CN112218777A - 滑移控制装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明提出了一种滑移控制装置，该滑移控制装置用于为至少一个驱动执行器和/或制动执行器预设目标驱动扭矩或目标制动扭矩，以在具有至少一个电子控制单元的机动车中控制与滑移相关的目标转速值，该滑移控制装置包括以下子功能单元：‑线性控制器单元，用于基于与滑移相关的目标转速值的所检测到的控制偏差来确定初始的额定目标驱动扭矩或制动扭矩；‑参考模型单元，接收额定目标驱动扭矩或制动扭矩以及至少一个所检测的实际转速值作为输入信号，并且基于理想化的与执行器相关的综合模型来求取理想化的目标加速度变化；以及‑理想化单元，接收理想化的目标加速度变化和预设的非理想的实际反馈信号作为输入信号，并且基于输入信号以补偿不期望的(非理想的)车辆行为的方式来求取用于驱控相应执行器的目标驱动扭矩或制动转矩。

Description

滑移控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的滑移控制装置，该滑移控制装置以不同的形式对于单轴驱动的或多轴驱动的机动车基本上是已知的。
背景技术
近年来，驱动技术领域的最新发展涉及电机驱动概念和高增压内燃机，其与现有技术相比显著提高了动力学特性并改善了响应特性。尤其可以通过前轴和后轴上的可单独驱控的驱动单元或借助于电驱控的多片离合器通过经典机械全轮驱动(xDrive)来实现全轮驱动功能。目前，对此尚没有足够精确的控制算法。
滑移/转速/牵引力控制的现有技术：
V.Ivanov、D.Savitski和B.Shyrokau，“A survey of traction control andantilock braking systems of full electric vehicles with individuallycontrolled electric motors”，《IEEE车辆技术学报》，2015年，第64卷，第9期，第3878-3896页。
全轮驱动概念的现有技术：
Metin Ersoy和Stefan Gies，《Fahrwerkhandbuch》，Springer Vieweg，威斯巴登，2017年，第5版。
Stefan Pischinger和Ulrich Seiert(编辑)，《Vieweg HandbuchKraftfahrzeugtechnik》，Springer Vieweg，威斯巴登，2016年，第8版。
输入输出线性化(EAL)的现有技术：
Alberto Isidori，《Nonlinear Control Systems》，Springer，柏林，1989年，第二版。
Jürgen Adamy，《Nichtlineare Systeme und Regelungen》，Springer Vieweg，柏林，海德堡，2014年，第二版。
发明内容
本发明所基于的目的在于，提出一种用于新型驱动概念的滑移控制装置，尽管有较高的动态要求，但该滑移控制装置具有高的控制质量。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现，而在从属权利要求中给出了本发明的优选改进方案。
本发明涉及一种滑移控制装置，该滑移控制装置特别地可以用于可缩放的驱动概念的非线性多滑移控制。
根据本发明，一种滑移控制装置被设置在具有至少一个电子控制单元的机动车中，该滑移控制装置用于设定至少一个驱动执行器和/或制动执行器(特别是全轮驱动车辆的内燃机、驱动电机和/或用于分动箱的电机)的目标驱动扭矩或目标制动扭矩，以调节至少一个与滑移有关的目标转速值，该滑移控制装置包括以下子功能单元：
-线性控制器单元(例如PID控制器)，用于基于所检测到的与滑移相关的目标转速值的控制偏差来确定初始的额定目标驱动扭矩或制动扭矩，
-参考模型单元，接收额定目标驱动扭矩或制动扭矩以及至少一个所检测的实际转速值作为输入信号，并且该参考模型单元基于理想化的与(驱动和/或制动)执行器相关的综合模型来求取理想化的目标脉冲(也称为加速度变化，即位置对时间的三阶导数)，以及
-理想化单元，接收理想化的目标加速度变化和预设的非理想的实际反馈信号作为输入信号，并且该理想化单元基于这些输入信号以补偿不期望的(非理想的)车辆行为的方式来求取用于驱控相应执行器的目标驱动扭矩或目标制动转矩。
综合模型优选为车辆的简化的、复杂度被降低的控制系统模型，该控制系统模型特别地考虑了(多个)执行器的动力学特性。
所检测的实际转速值是参考模型单元的输入信号，这些所检测的实际转速值优选是：每个从动轴的从车轮转速中求取的轴转速值及其数值导数、和/或相应的待驱控的执行器的转速及其数值导数。
理想化单元优选地包括基于输入输出线性化(EAL)的控制定律。该理想化单元的非理想的(特别是由非线性动力学特性产生的)实际反馈信号同样优选是：每个从动轴的从车轮转速中求取的轴转速值及其数值导数、和/或相应的待驱动的执行器的转速及其数值导数、以及为滑移控制而设置的每个执行器的所估计的驱动扭矩或制动扭矩。
术语“转速”可以理解为与转速成比例的变量，诸如滑移率。例如当提及目标转速时，该术语还包括目标滑移率。
本发明基于以下考虑：
近年来，驱动技术领域的最新发展涉及电机驱动概念和高增压内燃机，其与现有技术相比显著提高了动力学特性并改善了响应特性。尤其可以通过前轴和后轴上的可单独驱控的驱动单元或借助于电驱控的多片离合器通过经典机械全轮驱动(xDrive)来实现全轮驱动功能。为此，根据本发明，开发了用于分布在优选地靠近执行器的多个控制单元上的、可缩放的驾驶动力学特性和滑移控制的算法和控制方法。通过在这些控制单元上巧妙地划分各个控制器部分，可以使延迟时间最小化并且可以实现改善的闭环性能。
在本发明中示出了用于道路车辆的牵引力控制系统的设计。特别地，考虑根据驾驶员意愿具有一个或两个驱动轴的车辆。这种可缩放的驱动概念提出了特殊的挑战，因为具有前驱/后驱的车辆与具有全轮驱动的车辆之间的驾驶特性基本不同。为此，在本发明中开发了一种基于输入输出线性化的牵引力控制器。利用综合模型进行控制设计，该综合模型考虑了车辆的传动系和纵向动力学特性。对于非线性控制回路，可以通过分析所合成的零动力学特性来显示所有出现的参数组合的全局渐近稳定性。利用非线性分析模型以仿真的方式来确保已开发的控制概念对可缩放的驱动概念的适用性。仿真和实验结果表明，在许多不同的驾驶情况下以鲁棒的方式实现了在控制质量和稳定性方面的目标。
技术背景：
本发明主要基于本身已知的牵引力控制系统，该牵引力控制系统在驱动情况下具有防止车轮打滑的任务。在这种驾驶情况下，车轮的速度远大于车身的速度。这种关系由变量滑移率来描述，因此牵引力控制系统也称为驱动滑移控制系统(ASR)。
除了ABS和ASR，还存在用于控制滑移的发动机拖曳扭矩控制(MSR)。当驾驶员在具有内燃机的车辆中降档或减小油门时，将因此产生制动力矩，该制动力矩会导致从动轮处的滑移率增大。在这种情况下，MSR通过增大驱动扭矩来减小过大的滑移率。
根据驱动概念，存在不同的可行方案来实现牵引力控制。对于具有前驱或后驱的车辆，在最简单的情况下会降低发动机的驱动功率。为此，通过加速踏板来操纵驾驶员需求，使得实现尽可能最佳的牵引力。作为其他的应用场合，当在对于车辆的左侧和右侧具有不同摩擦系数(μsplit)的车道上行驶时，可以使用ASR。在这种行驶情况下，可施加的最大力受限于低的摩擦系数。为了提高驱动功率，摩擦系数低的车轮被制动，由此在摩擦系数较高的一侧将施加更多的力。对于具有全轮驱动和轴之间的可变扭矩分配的车辆，还存在用于牵引力控制的其他可行方案。如果主轴的车轮打滑太多，则通过全轮驱动将驱动功率的一部分传递到副轴上，由此降低主轴上的扭矩和车轮转速。利用该原理通过发动机拖曳扭矩的分配也可以实现上文所提到的MSR。
全轮驱动系统的不同之处在于是固定扭矩分配还是可变扭矩分配，其中许多系统可以使驱动轴完全脱开。现代车辆利用该可能性来使驾驶员通过相应的操作概念在具有前驱/后驱或全轮驱动的车辆之间进行选择。这对ASR来说构成了特殊的挑战，因为在两种情况下都必须同样确保功能，然而如上所述，先决条件和影响可能性基本不同。
在牵引力控制系统的现有技术中，对于具有可缩放的驱动概念的车辆不存在普适的概念。因此，本发明涉及一种ASR的开发，该ASR被设计用于具有一个或两个驱动轴的驱动概念。
本发明基本上基于滑移控制的当前现有技术以及输入输出线性化(EAL)的概念。
借助EAL进行滑移控制的当前现有技术存在一些问题。用于补偿非线性的控制定律在许多工作中包含不确定的参数，这些参数无法直接测量并且必须以复杂的方式进行观察。这样的参数包括道路摩擦系数、车辆质量以及相应使用的轮胎模型的轮胎参数设置。此外，对于滑移控制方法的工业化，还必须确保估算值始终具有足够的准确度。此外，在进行EAL时通常会产生无法观察到的内部动力学特性。这样的内部动力学特性必须单独检验稳定性。
大多数方法使用具有滑移率和车速两个自由度的经典四分之一车辆模型，并且忽略驱动部的执行器动力学。此外，许多方法仅以仿真的方式进行研究，而不进行对概念的实验验证。
在当前的现有技术中没有涉及如上所述的具有可缩放的驱动概念的车辆。然而，具有可缩放的驱动概念的车辆对于牵引力控制系统构成了特殊的挑战，因为车辆根据驾驶员意愿和驾驶情况而具有前驱/后驱或全轮驱动，因此必须相应地调整控制策略。在此，难以确定车速，因为与具有一个驱动轴的车辆相比，所有车轮都打滑，并且无法从未被驱动的轴的车轮转速中计算速度。因此，车速不应在牵引力控制的内环中被使用。
本发明的目的是开发借助于本身已知的EAL的滑移控制。EAL的基本思想是通过选择合适的反馈来使非线性系统线性化，以便随后可以将线性控制技术的方法应用于经线性化的等效系统。
首先，以如下形式考虑具有状态向量x、输入u和输出y的单输入/单输出(SISO)系统：
Figure BDA0002764340500000051
输入u线性地输入到状态方程中。
如果系统(1)是非线性的控制范式(RNF)，即
Figure BDA0002764340500000061
则通过以下控制定律补偿系统的非线性，并引入新的输入v：
u＝-1/β(x)(α(x)+v).
对于输入v＝k(x)将应用基于理想受控系统的参考模型。
因此，EAL的目的是找到一种数学规则，以借助控制定律使一类非线性系统线性化或理想化。借助于参考模型实现了期望的动力学特性。然后，系统处于线性的RNF。根据本发明，概括地考虑以下标准：
–多变量系统的输入输出线性化(EAL)。
–参考模型预设。
–发动机转速、车轮转速和所估计的发动机实际扭矩的非线性反馈以及对发动机转速和车轮转速的数值求导。
–在受控系统和非线性反馈的闭环传递特性对应于参考模型的传递特性的意义上，用于输入输出线性化的线性参考模型的预设。叠加地使用线性控制器来消除剩余的模型误差和干扰变量影响。
–为了实现对斜坡形目标预设的准静态的精确跟随特性，在优选实施方式中通过控制概念在开环控制回路中实现双重积分特性。
–逻辑部分可以
-在具有与靠近执行器的控制单元的快速通信的中央控制单元上中央地计算，
-在靠近执行器的控制单元上被集成在“白盒”中，
-在靠近执行器的控制单元上被集成在“黑盒”中。
通过本发明实现了一种滑移控制，该滑移控制特别地满足以下系统要求：
–适用于混合动力驱动的所有变型(例如，电动全轮驱动或车轴混合动力)
–可缩放性：方法适用于在行驶期间在以下不同运行模式之间切换的车辆：
-主轴被驱动
-主轴被调节
-主轴/副轴差异被调节
-主轴和副轴被驱动
-副轴被驱动
–根据本发明的滑移控制装置特别适合于驱动滑移控制和减速滑移控制(发动机拖曳控制、能量回收)
–借助目标滑移率、目标转速的预设通过操作概念轻松地提供可调节性
–在有转速误差和无转速误差的情况下都可以正常工作
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在下文中更详细地说明这些实施例。其中：
图1示意性地示出了整个控制结构的主要部件的概览图，该控制结构包含根据本发明的滑移控制装置作为用于每个目标转速预设的内部控制回路；
图2针对具有单轴驱动部的机动车示出了受控系统的相关参数的示例，该受控系统包括其呈驱动马达形式的执行器；
图3针对具有全轮驱动分动箱的机动车示出了受控系统的相关参数的示例，其中仅考虑了用于车轴之间的分动箱的、呈电机形式的执行器；
图4针对具有双轴驱动部的机动车(例如，在道路耦合的没有分动箱的全轮驱动混合动力车辆的情况下)示出了受控系统的相关参数的示例，该受控系统包括呈两个驱动马达形式的两个执行器；
图5针对具有双轴驱动部(例如，在具有驱动马达和分动箱的全轮驱动的情况下)的机动车示出了受控系统的相关参数的示例，该受控系统包括两个执行器，这两个执行器的形式为主驱动轴上的驱动马达和用于分动箱的电机；
图6示出了关于驱动类型可缩放的全轮驱动机动车的主要驱动部件的示意性比较，该全轮驱动机动车具有分动箱和驱动马达(在此例如为内燃机)，该驱动马达可以一方面以单轴驱动(在此为后轴驱动)运行并且另一方面以两轴驱动(在此是以后轴为主轴并且以前轴为副轴的全轮驱动)运行；
图7示出了对车辆分析模型有效的参数；
图8以用于两轴驱动的综合模型为例示出了内部控制回路的控制概念的概览图，并且更精确地示出了控制定律的作用原理；
图9示出了用于两轴驱动的综合模型的示意图；并且
图10示出了从示例性综合模型中进行控制定律的数学推导的示例，该控制定律作为根据本发明的理想化单元的主要组成部分。
具体实施方式
在图1中示出了整个控制结构的主要部件的概览图，其中包含根据本发明的滑移控制装置，该滑移控制装置特别地具有线性控制器单元8、参考模型单元9和理想化单元10。具有线性控制器单元8、参考模型单元9和理想化单元10的内部控制回路用于每个转速预设或滑移率预设ωset，即，例如对于以下ωset的4个：
ωHA_soll，后轴的目标转速
ωVA_soll，前轴的目标转速
ΔωHA_soll，后轴车轮之间的转速差
ΔωVA_soll，前轴车轮之间的转速差
根据驱动类型和执行器类型，凭经验求取相应的参考模型作为用于参考模型单元9的综合模型，并且将这些参考模型存储在相应使用的控制单元(例如，对于分动箱的电机而言是安装在分动箱处的用于驱控多片离合器的电子控制单元)中。在图2至图5中示意性地示出了不同驱动类型的示例，这些驱动类型具有一个或两个执行器作为考虑执行器的受控系统。从在此考虑的参数中求取相应的综合模型。
根据本发明的滑移控制装置用于为至少一个驱动执行器和/或制动执行器预设目标驱动扭矩或目标制动扭矩u或Msoll，以用于在机动车中控制与滑移相关的目标转速值ysoll或ωset或ω1、ω2，该滑移控制装置具有至少一个相应地靠近执行器的控制单元，该控制单元包括以下子功能单元：
–线性控制器单元8，用于基于所检测的控制偏差e或Δω来确定初始额定目标驱动扭矩或制动扭矩w(作为额定向量)，
–参考模型单元9，接收额定目标驱动扭矩或制动扭矩w以及至少一个所检测的实际转速值ωact或yist作为输入信号，并且该参考模型单元9基于与执行器相关的理想化的综合模型来求取理想化的目标加速度变化v(作为额定向量)，以及
–理想化单元10，接收理想化的目标加速度变化v和预设的非理想的实际反馈信号x(作为额定向量)或ωact和Mact作为输入信号，输入信号优选地包括至少一个所检测的实际转速值(ωact；yist)，并且该理想化单元10基于这些输入信号通过复杂度被降低的控制定律100(参见图8和图10)以补偿非理想的车辆行为的方式来求取用于驱控相应执行器的真实的目标驱动扭矩或目标制动转矩u(作为额定向量)。
对于单轴驱动，实际反馈信号x优选地至少是：
ωact:＝
ωRad(HA oder VA)，ist：从动轴(后轴HA或前轴VA)上的平均车轮转速的实际转速及其数值导数
ωAnt(HA oder VA)，ist：执行器的实际转速，例如，驱动马达(内燃机或驱动电机)的曲轴转速及其数值导数，以及
Mact：＝MAnt，(HA oder VA)，ist：执行器的实际驱动扭矩，该实际驱动扭矩例如由所估计的实际驱动扭矩Mest和/或滤波后的实际驱动扭矩Mfilt根据执行器(在此为驱动马达)的相应运行状态以加权的方式形成。
对于在主轴(PA)上具有驱动马达的双轴驱动，其扭矩可以通过分动箱(VTG)全部或部分地传递到副轴(SA)上，实际反馈信号x优选地至少是：
ωac:＝
ωRad,(SA),ist：副轴SA上的平均车轮转速的实际转速及其数值导数，以及
ωAnt(PA),ist：主轴PA(例如，后轴HA)上的作为执行器的驱动马达的实际转速(例如，内燃机的曲轴转速)及其数值导数
或者
ωha,(PA),ist：主轴PA上的平均车轮转速的实际转速及其数值导数，以及
ωva,(SA),ist：副轴SA上的平均车轮转速的实际转速及其数值导数
并且
Mact:＝
Mgetr,out；MAnt,(PA),ist：主轴PA上的所估计的和/或滤波后的实际驱动扭矩，和
Mem,ist；MEM,(VTG),ist：分动箱电机上的所估计的和/或滤波后的实际驱动扭矩
对于单轴驱动，目标扭矩Msoll例如是：
MAnt，(HA oder VA)，soll：从动轴(例如，后轴HA或前轴VA)上的驱动马达的驱动扭矩。
对于双轴驱动，目标扭矩Msoll例如是：
Mvm,soll；MAnt,(PA),soll：主轴PA上的驱动马达(例如，内燃机vm)的驱动扭矩
Mem,soll；MEM,(VTG),soll：分动箱VTG上的电机em的驱动扭矩
或者(例如，对于道路耦合的没有分动箱的混合动力车辆)
MAnt,(PA),soll：主轴PA上的驱动马达(例如，内燃机)的驱动扭矩
MAnt,(SA),soll：主轴PA上的驱动马达(例如，驱动电机)的驱动扭矩。
理想化单元10的与实际转速有关的输入信号ωact优选地与参考模型单元9相同。
图2针对具有单轴驱动部的机动车示出了受控系统的相关参数，该受控系统包括其呈驱动马达形式的执行器。图3针对具有全轮驱动分动箱的机动车示出了受控系统的相关参数，其中仅考虑了用于车轴之间分动箱的、呈电机形式的执行器。图4针对具有双轴驱动部的机动车(例如，在道路耦合的没有分动箱的全轮驱动混合动力车辆的情况下)示出了受控系统的相关参数，该受控系统包括呈两个驱动马达形式的两个执行器。图5针对具有双轴驱动部(例如，在具有驱动马达和分动箱的全轮驱动的情况下)的机动车示出了受控系统的相关参数，该受控系统包括两个执行器，这两个执行器的形式为主驱动轴上的驱动马达和用于分动箱的电机。下面将根据图5的驱动类型和执行器类型作为实施例，以更详细地说明参考模型单元9和包括控制定律100的理想化单元10：
在根据图6至图10的根据本发明的实施例中，仅考虑在驱动情况下驱动扭矩(在此为内燃机扭矩)的减小和用于实现牵引力控制的可控全轮驱动。
根据图6的实施例涉及一种用于车辆的牵引力控制系统，其中驾驶员可以通过相应的操作概念在后轮驱动和全轮驱动之间手动选择(“可缩放”驱动)。根据实施例的车辆具有可接入的全轮驱动，其中通过可控制的多片式离合器可以在前轴和后轴之间进行可变的扭矩分配。在默认情况下，内燃机(VM)的全部驱动功率通过车辆变速箱(G)和限滑差速器(SD)传递到后轴。分动箱(VTG)中的多片离合器(LK)是打开的，使得前轴不会被驱动或减速(图6的左侧)。在需要时，将前轴的传动系通过可控制的多片离合器挂接到后轴上，并且驱动扭矩在两个轴之间分配。多片离合器的驱控通过电机(EM)进行，该电机将碟片组压在一起并且根据离合器的状态设置可变的扭矩分配。驱动扭矩进一步通过打开的差速器传递到前轴的车轮(图6的右侧)。因此，在此示意性示出的车辆具有可缩放的驱动概念，因为根据驾驶员意愿或取决于多片离合器的状态可以通过一个或两个轴来驱动车辆。
在图7中示出了对于所描述的全轮驱动的建模所考虑的车辆模型的结构。车辆模型由三部分构成，即，传动系、行驶动力学和单独处理的轮胎部分。通过加速踏板输入的期望驱动扭矩、通过制动踏板输入的期望制动扭矩、方向盘角度位置和挂入的档位可以用作驾驶员输入变量。传动系包含对内燃机中的能量产生的模拟到车辆各个车轮的转速ω的计算。行驶动力学进一步分为纵向和横向动力学以及竖直动力学。在此，将计算所有行驶动力学变量，诸如车辆加速度ax和ay，车轮的滑移率s和侧偏角α以及车轮载荷Fz。最后引入不同的轮胎模型，以模拟作用在道路上的轮胎力Fx和Fy。在此，不会更详细地讨论对各种变量的精确计算，因为对各种变量的精确计算基于基本上已知的模型计算。在此，车辆模型表示为双轮辙模型(Zweispurmodell)。假设其仅在平面上运动。因此没有考虑车道的纵向坡度或横向倾斜。该假设是合理的，因为车道的变化仅会影响所产生的轮胎力。由于在行驶期间没有关于所使用的轮胎的信息，因此轮胎参数不确定，并且在轮胎参数中反映了纵向坡度或横向倾斜的变化。为了简单起见，根据本发明对于滑移控制不考虑换档。不需要对内燃机和车辆变速器之间的离合器进行建模。驱动扭矩进一步在分动箱中被分配到两个轴上，然后在前轴处通过差速器传递到车轮上。扭矩在左右两侧平均分配。在创建模型时特别地考虑以下变量：
–传动系(特别是执行器(VM、EM)、车辆和差速器(SD)、滚动阻力和车轮动力学、分动箱(VTG))
–轮胎(特别是X方向和Y方向上的轮胎力)
–行驶动力学(特别是纵向和横向动力学、侧偏角和纵向滑移率、竖直动力学)
根据本发明的控制设计：
基于上述的对车辆模型的参数化确定使牵引力控制概念化，其中根据本发明降低了用于控制器设计的模型的复杂度。
牵引力控制防止了驱动轮上的过大的滑移率，因为在这种驾驶情况下不再执行驾驶员的转向要求，并且车辆无法或难以被控制。此外，在激活控制时应当将可能的最大的力传递到道路上，从而确保最大的加速度。从轮胎力曲线中求取最佳力，并且例如对于干燥路面在10％至20％滑移率的范围内。因此，牵引力控制的目的是设置特定的滑移率值。内燃机(VM)和电机(EM)用作根据图6的可缩放驱动概念的调节变量。由此总共得到三种应用情况：仅通过分动箱中的电机进行控制(应用情况1)、仅通过内燃机进行控制(应用情况2)或并行地通过两个驱动器进行控制(应用情况3)。在下文中说明牵引力控制的三种可行方案的概念特性：
在初始情况下，车辆采用纯后轮驱动行驶。后轴上两个车轮的平均车轮滑移率在线性范围内，而前轴未被驱动，因此前轴车轮的平均滑移率为0％。现在，驾驶员要求高的驱动扭矩并且出现大的滑移率值，因此后轴的车轮开始打滑。现在，总驱动扭矩通过分动器中的电机在前轴和后轴之间分配。控制器会提高电机的期望扭矩，从而前轴的车轮被驱动并且滑移率值在线性范围内。通过提高前轴上的驱动扭矩，同时降低了后轴上的驱动扭矩，并且间接得到了最佳滑移率值。
在第二种情况下，基于相同的初始情况，不是通过分动箱中的电机来控制驱动扭矩，而是直接在内燃机中减小驱动扭矩。由此得到最佳滑移率。在整个时间段期间，车辆采用纯后轮驱动，并且前轴上的扭矩等于零。
最后，前两种情况的控制策略可以同时运行。在此，内燃机中的总驱动扭矩减小，并且与此同时通过电机进行两个驱动轴之间的扭矩分配的动态调节。
因此，牵引力控制的任务是实现滑移率的所期望的预设。目标值根据所选择的车辆设置(后轮/全轮驱动)、驾驶员预设(加速踏板/转向角)、当前行驶情况(地面/摩擦系数)和所使用的轮胎而变化。结果得到上一级(übergeordnet)的行驶动力学控制器，该行驶动力学控制器为滑移控制生成相应的目标值。行驶动力学控制器不是本发明的一部分，并且假设目标值接近于最佳值并且该目标值原则上可以由牵引力控制来实现。
以上考虑基于滑移率和轮胎力之间的关系。然而，在实践中，用作调节量的不是滑移率而是转速。通过与速度和滚动半径之间的关系可以使滑移率和车轮转速这两个变量相互换算，从而存在等效的问题。转速的使用具有以下优点：转速可以在高频下作为测量信号被提供，并且不需要换算。因此，已经证明有利的是，基于转速来进行牵引力控制的预设。因此，基于滑移率介绍的特性对于考虑转速的情况可以是等效的。
为了实施所提出的控制策略，使用上面所描述的EAL的方法，并且针对具有两个执行器的实施例，得到根据图8的概念图，例如，该实施例具有内燃机作为第一执行器，并且具有用于全轮驱动分动箱的电机作为第二执行器(关于一般性概念也请参见图1)。
用于控制车辆的输入变量是内燃机的目标扭矩u1＝Mvm,soll和分动箱中电机的目标扭矩u2＝Mem,soll。调节量是两个驱动轴y1和y2的平均车轮转速。
EAL提供了控制定律，利用该控制定律特别地可以补偿受控系统的非线性，并且同时引入两个新的输入vi，其中i∈{1,2}。针对这些新输入分别预设参考模型，由此确定外部动力学的特征值。对于两个参考模型的输入使用经典PID控制器。由测得的实际转速yi与目标转速wi之差得到控制误差ei。目标转速w1对应于转速上限。目标转速w2对应于转速下限。转速w1和w2的预设在外部运算单元中进行，并且在本发明中不再被考虑。
上面所描述的车辆建模(分析模型)是定性地模拟真实车辆行为的综合仿真环境。然而，该模型由于其复杂度并不适合于控制器设计。因此，根据本发明将推导出具有用于控制的相关动力学的综合模型。
对于转速控制的考虑，仅需要车辆的纵向动力学，因为转速和滑移率仅取决于X方向上的变量。横向动力学以及特别是Y方向上的动量守恒定律以及绕车辆竖直轴的动量矩定理将被忽略。借助于该假设，侧偏角和动态侧倾力矩分布等于零。重心在X方向上的速度在车辆中的每个点都是相同的，因此不必换算为车轮中心点。
由于没有对横向动力学进行建模，因此在车辆的左侧和右侧之间不存在区别，并且驱动轴上的两个车轮被合并为一个车轮。双轮辙模型简化为仅考虑纵向动力学的车辆模型。对于分动箱仅关注离合器部分锁定的情况，因为在离合器打开和离合器完全锁定的情况下无法进行调节。分动箱输出轴的转速与车轮的转速直接相关，因此不必重新计算，并且仅需要前后轴之间的扭矩分配。传动系的效率等于1。
综合模型的示意图如图9所示。为了调节前轴和后轴的转速，预设了内燃机的目标扭矩u1＝Mvm,soll和分动箱(VTG)中电机的目标扭矩u2＝Mem,soll。借助于执行器动力学得到状态x1＝Mvm,ist和x3＝Mem,ist。对于内燃机，使用具有时间常数Tvm的点火路径传递特性。内燃机的扭矩通过传动比igetr传递到分动箱VTG并分配到驱动轴上。前轴获得电机x3的一部分，并且后轴获得剩余扭矩x1igetr-x3。利用前轴和后轴上的差速器的传动比得到车轮上的驱动扭矩。两个车轮在两个轴上被合并成一个车轮，并且形成状态x1＝ωva＝(ωvl+ωvr)/2和x2＝ωha＝(ωhl+ωhr)/2。最后的状态是未示出的车速x5＝vx,V，该车速由X方向上的动量守恒定律计算得出。
下面利用图10在此借助于EAL针对输入向量u示出了作为理想化单元10(也参见图1)的一部分的控制定律100(也参见图8)的推导。
利用状态向量x、输入向量u和输出y(在此为y1和y2)得出具有轮胎力Fx,va和Fx,ha、静态车轮载荷Fz,va和Fz,ha以及滑移率sva和sha的非线性状态微分方程
Figure BDA0002764340500000151
首先对输出向量y的各个元素求导，直到出现输入向量u的元素为止，因此输出向量的导数仅取决于状态向量x。对于轮胎力Fx,ha使用静态车轮载荷和纵向滑移率之间的关系。因此，第一输出y1的导数取决于摩擦系数μ、轮胎参数、动态轮胎半径和车辆质量。所有这些参数在车辆中均被认为是不确定的，并且在行驶期间是未知的，因此在控制期间是未知的。为了避免这些不确定性，假设轮胎力Fx,ha是常数。恒定轮胎力Fx,ha的假设是合理的，因为控制的目的是设置恒定的滑移率，从而设置恒定的轮胎力。
由此得到控制定律u(x)，该控制定律将两个输出y1和y2解耦，并为新输入vi预设参考模型9(9.1，9.2)。在控制定律中，需要传动比igetr、iva和iha、转动惯量Jva和Jha以及两个执行器Tvm和Tem的时间常数。传动比和转动惯量取自各个构件的数据手册，而执行器动力学则可以通过阶跃激励来识别。因此，控制定律100不包含任何不确定的参数，并且优选地如图10中以u(x)所示。
参考模型的预设：
上面所描述的控制定律100使综合模型的两个输出解耦并引入新的输入vi。对于输入(分别)引入参考模型9(用于后轴(HA)的参考模型9.1和用于前轴(VA)的参考模型9.2)。在此，在执行器的目标扭矩和待控制的转速之间的传递特性由假设的用于执行器动力学的PT1环节和用于模拟车轮转速的积分器组成。因此得到IT1环节。参考模型9.1和9.2的输入是与之对应的PID控制器的输出。
总结：
控制设计通过用于全轮驱动车辆的综合模型来进行，并且包含用于内燃机和分动箱中电机的执行器动力学。作为控制概念使用了EAL。在此得到两个新的输入，为这两个新的输入预设了线性参考模型和附加的用于补偿干扰和模型误差的PID控制器。在整个控制设计中已经注意到应当避免使用不确定的参数，诸如轮胎与车道之间的摩擦系数、轮胎参数和车辆质量。作为测量变量仅需要四个车轮的车轮转速以及两个驱动单元的当前扭矩。由此确保了既不必使用复杂的状态观察器，也不必使用当前的车速。
根据本发明的控制概念的扩展的应用可能性：
驱动单元
测试车辆具有内燃机作为主要驱动器，并且附加地具有分动箱中的电机，通过该电机将驱动功率的一部分传递至前轴。在控制器设计的综合模型中，同时考虑了两个执行器的动力学特性。然而，对于该控制概念而言，可用扭矩是由内燃机、电机还是由例如燃料电池提供是无关紧要的。因此，该概念也可以用于其他驱动单元。
驱动概念
第二种扩展涉及车辆的驱动概念。在本文中使用了具有永久后轮驱动的车辆，其中可以接入前轴，从而实现全轮驱动。该概念可以类似地应用于以后轴为副轴的永久前轮驱动。此外，该控制概念适合于纯前轮驱动或纯后轮驱动的车辆，因为这对应于第一种应用情况，即，通过内燃机的唯一控制。在当前的电动车辆中，例如每个轴使用自己的驱动器。在这种情况下，两个轴彼此不耦合，然而控制又对应于第一种应用情况。对于车轮独立驱动的车辆，该方法是类似的，只是一个车轴上的车轮不被合并。
驾驶模式
在现在的许多车辆中，提供了不同的驾驶模式，例如舒适、运动或赛道。这些驾驶模式可以通过按压按钮来激活，从而改变各种内部车辆设置。这包括牵引力控制系统，其功能性例如在电子稳定程序(ESP)停用时会发生变化。在这种特殊情况下，在驱动轴上允许更大的滑移率，以实现车辆的运动型设计。对于所提出的牵引力控制系统，滑移率的预设或相应转速的预设由外部单元进行。控制系统独立于该预设来设置所期望的转速，从而不需要调整驾驶模式等。这还具有以下优点：在开发过程中不会对牵引力控制提出额外要求，并且降低了复杂度。
根据本发明的概念不仅可以用于具有驱动执行器的关于轴的滑移控制，而且如果使用诸如车轮选择性制动干预系统和/或可控横向差速器的其他执行器并且在参考模型、综合模块以及理想化单元的计算定律中考虑这些执行器考虑，则根据本发明的概念还可以用于车轮选择性的单个车轮滑移控制。

Claims (10)

1.一种滑移控制装置，用于为至少一个驱动执行器和/或制动执行器预设目标驱动扭矩或目标制动扭矩(u；Msoll；MAnt，(HA oder VA)，soll；MAnt，(PA)，soll，MEM，(VTG)，soll；MAnt，(PA)，soll，MAnt，(SA)，soll；Mvm，soll Mem，soll)，以便在具有至少一个电子控制单元的机动车中控制至少一个与滑移相关的目标转速值(ysoll；ωset；ωI，ω2；)，所述滑移控制装置包括以下子功能单元：
-线性控制器单元(8)，用于基于所检测到的控制偏差(e；Δω)来确定初始的额定目标驱动扭矩或制动扭矩(w)，
-参考模型单元(9)，接收所述额定目标驱动扭矩或制动扭矩(w)以及至少一个所检测的实际转速值(ωact；yist)作为输入信号，并且所述参考模型单元(9)基于理想化的与执行器相关的综合模型来求取理想化的目标加速度变化(v)，以及
-理想化单元(10)，接收所述理想化的目标加速度变化(v)和预设的非理想的实际反馈信号(x；ωact，Mact)作为输入信号，并且所述理想化单元(10)基于所述输入信号以补偿非理想的车辆行为的方式通过复杂度被降低的控制定律(100)来求取用于驱控相应执行器的真实的目标驱动扭矩或制动转矩(u)。
2.根据权利要求1所述的滑移控制装置，其特征在于，在所述参考模型单元(9；9.1、9.2)中预设了相应的执行器动力学的所期望的特性。
3.根据前述权利要求中任一项所述的滑移控制装置，其特征在于，对于单轴驱动的车辆，作为所述理想化单元(10)的输入信号的所述实际反馈信号(x；ωact，Mact)至少是：从动轴上的平均车轮转速的实际转速(ωRad(HA oder VA)，ist)及其数值导数、所述执行器的实际转速(ωAnt(HA oder VA)，ist)及其数值导数、以及所述执行器的所估计的和/或滤波后的实际驱动扭矩(Mact：＝MAnt，(HA oder VA)，ist)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的滑移控制装置，其特征在于，对于两轴驱动的车辆，作为所述理想化单元(10)的输入信号的所述实际反馈信号(x；ωact，Mact)至少是：
-副轴上的平均车轮转速的实际转速(ωRad，(SA)，ist；ωva，(SA)，ist)及其数值导数，以及
-主轴上的所述执行器的实际转速(ωAnt(PA)，ist)及其数值导数或者所述主轴上的平均车轮转速的实际转速(ωha，(PA)，ist)，以及
-所述主轴上的所估计的和/或滤波后的实际驱动扭矩(Mgetr，out；MAnt，(PA)，ist)和在分动箱(VTG)的电机(EM)上的所估计的和/或滤波后的实际驱动扭矩(Mem，ist；MEM，(VTG)，ist)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的滑移控制装置，其特征在于，所述综合模型是复杂度被降低的车辆分析模型，所述车辆分析模型主要考虑相应的执行器动力学的所期望的特性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的滑移控制装置，其特征在于，为了构建所述控制定律(100)，以输出向量(y)的形式表示所述所检测的实际转速值(ωact；yist)，以状态向量(x)的形式表示所述非理想的实际反馈信号(ωact，Mact)，并且以输入向量(u)的形式表示所述真实的目标驱动扭矩或制动扭矩(u)，并且对所述输出向量(y)进行求导，直至获得所述输入向量(u)的元素为止，因此所述输出向量(y)的导数仅取决于所述状态向量(x)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的滑移控制装置，其特征在于，已知的非理想参数被设置为常数，所述常数通过对所述输出向量(y)的元素(y1、y2)的求导被消除，并且所述输出向量(y)的元素(y1、y2)通过所述控制定律(100；u(x))彼此解耦。
8.一种将根据前述权利要求中任一项所述的滑移控制装置用于针对可缩放驱动概念的非线性多滑移控制中的用途。
9.一种用于滑移控制装置的至少一个电子控制单元的软件功能模块(8、9、10)，其中所述至少一个电子控制单元靠近执行器，并且其中在存在多个执行器的情况下，在相应的执行器的每个控制单元中设置根据本发明的所述滑移控制装置。
10.一种软件功能模块(8、9、10)，用于具有分动箱(VTG)的全轮驱动机动车的滑移控制装置的至少一个电子控制单元，所述软件功能模块基于控制设计，所述控制设计通过综合模型针对全轮驱动车辆进行，并且所述控制设计考虑了驱动马达(VM)和所述分动箱(VTG)的电机(EM)的执行器动力学，其中控制概念使用了输入输出线性化(10)，通过所述输入输出线性化(10)得到两个新的输入(v1、v2)，为所述两个新的输入(v1、v2)预设了线性参考模型(9)和附加的用于补偿干扰和模型误差的PID控制器(8)，其中在整个控制设计中避免了使用可能导致不期望的车辆行为的不确定参数，并且其中仅使用四个车轮的车轮转速以及两个所述执行器的当前扭矩作为测量变量。
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