CN109795474A - 一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法，属于车辆动力学控制领域。该方法首先根据设定的最大蠕行坡度、起步时间和蠕行车速来确定最大蠕行扭矩限值、蠕行扭矩速度比例系数和蠕行目标车速，其中，将蠕行起步分为两阶段；然后通过确定的最大蠕行扭矩限值、蠕行扭矩速度比例系数和蠕行目标车速，采用带限值的比例控制计算得到各车轮的总扭矩，实现对车辆的蠕行控制。本发明既能保证蠕行起步时间满足要求，同时在起步过程中，在一定坡度下不溜坡、车速不超调，且车速与扭矩一致收敛，起步具有较好的平顺性，特别是针对质量较大的电动客车，效果尤为显著；通过本发明确定的蠕行控制参数，可减少后期标定工作。

Description

一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法

技术领域

本发明属于车辆动力学控制领域，特别涉及一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法。

背景技术

为了解决电动汽车在坡道起步溜坡现象，以及城市道路不断启停的低速行驶工况，电动汽车大多需要实现蠕行控制。

目前的蠕行控制，能够自适应各种坡度防止溜坡，并且在低速工况下，驾驶员能够通过制动踏板单踏板控制车辆速度，方便驾驶员操作，适用于城市道路不断启停的低速行驶工况，蠕行控制被广泛运用于各种电动汽车。国内学者提出将电机与车辆结合控制，利用控制电机电流来控制汽车蠕行速度(汪贵平等.电动汽车起步加速过程的动力学建模与仿真[J].长安大学学报.2009(06):98-102)。此外国内也有采用利用状态观测器观测坡度大小，利用PID控制计算蠕行扭矩(王攀.四轮轮毂电动汽车坡道自适应起步控制策略研究[D].电子科技大学)。针对纯电动客车，国内学者提出利用模糊推理得到驾驶员期望的电机扭矩，并且根据坡度大小附加一个电机扭矩，防止溜坡现象产生，并且兼顾起步平顺性(罗石等.纯电动客车起步仿真研究[J].机电工程.2015(32)1:141-145)。

现有的汽车蠕行控制中，尤其针对大型客车质量过大的特点，传统的比例控制蠕行起步时间过长，并且容易发生溜坡现象。此外，目前的蠕行控制参数缺少理论方法确定，控制参数需要依靠较长周期的后期标定实验确定。不合适的控制参数可能导致车速超过稳定蠕行车速的超调现象，并且车速产生震荡现象，起步不具有较好平顺性。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法，本发明能够确定控制参数，减少后期标定工作，并且针对质量较大的轮毂电机驱动客车，能够满足蠕行起步车速不发生超调现象，起步具有较好的平顺性，坡道起步不发生溜坡现象，并且给出蠕行控制参数确定方法，减少后期标定工作。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)蠕行控制参数确定

蠕行控制分为前进蠕行控制和倒车蠕行控制两种情况，均采用带扭矩限值的比例控制，控制参数包括最大蠕行扭矩限值、蠕行扭矩速度比例系数和蠕行目标车速，具体过程如下：

1.1)基本参数设定，包括设定最大蠕行坡度、起步时间和蠕行车速

根据行业标准CJJ 37-2012《城市道路工程设计规范》和JTG B01-2014《公路工程技术标准》，蠕行坡度覆盖上述标准所有道路坡度，从而设定最大蠕行坡度i_cmax；

设定起步时间，包括前进起步时间为t_c和倒车起步时间为t_bc，且倒车起步时间t_bc略长于前进起步时间t_c；3s≤t_c＜8s，3s＜t_bc≤8s；

设定蠕行车速，包括前进蠕行车速为v_c和倒车蠕行车速为v_bc，且倒车蠕行车速v_bc略低于前进蠕行车速v_c；3km/h＜v_c≤10km/h，3km/h≤v_bc＜10km/h；

1.2)通过设定的最大蠕行坡度确定最大蠕行扭矩限值

所述最大蠕行扭矩限值包括最大前进蠕行扭矩限值T_max和最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax，设定T_max＝T_bmax，其中，最大前进蠕行扭矩限值T_max通过公式(1)计算得到：

式中，n为车辆的驱动轮数量；r_r为车轮滚动半径，各车轮的滚动半径相等；m为车辆总质量；g为重力加速度；α_cmax为最大蠕行坡道角，与最大蠕行坡度i_cmax的关系如公式(2)所示：

i_cmax＝tan(α_cmax) (2)

1.3)通过设定的起步时间和蠕行车速确定蠕行扭矩速度比例系数

将蠕行起步分为两个阶段，令前进蠕行和倒车蠕行第一阶段时间分别为t₁和t_b1，前进蠕行和倒车蠕行第二阶段时间分别为t₂和t_b2，并满足公式(3)和(4)：

t_c＝t₁+t₂ (3)

t_bc＝t_b1+t_b2 (4)

其中，

第一阶段以最大前进蠕行扭矩限值T_max或者最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax驱动车辆，在平路忽略行驶阻力情况下，前进蠕行第一阶段时间t₁和倒车蠕行第一阶段时间t_b1分别通过公式(5)和(6)计算得到：

式中，K_p是前进蠕行扭矩速度比例系数，K_bp是倒车蠕行扭矩速度比例系数；K_m是与车辆质量相关的系数，表征车辆惯性，为一常数，K_m的表达式如公式(7)所示：

其中，J为所有车轮转动惯量之和；

第二阶段为比例控制阶段，车速以达到蠕行车速的95％作为蠕行起步结束时刻，则前进蠕行第二阶段时间t₂和倒车蠕行第二阶段时间t_b2分别通过公式(8)和(9)计算得到：

1.4)通过设定的蠕行车速确定蠕行目标车速

所述蠕行目标车速包括前进蠕行目标车速v_ref和倒车蠕行目标车速v_bref，在考虑行驶阻力情况下，前进蠕行目标车速v_ref和倒车蠕行目标车速v_bref分别通过公式(10)和(11)计算得到：

其中，F_r为平路行驶的行驶阻力；

2)带扭矩限值的蠕行比例控制，按照以下步骤依次进行：

2.1)蠕行控制介入条件判断

对于前进蠕行，若同时满足公式(12)和(13)，则进入前进蠕行控制模式；对于倒车蠕行，若同时满足公式(13)和(14)，则进入倒车蠕行控制模式：

v＜v_cp (12)

α_a＝0 (13)

v_b＞v_bcp (14)

式中，v为前进模式的当前车速；v_cp为前进临界蠕行车速，取值范围为1.2v_c≤v_cp≤2v_c；α_a为加速踏板开度百分比；v_b为倒车模式的当前车速；v_bcp为倒车临界蠕行车速，取值范围为2v_bc≤v_cp≤1.2v_bc；

2.2)确定蠕行比例控制扭矩值

对于前进蠕行，其基本控制律如公式(15)所示：

式中，T_cp为前进蠕行比例控制扭矩值；

对于倒车蠕行，基本控制律如公式(16)所示：

式中，T_bcp为倒车蠕行比例控制扭矩值；

2.3)分别采用公式(17)和(18)计算前进时的车轮总扭矩T_c和倒车时的车轮总扭矩T_bc：

T_c＝min(T_cp，T_max) (17)

T_bc＝max(T_bcp，T_bmax) (18)

通过公式(17)和(18)确定的蠕行扭矩限值控制各个车轮的总扭矩，以实现轮毂电机驱动车辆的蠕行控制。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用带扭矩限值的比例控制方法，对于质量较大的电动客车，既能保证蠕行起步时间满足要求，同时在起步过程中，在一定坡度下不发生溜坡现象，车速不发生超调现象，车速与扭矩一致收敛，起步具有较好的平顺性；

2、本发明提出了控制参数的确定方法，直接通过蠕行车速、蠕行起步时间和蠕行最大坡度确定蠕行控制参数，减少后期标定工作；

3、在本发明提出的蠕行控制下，驾驶员可以通过制动踏板单踏板操作来控制车辆速度，方便了驾驶员操作。

附图说明

图1为本发明实施例带扭矩限值比例控制中扭矩随蠕行时间的变化关系图。

图2为本发明实施例带扭矩限值比例控制中车速随蠕行时间的变化关系图。

图3为本发明整车控制的架构图。

具体实施方式

本发明提出的一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法，下面结合附图和具体实施例进一步说明如下：

本发明实施的一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法，能够确定蠕行控制参数并且实现轮毂电机驱动汽车的蠕行控制，该方法具体包括以下步骤：

1)蠕行控制参数确定

蠕行控制分为前进蠕行控制和倒车蠕行控制两种情况，均采用带扭矩限值的比例控制，控制参数包括最大蠕行扭矩限值、蠕行扭矩速度比例系数和蠕行目标车速，具体过程如下：

1.1)基本参数设定，包括设定最大蠕行坡度、起步时间和蠕行车速

根据行业标准CJJ 37-2012《城市道路工程设计规范》和JTG B01-2014《公路工程技术标准》，蠕行坡度覆盖上述标准所有道路坡度，从而设定最大蠕行坡度i_cmax，本实施例设定的最大蠕行坡度i_cmax为8％。

设定起步时间，包括前进起步时间为t_c和倒车起步时间为t_bc，且倒车起步时间t_bc略长于前进起步时间t_c；3s≤t_c＜8s，3s＜t_bc≤8s；本实施例中取前进起步时间t_c为4s，倒车起步时间t_bc为5s。

设定蠕行车速，包括前进蠕行车速为v_c和倒车蠕行车速为v_bc，且倒车蠕行车速v_bc略低于前进蠕行车速v_c；3km/h＜v_c≤10km/h，3km/h≤v_bc＜10km/h；本实施例中取前进蠕行车速v_c为7km/h，倒车蠕行车速v_bc为5km/h。

1.2)通过设定的最大蠕行坡度确定最大蠕行扭矩限值

在陡坡蠕行时，蠕行扭矩用于克服坡道阻力，防止车辆溜坡。所述最大蠕行扭矩限值包括最大前进蠕行扭矩限值T_max和最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax，设定T_max＝T_bmax，其中，最大前进蠕行扭矩限值T_max通过公式(1)计算得到：

式中，n为车辆的驱动轮数量；r_r为车轮滚动半径，各车轮的滚动半径相等；m为车辆总质量；g为重力加速度；α_cmax为最大蠕行坡道角，与最大蠕行坡度i_cmax的关系如公式(2)所示：

i_cmax＝tan(α_cmax) (2)

将步骤1.1)中设定的最大蠕行坡度i_cmax带入公式(1)和(2)，即可得到最大前进蠕行扭矩限值T_max和最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax。

1.3)通过设定的起步时间和蠕行车速确定蠕行扭矩速度比例系数

将蠕行起步分为两个阶段，令前进蠕行和倒车蠕行第一阶段时间分别为t₁和t_b1，前进蠕行和倒车蠕行第二阶段时间分别为t₂和t_b2，并满足公式(3)和(4)：

t_c＝t₁+t₂ (3)

t_bc＝t_b1+t_b2 (4)

即定义前进蠕行两阶段的时间之和等于步骤1.1)设定的前进起步时间t_c，定义倒车蠕行两阶段的时间之和等于步骤1.1)设定的倒车起步时间t_bc；其中，

如图1、图2所示，第一阶段以最大前进蠕行扭矩限值T_max或者最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax驱动车辆，在平路忽略行驶阻力情况下，前进蠕行第一阶段时间t₁和倒车蠕行第一阶段时间t_b1分别通过公式(5)和(6)计算得到：

式中，K_p是前进蠕行扭矩速度比例系数，K_bp是倒车蠕行扭矩速度比例系数；T_max和T_bmax分别是通过步骤1.2)确定的最大前进蠕行扭矩限值和最大倒车蠕行扭矩限值；v_c是前进蠕行车速，v_bc是倒车蠕行车速；K_m是与车辆质量相关的系数，表征车辆惯性，为一常数，K_m的表达式如公式(7)所示：

其中，r_r为车轮滚动半径，m为车辆总质量，J为所有车轮转动惯量之和；

如图1、图2所示，第二阶段为比例控制阶段，车速以达到蠕行车速的95％作为蠕行起步结束时刻，则前进蠕行第二阶段时间t₂和倒车蠕行第二阶段时间t_b2分别通过公式(8)和(9)计算得到：

扭矩速度比例系数(K_p和K_bp)为决定起步时间的主要因素，结合前述蠕行车速、最大蠕行扭矩限值，及蠕行起步时间t_c和t_bc，代入(3)～(9)式，即可解出前进蠕行控制扭矩速度比例系数K_p和倒挡蠕行控制扭矩速度比例系数K_bp。

1.4)通过设定的蠕行车速确定蠕行目标车速

所述蠕行目标车速包括前进蠕行目标车速v_ref和倒车蠕行目标车速v_bref，在考虑行驶阻力情况下，前进蠕行目标车速v_ref和倒车蠕行目标车速v_bref分别通过公式(10)和(11)计算得到：

其中，F_r为平路行驶的行驶阻力，可以通过实验测得(本实施例中，平路行驶的行驶阻力F_r的具体确定方式如下：将车辆加速到小于20km/h的初始车速v_s，滑行通过长度为s的固定道路，测量通过道路的终了车速v_e，行驶阻力F_r＝m(v_s ²-v_e ²)/2s，行驶阻力需多次测量取平均值)；r_r是车轮滚动半径；n是驱动轮数量；K_p和K_bp分别为步骤1.3)中确定的前进蠕行控制扭矩速度比例系数和倒车蠕行控制扭矩速度比例系数；v_c和v_bc分别为步骤1.1)中设定的前进蠕行车速和倒车蠕行车速；代入各变量即可解出蠕行目标车速v_ref或v_bref。

由于考虑驾驶员对制动踏板的操作，将制动器制动力视作行驶阻力一部分，则踩下制动踏板情况下，前进模式当前车速v会低于前进蠕行车速v_c，倒车模式下当前车速v_b的绝对值会低于倒车蠕行车速v_bc的绝对值。因此通过本发明方法，驾驶员可以通过制动踏板单踏板操作来控制车辆速度，方便了驾驶员操作。

2)带扭矩限值的蠕行比例控制，按照以下步骤依次进行：

2.1)蠕行控制介入条件判断

对于前进蠕行，若同时满足公式(12)和(13)，则进入前进蠕行控制模式；对于倒车蠕行，若同时满足公式(13)和(14)，则进入倒车蠕行控制模式：

v＜v_cp (12)

α_a＝0 (13)

v_b＞v_bcp (14)

式中，v为前进模式的当前车速；v_cp为前进临界蠕行车速，取值范围为1.2v_c≤v_cp≤2v_c，本实施例设为10km/h；α_a为加速踏板开度百分比，通过加速踏板传感器测量得到；v_b为倒车模式的当前车速；v_bcp为倒车临界蠕行车速，取值范围为2v_bc≤v_cp≤1.2v_bc，本实施例设为-10km/h。

公式(12)～(14)的物理含义如下：蠕行控制的介入条件为带档空油门，且车速低于临界蠕行速度，蠕行控制的退出条件为踩油门或脱档，或者车速高于临界蠕行速度。带档空油门起步，或者带档空油门由高速滑行至临界车速均可进入蠕行控制。踩下加速踏板、脱档或者下坡滑行至车速超过蠕行临界车速，均可退出蠕行控制。

2.2)确定蠕行比例控制扭矩值

对于前进蠕行，其基本控制律如公式(15)所示：

通过公式(15)确定了升速蠕行和降速蠕行的基本扭矩。式中，T_cp为前进蠕行比例控制扭矩值；K_p为前进蠕行扭矩速度比例系数，v_ref为前进蠕行目标车速，两个控制参数均按照步骤1)中方法确定。当当前车速低于前进蠕行目标车速时采用比例控制，即T_cp＝K_p(v_ref-v)，当当前车速高于前进蠕行目标车速时则采用0扭矩滑行控制，即T_cp＝0。

对于倒车蠕行，仍然采用比例控制，基本控制律如(16)式：

式中，T_bcp为倒车蠕行比例控制扭矩值；K_bp为倒车蠕行扭矩速度比例系数，v_bref为倒车蠕行目标车速，两个控制参数均按照步骤1)中方法确定。类似的，当当前车速低于倒车蠕行目标车速时采用比例控制，即T_bcp＝K_bp(v_bref-v_b)，当当前车速高于倒车蠕行目标车速时则采用0扭矩滑行控制，即T_bcp＝0。

2.3)分别采用公式(17)和(18)计算前进时的车轮总扭矩T_c和倒车时的车轮总扭矩T_bc：

T_c＝min(T_cp，T_max) (17)

T_bc＝max(T_bcp，T_bmax) (18)

式(17)即前进蠕行扭矩限值式，它确定了前进时车轮总扭矩的最终取值。式(18)即倒车蠕行扭矩限值式，它确定了倒车时车轮总扭矩的最终取值。通过公式(17)和(18)对前进蠕行和倒车蠕行的两阶段进行划分，在前进模式下，若蠕行比例控制扭矩值T_cp小于最大前进蠕行扭矩限值T_max，则为蠕行第一阶段，反之则进入蠕行第二阶段。在倒车模式下若倒车蠕行比例控制扭矩值T_bcp的绝对值小于最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax的绝对值，则为蠕行第一阶段，反之则进入蠕行第二阶段。

通过公式(17)和(18)确定的蠕行扭矩限值控制各个车轮的总扭矩，以实现轮毂电机驱动车辆的蠕行控制。

本控制方法在整车控制器中的应用如图3所示。图3表明了蠕行控制在整车控制中的地位。图3所示的整车控制器包括车速估计模块、蠕行控制模块和驱动防滑控制模块，将本发明方法通过本领域的常规编程技术集成在所述蠕行控制模块中。首先车速估计模块通过获取的横摆角速度ω_z、方向盘转角δ_SW和车轮转速矢量ω(该车轮转速矢量ω由所有车轮的转速组成，如四个车轮转速)得到当前车速v，将当前车速传输至蠕行控制模块由此计算蠕行扭矩T_c(或T_bc)，驱动防滑模块根据蠕行扭矩T_c(或T_bc)得到最终输出扭矩矢量T_D(包括左右驱动轮驱动扭矩)，车辆根据输出的扭矩矢量T_D作出响应。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种用于轮毂电机驱动车辆的蠕行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)蠕行控制参数确定

蠕行控制分为前进蠕行控制和倒车蠕行控制两种情况，均采用带扭矩限值的比例控制，控制参数包括最大蠕行扭矩限值、蠕行扭矩速度比例系数和蠕行目标车速，具体过程如下：

1.1)基本参数设定，包括设定最大蠕行坡度、起步时间和蠕行车速

根据行业标准CJJ 37-2012《城市道路工程设计规范》和JTG B01-2014《公路工程技术标准》，蠕行坡度覆盖上述标准所有道路坡度，从而设定最大蠕行坡度i_cmax；

设定起步时间，包括前进起步时间为t_c和倒车起步时间为t_bc，且倒车起步时间t_bc略长于前进起步时间t_c；3s≤t_c＜8s，3s＜t_bc≤8s；

设定蠕行车速，包括前进蠕行车速为v_c和倒车蠕行车速为v_bc，且倒车蠕行车速v_bc略低于前进蠕行车速v_c；3km/h＜v_c≤10km/h，3km/h≤v_bc＜10km/h；

1.2)通过设定的最大蠕行坡度确定最大蠕行扭矩限值

所述最大蠕行扭矩限值包括最大前进蠕行扭矩限值T_max和最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax，设定T_max＝T_bmax，其中，最大前进蠕行扭矩限值T_max通过公式(1)计算得到：

式中，n为车辆的驱动轮数量；r_r为车轮滚动半径，各车轮的滚动半径相等；m为车辆总质量；g为重力加速度；α_cmax为最大蠕行坡道角，与最大蠕行坡度i_cmax的关系如公式(2)所示：

i_cmax＝tan(α_cmax) (2)

1.3)通过设定的起步时间和蠕行车速确定蠕行扭矩速度比例系数

将蠕行起步分为两个阶段，令前进蠕行和倒车蠕行第一阶段时间分别为t₁和t_b1，前进蠕行和倒车蠕行第二阶段时间分别为t₂和t_b2，并满足公式(3)和(4)：

t_c＝t₁+t₂ (3)

t_bc＝t_b1+t_b2 (4)

其中，

第一阶段以最大前进蠕行扭矩限值T_max或者最大倒车蠕行扭矩限值T_bmax驱动车辆，在平路忽略行驶阻力情况下，前进蠕行第一阶段时间t₁和倒车蠕行第一阶段时间t_b1分别通过公式(5)和(6)计算得到：

式中，K_p是前进蠕行扭矩速度比例系数，K_bp是倒车蠕行扭矩速度比例系数；K_m是与车辆质量相关的系数，表征车辆惯性，为一常数，K_m的表达式如公式(7)所示：

其中，J为所有车轮转动惯量之和；

第二阶段为比例控制阶段，车速以达到蠕行车速的95％作为蠕行起步结束时刻，则前进蠕行第二阶段时间t₂和倒车蠕行第二阶段时间t_b2分别通过公式(8)和(9)计算得到：

1.4)通过设定的蠕行车速确定蠕行目标车速

所述蠕行目标车速包括前进蠕行目标车速v_ref和倒车蠕行目标车速v_bref，在考虑行驶阻力情况下，前进蠕行目标车速v_ref和倒车蠕行目标车速v_bref分别通过公式(10)和(11)计算得到：

其中，F_r为平路行驶的行驶阻力；

2)带扭矩限值的蠕行比例控制，按照以下步骤依次进行：

2.1)蠕行控制介入条件判断

对于前进蠕行，若同时满足公式(12)和(13)，则进入前进蠕行控制模式；对于倒车蠕行，若同时满足公式(13)和(14)，则进入倒车蠕行控制模式：

v＜v_cp (12)

α_a＝0 (13)

v_b＞v_bcp (14)

式中，v为前进模式的当前车速；v_cp为前进临界蠕行车速，取值范围为1.2v_c≤v_cp≤2v_c；α_a为加速踏板开度百分比；v_b为倒车模式的当前车速；v_bcp为倒车临界蠕行车速，取值范围为2v_bc≤v_cp≤1.2v_bc；

2.2)确定蠕行比例控制扭矩值

对于前进蠕行，其基本控制律如公式(15)所示：

式中，T_cp为前进蠕行比例控制扭矩值；

对于倒车蠕行，基本控制律如公式(16)所示：

式中，T_bcp为倒车蠕行比例控制扭矩值；

2.3)分别采用公式(17)和(18)计算前进时的车轮总扭矩T_c和倒车时的车轮总扭矩T_bc：

T_c＝min(T_cp，T_max) (17)

T_bc＝max(T_bcp，T_bmax) (18)

通过公式(17)和(18)确定的蠕行扭矩限值控制各个车轮的总扭矩，以实现轮毂电机驱动车辆的蠕行控制。

2.根据权利要求1所述的蠕行控制方法，其特征在于，步骤1.1)中，设定所述最大蠕行坡度i_cmax为8％。