CN109878521A - 轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，包括以下步骤：1)构建运动学‑动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合方法获取估计车速；2)根据估计车速获取滑移率并结合轮加速度进行滑移率‑车轮角加速度联合被控变量的防滑控制。与现有技术相比，本发明具有提高控制精度、提高滑移率估计准确度、提高车速估计精度、提高防滑控制精度、提高车辆安全性和驱动效率等优点。

Description

轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其是涉及一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法。

背景技术

分布式驱动电动汽车，相比于传统内燃机汽车，其具有可获得信息多，各个车轮转矩精确可知可控，转矩响应迅速等特点。滑移率控制系统作为车辆主动安全的基本系统之一，是车辆动力学领域的研究热点之一。当车辆在起步或者剧烈加速时，若路面所能提供的驱动力较小，那么过大的驱动力会造成驱动轮的过度滑转。车轮的过度划转一方面降低了车辆的驱动能力，另一方面，前轮的过度滑转会造成转向失控，后轮的过度滑转会造成车辆的甩尾而造成车辆失稳，从而引发交通事故。驱动防滑系统能够根据车辆的行驶情况，通过适当的控制方法，使车辆在恶劣路况以及复杂工况下也能保证车轮不会过度滑转，从而提高车辆在极限工况下的稳定性。现阶段的滑移率控制研究成果仍面临的两大问题：车速估计误差问题以及由于轮胎模型的误差而引起的动力学算法性能下降的问题，导致滑移率控制效果恶化。

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轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，包括以下步骤：

1)构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合方法获取估计车速；

2)根据估计车速获取滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)基于车轮滑移率的动态，构建动力学与运动学一体化的滑移率估计器进行滑移率的估计，并设定动力学与运动学估计的切换条件及切换机制；

12)根据滑移率的估计值采用轮速反馈方法进行车速估计，分别获得四个车轮的估计车速；

13)根据四个车轮的估计车速通过采用四轮车速融合方法得到整车纵向车速估计值。

所述的步骤11)中，当车轮纵向滑移率与纵向力呈线性关系时，采用基于轮胎模型的动力学估计法进行滑移率估计，当车轮纵向滑移率增大且纵向滑移率与纵向力呈非线性关系时，采用运动学估计法进行滑移率估计，并设计以轮加速度为主要判据，辅助以轮速门限值判断的切换方式。

所述的切换方式具体为：

31)当轮速在快速上升时，进入切换的预备状态，此刻记录速度的估计值，并对其进行加速度的直接积分，得到基于纵向加速度的预备车速估计值，并且此时轮速标志位置为1，表示车轮可能处于打滑状态；

32)当在轮速标志位置1时，若车轮角加速度的计算值超过门限值，则确定车轮进入打滑状态，此时采用加速度积分的车速和当前轮速计算当前滑移率，替换估计器中的估计值，并继续保持纵向加速度的车速估计，经过一段时间t₁后，估计算法切换至运动学估计器；

33)在进入到运动学估计器后，估计器保持一段时间Δt后，此时滑移率控制器已经将滑移率拉回至小滑移率区，运动学估计器退出，返回动力学估计法。

所述的步骤12)中，估计车速的表达式为：

其中，为车速v的估计值，为车辆纵向加速度a的测量值，L为轮速反馈增益，ω为车轮角速度，为滑移率λ的估计值，r为车轮滚动半径。

所述的步骤13)中，当四个车轮均采用运动学估计法时，将四个车轮的估计车速的平均值作为整车纵向车速估计值，当四个车轮采用动力学估计法时，采用加权平均的方式获取整车纵向车速估计值，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)获取在稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系；

22)将目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合作为被控变量ε；

23)设计带前馈的条件积分控制器以及控制方法的介入退出标志位后进行防滑控制。

所述的步骤22)中，被控变量ε具体为：

ε＝αλ+(1-α)η0≤α≤1

其中，为恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度，μ(λ)为Burckhardt轮胎模型计算的单位垂向载荷下的轮胎纵向力，η为定义新的表征车辆加速度的变量，为车轮角加速度，g为重力加速度常数，当α＝1时，被控变量为车轮滑移率，当α＝0时，被控变量为当量轮加速度，当0＜α＜1时，被控变量为二者的线性组合，并且以λ-η相图中被控变量ε的直线与曲线相交的点对应的值作为被控变量的最优值ε_ref。

所述的步骤23)中，带前馈的条件积分控制器的表达式为：

其中，e＝ε-ε_ref为被控误差，T_m为控制器输出的电机需求转矩，为电机力矩上限值，k₀为积分比例系数，θ为边界层的厚度，sat(·)为饱和函数，ρ、为无物理意义的中间变量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、提高控制精度：本发明通过车速估计误差以及轮胎模型误差引起的滑移率控制效果降低的特性，构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速，进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制，充分考虑了速度估计误差及轮胎模型误差带来的影响。

二、提高滑移率估计准确度：本发明构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速过程中，充分考虑了滑移率的动态特性，根据滑移率的不同设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者切换的条件。

三、提高车速估计精度：构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速过程中，建立了四轮车速融合机制，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。

四、在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制的过程中，首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据。

五、提高防滑控制精度：在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制的过程中，设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性，有利于提高防滑控制精度。

六、提高车辆安全性和驱动效率：在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制的过程中，分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的条件积分控制器，以及控制算法的介入退出标志位，提控制算法的鲁棒性，提高车辆安全性和驱动效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为滑移率估计器切换模式逻辑图。

图3为不同路面下最优滑移率分析图。

图4为车轮角加速度和力矩标志位计算流程图，其中，图(4a)为角加速度标志位流程图，图(4b)为力矩标志位流程图。

图5为本实施例中轮速与轮加速度联合的防滑控制算法的流程简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，包括下列步骤：

1)构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速：

11)基于车轮滑移率的动态，设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者之间的切换条件以及具体的切换机制；

12)根据步骤11)得到的滑移率估计采用轮速反馈的方法进行车速估计；

13)根据步骤12)得到的四个车轮的估计车速通过采用四轮车速融合机制得到车辆纵向车速估计值；

2)根据步骤1)得到的车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制：

21)首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据；

22)设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性；

23)分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的条件积分控制器，以及控制算法的介入退出标志位。

实施例：

本实施例中，根据上述方法实现的防滑控制流程如图5所示，具体为：

步骤一、构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速，本实施例中，基于车轮滑移率的动态，设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者之间的切换条件以及具体的切换机制。车轮处于纵向滑移率较小的范围内时，滑移率估计方法采用基于轮胎模型的动力学估计法。车轮处于纵向滑移率较大的范围内时，滑移率估计方法采用运动学估计法。并设计以轮加速度为主要判据，辅助以轮速门限值判断的切换机制，如图2所示。

根据得到的滑移率估计采用轮速反馈的方法进行车速估计，得到车速最终估计方程为：

其中，为车速v的估计值，为车辆纵向加速度a的测量值，L为轮速反馈增益，ω为车轮角速度，为滑移率λ的估计值。所述的滑移率的计算式为：

其中，r为车轮滚动半径。

当四个车轮均采用运动学估计方法时，采用四个估计车速的均值作为整车纵向车速的估计值。当车轮应用动力学估计器时，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。具体四轮车速融合机制为：

其中，g_ij,miu_ij,s_ij,flag_ij,v_ij(ij＝fl,fr,rl,rr)分别为对应车轮(左前fl、右前fr、左后rl、右后rr)的权重系数、轮胎-路面峰值附着系数、防抱死控制介入标志位、估计速度，v_est为估计车速。

步骤二、根据步骤一得到的车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制。首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据。当滑移率处于稳态时，车轮角加速度和滑移率之间有一一对应关系。为方便表述，定义新的表征车辆加速度的变量为：

可得到：

式中，的横线表征恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度，μ(λ)为Burckhardt轮胎模型计算的单位垂向载荷下的轮胎纵向力。

本发明还设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性。在被控变量中加入轮加速度的部分，从而得到被控变量表达式：

ε＝αλ+(1-α)η0≤α≤1

可以观察得到，当α＝1时，被控变量即为车轮滑移率，当α＝0时，被控变量即为当量轮加速度。当0＜α＜1时，被控变量为二者的线性组合。

所定义的被控变量ε，如图3所示，在λ-η相图中表示为一条斜率为的直线。其与曲线相交的点，横坐标对应于最优滑移率时，此时的ε即为最优的ε_ref。

并分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的条件积分控制器，以及控制算法的介入退出标志位。对于控制算法，设计带前馈的条件积分控制器：

其中，e＝ε-ε_ref作为被控误差，T_m为控制器输出的电机需求转矩，为电机力矩上限值，k₀为积分比例系数，θ为设计的边界层的厚度，sat(·)为饱和函数。

为了避免控制器力矩影响驾驶员的需求力矩，设计了控制算法介入机制如图4所示。当算法介入时，控制器接管电机力矩输出；当算法退出时，驾驶员接管电机力矩输出。判断滑移率控制算法的标准有两个，一个是车轮角加速度值是否超过车辆纵向加速度过多，另一个是驾驶员需求力矩与控制器输出力矩之比。车轮角加速度标志位和力矩标志位的取值如图4流程图所示。

图4中Δ、k_up、k_low是标定参数。

同时考虑这两个标志位以决定最终控制器输出标志位：

if flag_ω＝0and flag_T＝0,flag＝0

if flag_ω＝0and flag_T＝1,flag(n)＝flag(n-1)

if flag_ω＝1and flag_T＝0,flag＝0

if flag_ω＝1and flag_T＝1,flag＝1

当标志位为1时，电机力矩执行指令由滑移率控制器计算结果给出；标志位为0时，电机力矩执行指令由控制上层给出。

Claims (9)

1.一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合方法获取估计车速；

2)根据估计车速获取滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的防滑控制。

2.根据权利要求1所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)基于车轮滑移率的动态，构建动力学与运动学一体化的滑移率估计器进行滑移率的估计，并设定动力学与运动学估计的切换条件及切换机制；

12)根据滑移率的估计值采用轮速反馈方法进行车速估计，分别获得四个车轮的估计车速；

13)根据四个车轮的估计车速通过采用四轮车速融合方法得到整车纵向车速估计值。

3.根据权利要求2所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤11)中，当车轮纵向滑移率与纵向力呈线性关系时，采用基于轮胎模型的动力学估计法进行滑移率估计，当车轮纵向滑移率增大且纵向滑移率与纵向力呈非线性关系时，采用运动学估计法进行滑移率估计，并设计以轮加速度为主要判据，辅助以轮速门限值判断的切换方式。

4.根据权利要求3所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的切换方式具体为：

31)当轮速在快速上升时，进入切换的预备状态，此刻记录速度的估计值，并对其进行加速度的直接积分，得到基于纵向加速度的预备车速估计值，并且此时轮速标志位置为1，表示车轮可能处于打滑状态；

32)当在轮速标志位置1时，若车轮角加速度的计算值超过门限值，则确定车轮进入打滑状态，此时采用加速度积分的车速和当前轮速计算当前滑移率，替换估计器中的估计值，并继续保持纵向加速度的车速估计，经过一段时间t₁后，估计算法切换至运动学估计器；

33)在进入到运动学估计器后，估计器保持一段时间Δt后，此时滑移率控制器已经将滑移率拉回至小滑移率区，运动学估计器退出，返回动力学估计法。

5.根据权利要求2所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤12)中，估计车速的表达式为：

其中，为车速v的估计值，为车辆纵向加速度a的测量值，L为轮速反馈增益，ω为车轮角速度，为滑移率λ的估计值，r为车轮滚动半径。

6.根据权利要求5所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤13)中，当四个车轮均采用运动学估计法时，将四个车轮的估计车速的平均值作为整车纵向车速估计值，当四个车轮采用动力学估计法时，采用加权平均的方式获取整车纵向车速估计值，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。

7.根据权利要求5所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)获取在稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系；

22)将目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合作为被控变量ε；

23)设计带前馈的条件积分控制器以及控制方法的介入退出标志位后进行防滑控制。

8.根据权利要求7所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤22)中，被控变量ε具体为：

ε＝αλ+(1-α)η0≤α≤1

其中，为恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度，μ(λ)为Burckhardt轮胎模型计算的单位垂向载荷下的轮胎纵向力，η为定义新的表征车辆加速度的变量，为车轮角加速度，g为重力加速度常数，当α＝1时，被控变量为车轮滑移率，当α＝0时，被控变量为当量轮加速度，当0＜α＜1时，被控变量为二者的线性组合，并且以λ-η相图中被控变量ε的直线与曲线相交的点对应的值作为被控变量的最优值ε_ref。

9.根据权利要求8所述的一种轮速与轮加速度联合的分布式驱动电动汽车防滑控制方法，其特征在于，所述的步骤23)中，带前馈的条件积分控制器的表达式为：

其中，e＝ε-ε_ref为被控误差，T_m为控制器输出的电机需求转矩，为电机力矩上限值，k₀为积分比例系数，θ为边界层的厚度，sat(·)为饱和函数，ρ、为无物理意义的中间变量。