CN109878348A - 一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统及方法，该系统包括实测传感器单元、油门解析单元、俯仰运动控制单元和电机控制器。实测传感器单元用于获取当前车辆车速及各轮悬架位移信息，油门解析单元根据油门踏板开度和当前电机转速得到需求转矩，俯仰运动控制单元根据实测数据和需求转矩计算分配至前后轴电机的分配力矩，电机控制器控制前后2个轴上的驱动电机工作。本发明适用于前后轴分布式驱动电动汽车，能有效地在车辆加速行驶的过程中降低车身俯仰运动幅度和速度，提升车辆舒适性。

Description

一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及前后轴分布式驱动电动车辆技术领域，尤其是涉及一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统及方法。

背景技术

前后轴分布式驱动电动车辆前后两个轴上均安装有驱动电机，直接驱动对应轴上的车轮，不需要传统内燃机汽车的离合器、变速器等部件，从而简化了整车结构，提高了传动效率。同时通过电机控制器能较精确地获取当前的电机输出的转速及力矩，并且电机的响应时间一般在毫秒级。

车身的俯仰运动会恶化车辆的平顺性，给驾驶员和因此需要采取措施抑制车身的俯仰运动，尤其是车辆加速过程中的俯仰运动，因为俯仰运动伴随着车辆速度的变化而产生。传统的俯仰运动抑制措施包括：

(1)悬架系统硬点的设计和刚度、阻尼的选取。通过调整悬架硬点位置及弹簧刚度和减振器阻尼，可以提升悬架的抗点头和抗后仰性能，从而降低悬架俯仰运动程度。但硬点设计由多种因素共同决定，有时为了满足空间布置、侧倾中心高度等指标，又由于通常为提高车辆舒适性而采用较低刚度的悬架弹簧，造成悬架俯仰刚度较低，因而抗俯仰能力难以保证；

(2)采用主动、半主动悬架。通过装配主动、半主动悬架并设计相应的算法，可以抑制车辆的俯仰运动，但由于成本、可靠性等多种因素制约，目前很少有乘用车车配备有主动或半主动悬架系统。

对于前后轴均配有驱动电机的前后轴分布式驱动电动车辆，由于车辆前后悬架的几何结构、弹簧刚度和阻尼系数不同，当对前后车轮施加相同大小的驱制动力矩时，悬架变形不同。因此可以通过改变施加在前后轴车轮上的力的大小来控制车身俯仰运动。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，该系统包括电机控制器，所述的电机控制器与设置于分布式驱动电动车前后轴上的驱动电机对应连接，该系统还包括实测传感器单元、油门踏板解析单元和俯仰运动控制器，所述俯仰运动控制器和所述油门踏板解析单元分别连接于所述实测传感器单元和所述电机控制器之间，其中，

所述油门踏板解析单元：用于根据油门踏板传感器和电机控制器提供的油门开度和电机转速信息输出需求驱动总转矩；

所述俯仰运动控制器：用于根据油门踏板解析单元输出的总需求转矩和悬架位移传感器的实测数据得到前后两个驱动电机分配力矩；

所述电机控制器：用于控制前后轴的驱动电机运动。

进一步地，所述的实测传感器单元包括用于检测油门开度的油门踏板传感器和用于测量所有车轮对应的悬架垂向位移的悬架位移传感器，所述油门踏板传感器和所述悬架位移传感器分别与所述油门踏板解析单元和所述俯仰运动控制器对应连接。

进一步地，所述油门踏板解析单元根据当前时刻采集到的电机转速和电机外特性曲线，确定对应的电机当前时刻最大输出转矩，与油门踏板开度值相乘，得到驱动总需求转矩，其描述公式为：

T_demand＝k_throttle×(T_f(n_f)+T_r(n_r))

式中，k_throttle为油门踏板开度值，T_f(n_f)和T_r(n_r)分别为根据前后电机外特性曲线得到当前时刻前后电机转速下对应的电机最大转矩，T_demand为驱动总需求转矩。

进一步地，所述油门踏板解析单元的油门踏板开度值，其描述公式为：

k_throttle＝P(acc_postion)

式中，P为油门踏板位置与油门踏板开度值的对应关系，acc_postion为驾驶员踩下油门踏板的位置。

进一步地，所述俯仰运动控制器采用模型预测控制，其输入为k时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩u(k)，其输出为k时刻车辆四轮悬架位移，所述俯仰运动控制器中的输出转换器的描述公式为：

式中，z_f1和z_f2分别为左右前轮对应悬架的垂向位移，z_r1和z_r2分别为左右后轮对应悬架的垂向位移，L₁为车辆轴距；

所述俯仰运动控制器中的预测输出序列的描述公式为：

式中，M_hs为系统矩阵，H_u为控制输入到输出的脉冲响应矩阵，C为预测输出序列变换矩阵，K_F为应用极点配置使得状态观测器名义渐进稳定且可以任意配置极点的比例系数。

进一步地，所述俯仰运动控制器中的二次优化问题求解的优化目标函数为求解满足约束条件的ΔU(k)的解，使J有最小值，其对应描述公式为：

J＝ΔU(k)^THΔU(k)-G(k+1|k)^TΔU(k)

式中，ΔU(k)为k时刻控制序列与k-1时刻控制量增量序列，具体为：

p为预测时域步长，m为控制时域步长，满足m≤p，

η_u具体为：

Γ_y和Γ_u分别为输出序列和输入序列的加权矩阵，R(k+1)为控制输出参考序列，Υ为优化目标函数变换矩阵。

进一步地，所述俯仰运动控制器中的二次优化问题求解的约束条件，其描述公式为：

C_uΔU(k)≥b(k+1|k)

式中，C_u＝[-T^T T^T -L^T L^T -J^T J^T]^T，

进一步地，所述约束条件的约束关系包括电机输出转矩变化值小于驱动电机响应速度、电机输出转矩小于当前时刻电机峰值转矩，且大于零和前后轴电机输出总转矩与油门踏板解析单元输出的需求总转矩之间偏差不超过设定偏差。

进一步地，所述俯仰运动控制器中的输入滤波器，其描述公式为：

Δu(k)＝[I 0 … 0]_1×m×ΔU(k)

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

式中，Δu(k)为k时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩增量，u(k-1)为k-1时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩，

本发明还提供了一种采用所述用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：实时采集4个车轮对应悬架的线位移、对应的驱动电机的转速以及油门踏板开度；

S2：将电机转速和油门踏板开度信息输入油门踏板解析单元，得到车辆当前时刻驱动总需求转矩；

S3：将当前时刻驱动总需求转矩和车辆四轮悬架位移输入俯仰运动控制器，通过输出转换器将输出转换为车身俯仰角和俯仰角速度；

S4：根据当前时刻车身俯仰角和俯仰角速度，得到在预测时域内车辆的俯仰角和俯仰角速度，与控制输出参考序列、约束条件一同求解出控制时域内使车辆俯仰角和俯仰角速度最小且满足驾驶员加速意图、满足电机最大驱动力矩限制和最大力矩跳变限制的前后轴电机驱动力矩大小；

S5：将解算出的最优前后轴电机驱动力矩输入至所述电机控制器进行前后轴的驱动电机的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明以前后轴分布式驱动电动车辆的前后轴电机作为执行器，适用于前后各有一个集中电机、前集中后轮毂电机、前轮毂后集中电机等多种构型电动汽车，无需改变现有悬架结构和参数，仅需安装四个悬架位移传感器采集悬架位移信号，以及依靠车辆本身的油门踏板解析功能，即可通过算法的设计实现车身俯仰运动控制，成本低、实用性强；

(2)本发明采用模型预测控制算法，通过车辆当前时刻俯仰运动信息与俯仰运动响应特性，预测未来时刻车身俯仰角和俯仰角速度并加以控制，既能降低车身俯仰角幅值，又能在车辆加速度连续变化的过程中减小俯仰角速度，降低车身俯仰运动的波动，综合地提高了车辆的平顺性，具有良好的控制效果。

附图说明

图1为本发明前后轴分布式驱动电动车辆的加速过程俯仰运动控制系统的结构框图；

图2为本发明前后轴分布式驱动电动车辆的加速过程俯仰运动控制系统中俯仰运动控制器结构框图；

图中，1为电机控制器；2为油门踏板解析单元；3为俯仰运动控制器；4为油门踏板传感器；5为悬架位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种用于前后轴分布式驱动电动车辆的加速过程俯仰运动控制系统，包括电机控制器1，电机控制器1设置若干个分别连接对应前后2个轴上若干个驱动电机，该系统还包括实测传感器单元、油门踏板解析单元2和俯仰运动控制器3，实测传感器单元连接俯仰运动控制器器3和油门踏板解析单元2，油门踏板解析单元位于实测传感器单元、电机控制器1与俯仰运动控制器3之间；

油门踏板解析单元2根据油门踏板传感器4和电机控制器1提供的油门开度和电机转速信息输出需求驱动总转矩，俯仰运动控制器3根据油门踏板解析单元2输出的总需求转矩和悬架位移传感器5的实测数据计算得到前后两个驱动电机分配力矩，电机控制器1控制2个驱动电机运动。

实测传感器单元包括用于检测油门开度的油门踏板传感器4、用于测量4个车轮对应的悬架垂向位移的悬架位移传感器5，油门踏板传感器4连接至油门踏板解析单元，悬架位移传感器5连接至俯仰运动控制器3。

油门踏板解析单元2根据当前时刻采集到的电机转速和电机外特性曲线，确定对应的电机当前时刻最大输出转矩，与油门踏板开度值相乘，得到驱动总需求转矩，具体为：

T_demand＝k_throttle×(T_f(n_f)+T_r(n_r))

k_throttle为油门踏板开度值，T_f,r(n_f,r)分别为根据前后电机外特性曲线得到当前时刻前后电机转速下对应的电机最大转矩，T_demand为驱动总需求转矩。

油门踏板解析单元2中，油门踏板开度值与驾驶员踩下的油门踏板位置对应关系，具体为：

k_throttle＝P(acc_postion)

acc_postion为驾驶员踩下油门踏板位置，P为油门踏板位置与油门踏板开度值的对应关系，该对应关系可以通过函数关系式、查表等多种方式确定。

俯仰运动控制器3采用模型预测控制算法，具体流程图如图2所示。

系统的输入为k时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩u(k)，系统的输出为k时刻车辆四轮悬架位移，经过输出转换器转换为俯仰角与俯仰角速度y(k)，因而输入量个数n_u为2，输出量个数n_y为2。输出转换器具体为：

其中，z_f1为左前轮对应悬架的垂向位移，z_f2为右前轮对应悬架的垂向位移，z_r1为左后轮对应悬架的垂向位移，z_r2为右后轮对应悬架的垂向位移，L为车辆轴距。

预测输出序列具体为：

其中，M_hs为系统矩阵，具体为：

其中N为系统进入稳态所需要的采样步数，即电机输出单位脉冲响应，车身由俯仰运动到静止所需的采样步数。控制输入u到输出y的脉冲响应系数矩阵H_u具体为：

代表第i个轴上电机输入的单位脉冲转矩使第j个输出在k时刻产生的响应大小，该值通过离线实车试验方法测量得到。预测输出序列变换矩阵C具体为

C＝[I 0 … 0]_1×N，

其中K_F为应用极点配置使得状态观测器名义渐进稳定且可以任意配置极点的比例系数。

俯仰运动控制器3中二次优化问题求解，优化目标函数具体为：

J＝ΔU(k)^THΔU(k)-G(k+1|k)^TΔU(k)

求解满足约束条件的ΔU(k)的解，使J有最小值。

其中，

其中，ΔU(k)为k时刻控制序列与k-1时刻控制量增量序列，具体为：

p为预测时域步长，m为控制时域步长，满足m≤p。η_u具体为：

Γ_y和Γ_u分别为输出序列和输入序列的加权矩阵，衡量不同时刻下输入增量和不同时刻下各个输出增量在二次规划问题中的权重大小，具体为：

Γ_y＝diag(Γ_y,1,Γ_y,2,K,Γ_y,p)_p×p

Γ_u＝diag(Γ_u,1,Γ_u,2,K,Γ_u,m)_m×m

R(k+1)为控制输出参考序列，具体为：

Υ为优化目标函数变换矩阵，具体为：

其中

俯仰运动控制器3中二次优化问题求解，约束条件具体为：

C_uΔU(k)≥b(k+1|k)，

其中，

C_u＝[-T^T T^T -L^T L^T -J^T J^T]^T，

约束关系式中的Δu_max、Δu_min、u_max、u_min、∑u_max、∑u_min由以下实际约束关系确定：

电机输出转矩变化值小于驱动电机响应速度：

Δu＜Δu_max＝[ΔT_{f max} ΔT_{r max}]

Δu＞Δu_min＝[-ΔT_{f max} -ΔT_{r max}]

电机输出转矩小于当前时刻电机峰值转矩，且大于零：

u＜umax＝[T_{f max} T_{r max}]

u＞u_min＝[0 0]

前后轴电机输出总转矩与油门踏板解析单元输出的需求总转矩之间偏差不超过设定偏差ε：

∑u＜∑u_max＝T_req×(1+ε)

∑u＞∑u_min＝T_req×(1-ε),ε＝0.01～0.05

俯仰运动控制器3中输入滤波器具体为：

Δu(k)＝[I 0 L 0]_1×m×ΔU(k)

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

其中，ΔU(k)为二次优化问题求解器求得的满足约束条件，u(k)＝[T_f(k) T_r(k)]为k时刻前后电机输出转矩。

利用本实施例中适用于前后轴分布式驱动电动车辆的加速过程俯仰运动控制系统方法的控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)实时采集4个车轮对应悬架的线位移、对应的驱动电机的转速以及油门踏板开度；

(2)将电机转速和油门踏板开度信息输入油门踏板解析单元，得到车辆当前时刻驱动总需求转矩；

(3)将当前时刻驱动总需求转矩和车辆四轮悬架位移输入俯仰运动控制器，通过输出转换器将输出转换为车身俯仰角和俯仰角速度；

(4)根据当前时刻车身俯仰角和俯仰角速度，得到在预测时域内车辆的俯仰角和俯仰角速度，与控制输出参考序列、约束条件一同求解出控制时域内使车辆俯仰角和俯仰角速度最小且满足驾驶员加速意图、满足电机最大驱动力矩限制和最大力矩跳变限制的前后轴电机驱动力矩大小；

(5)将解算出的最优前后轴电机驱动力矩输入至电机控制器1进行2个轴的驱动电机的控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，该系统包括电机控制器(1)，所述的电机控制器(1)与设置于分布式驱动电动车前后轴上的驱动电机对应连接，该系统还包括实测传感器单元、油门踏板解析单元(2)和俯仰运动控制器(3)，所述俯仰运动控制器(3)和所述油门踏板解析单元(2)分别连接于所述实测传感器单元和所述电机控制器(1)之间，其中，

所述油门踏板解析单元(2)：用于根据油门踏板传感器(4)和电机控制器(1)提供的油门开度和电机转速信息输出需求驱动总转矩；

所述俯仰运动控制器(3)：用于根据油门踏板解析单元(2)输出的总需求转矩和悬架位移传感器(5)的实测数据得到前后两个驱动电机分配力矩；

所述电机控制器(1)：用于控制前后轴的驱动电机运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述的实测传感器单元包括用于检测油门开度的油门踏板传感器(4)和用于测量所有车轮对应的悬架垂向位移的悬架位移传感器(5)，所述油门踏板传感器(4)和所述悬架位移传感器(5)分别与所述油门踏板解析单元(2)和所述俯仰运动控制器(3)对应连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述油门踏板解析单元(2)根据当前时刻采集到的电机转速和电机外特性曲线，确定对应的电机当前时刻最大输出转矩，与油门踏板开度值相乘，得到驱动总需求转矩，其描述公式为：

T_demand＝k_throttle×(T_f(n_f)+T_r(n_r))

式中，k_throttle为油门踏板开度值，T_f(n_f)和T_r(n_r)分别为根据前后电机外特性曲线得到当前时刻前后电机转速下对应的电机最大转矩，T_demand为驱动总需求转矩。

4.根据权利要求3所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述油门踏板解析单元(2)的油门踏板开度值，其描述公式为：

k_throttle＝P(acc_postion)

式中，P为油门踏板位置与油门踏板开度值的对应关系，acc_postion为驾驶员踩下油门踏板的位置。

5.根据权利要求1所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述俯仰运动控制器(3)采用模型预测控制，其输入为k时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩u(k)，其输出为k时刻车辆四轮悬架位移，所述俯仰运动控制器(3)中的输出转换器的描述公式为：

式中，z_f1和z_f2分别为左右前轮对应悬架的垂向位移，z_r1和z_r2分别为左右后轮对应悬架的垂向位移，L₁为车辆轴距；

所述俯仰运动控制器(3)中的预测输出序列的描述公式为：

式中，M_hs为系统矩阵，H_u为控制输入到输出的脉冲响应矩阵，C为预测输出序列变换矩阵，K_F为应用极点配置使得状态观测器名义渐进稳定且可以任意配置极点的比例系数。

6.根据权利要求1所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述俯仰运动控制器(3)中的二次优化问题求解的优化目标函数为求解满足约束条件的ΔU(k)的解，使J有最小值，其对应描述公式为：

J＝ΔU(k)^THΔU(k)-G(k+1|k)^TΔU(k)

式中，ΔU(k)为k时刻控制序列与k-1时刻控制量增量序列，具体为：

p为预测时域步长，m为控制时域步长，满足m≤p，

η_u具体为：

Γ_y和Γ_u分别为输出序列和输入序列的加权矩阵，R(k+1)为控制输出参考序列，Υ为优化目标函数变换矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述俯仰运动控制器(3)中的二次优化问题求解的约束条件，其描述公式为：

C_uΔU(k)≥b(k+1|k)

式中，C_u＝[-T^T T^T -L^T L^T -J^T J^T]^T，

8.根据权利要求7所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述约束条件的约束关系包括电机输出转矩变化值小于驱动电机响应速度、电机输出转矩小于当前时刻电机峰值转矩，且大于零和前后轴电机输出总转矩与油门踏板解析单元输出的需求总转矩之间偏差不超过设定偏差。

9.根据权利要求1所述的一种用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统，其特征在于，所述俯仰运动控制器(3)中的输入滤波器，其描述公式为：

Δu(k)＝[I 0 … 0]_1×m×ΔU(k)

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

式中，Δu(k)为k时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩增量，u(k-1)为k-1时刻前轴与后轴驱动电机驱动力矩，

10.一种采用如权利要求1～9中任意一项所述的用于前后轴分布式驱动电动车的运动控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：实时采集4个车轮对应悬架的线位移、对应的驱动电机的转速以及油门踏板开度；

S2：将电机转速和油门踏板开度信息输入油门踏板解析单元，得到车辆当前时刻驱动总需求转矩；

S3：将当前时刻驱动总需求转矩和车辆四轮悬架位移输入俯仰运动控制器，通过输出转换器将输出转换为车身俯仰角和俯仰角速度；

S4：根据当前时刻车身俯仰角和俯仰角速度，得到在预测时域内车辆的俯仰角和俯仰角速度，与控制输出参考序列、约束条件一同求解出控制时域内使车辆俯仰角和俯仰角速度最小且满足驾驶员加速意图、满足电机最大驱动力矩限制和最大力矩跳变限制的前后轴电机驱动力矩大小；

S5：将解算出的最优前后轴电机驱动力矩输入至所述电机控制器(1)进行前后轴的驱动电机的控制。