CN111976504A - 一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器、控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器，其主要包括：期望驱动力矩制定模块、车辆行驶工况识别模块、期望横摆角速度计算模块、需求横摆力矩制定模块及扭矩分配模块。该四电机驱动汽车的扭矩分配方法利用油门踏板开度及当前车速作为模糊控制器的输入得到制定的驱动力矩，该模糊控制器在一定程度上可以反映驾驶员的真正意图，大大提高了车辆的起步性能和低速加速性能；直线行驶工况下，采用按照各轮载荷比例分配四个电机扭矩的分配策略，使得四个车轮同时达到附着极限能够最大程度利用地面的附着能力，以此提高车辆动力性，当车辆处于转向工况时，计算期望横摆角速度，并以车辆横摆角速度为控制变量设计滑模控制器计算期望横摆力矩，通过滑模控制器制定出的横摆力矩用于四轮扭矩重新分配，通过扩展卡尔曼滤波对车辆横摆角速度滤波后输出，使其更好地跟踪理想值保证车辆转向工况下的行驶稳定性。

Description

一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器、控制方法、设备及存 储介质

技术领域

本发明涉及电动汽车控制技术领域，特别涉及分布式驱动电动汽车四电机驱动汽车的扭 矩分配控制方法以及实现这种方法的控制器。

背景技术

分布式驱动电动汽车与集中式驱动电动汽车相比，在动力性方面，车辆能够最大程度的 利用地面附着性能，提高其加速和爬坡性能；在行驶稳定性方面，通过电机力矩的独立控制， 更容易实现对横摆力矩、纵向力矩的控制，从而提高整车的操纵稳定性及行驶安全性。分布 式驱动型式作为新兴的驱动系统，在动力学控制、整车结构设计、能量效率及其它性能方面 具有很大优势；直接横摆力矩控制作为汽车主动安全技术的一种，大大提高了车辆在制动和 转向工况下的操作稳定性。直接横摆力矩控制(DYC)已经成为汽车稳定性控制中最具发展前 景的控制方法。

分布式驱动可对每个驱动轮进行独立、精确的控制，使得其在动力性、稳定性和经济性 等方面拥有比传统集中式或两轮后驱更大的提升空间，而相应的四电机扭矩分配策略则是实 现使车辆具有高性能的关键。分布式驱动策略、横摆力矩的制定及分配方式已经成为本行业 的研究重点。通常采用踏板开度及踏板开度的变化率作为控制器输入得到期望驱动力矩，按 照预先设定的策略分配给四个车轮以此驱动车辆行驶；当汽车位于转向工况下时，利用直接 横摆力矩控制保证车辆的操作稳定性。双电机电子差速，通过实际质心侧偏角与理想质心侧 偏角的差值或实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值作为输入得到附加横摆力矩，使内外 侧车轮产生差速，并将附加横摆力矩补偿在双电机初始力矩上。

但利用油门踏板开度以及踏板开度变化率作为控制器输入得到制定的驱动力矩往往不能 真正的反映驾驶员的真正意图；车辆行驶过程中对地面的利用率不高，因而直线行驶时其动 力性能达不到最佳，当车辆处于转向工况时理想横摆角速度与实际横摆角速度偏差过大，容 易增大转向不足或转向过度趋势降低车辆的操作稳定性。传统四轮毂电机横摆力矩控制将质 心侧偏角和横摆角速度作为控制变量采用PID，滑模控制，将横摆力矩补偿到各电机的初始 扭矩上。因为双电机驱动直线工况下仅仅利用后轴载荷，分布式驱动车辆通常采用踏板开度 以及踏板开度的变化率作为模糊控制器的输入往往不能真正反映驾驶员的意图，驱动实时性 不好；转向工况下，传统PID控制效果较差，通过滑模控制器制定的横摆力矩通常具有剧烈 的抖振使得误差增大，当制定的横摆力矩平均分配给四个车轮时会受到车辆实时工况以及电 机外特性的影响使得控制效果大大折扣。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种能使四个车轮同时达到附着极 限能够最大程度利用地面的附着能力，提高车辆动力性、保证车辆转向工况下的行驶稳定性 的扭矩分配控制器以及实现扭矩分配的方法。

一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其包括如下步骤：

1)根据车辆加速踏板开度和当前车速作为模糊控制器的输入制定驱动力矩；

2)当车辆处于转向工况计算期望横摆角速度，并以车辆横摆角速度为控制变量设计滑模 控制器计算期望横摆力矩；

3)通过滑模控制器制定出的横摆力矩用于四轮扭矩重新分配，将车辆输出的横摆角速度 经扩展卡尔曼滤波后输出，使其更好的跟踪理想值；

4)根据车辆行驶工况是直线工况还是转向工况通过预先设定的算法对四个电机的扭矩进 行分配。

优选的，步骤2)中，采用如下算法计算期望横摆角速度，设理想横摆角速度γ_d

其中K为稳定性因数，u为当前车速，L为轴距，δ_f为前轮转角。

优选的，步骤2)中期望横摆力矩算法如下：将车辆横摆角速度作为控制目标，通过滑模 控制理论制定期望的横摆力矩，得到车辆运动的微分方程

其中u为当前车速，m为整车质量，k1、k2分别为前后轴侧偏刚度，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，δ_f为前轮转角，I_z为整车绕Z轴的转动惯量，M为期望横摆力矩。

通过滑模控制理论制定期望横摆力矩，令：

s＝ke

其中e为理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值，s为设计的滑模面。

优选的，在步骤3)中横摆角速度可通过扩展卡尔曼滤波后再进行输出。

优选的，在步骤4)中，如车况处于直线运动工况时，采用如下算法对四个电机的扭矩进

行分配：

T_R＝λT_t

T_F＝(1-λ)T_t

其中T_t为制定的总驱动力矩，T_F、T_R分别为前后轴驱动力矩，F_XF、F_XR分别为前后 轴驱动力，F_ZF、F_ZR分别为前后轴垂直载荷，λ为后轴扭矩分配系数，μ_f、μ_r为前后 轴的附着率，L为轴距，a为前轴到质心的距离，h_g为车辆质心高度，

为加速度。令前后 轴附着率相等得到后轴扭矩分配系数为：

当汽车直线行驶时，驱动扭矩分配模块将按照上述算法对电机采用直接转矩控制，得到 四电机扭矩为T_fl0、T_fr0、T_rl0、T_rr0。

优选的，在步骤4)中，如车况处于转向运动工况时，采用如下算法对四个电机的扭矩进 行分配：

其中r为汽车转向半径，φ为车身侧倾角，α为路面坡度角，ms_f、mus_f分别为前轴簧上、簧下质量；ms_r、mus_r分别为后轴簧上、簧下质量，N_f1 N_f2分别为前轴簧上和簧 下质量引起的左右轮胎载荷变动量，B为轮距；同理可得后轴载荷变动量N_r1和N_r2；

其中K1、K2为前后轴左右轮载荷的比值，k为方向系数，当车辆向右转向时，载荷向左侧转 移，因此K_i越大则该轴载荷变动量越大，为使得轮胎具有轮胎较大的附着裕度，因此以 f₁、f₂作为前、后轴轮胎驱动力的变化值，得到此工况下四电机扭矩：

T_fl＝T_fl0-f₁r

T_fr＝T_fr0+f₁r

T_rl＝T_rl0-f₂r

T_rr＝T_rr0+f₂r

其中T_fl0、T_fr0、T_rl0、T_rr0分别为前左、前右、后左、后右电机的初始扭矩。

本专利还公开了一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器，其包括：期望驱动力矩制定模 块，所述期望驱动力矩制定模块用于根据车辆加速踏板开度和当前车速作为模糊控制器的输 入制定驱动力矩；车辆行驶工况识别模块，所述车辆行驶工况识别模块用于根据车辆加速踏 板开度和当前车速作为模糊控制器的输入制定驱动力矩；期望横摆角速度计算模块，所述期 望横摆角速度计算模块用于在车辆处于转向工况计算期望横摆角速度；需求横摆力矩制定模 块，所述需求横摆力矩制定模块用于根据期望横摆角速度计算期望横摆力矩；扭矩分配模块， 所述扭矩分配模块用于根据车辆行驶工况是直线工况还是转向工况通过设定的算法对四个电 机的扭矩进行分配。

优选的，其还包括一扩展卡尔曼滤波模块，所述扩展卡尔曼滤波模块用于对横摆角速度 进行滤波处理。

本专利还公开了一种四电机驱动汽车的扭矩分配设备，包括存储器和处理器，所述存储 器中存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现上述方法步骤。

本专利还公开了一种存储介质，用于存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行 时实现上述方法步骤。

上述技术方案具有如下有益效果：该四电机驱动汽车的扭矩分配方法利用油门踏板开度 及当前车速作为模糊控制器的输入得到制定的驱动力矩，该模糊控制器在一定程度上可以反 映驾驶员的真正意图，大大提高了车辆的起步性能和低速加速性能；采用按照各轮载荷比例 分配四个电机扭矩的分配策略，使得四个车轮同时达到附着极限能够最大程度利用地面的附 着能力，以此提高车辆动力性；通过采集到的方向盘转角以及当前车速计算期望横摆角速度， 利用滑模控制理论制定期望的横摆力矩用于四轮扭矩重新分配，将车辆横摆角速度通过扩展 卡尔曼滤波后输出，达到追踪理想横摆角速度的目的，保证车辆转向工况下的行驶稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭 露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施， 且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完 整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性 可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节 从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发 明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、 步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各 方面变得模糊。

如图1所示，本专利公开了一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器，其主要包括：期望 驱动力矩制定模块、车辆行驶工况识别模块、期望横摆角速度计算模块、需求横摆力矩制定 模块及扭矩分配模块。其中期望驱动力矩制定模块用于根据车辆加速踏板开度和当前车速作 为模糊控制器的输入制定驱动力矩，车辆行驶工况识别模块用于根据车辆加速踏板开度和当 前车速作为模糊控制器的输入制定驱动力矩，期望横摆角速度计算模块用于在车辆处于转向 工况计算期望横摆角速度，需求横摆力矩制定模块用于根据期望横摆角速度计算期望横摆力 矩；扭矩分配模块用于根据车辆行驶工况是直线工况还是转向工况通过设定的算法对四个电 机的扭矩进行分配。

作为一种具体实施方式，上述四电机驱动汽车的扭矩分配控制器主要通过如下方法实现 扭矩分配：该控制器针对车辆直线行驶和转向工况，制定不同的扭矩分配策略以保证整车的 动力性和操作稳定性。

在进行控制时，首先通过期望驱动力矩制定模块用于根据车辆加速踏板开度和当前车速 作为模糊控制器的输入制定驱动力矩，然后通过车辆行驶工况识别模块来识别目前车辆的运 行工况，如目前车辆是直线行驶，则可直接采用如下算法对车辆四个电机的扭矩进行分配， 计算时忽略轮胎滚动阻力的影响：

T_R＝λT_t

T_F＝(1-λ)T_t

其中T_t为制定的总驱动力矩，T_F、T_R分别为前后轴驱动力矩，F_XF、F_XR分别为 前后轴驱动力，F_ZF、F_ZR分别为前后轴垂直载荷，λ为后轴扭矩分配系数，μ_f、 μ_r为前后轴的附着率，L为轴距，a为前轴到质心的距离，h_g为车辆质心高度，

为

加速度。令前后轴附着率相等得到后轴扭矩分配系数为：

当汽车直线行驶时，驱动扭矩分配模块将按照上述算法对电机采用直接转矩控制，得到 四电机扭矩为T_fl0、T_fr0、T_rl0、T_rr0。

如目前车辆是转向行驶，则可通过期望横摆角速度计算模块计算在车辆转向状态下期望 横摆角速度，车辆线性二自由度模型可以很好地反映车辆的理想行驶状态，因此根据线性二 自由度的汽车模型得到理想横摆角速度γ_d，

其中K为稳定性因数，u为当前车速，L为轴距，δ_f为前轮转角。

这样就可将将车辆横摆角速度作为控制目标，通过滑模控制理论计算制定期望的横摆力 矩，得到车辆运动的微分方程：

其中u为当前车速，m为整车质量，k1、k2分别为前后轴侧偏刚度，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，δ_f为前轮转角，I_z为整车绕Z轴的转动惯量，M为期望横摆力矩。 通过滑模控制理论(SMC)制定期望横摆力矩，令：

s＝ke

其中e为理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值，s为设计的滑模面。

为了验证该系统的稳定性，对系统进行稳定性分析，取Lyapunov函数为：

令：

其中k>0,η>0，ε>0，μ＝0.2875；

由于微分方程的解渐进收敛，则该控制系统稳定。其中

为双曲正切函数，使得系 统在滑模面上的过渡更加平稳。

为了缓解因滑模控制所产生的抖振，使得车辆输出的实际横摆角速度能够更好地追踪理想 值，提高车辆行驶的操作稳定性，该控制器还设有一扩展卡尔曼滤波模块，横摆角速度 通过扩展卡尔曼滤波模块后输出。具有算法可取采样周期为h，建立离散状态空间表达式；

令

Y_k＝(0 1)X_k+(0 0)U_k+u_k

其中U_k、X_k分别为t等于k时的输入量和状态量，w_k、u_k为过程噪声和测量噪声， 通过对横摆角速度进行扩展卡尔曼滤波后输出，有效缓解了控制系统中的抖振问题。 通过预先设定的算法分配四电机扭矩；

其中r为汽车转向半径，φ为车身侧倾角，α为路面坡度角，ms_f、mus_f分别为前轴 簧上、簧下质量；ms_r、mus_r分别为后轴簧上、簧下质量，N_f1 N_f2分别为前轴簧 上和簧下质量引起的左右轮胎载荷变动量，B为轮距；同理可得后轴载荷变动量N_r1和 N_r2；

其中K1、K2为前后轴左右轮载荷的比值，k为方向系数，当车辆向右转向时，载荷向左 侧转移，因此K_i越大则该轴载荷变动量越大，为使得轮胎具有轮胎较大的附着裕度，因此以f₁、f₂作为前、后轴轮胎驱动力的变化值，得到此工况下四电机扭矩：

T_fl＝T_fl0-f₁r

T_fr＝T_fr0+f₁r

T_rl＝T_rl0-f₂r

T_rr＝T_rr0+f₂r

其中T_fl0、T_fr0、T_rl0、T_rr0分别为前左、前右、后左、后右电机的初始扭矩。

该控制器以加速踏板开度和当前车速作为模糊控制器的输入值，通过反模糊化后经查表 得到制定的驱动力矩；利用滑模控制器制定期望横摆力矩后往往会产生抖振影响控制效果， 横摆角速度采用扩展卡尔曼滤波输出后有效的缓解了系统的抖振保证了控制效果；在扭矩分 配模块中通过转矩直接控制各个电机。当汽车处于转向工况时，通过计算前、后轴左右轮胎 载荷变动量来制定相应的电机转矩变化值，一定程度上保证了各个轮胎的附着裕度，在提高 车辆操作稳定性的前提下计算较为方便。

为了实现上述目的，本申请实施例还提供了一种四电机驱动汽车的扭矩分配设备，具体 可以为单片机、PLC或其他嵌入式控制设备等，该实体设备包括存储介质和处理器；存储介 质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述四轮扭矩分配方法。该 扭矩分配设备可安装在车辆控制单元中，可作为单独部件或与其他部件集成为一体。

相应的，本实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执 行时实现述四轮扭矩分配方法。基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式 体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘、 RAM等)中，包括若干指令用以使得一台未处理器(可以是单片机、PLC、嵌入式微处理器或 者PC机等)执行本申请各个实施场景所述的方法。

存储介质中还可以包括操作系统、网络通信模块。操作系统是管理上述计算机设备硬件 和软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实 现存储介质内部各组件之间的通信，以及与该实体设备中其它硬件和软件之间通信。本领域 技术人员可以理解，本实施例提供的面试人员的性格预测的实体设备结构并不构成对该实体 设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

该四电机驱动汽车的扭矩分配方法利用油门踏板开度及当前车速作为模糊控制器的输入 得到制定的驱动力矩，该模糊控制器在一定程度上可以反映驾驶员的真正意图，大大提高了 车辆的起步性能和低速加速性能；采用按照各轮载荷比例分配四个电机扭矩的分配策略，使 得四个车轮同时达到附着极限能够最大程度利用地面的附着能力，以此提高车辆动力性；通 过采集到的方向盘转角以及当前车速计算期望横摆角速度，利用滑模控制理论制定期望的横 摆力矩，将横摆角速度通过扩展卡尔曼滤波缓解抖振后输出，达到追踪理想横摆角速度的目 的，保证车辆转向工况下的行驶稳定性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

1)根据车辆加速踏板开度和当前车速作为模糊控制器的输入制定驱动力矩；

2)当车辆处于转向工况计算期望横摆角速度，并以车辆横摆角速度为控制量设计滑模控制器计算期望横摆力矩；

3)通过滑模控制器制定出的横摆力矩用于四轮扭矩重新分配，将车辆输出的横摆角速度经扩展卡尔曼滤波后输出，使其更好的跟踪理想值；

4)根据车辆行驶工况是直线工况还是转向工况通过预先设定的算法对四个电机的扭矩进行分配。

2.根据权利要求1所述的四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其特征在于，步骤2)中，采用如下算法计算期望横摆角速度，设理想横摆角速度γ_d

其中K为稳定性因数，u为当前车速，L为轴距，δ_f为前轮转角。

3.根据权利要求1所述的四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其特征在于，步骤2)中期望横摆力矩算法如下：将车辆横摆角速度作为控制目标，通过滑模控制理论制定期望的横摆力矩，得到车辆运动的微分方程

其中u为当前车速，m为整车质量，k1、k2分别为前后轴侧偏刚度，β为质心侧偏角，γ为横摆角速度，δ_f为前轮转角，I_z为整车绕Z轴的转动惯量，M为期望横摆力矩。通过滑模控制理论制定期望横摆力矩，令：

s＝ke

其中e为理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值，s为设计的滑模面。

4.根据权利要求1所述的四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其特征在于，在步骤3)中横摆角速度可通过扩展卡尔曼滤波后再进行输出。

5.根据权利要求1所述的四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其特征在于，在步骤4)中，如车况处于直线运动工况时，采用如下算法对四个电机的扭矩进行分配：

T_R＝λT_t

T_F＝(1-λ)T_t

其中T_t为制定的总驱动力矩，T_F、T_R分别为前后轴驱动力矩，F_XF、F_XR分别为前后轴驱动力，F_ZF、F_ZR分别为前后轴垂直载荷，λ为后轴扭矩分配系数，μ_f、μ_r为前后轴的附着率，L为轴距，a为前轴到质心的距离，h_g为车辆质心高度，

为加速度。令前后轴附着率相等得到后轴扭矩分配系数为：

当汽车直线行驶时，驱动扭矩分配模块将按照上述算法对电机采用直接转矩控制，得到四电机扭矩为T_fl0、T_fr0、T_rl0、T_rr0。

6.根据权利要求1所述的四电机驱动汽车的扭矩分配控制方法，其特征在于，在步骤4)中，如车况处于转向运动工况时，采用如下算法对四个电机的扭矩进行分配：

其中r为汽车转向半径，φ为车身侧倾角，α为路面坡度角，ms_f、mus_f分别为前轴簧上、簧下质量；ms_r、mus_r分别为后轴簧上、簧下质量，N_f1 N_f2分别为前轴簧上和簧下质量引起的左右轮胎载荷变动量，B为轮距；同理可得后轴载荷变动量N_r1和N_r2；

其中K1、K2为前后轴左右轮载荷的比值，k为方向系数，当车辆向右转向时，载荷向左侧转移，因此K_i越大则该轴载荷变动量越大，为使得轮胎具有较大的附着裕度，因此以f₁、f₂作为前、后轴轮胎驱动力的变化值，得到此工况下四电机扭矩：

T_fl＝T_fl0-f₁r

T_fr＝T_fr0+f₁r

T_rl＝T_rl0-f₂r

T_rr＝T_rr0+f₂r

其中T_fl0、T_fr0、T_rl0、T_rr0分别为前左、前右、后左、后右电机的初始扭矩。

7.一种四电机驱动汽车的扭矩分配控制器，其特征在于，其包括：

期望驱动力矩制定模块，所述期望驱动力矩制定模块用于根据车辆加速踏板开度和当前车速作为模糊控制器的输入制定驱动力矩；

车辆行驶工况识别模块，所述车辆行驶工况识别模块用于根据车辆加速踏板开度和当前车速作为模糊控制器的输入制定驱动力矩

期望横摆角速度计算模块，所述期望横摆角速度计算模块用于在车辆处于转向工况计算期望横摆角速度；

需求横摆力矩制定模块，所述需求横摆力矩制定模块用于根据期望横摆角速度计算期望横摆力矩；

扭矩分配模块，所述扭矩分配模块用于根据车辆行驶工况是直线工况还是转向工况通过设定的算法对四个电机的扭矩进行分配。

8.根据权利要求1所述的四电机驱动汽车的扭矩分配控制器，其特征在于：其还包括一扩展卡尔曼滤波模块，所述扩展卡尔曼滤波模块用于对横摆角速度进行滤波处理。

9.一种四电机驱动汽车的扭矩分配设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

10.一种存储介质，用于存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。

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