CN110606088B - 一种电动轮驱动防滑控制策略 - Google Patents

一种电动轮驱动防滑控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动轮驱动防滑控制策略，其基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息，首先获得电机转矩、转速和估算的实际滑转率，然后分别计算电机转矩、利用附着系数和实际滑转率的导数，将这三个数值的绝对值分别与阈值比较来判断电动轮的状态。一旦判定电动轮进入滑转状态，则限制该电动轮的最大驱动转矩，并引入一个PI控制器对最大驱动转矩进行修正；若判定电动轮重新处于良好附着状态，则停止对其驱动转矩的干预。本发明充分利用电动轮转矩和转速可以精确测量的优势，参考μ‑λ特征曲线，通过电动轮转矩和转速之间的关系来实时的判断车轮的滑转状态，降低对估计滑转率的精度要求，直接根据电机的状态信息设计转矩控制方法，完成驱动防滑控制。

Description

一种电动轮驱动防滑控制策略
技术领域
本发明涉及电动车驱动防滑技术领域，尤其涉及一种控制策略，基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息。
背景技术
轮毂电机自面世以来以其优越性一直都是研究热点，轮毂电机分布式驱动形式的优势在于：底盘机械机构大大简化，省去传统驱动系统中的变速器、差速器、减速器、半轴和万向节等传动部件，节省了空间，提高了传动效率；各个车轮的驱动转矩可以独立控制，为车辆的动力学控制提供了更大的自由度，也使差动转向成为可能。
由驱动防滑相关研究现状可以发现，现有驱动防滑控制首先需要识别当前路面条件下的最佳滑转率位置，再通过反馈控制在目标转矩过大时调整目标驱动转矩，使车轮的实际滑转率维持在最佳滑转率位置。现有驱动防滑控制过程都会涉及到车轮实际滑转率的求取问题。虽然滑转率求取公式并不复杂，但是会用到实时车速，而滑转率的控制精度要求较高，这就要求各个方向的实时车速识别精度较高，在目前的车速估计精度下，车轮滑转率控制往往存在一定误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息的驱动防滑控制策略，其包含以下步骤：
所述控制策略基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息，其特征在于：
计算各车轮的电动轮驱动转矩的导数、利用附着系数的导数和估算的实际滑转率的导数；
步骤a，判断利用附着系数导数的绝对值是否小于第一阈值，来判断利用附着系数是否到极值；若是，则不干预电动轮驱动转矩，若否执行步骤b；
步骤b，判断电动轮驱动转矩的导数绝对值是否大于第二阈值，来判断利用附着系数μu是否达到该路面条件下的最大值μmax，或轮胎受到的地面驱动纵向力Fxwij是否饱和；
当判定电动轮驱动转矩的导数绝对值大于等于第二阈值，限制最大电动轮驱动转矩为采用上一个采样点时刻的驱动转矩，并记此时的估算滑转率设置为预设的参考滑转率值，继续执行步骤c；
步骤c，判断实际滑转率的导数是否小于第三阈值；
若实际滑转率的导数小于第三阈值，保持此时最大电动轮驱动转矩不变；
若实际滑转率的导数大于等于第三阈值，继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
优选地，若实际滑转率的导数小于等于第三阈值，说明此时的电动轮驱动转矩可以维持车轮良好的附着状态，保持此时最大电动轮驱动转矩不变；
若实际滑转率的导数大于第三阈值，说明滑转率的数值有增大的趋势，此时的电动轮驱动转矩仍然过大，继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
优选地，步骤a，判断利用附着系数导数的绝对值是否小于第一阈值，若是，说明利用附着系数未达到极值，电动轮未进入滑转状态，此时不干预电动轮驱动转矩，若否，说明利用附着系数保持不变。
优选地，所述步骤b中，当电动轮驱动转矩的导数小于等于第二阈值，进一步判断电动轮是处于附着区域还是处于滑转区域；若电动轮处于附着区域，则不干预电动轮驱动转矩，若电动轮处于滑转区域，此时以理想滑转率取特定值为目标，对电动轮驱动转矩进行修正。
优选地，通过PI控制对电动轮驱动转矩进行修正。
优选地，判断电动轮是处于附着区域还是处于滑转区域，是通过根据纵向附着特性μ-λ曲线，判断估算滑转率是否大于理想滑转率实现，估算滑转率不大于理想滑转率则处于附着区域，估算滑转率大于理想滑转率则处于滑转区域。
优选地，步骤c中，以预设的参考滑转率为控制目标通过PI控制继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
优选地，第一阈值为0.01，第二阈值取值为10，第三阈值取值为0.002。
优选地，所述估算所述实际滑转率基于车轮转动角速度和轮心纵向速度。
优选地，估算所述实际滑转率λij的计算公式为：
Figure GDA0002536627430000021
式中，ωwij为车轮转动角速度；
i表示车轮所在的轴数，j＝1代表左轮，j＝2代表右轮
R为车轮滚动半径；
Figure GDA0002536627430000023
为轮心沿车轮坐标系xw方向的速度,
Figure GDA0002536627430000024
式中，vxij轮心纵向速度；
vyij轮心侧向速度；
δij为车轮的转向角。
公式(2)中的单个车轮轮心纵向速度vxij与侧向速度vyij依据公式(3)和(4)求取：
Figure GDA0002536627430000022
vyij＝vy+Li·ωz (4)
式中，vx为车辆纵向车速；
vy为车辆横向车速；
Lt为轮距；
Li为第i轴距车辆质心的距离；
当第i轴位于质心前方时Li取正值，当第i轴位于质心后方时Li取负值。
由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：
本发明能根据利用附着系数μu的时域变化特征，结合电动轮驱动转矩和转速变化信息来判断车轮滑转状态，并调整电动轮驱动转矩的驱动防滑控制策略，以降低驱动防滑控制对所需车速估计精度的要求。
附图说明
图1为本发明所述基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息的驱动防滑控制策略流程图。
图2为本发明所述轮心速度分析图。
图3为本发明所述纵向附着特性μ-λ曲线。
具体实施方式
为了避免下文多个符号下角标中出现的ij漏定义，特在此说明，其中i表示车轮所在的轴数，j＝1代表左轮，j＝2代表右轮。
为了更了解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明所述基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息的驱动防滑控制策略流程图，具体步骤如下：
首先获取电机转矩Tij、转速wij并估算实际滑转率λij；
如图2所示的考虑转向工况的轮心速度分析图，估算实际滑转率基于车轮转动角速度和轮心纵向速度计算，实现后文结合电动轮驱动转矩和转速变化信息来判断车轮滑转状态。
实际滑转率λij计算公式为：
Figure GDA0002536627430000031
式中，ωwij为车轮转动角速度；
i表示车轮所在的轴数，j＝1代表左轮，j＝2代表右轮
R为车轮滚动半径；
vxij为轮心纵向速度；忽略较小的轮胎侧偏角的影响，由车轮中心处的轮心纵向速度vxij与轮心侧向速度vyij在xw方向上的投影速度之和计算公式(1)中的轮心沿坐标系xw方向的速度vxwij：
Figure GDA0002536627430000032
式中，vxij为轮心纵向速度；
vyij为轮心侧向速度；
δij为车轮的转向角。
考虑转向工况中整车的横摆角速度，公式(2)中的单个车轮轮心纵向速度vxij与轮心侧向速度vyij依据平面运动的速度合成定理求取：
Figure GDA0002536627430000041
vyij＝vy+Li·ωz (4)
式中，vx为车辆纵向车速；
vy为车辆横向车速；
Lt为轮距；
Li为第i轴距车辆质心的距离；
当第i轴位于质心前方时Li取正值，当第i轴位于质心后方时Li取负值。
然后分别计算各车轮的电动轮驱动转矩Tij的导数dTij/dt、利用附着系数的导数dμu/dt和实际滑转率的导数dλij/dt；
所述利用附着系数μu对时间t的导数为：
Figure GDA0002536627430000042
式中，Jw为车轮绕轮心轴的转动惯量；
αwij为车轮绕轮心轴的角加速度
Fzij为轮胎垂向力。
判断利用附着系数导数的绝对值|dμu/dt|是否小于第一阈值εμu，实现判断利用附着系数是否到极值；阈值是为了防止数据测量偏差而设定的一个小的正值，优选的，本发明设定|dμu/dt|对应的第一阈值εμu为0.01。
当|dμu/dt|大于等于第一阈值εμu，说明利用附着系数未达到极值，电动轮未进入滑转状态，此时不干预电动轮驱动转矩。
当|dμu/dt|小于第一阈值εμu，则可知dμu/dt＝0，即μu保持不变，可知此时有两种情况：
(1)利用附着系数μu<μmax，即车轮处于良好附着状态，此时μu保持不变只能是因为电动轮驱动转矩Tij保持不变，即
Figure GDA0002536627430000043
因为在良好附着状态下，若Tij随时间变化，
Figure GDA0002536627430000044
则被动产生的纵向驱动力Fxwij也随时间变化，那么
Figure GDA0002536627430000045
由式(5)得到dμu/dt≠0。因此在良好附着状态下，
Figure GDA0002536627430000046
两者互为充要条件；
(2)利用附着系数μu＝μmax，即车轮处于临界附着状态，由于是首次检测到dμu/dt＝0，此时μu保持不变是因为利用附着系数达到最大值，即使驱动转矩对时间的导数
Figure GDA0002536627430000047
地面施加给轮胎的纵向驱动力Fxwij也不会随时间变化此时dμu/dt＝0的实际物理意义是：利用附着系数μu已经达到该路面条件下的最大值μmax，轮胎受到的地面纵向驱动摩擦力Fxwij已经饱和不变，电动轮驱动转矩的变化全部用于改变该车轮的角加速度大小(即
Figure GDA0002536627430000048
)。
因此，进一步判断电机转矩导数的绝对值|dTij/dt|是否大于第二阈值εT，来判断附着系数μu是否达到该路面条件下的最大值μmax，轮胎受到的地面驱动纵向力Fxwij是否饱和。优选的，根据求导对象的数量级，|dTij/dt|对应的第二阈值εT取值为10。
当判定结果为|dTij/dt|小于等于第二阈值εT，说明|dTij/dt|趋近于0，说明利用附着系数μu未达到该路面条件下的最大值μmax，轮胎受到的地面驱动纵向力Fxwij未饱和，根据图3所示的纵向附着特性μ-λ曲线，进一步判断电动轮是处于附着区域还是处于滑转区域。
进一步的，判断电动轮是处于附着区域还是处于滑转区域通过判断估算的所述实际滑转率是否大于理想滑转率实现，优选的，取理想滑转率值为0.2，若判断结果为“否”，说明电动轮处于附着区域，则不干预电动轮驱动转矩，若判断结果为“是”，说明车轮已处于滑转区域，此时以理想滑转率取值0.2为目标通过一个PI控制器对电动轮驱动转矩进行修正。
当判定|dTij/dt|大于第二阈值εT，此时dμu/dt＝0，
Figure GDA0002536627430000051
利用附着系数μu已经达到该路面条件下的最大值μmax，轮胎受到的地面驱动纵向力Fxwij已经饱和不变，车轮处于临界附着状态，此时限制最大电动轮驱动转矩为采用上一个采样点时刻的驱动转矩，并记此时的估算的实际滑转率为预设的参考滑转率，若估算的实际滑转率>0.2时，取参考滑转率为0.2；所述参考滑转率为本领域技术人员根据车辆和路面情况设置。
然后进一步判断，估算的实际滑转率的导数dλij/dt是否小于等于第三阈值ελ，优选的，第三阈值ελ取值为0.002，若dλij/dt小于等于第三阈值ελ，说明此时的电动轮驱动转矩可以维持车轮良好的附着状态，保持此时最大电动轮驱动转矩不变；若dλij/dt大于第三阈值ελ，说明滑转率的数值有增大的趋势，此时的电动轮驱动转矩仍然过大，此时以预设的参考滑转率为目标通过所述PI控制继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
本发明所述的基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息的驱动防滑控制策略能够根据利用附着系数μu的时域变化特征，结合电机转矩转速信息来判断车轮滑转状态，并调整电动轮驱动转矩的驱动防滑控制策略，同时可以降低驱动防滑控制对所需车速估计精度的要求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种电动轮驱动防滑控制策略，所述控制策略基于电动轮自身驱动转矩和转速变化信息，其特征在于：
计算各车轮的电动轮驱动转矩的导数、利用附着系数的导数和估算的实际滑转率的导数；
步骤a，判断利用附着系数导数的绝对值是否小于第一阈值，来判断利用附着系数是否到极值；若是，则不干预电动轮驱动转矩，若否执行步骤b；
步骤b，判断电动轮驱动转矩的导数绝对值是否大于第二阈值，来判断利用附着系数μu是否达到该路面条件下的最大值μmax，或轮胎受到的地面驱动纵向力Fxwij是否饱和；
当判定电动轮驱动转矩的导数绝对值大于等于第二阈值，限制最大电动轮驱动转矩为采用上一个采样点时刻的驱动转矩，并记此时的估算滑转率设置为预设的参考滑转率值，继续执行步骤c；
步骤c，判断实际滑转率的导数是否小于第三阈值；
若实际滑转率的导数小于第三阈值，保持此时最大电动轮驱动转矩不变；
若实际滑转率的导数大于等于第三阈值，继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
2.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：
若实际滑转率的导数小于等于第三阈值，说明此时的电动轮驱动转矩可以维持车轮良好的附着状态，保持此时最大电动轮驱动转矩不变；
若实际滑转率的导数大于第三阈值，说明滑转率的数值有增大的趋势，此时的电动轮驱动转矩仍然过大，继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
3.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：
步骤a，判断利用附着系数导数的绝对值是否小于第一阈值，若是，说明利用附着系数未达到极值，电动轮未进入滑转状态，此时不干预电动轮驱动转矩，若否，说明利用附着系数保持不变。
4.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述步骤b中，当电动轮驱动转矩的导数小于等于第二阈值，进一步判断电动轮是处于附着区域还是处于滑转区域；若电动轮处于附着区域，则不干预电动轮驱动转矩，若电动轮处于滑转区域，此时以理想滑转率取特定值为目标，对电动轮驱动转矩进行修正。
5.根据权利要求4所述的控制策略，其特征在于：通过PI控制对电动轮驱动转矩进行修正。
6.根据权利要求4所述的控制策略，其特征在于：判断电动轮是处于附着区域还是处于滑转区域，是通过根据纵向附着特性μ-λ曲线，判断估算滑转率是否大于理想滑转率实现，估算滑转率不大于理想滑转率则处于附着区域，估算滑转率大于理想滑转率则处于滑转区域。
7.根据权利要求1至6任一项所述的控制策略，其特征在于：步骤c中，以预设的参考滑转率为控制目标通过PI控制继续调整电动轮的最大电动轮驱动转矩。
8.根据权利要求1至6任一项所述的控制策略，其特征在于：
第一阈值为0.01，第二阈值取值为10，第三阈值取值为0.002。
9.根据权利要求1至6任一项所述的控制策略，其特征在于：
所述估算所述实际滑转率基于车轮转动角速度和轮心纵向速度。
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