CN109159787B - 一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统和方法，系统包括依次连接的数据测量模块、数据处理模块和数据分析模块。方法包括：测量车辆电机的输出转矩和车轮转速；估算附着转矩，计算输出转矩变化值、附着转矩变化值，根据输出转矩变化值、附着转矩变化值判别汽车轮胎附着稳定状态；当输出转矩变化值为零时，根据车辆电机输出功率导数的变化值∆判别附着稳定状态。本发明只需测量车辆电机输向车轮的输出转矩及轮速，通过估算附着转矩和输出功率即可判别汽车轮胎附着稳定状态。本发明过程简单，综合考虑了电机输出转矩的各种情况，更加可靠，此外，检测方法所需传感器少，成本低，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及车辆稳定性状态检测技术领域，具体涉及一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统和方法。
背景技术
随着能源与环境问题的日益突出，电动汽车得到了大力发展，但电动汽车防滑控制技术仍待解决。而防滑控制的关键问题是识别在不同路面下汽车轮胎与地面的附着稳定状态。当车辆牵引或制动过程中，驱动电机输出转矩超过路面的附着转矩时，牵引时会出现轮速飞转(制动时车轮出现抱死)，车辆出现不稳定打滑。当车辆处于非稳定的打滑状态时，会严重影响到汽车驾驶的安全性和可控性。因此，需实时识别出车辆的附着稳定状态，一旦出现打滑即对电机驱动转矩进行防滑控制。
目前车辆轮胎-路面附着状态检测主要是基于比较当前实际滑移率与最优滑移率，当实际滑移率小于最优滑移率时，判别车辆处于稳定附着状态，当实际滑移率大于最优滑移率时，判别车辆处于非稳定打滑状态。但实际滑移率和最优滑移率都很难获取，实用性差。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统和方法，是一种利用力传递因子与功率一阶导变化值特征判定车辆轮胎地面附着稳定性的方法，通过驱动电机转矩和车轮转速观测出附着转矩，当电机驱动转矩变化时，利用附着转矩变化值与驱动转矩变化值的正负判别出附着稳定性，当电机驱动转矩不变时，利用功率一阶导变化值判别附着稳定性，使得车辆附着稳定性能够被实时和准确的检测，保障系统运行的稳定性和安全性。该判别方法只需检测电机的输出转矩与轮速，使用的传感器少，成本低，可靠性高。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统，包括依次连接的数据测量模块、数据处理模块和数据分析模块；
所述数据测量模块，用于测量车辆电机的输出转矩T和车轮转速ω；
所述数据处理模块，用于估算附着转矩Td、计算输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值
所述数据分析模块，用于根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态，并根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制。
所述数据测量模块包括转矩测量单元和转速测量单元；所述转矩测量单元用于测量车辆电机的输出转矩T；所述转速测量单元用于测量车轮转速ω；所述数据测量模块将测量采集的数据传送到数据处理模块。
所述数据处理模块包括附着转矩估算单元、转矩变化值计算单元和功率变化值计算单元；所述附着转矩估算单元用于估算附着转矩Td；所述转矩变化值计算单元用于计算输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd；所述功率变化值计算单元用于计算电机输出功率导数的变化值
所述数据分析模块包括附着状态判别单元和附着控制判别单元；所述附着状态判别单元用于根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态；所述附着控制判别单元用于根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制。
一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法，具体步骤如下：
步骤S1：测量车辆电机的输出转矩T和车轮转速ω；
步骤S2：估算附着转矩Td；
步骤S3：计算输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd；
步骤S4：计算ΔTd/ΔT；
步骤S5：计算电机输出功率导数的变化值
步骤S6：根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态；
步骤S7：根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制。
所述车辆电机的输出转矩T通过测量电机电流，根据电流与输出转矩的关系得到，所述输出转矩T等于转矩常数与电机输入电流之积。
所述附着转矩Td是由附着力闭环扰动观测器观测得到，根据系统的状态方程和降维状态观测器设计原理，设计出附着力的观测方程其中Pfd是指定观测器的极点，为保证观测器的收敛性，极点为负值，通过选择合适的极点位置改善观测器的动态性能。
在步骤S2估算附着转矩Td之前，需对车轮转速ω进行滤波处理。
所述步骤S6根据输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态，具体判别如下：
在ΔT≠0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定打滑状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
在ΔT＝0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
其中，ΔTd(k)为当前计算所得的附着转矩变化值；ΔTd(k-1)为上一时刻计算所得的附着转矩变化值；ΔT(k)为当前计算所得的输出转矩变化值；ΔT(k-1)为上一时刻计算所得的输出转矩变化值；为当前计算所得功率一阶导变化值；为上一时刻计算所得的功率一阶导变化值。
所述步骤S7根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否对车辆驱动电机实施防滑控制；在实施防滑控制之前：根据当且时，车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换的时刻，或当且时，车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换的时刻，判别出当前路面的最佳工作点信息，包括最优滑移率、最大驱动转矩、最大附着转矩；在实施防滑控制时：当判定出车辆处于非稳定打滑状态时，则对所述车辆驱动电机实施防滑控制，当判定出车辆处于稳定附着状态时，则不对所述车辆驱动电机实施防滑控制。
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)本发明基于汽车动力学理论推导出力传递因子，对汽车稳定性进行分析，只需测量车辆的电机输出转矩与车轮转速，所需传感器少，成本低，可靠性高。
2)本发明利用功率的一阶导数变化率对力传递因子判别法进行补充，利用功率参数检测汽车轮胎附着稳定性具有原创性。
3)本发明综合考虑了电机驱动转矩变化与恒定的情况，与实际吻合，更具有实用性。
4)本发明不仅适用于汽车的打滑状态检测，也适用于电机驱动的各种轮式机器人、机器外骨骼等设备的检测，具有广泛适用性和推广性。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为四分之一车辆模型。
图4为不同路面(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5为驱动力到附着力的系统结构图。
图6为驱动力到附着力的信号流图。
图7为附着力观测器结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：
如图1所示，一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统，包括依次连接的数据测量模块1、数据处理模块2和数据分析模块3；
所述数据测量模块1，用于测量车辆电机的输出转矩T和车轮转速ω；
所述数据处理模块2，用于估算附着转矩Td、计算输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值
所述数据分析模块3，用于根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态；根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制。
所述数据测量模块1包括转矩测量单元11和转速测量单元12；所述转矩测量单元11用于测量车辆电机的输出转矩T；所述转速测量单元12用于测量车轮转速ω；所述数据测量模块1将测量采集的数据传送到数据处理模块2。
所述数据处理模块2包括附着转矩估算单元21、转矩变化值计算单元22和功率变化值计算单元23；所述附着转矩估算单元21用于估算附着转矩Td；所述转矩变化值计算单元22用于计算输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd；所述功率变化值计算单元23用于计算电机输出功率导数的变化值
所述数据分析模块3包括附着状态判别单元31和附着控制判别单元32；所述附着状态判别单元31用于根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态；所述附着控制判别单元32用于根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制。
如图2所述，一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法，步骤包括：
步骤S1：测量车辆电机的输出转矩T和车轮转速ω，所述输出转矩T可通过测量电机电流，根据电流与输出转矩的关系得到，输出转矩T等于转矩常数与电机输入电流之积；车轮转速ω可通过轮速传感器获取。
步骤S2：估算附着转矩Td，附着转矩Td是由附着力闭环扰动观测器观测得到，根据系统的状态方程和降维状态观测器设计原理，设计出附着力的观测方程：
其中Pfd是指定观测器的极点，为保证观测器的收敛性，极点为负值，可通过选择合适的极点位置改善观测器的动态性能，J是车辆的惯量，可通过测试标定。
步骤S3：计算输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd，其中，输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd分别表示电机传递到车轮的输出转矩T和车轮附着转矩Td连续两次测量结果的偏差值，即ΔT＝T(k)-T(k-1)，ΔTd＝Td(k)-Td(k-1)。
步骤S4：计算ΔTd/ΔT，当ΔT≠0时，可计算ΔTd/ΔT。
步骤S5：计算电机输出功率导数的变化值首先计算出电机输出功率P，其计算公式为P＝T×ω，然后对功率P进行求导，求导的处理方式为最后计算出 表示电机的输出功率的一阶导连续两次时间计算值的偏差，其计算公式为：
步骤S6：判别汽车轮胎的附着稳定状态，根据输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态，包括：
在ΔT≠0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定打滑状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
在ΔT＝0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
其中，ΔTd(k)为当前计算所得的附着转矩变化值；ΔTd(k-1)为上一时刻计算所得的附着转矩变化值；ΔT(k)为当前计算所得的输出转矩变化值；ΔT(k-1)为上一时刻计算所得的输出转矩变化值；为当前计算所得功率一阶导变化值；为上一时刻计算所得的功率一阶导变化值。
步骤S7：根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制，具体包括：当判定出车辆处于非稳定打滑状态时，则对所述车辆驱动电机实施防滑控制，当判定出车辆处于稳定附着状态时，则不对所述车辆驱动电机实施防滑控制。
下面对本发明实施例的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法的原理进行详细说明。
如图3所示的四分之一车辆模型，是汽车动力学研究中常用的模型，由该模型可得以下运动方程：
Fd＝μ(λ)·Fz (4)
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；V为车身纵向速度；μ是纵向附着系数；Fz是车轮法向载荷。
λ为滑移率，其表达式为：
其中，ε表示分母不为零的小常数。
μ(λ)表示车辆轮胎-路面的关系特性，不同路面条件下的关系特性如图4所示。不同路面条件下的摩擦系数和滑移率曲线的最大值点不同，但在稳定性上具有共通性。定义最大摩擦系数所对应的滑移率为最优滑移率λm。以车辆处于牵引状态为例，当实际滑移率小于最优滑移率时(λ＜λm)，随着滑移率的增大摩擦系数增大，曲线具有正斜率(g＝dμ/dλ＞0)，为稳定区域，在稳定区，车辆的滑移率增加伴随着摩擦力的增加，摩擦力为车辆提供附着力使车辆能够正常工作；当实际滑移率大于最优滑移率时(λ＞λm)，随着滑移率的增大摩擦系数减小，曲线具有负斜率(g＝dμ/dλ＜0)，为不稳定区域，车辆的摩擦力达到最大值后，摩擦力不再跟随车辆滑移率增加，此时车辆的车轮出现打滑。
由上述分析可知，若dμ/dλ＞0，车辆处于稳定附着状态；若dμ/dλ＞0，车辆处于非稳定打滑状态；
基于上述准则理论上可以直观地判定车辆的附着稳定状态，但在实际应用中附着系数μ和滑移率λ难以实时获取，滑移率λ需通过测量车速、轮速信号计算得到，
本发明利用轮胎-路面接触的力传递特性，基于工作点附近的小信号线性化理论推导得到力传递函数，由于μ-λ曲线是非本质非线性的，即曲线是平滑的、单值的、连续的，对某工作点，可以得到如下式所示的线性化方程。
ΔFd＝FzΔμ＝Fz·gΔλ (10)
ΔFdr＝(a1+2a2V)ΔV (11)
基于上述线性方程，可进一步得到系统的结构图和信号流图，如图5和图6所示。
由图6的信号流图，根据梅森公式可得系统的传递函数：
其中：
假定车轮驱动转矩为阶跃输入信号，根据力传递函数，可得到附着转矩在该输入信号下的时域响应：
定义力传递因子
以下证明当车轮驱动转矩T发生变化时，某时刻的工作点是不稳定工作点的充要条件是
证明：1)必要性，即某时刻的工作点是不稳定工作点，则
由式(15)可知：
r1+r2＝-1 (16)
又该工作点是不稳定的，故g＜0
由式(13)可得：
结合式(15)可知：
在t＝0处，的值为：
在t＝0处，的值为：
的值为：
故对任意的t＞0，都有
2)充分性，即若则该时刻的工作点是不稳定工作点。
由可得
令
在t＝0处，f(t)的值为：
f(t)|t＝0＝r1+r2＝-1 (23)
对任意的t＞0，f(t)＜-1的必要条件是
即：
可知该时刻的工作点是不稳定工作点。
综上可证当车轮驱动转矩T发生变化时，某时刻的工作点是不稳定工作点的充要条件是
同理可证当车轮驱动转矩T发生变化时，某时刻的工作点是稳定工作点的充要条件是
力传递因子能够反映车辆的稳定性状态，其计算表达式为
其中ΔT，可通过测量电机电流，根据电流与输出转矩的关系得到当前的T(k)再减去上一时刻的转矩T(k-1)，即ΔT＝T(k)-T(k-1)。
附着转矩Td无法直接测量得到，可利用观测器观测得到，本专利设计的附着转矩闭环观测器如图7所示。
电机拖动系统的状态方程：
根据系统的状态方程和降维状态观测器设计(ROB)原理，设计了降维状态观测器来观测附着转矩大小为：
其中Pfd是指定观测器的极点，为保证观测器的收敛性，极点为负值，可通过选择合适的极点位置改善观测器的动态性能。
以下证明当车轮驱动转矩T不变时，某时刻的工作点是不稳定工作点的充要条件是
1)必要性，即某时刻的工作点是不稳定工作点，则
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g＝dμ/dt；
不稳定工作点处g＜0。
由动力学知识可知，车轮的驱动功率P可写为：
对式(29)求导可得：
继续求导得：
当不稳定时g＜0，则即
2)充分性，即若则该时刻的工作点是不稳定工作点。
当时，即又
故可得：
Δ(T-Fdr)＞0 (33)
又ΔT＝0，故：
ΔFd＜0 (34)
即可得
综上可证当车轮驱动转矩T不变时，某时刻的工作点是不稳定工作点的充要条件是
Claims (8)
1.一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统，其特征在于，包括依次连接的数据测量模块(1)、数据处理模块(2)和数据分析模块(3)；
所述数据测量模块(1)，用于测量车辆电机的输出转矩T和车轮转速ω；
所述数据处理模块(2)，用于估算附着转矩Td、计算输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值估算附着转矩Td之前，需对车轮转速ω进行滤波处理；
所述数据分析模块(3)，用于根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态，并根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制；
根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态，具体判别方式如下：
在ΔT≠0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定打滑状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
在ΔT＝0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
其中，ΔTd(k)为当前计算所得的附着转矩变化值；ΔTd(k-1)为上一时刻计算所得的附着转矩变化值；ΔT(k)为当前计算所得的输出转矩变化值；ΔT(k-1)为上一时刻计算所得的输出转矩变化值；为当前计算所得功率一阶导变化值；为上一时刻计算所得的功率一阶导变化值。
2.根据权利要求1所述的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统，其特征在于，所述数据测量模块(1)包括转矩测量单元(11)和转速测量单元(12)；所述转矩测量单元(11)用于测量车辆电机的输出转矩T；所述转速测量单元(12)用于测量车轮转速ω；所述数据测量模块(1)将测量采集的数据传送到数据处理模块(2)。
3.根据权利要求1所述的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统，其特征在于，所述数据处理模块(2)包括附着转矩估算单元(21)、转矩变化值计算单元(22)和功率变化值计算单元(23)；所述附着转矩估算单元(21)用于估算附着转矩Td；所述转矩变化值计算单元(22)用于计算输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd；所述功率变化值计算单元(23)用于计算电机输出功率导数的变化值
4.根据权利要求1所述的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测系统，其特征在于，所述数据分析模块(3)包括附着状态判别单元(31)和附着控制判别单元(32)；所述附着状态判别单元(31)用于根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态；所述附着控制判别单元(32)用于根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制。
5.一种电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：测量车辆电机的输出转矩T和车轮转速ω；
步骤S2：估算附着转矩Td；
步骤S3：计算输出转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔTd；
步骤S4：计算ΔTd/ΔT；
步骤S5：计算电机输出功率导数的变化值
步骤S6：根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态；
步骤S7：根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否实施防滑控制；
所述步骤S6根据所述输出转矩变化值ΔT、附着转矩变化值ΔTd和电机输出功率导数的变化值判别汽车轮胎的附着稳定状态，具体判别方式如下：
在ΔT≠0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定打滑状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
在ΔT＝0时：
当且时，判定车辆处于稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于非稳定附着状态；
当且时，判定车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换；
当且时，判定车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换；
其中，ΔTd(k)为当前计算所得的附着转矩变化值；ΔTd(k-1)为上一时刻计算所得的附着转矩变化值；ΔT(k)为当前计算所得的输出转矩变化值；ΔT(k-1)为上一时刻计算所得的输出转矩变化值；为当前计算所得功率一阶导变化值；为上一时刻计算所得的功率一阶导变化值。
6.根据权利要求5所述的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法，其特征在于，所述车辆电机的输出转矩T通过测量电机电流，根据电流与输出转矩的关系得到，所述输出转矩T等于转矩常数与电机输入电流之积。
7.根据权利要求5所述的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法，其特征在于，所述附着转矩Td是由附着力闭环扰动观测器观测得到，根据系统的状态方程和降维状态观测器设计原理，设计出附着力的观测方程其中Pfd是指定观测器的极点，为保证观测器的收敛性，极点为负值，通过选择合适的极点位置改善观测器的动态性能。
8.根据权利要求5所述的电动汽车轮胎附着稳定状态实时检测方法，其特征在于，所述步骤S7根据所判定的汽车轮胎附着稳定状态实时决定是否对车辆驱动电机实施防滑控制；在实施防滑控制之前：根据当且时，车辆处于由稳定附着向非稳定打滑状态切换的时刻，或当且时，车辆处于由非稳定打滑状态向稳定附着切换的时刻，判别出当前路面的最佳工作点信息，包括最优滑移率、最大驱动转矩、最大附着转矩；在实施防滑控制时：当判定出车辆处于非稳定打滑状态时，则对所述车辆驱动电机实施防滑控制，当判定出车辆处于稳定附着状态时，则不对所述车辆驱动电机实施防滑控制。
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