅处理过程如下所示：上述差值计算后得到的电机扭矩指令值如果比所述电机可输出的最大扭矩幅值小，则电机实际扭矩命令值为电机扭矩指令值；如果比所述电机可输出的最大扭矩幅值大，则电机实际扭矩命令值为电机可输出的最大扭矩幅值。该过程用如下表达式进行计算：
其中，TOUT表示电机实际扭矩命令值，TE表示电机扭矩指令值，Tmax表示电机可输出的最大扭矩幅值。
本申请实施例通过对电机转速变化率参数进行控制，无论系统处于何种工作模式，当PID算法模块输出的扭矩调节量随着车速变化率幅度的增大而增大时，电机实际扭矩命令值减小，使车轮减弱了打滑或抱死的趋势。在整个算法实现过程中，电机的转速和扭矩输出平稳无突变，电机控制系统稳定可靠。
图3为本发明实施例的驱动防滑控制方法的流程图，如图3所示，该方法实现了防止电动汽车在驱动过程中发生打滑现象的功能，具体实现步骤如S310～S330所示。下面在对步骤S310～S330做详细说明时，会以普通公交车的百码加速驱动过程为例对本发明实施例中防打滑的驱动控制方法进行进一步说明。
在S310步骤中，给定了当前工作模式为驱动模式，设定对应驱动模式下的车速加速度阈值，该车速变化率设定为车辆能产生的最大加速度。例如，普通公交车的百码加速时间至少为15秒，则在该系统中，可设定驱动车辆变化率阈值为6.667m/s2。
在步骤S320中，首先，基于实时获得的电机转速，得到实时车速加速度，然后对加速度阈值和实时车速加速度作差值运算，对该差值进行控制，运用PID控制算法进行计算，得到驱动扭矩调节量。
接着，在步骤S330中，将获得的整车扭矩给定值与PID算法输出的驱动扭矩调节量的差值进行扭矩限幅处理，最终输出电机实际驱动扭矩命令值。具体地，当公交车实时车速加速度小于6.667m/s2时，PID算法输出的扭矩调节量为零，因此，将整车扭矩给定值与电机可输出的最大扭矩幅值，通过扭矩限幅处理得到电机实际驱动扭矩命令值；在公交车实时车速加速度大于6.667m/s2时，公交车发生车轮打滑现象，PID算法输出扭矩调节量，整车扭矩给定值减去PID算法输出的扭矩调节量的差值经过扭矩限幅处理后得到电机实际驱动扭矩命令值。
图4为本发明实施例的制动防抱死控制方法的流程图，如图4所示，该方法实现了电动汽车在制动过程中发生抱死现象的功能，具体实现步骤如S410～S430所示。下面在对步骤S410～S430做详细说明时，会以普通公交车的百码减速制动过程为例对本发明实施例中防抱死的制动控制方法进行进一步说明。
在S410步骤中，给定了当前工作模式为制动模式，设定对应制动模式下的车速减速度阈值，该车速变化率设定为车辆能产生的最大减速度。例如，普通公交车的百码减速时间至少为6秒，则在该系统中，可设定制动车辆变化率目标值为-16.667m/s2。
然后，在步骤S420中，基于实时获得的电机转速，得到实时车速减速度，再对减速度阈值和实时车速减速度作差值运算，将该差值作为控制对象，通过上述PID控制算法对扭矩调节量进行计算，得到制动扭矩调节量。
接着，在步骤S430中，利用获得的整车扭矩给定值减去PID算法输出的制动扭矩调节量得到的电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理，最终输出电机实际制动扭矩命令值。具体地，当公交车实时车速减速度大于-16.667m/s2时，PID算法输出的扭矩调节量为零，因此，根据整车扭矩给定值与电机可能输出的最大扭矩幅值，通过扭矩限幅处理得到电机实际制动扭矩命令值；在公交车实时车速减速度小于-16.667m/s2时，公交车发生车轮抱死现象，PID算法输出扭矩调节量，整车扭矩给定值减去通过PID算法输出的扭矩调节量的差值经过扭矩限幅处理后得到电机实际制动扭矩命令值。
具体地，将本发明实施例的制动防抱死的方法嵌入在纯电动公交车上进行实验，设定减速度阈值为-7km/h2，在较强强度制动工况下，电动公交车的制动防抱死试验数据如表1所示。从表1中可看出，在车辆减速度大于-7km/h2时，PID算法输出的扭矩调节量为零，在车辆减速度小于-7km/h2时，PID算法输出的扭矩调节量随减速度幅值的增大而增大，电机输出的实际制动扭矩命令值逐渐减少，使车轮减弱了抱死的趋势。在整个算法实现过程中，电机的转速和扭矩输出平稳无突变，电机控制系统稳定可靠运行。
表1制动工况下电机制动防抱死试验数据
图5为本发明实施例的驱动防滑和制动防抱死算法的流程图，如图5所示，具体实施过程如下：获取整车扭矩给定值并设定电动汽车的工作模式，基于所述工作模式，得到对应驱动或制动模式工况下的电机可输出的最大扭矩幅值，进而得到对应工作模式下的车辆变化率阈值。当工作模式为制动模式时，车辆进入制动防抱死模式，具体实施流程按照图4所述的制动防抱死控制方法；当工作模式为驱动模式时，车辆进入驱动防滑模式，具体实施流程按照图3所述的驱动防滑控制方法。
本发明实施例通过PID算法对电机转速变化率参数进行控制，实现了一种基于电机转速变化率的控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法。一方面，解决了现有技术中算法复杂、通用性及鲁棒性较差的问题，不用额外增加车辆测速装置，不需要对地面的路况进行识别和估算，不需要加任何其他硬件和设备资源就可以实现驱动防滑和制动防抱死的功能；另一方面，由于该算法并不依赖于任何车辆测速装置和任何硬件设备资源，能够嵌入于不同的控制系统中，从而可适应各种不同驱动系统和不同路况，能够移植到任何混合动力车辆。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：获取整车扭矩给定值并设定电动汽车的工作模式，得到对应工作模式下的车速变化率阈值和电机可输出最大扭矩幅值，所述工作模式为驱动模式或制动模式；
步骤二：获取车辆的实时车速变化率，利用所述车速变化率阈值和所述实时车速变化率计算扭矩调节量；
步骤三：根据所述扭矩调节量、所述整车扭矩给定值和所述电机可输出最大扭矩幅值，得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤一中，
在所述工作模式为驱动模式时，所述车速变化率阈值为车辆能产生的最大加速度；
在所述工作模式为制动模式时，所述车速变化率阈值为车辆能产生的最大减速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤二中，
基于获得的电机实时转速计算车辆车速，从而得到实时车速变化率。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤二中，
将实时获得的车速变化率与对应工作模式下的车速变化率阈值作差值运算，将该差值作为控制对象，运用自动控制算法计算出扭矩调节量。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，进一步，在步骤三中，
将获得的整车扭矩给定值与所述扭矩调节量作差值运算，得到电机扭矩指令值，基于电机可输出最大扭矩幅值对所述电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
6.一种控制电动汽车驱动防滑和制动防抱死的系统，其特征在于，该系统包括如下模块：
整车控制器指令模块，其输出整车扭矩给定值和电动汽车的工作模式，所述工作模式为驱动模式或制动模式；
驱动制动判断模块，其根据电动汽车的工作模式，得到对应工作模式下的电机可输出最大扭矩幅值；
车速变化率设定模块，其根据电动汽车的工作模式，设置对应工作模式下的车速变化率阈值；
扭矩调节量计算模块，其获取车辆的实时车速变化率，利用所述车速变化率阈值与所述实时车速变化率计算得到扭矩调节量；
扭矩调整和限幅输出模块，其根据所述扭矩调节量、所述整车扭矩给定值和所述电机可输出最大扭矩幅值，得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
在所述工作模式为驱动模式时，车速变化率设定模块将所述车速变化率阈值设置为车辆能产生的最大加速度；
在所述工作模式为制动模式时，车速变化率设定模块将所述车速变化率阈值设置为车辆能产生的最大减速度。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述扭矩调节量计算模块进一步包括如下单元：
转速车速折算单元，其基于获得的电机实时转速计算车辆车速，从而得到实时车速变化率。
9.根据权利要求6～8所述的系统，其特征在于，所述扭矩调节量计算模块进一步包含如下单元：
第一差值计算单元，其将获得的实时车速变化率与对应工作模式下的车速变化率阈值作差值运算；
扭矩调节量确定单元，其将该差值作为控制对象，通过自动控制算法计算得到扭矩调节量。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述扭矩调整和限幅输出模块进一步包含如下单元：
第二差值计算单元，其将获得的整车扭矩给定值与所述扭矩调节量作差值运算，得到电机扭矩指令值；
扭矩限幅处理单元，其基于所述电机可输出最大扭矩幅值，对所述电机扭矩指令值进行扭矩限幅处理得到电机实际扭矩命令值，从而驱动电机调整扭矩。
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