CN111002985B - 一种电动汽车驻坡系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动汽车驻坡系统的控制方法。由电机控制器(MCU)发出控制指令，电机控制器至少包含两种工作模式：扭矩模式和驻坡模式，两种工作之间能够实现模式切换；在模式切换时，当前模式的初始扭矩将继承前一模式的最后一次输出转矩；在切换到驻坡模式时，利用实时获取的电机转速，计算目标转速与当前时刻的电机转速之间的转速差值及转速加速度，通过驻坡PI参数自适应算法得到驻坡转矩，驻坡过程中，实现驻坡时间控制、驻坡次数控制、驻坡模式与其他模式的平顺切换。使车辆在驻坡模式下运行更加安全，稳定性更好，对整车在不同负载、坡度情况下具有更强的适应力，获得的驻坡扭矩更精准，动态响应力强，溜坡距离更短。
Description
技术领域
本发明属于电动车控制技术，具体涉及一种电动汽车驻坡系统的控制方法。
背景技术
纯电动汽车的电机驱动系统没有锁止机构，车辆在坡道上驻车或者起步时，对驾驶员的操作要求高，车辆容易发生溜坡，安全性差。而在不同坡度不同载重工况下，整车驻坡需要的转矩不同，整车因成本控制大多纯电动车型未安装倾角传感器，故对电机控制系统(MCU)的驻坡控制算法要求更高，简单的速度闭环算法无法满足车辆复杂驻坡工况的需求。目前公开的方法中，大多数通过VCU实现驻坡策略，此过程中存在信号延时问题，驻坡效果差，驻坡时间长，存在抖动风险，而已知的MCU驻坡策略中对整车各种驻坡工况考虑不完善，存在误触发抖动的风险，且对持续堵转时长及堵转电流大小未做保护。
CN108189841A公开了一种车辆智能驻坡的方法及装置，该方法包括：获取车辆运行状态信息，其中，车辆运行状态信息至少包括：车辆的反向速度信息、车辆的油门状态信息以及车辆的档位信息；在车辆运行状态信息满足预设条件的情况下，控制车辆执行驻坡模式；本领域技术人员熟知此类驻坡策略过于简单，驻坡时电机持续堵转时间长，有降低电机使用寿命的风险，对不同负载不同坡度时的驻坡效果不同，稳定性不好。
CN104842821B公开了一种电动汽车驻坡方法和装置，该方法包括：锁存整车控制器最近一次采集到的不为零的扭矩命令值；在所述整车控制器未采集到油门信号且未采集到刹车信号的情况下，判断车辆是否发生溜坡现象，若车辆发生溜坡现象，将预先锁存的扭矩命令值乘以一定系数后赋值给转速闭环积分量，作为所述转速闭环积分量的初始值，并以此启动转速闭环控制，使能驻坡功能，实现快速驻坡。该驻坡方法不适用所有驻坡工况，不能保证每次锁存的力矩大小合适，存在不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车驻坡系统的控制方法，通过MCU控制策略的优化来实现更科学智能的车辆防溜坡控制。
本发明的技术方案为：一种电动汽车驻坡系统的控制方法，由电机控制器(MCU)发出控制指令，电机控制器至少包含两种工作模式：扭矩模式和驻坡模式，两种工作之间能够实现模式切换；在模式切换时，当前模式的初始扭矩将继承前一模式的最后一次输出转矩；在切换到驻坡模式时，利用实时获取的电机转速，计算目标转速与当前时刻的电机转速之间的转速差值及转速加速度，通过驻坡PI参数自适应算法得到驻坡转矩，驻坡过程中，实现驻坡时间控制、驻坡次数控制、驻坡模式与其他模式的平顺切换。使车辆在驻坡模式下运行更加安全，稳定性更好，对整车在不同负载、坡度情况下具有更强的适应力，获得的驻坡扭矩更精准，动态响应力强，溜坡距离更短。
所述主动驻坡控制策略包含：
实时采集整车手刹信号、脚刹信号、油门踏板信号、档位信号和电机转速信号，在D/R档、且无油门信号、无脚刹信号、无手刹信号、无严重故障的情况下出现后溜转速达到设定值时，则MCU进入驻坡模式；在模式切换时，当前模式的初始扭矩将继承前一模式的最后一次输出转矩，实现模式切换时的扭矩输出变化平稳，保证车辆动力的平顺性。
进一步的优选技术方案为：通过优化的驻坡PI参数自适应算法，经驻坡模式的PI控制器计算产生输出目标驻坡转矩；
进一步的优选技术方案为：当电机输出驻坡转矩实施驻坡控制达到设定时间后退出驻坡模式，进入扭矩模式，并记录已连续驻坡的次数。
上述特征将每次的驻坡时间设在定值之内，控制减少驱动电机持续堵转时间，记录连续驻坡的次数有利于将车辆在坡道上驻坡以设定时间为标准，进行间隔驻坡扭矩控制，通过切换工作模式引起的车辆轻微后溜可提醒驾驶员在车辆驻稳后使用手刹等机械驻车方式驻车。
进一步的优选技术方案为：连续驻坡次数标记≥设定值后，强制进入扭矩模式，暂时禁止进入驻坡模式。
当车辆出现连续驻坡次数过多，长时间大电流堵转会导致损害电机和电机控制器的风险急剧上升，因此电机堵转一定时间后需禁止进入驻坡模式，让驾驶员通过手刹等机械制动方式驻车，有利于保护电机。
该策略通过驻坡过程中降低堵转时间和堵转电流，降低损害电机电控的风险，使电机电控温升上升更慢，工作模式切换的同时并提醒司机在车辆驻稳后使用手刹等机械驻车方式驻车，能有效提高驱动电机系统的可持续输出驻坡转矩的时间。
进一步的优选技术方案为：在实施驻坡时间内，出现油门给定力矩>设定值、或者有手刹信号、或者空挡信号、或者MCU出现严重故障时，立即退出驻坡模式，由电机控制器根据当前工作状态切换到相应工作模式。
进一步的优选技术方案为：在实施驻坡时间内，当转速调零且有脚刹信号且同时保持超过设定时间，将电机输出的驻坡平衡扭矩以固定步长减小，使车辆在驻坡状态下，电机输出驻坡转矩减小的同时增加刹车制动力矩；若此过程中产生后溜趋势，后溜转速达到预设值，重新利用PI参数自适应算法得到较优的电机驻坡平衡转矩，使车辆轮上作用力矩在动态调整的同时不会后溜。
所述驻坡PI参数自适应算法是：
获取当前电机转速，确定目标转速与当前电机转速之间的转速差值及转速加速度；
根据当前转速差值，插值计算PI调节器的初始参数Kp0和Ki0；
根据转速差和转速加速度来计算修正参数△Kp和△Ki，
确定驻坡模式PI调节器的目标参数：
确定电机输出驻坡扭矩：
其中e(t)为PI控制器输入的偏差值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，
u(t)为PI控制器的输出量，即为当前时刻的驻坡目标转矩。
本发明具有优异的MCU主动驻坡控制策略及驻坡PI参数自适应算法，自适应能力好，转矩动态响应能力强，转速超调量少、收敛快，车辆稳定性好，能够满足车辆在不同工况下的驻坡要求，适用于控制精度高、负载非线性的电动汽车驻坡控制系统；能有效减少电机堵转时长及降低持续堵转电流，从而降低电机和电控损坏风险。
本发明所述方法驻坡PI参数自适应算法，在驻坡控制过程中的目标电机转速和电机实时转速偏差较大时，能快速追踪，减少偏差；在偏差较小时，能够消除静态差值，使系统快速稳定；具备良好的动态、稳态性能，且抗扰动能力强。
附图说明
图1主动驻坡控制策略流程图。
图2驻坡控制算法中踩刹车时优化驻坡转矩过程。
图3驻坡PI参数自适应算法原理框图。
图4驻坡系统的转速响应曲线
具体实施方式
下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
对于本发明权利要求书中涉及的各设定值，如设定时间，次数标记设定值，扭矩设定值等根据不同车型要求进行设定，即车型调校要设定。依下仅以举例说明。
电动车辆行驶过程中，当需要车辆起步加减速运行时，电机控制器处于常规电流闭环控制方式使电机输出扭矩，简称扭矩模式。当出现需要驻坡运行防止车辆溜坡的状态时，电机转速需快速调零，电机控制器处于双闭环调速控制方式使电机输出驻坡扭矩，简称驻坡模式。
其中驻坡模式主要基于双闭环调速控制原理，双闭环是指速度环PI调节和电流环PI调节器组成的双闭环控制系统；速度环通过采集到的当前电机转速和目标转速比较，计算二者的转速差值作为速度环PI调节器的输入量，速度环PI调节器的输出量即为驻坡转矩的目标值；电流环通过采集电机反馈的电流值与驻坡目标转矩的电流值比较，作为电流环PI调节器的输出，得到实际的电流控制信号，使电机的输出转矩。
本发明权利要求中驻坡PI参数自适应算法即为驻坡模式中速度环PI调节器的PI参数自适应的计算方法，该方法计算简单，易于实现，具有较强的适应性和鲁棒性，提升系统的动态性能。
其中PI控制器均为常规的抗积分饱和PI调节器。比例系数Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。积分系数Ki的作用是消除系统的稳态误差。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
1、如图1所示，所述主动驻坡控制策略包括以下步骤：
1.1实时获取采集整车手刹信号、脚刹信号、油门踏板信号、档位信号，对当前车辆行驶状态信息自主进行驻坡逻辑策略判断；即电机控制器MCU根据当前整车信息控制系统指令运行驱动电机，同时MCU通过CAN总线向整车控制器VCU实时反馈驱动电机系统的运行状态；MCU通过其检测到的当前车辆行驶状态信息自主进行驻坡逻辑策略判断；当车辆在正常行驶时，MCU处于扭矩模式，驻坡标志为0，MCU实时响应VCU指令；
1.2在D/R档时产生对应后溜转速(设定值10rpm)，且无油门信号、无手刹信号、无严重故障，则MCU进入驻坡模式，驻坡标志为1；否则MCU继续执行步骤1.1；
1.3MCU进入驻坡模式时，驻坡计时器从0开始累加，且MCU在转矩模式的最后一次输出转矩赋值为驻坡模式转矩的初始值，同时利用获取的当前电机转速，确定目标转速与当前电机转速之间的转速差值及转速加速度通过PI控制器的PI参数自适应算法得到电机输出驻坡转矩。
在进行驻坡扭矩持续输出过程中，为了减少电机持续堵转对电机的损害，本实施例采用如下的控制方法策略：
1.3.1电机输出驻坡转矩实施驻坡达到设定时间后退出驻坡模式，并作出连续驻坡次数标记。具体的当驾驶员无任何操作时，驻坡计时器累加时间达到5秒，连续驻坡次数标记加1，驻坡计时器清0，驻坡标志清0，退出驻坡，MCU进入扭矩模式，MCU重新由步骤1.1开始检测执行。在模式切换时，当前模式的初始扭矩将继承前一模式的最后一次输出转矩，此方式在模式快速切换过程中扭矩输出变化平稳，保证车辆动力平顺性，车辆不会产生明显抖动或后溜现象。
1.3.2连续驻坡次数标记≥次数标记设定值后，强制进入扭矩模式，暂时禁止进入驻坡模式。如连续驻坡次数标记≥3次，驻坡标志为2，强制MCU扭矩模式，暂时禁止进入驻坡模式，车辆产生后溜，只有当驾驶员踩刹车或油门使车辆静止后，连续驻坡次数标记清0，才允许再次驻坡，MCU重新由步骤1.1开始检测执行；
本实施例中采用短时间，间隔持续驻车控制策略，电机驻坡扭矩的输出是短时间的，间隔的，一方面保证坡上驻车目标的快速实现，提醒司机使用手刹等机械制动驻车，更重要的采用该方法，大大降低由于电机长时间堵转运行，电机电控温度快速上升造成的危害；避免造成电机电控不可逆的损坏。
1.4在实施驻坡时间内，即当每次驻坡计时5秒内，出现油门给定力矩>扭矩设定值(这里扭矩设定值的设定方式为当前驻坡力矩+10Nm)、或者有手刹信号、或者空挡信号、或者MCU严重故障时，立即退出驻坡模式，并切换到相应模式，将连续驻坡次数标记清0，MCU执行步骤1.1；
1.5如图2所示，在实施驻坡时间内，即当每次驻坡计时5秒内，当转速调零且有脚刹信号且同时保持超过设定时间，电机输出扭矩以固定步长减小。具体的当转速调零且有刹车信号同时保持100ms以上，将MCU控制电机的驻坡转矩以固定步长减小，如转速产生后溜趋势，即后溜转速达到预设值5rpm，则MCU根据驻坡PI参数自适应算法开始在当前驻坡转矩基础上重新调节下一时刻的驻坡转矩，如驻坡转矩为0，则退出驻坡模式，MCU执行步骤1.1。它解决的技术问题是：当车辆停稳时，驾驶员踩住刹车时可以实现快速降扭，降低电机堵转电流及次数，提高车辆电池续航及安全性能。
2、对于上述1.3过程中，PI参数自适应算法是基于常规的抗积分饱和PI调节器，通过设计一种新的PI参数的自适应计算方法，使PI调节器具有更好的鲁棒性，输出具有更强的适应性；所述PI参数自适应算法的具体方法如图3所示：
2.1实时获取当前电机转速，即MCU通过传感器采集驱动电机转子位置信号得到当前电机转速；驻坡模式的目标转速为0转速，即PI调节器的目标量为0。计算目标转速与当前电机转速之间的转速差值及转速加速度；通过获取的当前电机转速作为PI调节器的反馈量，通过实时计算的转速差值和转速加速度确定PI调节器的目标参数Kp和Ki；
2.1.1设定PI的初始参数Kp0和Ki0的取值范围，具体的可以通过设定转速差的绝对值为0时，PI初始参数Kp0和Ki0的最小值(1和0.01)，转速差的绝对值为100时，PI初始参数Kp0和Ki0的最大值(20和0.2)；然后根据实时的转速差，利用线性插值法计算动态的PI初始参数Kp0和Ki0；当差值越大，系统需快速跟踪目标值，需增大Kp0和Ki0，当差值越小，系统需防止超调，需减小Kp0和Ki0，即由于实时监测转速得到的转速差值是变化的，因此，Kp0和Ki0可根据转速差值正向变化。Kp0和Ki0的取值范围，根据不同车型设定不同。
2.1.2如图4所示：通过分析驻坡系统的转速响应曲线，分析不同时刻的目标转速与当前转速的转速差err和转速加速度acc，来确定修正参数△Kp和△Ki；具体的：
其中a为修正系数，Kp0和Ki0是由步骤2.2根据实时转速差计算确定的初始参数，a的取值规则由下述方法确定：
ab段：转速差err>0，转速加速度acc<0，转速差与转速加速度异号，系统远离目标值，需要取较大的Kp和Ki，使系统响应向目标值迅速逼近，则设定a＝0.1；
bc段：转速差err>0，转速加速度acc>0，转速差与转速加速度同号，系统趋近目标值，为抑制超调需减小Kp和Ki，则设定a＝-0.1；
cd段：转速差err<0，转速加速度acc>0，转速差与转速加速度异号，系统已发生超调，应取较大的Kp和Ki将转速拉回目标值，则设定a＝0.1；
de段：转速差err<0，转速加速度acc<0，转速差与转速加速度同号，系统趋近目标值，为减少向下的超调量，应减小Kp和Ki，则设定a＝-0.1；
具体的修正系数a的取值大小依据不同车型调整。
2.1.3通过以下公式计算得到驻坡模式PI调节器的目标参数Kp和Ki：
根据上述步骤，得到PI调节器的目标参数Kp和Ki是动态变化的，即为PI参数的自适应过程，此方法的PI参数自整定过程计算简单，易于实现，参数调试工作量小，对非线性的驻坡控制系统具有较强的鲁棒性。
2.2确定目标驻坡扭矩，驻坡模式中速度环PI调节器的输出量即为驻坡转矩的目标值；
所述PI调节器其计算公式为：
其中u(t)为PI调节器的输出量，e(t)为PI调节器输入的偏差值(目标转速与实际转速的差值)，Kp为比例系数，Ki为积分系数。
Claims (4)
1.一种电动汽车驻坡系统的控制方法，其特征是：由电机控制器(MCU)发出控制指令，电机控制器至少包含两种工作模式：扭矩模式和驻坡模式，两种工作之间能够实现模式切换；在模式切换时，当前模式的初始扭矩将继承前一模式的最后一次输出转矩；在切换到驻坡模式时，利用实时获取的电机转速，计算目标转速与当前时刻的电机转速之间的转速差值及转速加速度，通过驻坡PI参数自适应算法得到驻坡转矩，驻坡过程中，实现驻坡时间控制、驻坡次数控制、驻坡模式与其他模式的平顺切换；
所述驻坡时间控制是当电机输出驻坡转矩实施驻坡控制达到设定时间后退出驻坡模式，进入扭矩模式，电机控制器重新开始检测执行，并记录已连续驻坡的次数；所述驻坡次数控制是当连续驻坡次数标记≥次数标记设定值后，强制进入扭矩模式，暂时禁止进入驻坡模式。
2.如权利要求1所述电动汽车驻坡系统的控制方法，其特征是：在实施驻坡时间内，出现油门给定力矩>设定值、或者有手刹信号、或者空挡信号、或者电机控制器(MCU)出现严重故障时，立即退出驻坡模式，由电机控制器根据当前工作状态切换到相应工作模式。
3.如权利要求1所述电动汽车驻坡系统的控制方法，其特征是：在实施驻坡时间内，当转速调零且有脚刹信号且同时保持超过设定时间，将电机输出的驻坡转矩以固定步长减小，使车辆在驻坡状态下，电机输出驻坡转矩减小的同时增加刹车制动力矩；若此过程中产生后溜趋势，后溜转速达到预设值，重新利用PI参数自适应算法得到较优的电机驻坡转矩。
4.如权利要求1或3所述电动汽车驻坡系统的控制方法，其特征是：
所述驻坡PI参数自适应算法的具体过程是：
获取当前电机转速，确定目标转速与当前电机转速之间的转速差值及转速加速度；
根据当前转速差值，插值计算PI调节器的初始参数Kp0和Ki0；
根据转速差和转速加速度来计算修正参数△Kp和△Ki，
确定驻坡模式PI调节器的目标参数：
确定电机输出驻坡扭矩：
其中e(t)为PI调节器输入的偏差值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，
u(t)为PI控制器的输出量，即为当前时刻的驻坡转矩。
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