CN112590761A - 一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法及系统，方法包括以下步骤：1)判断车辆当前运行状况，当有电机失效时，使失效电机停止工作后进入步骤2)，当有电动轮空转时，使电动轮停止空转后进入步骤2)，当没有电机失效并没有电动轮空转时，进入步骤2)；2)获取各电动轮电机的执行转矩值T_Mi和车辆的转向角度值θ；3)根据执行转矩值T_Mi和转向角度值θ计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，根据各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw。本发明的方法可以快速有效辨识车辆当前运行状态并根据车辆当前运行状态进行相应调整以确保车辆稳定运行。

Description

一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种多轮独立电驱动车辆的控制方法，尤其涉及一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法及系统。

背景技术

多轮独立电驱动车辆的每个车轮分别由对应的牵引电机单独驱动，如图1所示，每个车轮与对应的轮边减速器以及牵引电机组成电动轮，所有电动轮驱动整车运行。相比传统机械多轮车辆，多轮独立电驱动车辆具有通过能力强、全轮独立可控、电机转矩响应快速以及输出转矩可精确测量等优势，具有广阔的应用前景。

由于多轮独立电驱动车辆的牵引电机与动力源采用的是电缆连接，这种“线控”方式在发生故障前，没有任何预警信息，一旦出现单个或多个电机失效，或泥泞湿滑路面电动轮空转打滑的情况，可能会导致整车出现严重事故，因此有必要建立适用于多轮独立电驱动车辆的失效保护机制，以确保整车行驶安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种快速有效辨识车辆当前运行状态并根据车辆当前运行状态进行相应调整以确保车辆稳定运行的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，包括以下步骤：

1)判断车辆当前运行状况，当有电机失效时，使失效电机停止工作后进入步骤2)，当有电动轮空转时，使电动轮停止空转后进入步骤2)，当没有电机失效并没有电动轮空转时，进入步骤2)；

2)获取各电动轮电机的执行转矩值T_Mi和车辆的转向角度值θ；

3)根据执行转矩值T_Mi和转向角度值θ计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，根据各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw，所述纵向力矩值T_xreq为所有电动轮电机的纵向转矩值之和，所述横摆力矩值T_yw为每对电动轮电机的纵向转矩值之差的和。

优选的，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)判断是否存在失效电机，是则实施制动后停止失效电机运转并跳转步骤3)，否则进入步骤1.2)；

1.2)判断是否有电动轮空转，是则增大空转电动轮转矩后跳转步骤3)，否则进入步骤1.3)；

1.3)进入步骤3)。

优选的，步骤1.1)包括以下步骤：

1.1.1)读取失效电机数量，若数量大于0，进入下一步，否则跳转步骤2.2)；

1.1.2)实施制动，使车辆速度小于安全速度V₀；

1.1.3)停止给失效电机分配转矩；

1.1.4)跳转步骤3)。

优选的，步骤1.1.3)具体为：当失效电机数量为1个或失效电机数量为2个且在不同侧时，停止给失效电机分配转矩；当失效电机数量为2个且在同一侧或失效电机数量为2个以上时，将失效电机对侧的电机也设置为失效电机，停止给失效电机分配转矩

优选的，步骤1.2)包括以下步骤：

1.2.1)设置阈值，根据序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值与阈值的大小关系判断是否有空转电动轮，是则进入步骤2.2.2)，否则跳转步骤2.3)；

1.2.2)降低空转电动轮转速并增加空转电动轮电机的纵向转矩值，直到车辆脱离打滑路面。

优选的，步骤1.2.1)中，序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值均大于或等于预设阈值时，序号较小的电动轮为空转电动轮，函数表达式如下所示：

上式中，i＝2n且n≥2，第i个电动轮为空转电动轮，V_i为第i个电动轮的车速，V_i+1为第i+1个电动轮的车速，

为第i个电动轮的加速度，

为第i+1个电动轮的加速度，δ为电动轮加速度差值的阈值，ε为电动轮速度差值的阈值。

优选的，步骤1.2.2)中降低空转电动轮转速并增加空转电动轮电机的纵向转矩值的函数表达式如下：

上式中，i＝2n且n≥2，T₀表示空转电动轮电机纵向转矩值的初始值，T_xi表示空转电动轮电机的实际纵向转矩值，T_m为电机纵向转矩值的最高门槛值，k为转矩上升系数。

优选的，步骤3)还需满足约束条件，具体为：电动轮电机的纵向转矩值小于该电动轮与路面之间的附着力产生的转矩，电动轮电机的纵向转矩值还小于该电机的峰值转矩，同时分配给车辆前部电动轮电机的纵向转矩值大于或等于分配给车辆后部电动轮电机的纵向转矩值。

优选的，步骤3)函数表达式如下：

上式中i＝2n且n≥2，T_Mi表示第i个电动轮电机的执行转矩值，θ为车辆转向角度值，T_xi表示第i个电动轮的电机的实际纵向转矩值，i₀为主减速比，r为轮胎半径，B_i为每一对电动轮的轮间距，μ_i为电动轮与路面之间的附着系数，N_i为车轮垂直载荷，T_max为电机的峰值转矩。

本发明还提供一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制系统，包括：

上层处理器，用于判断车辆当前运行状况，计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，以及计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw；

观测器，用于获取车辆运行状态数据，包括各电动轮电机的执行转矩值T_Mi、车辆的转向角度值θ、失效电机数量、各电动轮的速度以及各电动轮的加速度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将多轮独立电驱动车辆运行中容易出现电机失效、电动轮空转现象和正常运行状态进行在线辨识并做出对应的控制策略。当单个或多个电机失效、以及整车处于轮胎空转打滑模式时，本发明的方法能快速有效进行辨识并确保整车稳定运行，避免电机失效或空转直接造成整车停止运行造成损失。同时本发明的方法还根据各电机的纵向转矩计算驾驶员期望的纵向力矩值和稳定车辆需要的横摆力矩值，提高了车辆的操作体验，提升了工作效率。

附图说明

图1为多轮独立电驱动车辆结构示意图。

图2为本实施例的方法的步骤示意图。

图3为本实施例的方法的具体流程图。

图4为直接转矩控制原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例中的多轮独立电驱动车辆为6轮独立电驱动车辆，如图2和图3所示，本发明的一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，包括以下步骤：

1)判断车辆当前运行状况，当有电机失效时，使失效电机停止工作后进入步骤2)，当有电动轮空转时，使电动轮停止空转后进入步骤2)，当没有电机失效并没有电动轮空转时，进入步骤2)；

2)获取各电动轮电机的执行转矩值T_Mi和车辆的转向角度值θ；

3)根据执行转矩值T_Mi和转向角度值θ计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，根据各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw，所述纵向力矩值T_xreq为所有电动轮电机的纵向转矩值之和，所述横摆力矩值T_yw为每对电动轮电机的纵向转矩值之差的和。

本实施例中1≤i≤6，通过上述步骤，本实施例将多轮独立电驱动车辆运行中容易出现电机失效、电动轮空转现象和正常运行状态进行在线辨识并做出对应的控制策略。当单个或多个电机失效、以及整车处于轮胎空转打滑模式时，本实施例的方法能快速有效进行辨识并确保整车稳定运行，避免电机失效或空转直接造成整车停止运行给矿山运行造成损失。同时本发明的方法还根据各电机的纵向转矩计算驾驶员期望的纵向力矩值和稳定车辆需要的横摆力矩值，提高了车辆的操作体验，提升了工作效率。

本实施例对于步骤1)中车辆当前运行状况的判断结果为：电机失效、车辆打滑以及正常行驶，当车辆没有打滑并没有电机失效时为正常行驶状态，便直接根据所获取的各电动轮电机的T_Mi和转向角度值θ计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，然后通过各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw。

本实施例步骤1)中判断车辆当前运行状况的具体包括以下步骤：

1.1)判断是否存在失效电机，是则为电机失效状态，进行电机失效处理后再进行转矩优化分配，否则进行车辆打滑状态判断；

1.2)判断是否有电动轮空转，是则为车辆打滑状态，进行车辆打滑处理流程后再进行转矩优化分配，否则进行车辆正常行驶状态判断；

1.3)若不存在失效电机及空转电动轮，则为正常行驶状态，进行转矩优化分配。

本实施例的电机失效处理中引进故障因子α_i对电机转矩进行约束，函数表达式如下：

|T_xi|≤|α_iT_max| (4)

本实施例中1≤i≤6，α_i范围在0—1之间；当电机完全失效时，α_i＝0即电机不被分配转矩；当α_i＝1时，即牵引电机可以满载运行，驱动运行状态良好。

本实施例的电机失效处理的优化策略如下：

①单电机失效模式下：该电机的故障因子α_i置0；

②双电机失效模式下：当失效电机分布在两侧，则失效电机α_i置于0；当失效电机分布在同侧，为避免整车车轮力矩不平衡导致跑偏，则将横向相邻电机全部置0，如图1所示，2、4电机失效，则将1、3电机故障因子置0，保留5和6的牵引力；

③三电机失效模式：当三个电机处于同一侧时，如图1所示，1、3、5电机失效，则所有牵引电机的故障因子均置0；当三个电机不是出于同一侧，则将失效电机和失效电机对侧电机因子全部置0，如图1所示，1、3、4电机失效，则将电机1、2、3、4的故障因子α_i置0；

④四电机失效模式：当四个失效电机均位于同一横向轴端，如图1所示，1、2、3、4电机失效，则失效电机故障因子置0；当四个牵引电机不是位于同一横向轴端，如图1所示，1、2、3、6电机失效，则所有电机的故障因子均置0。

本实施例的的电机失效处理在停止给失效电机分配转矩之前还设有制动的步骤，即使车辆速度小于安全速度V₀后再停止给失效电机分配转矩，避免车辆在较快速度下停止给失效电机分配转矩导致意外事故发生。

因此本实施例的步骤1.1)具体包括以下步骤：

1.1.1)读取失效电机数量，若数量大于0，进入下一步，否则跳转步骤1.2)；

1.1.2)实施制动，使车辆速度小于安全速度V₀；

1.1.3)停止给失效电机分配转矩，具体为：当失效电机数量为1个或失效电机数量为2个且在不同侧时，停止给失效电机分配转矩；当失效电机数量为2个且在同一侧或失效电机数量为2个以上时，将失效电机对侧的电机也设置为失效电机，停止给失效电机分配转矩；

1.1.4)跳转步骤2)。

本实施例中判断空转电动轮主要根据电动轮的速度和加速度作为判断依据，判别条件如下：

上式中，i＝2n且n≥2，本实施例中，1≤i≤6，第i个电动轮为空转电动轮，V_i为第i个电动轮的车速，V_i+1为第i+1个电动轮的车速，

为第i个电动轮的加速度，

为第i+1个电动轮的加速度，δ为电动轮加速度差值的阈值，ε为电动轮速度差值的阈值。本实施例中若序号相邻的两个电动轮的速度和转速同时满足式(3)，即序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值均大于或等于预设阈值时，判断为车辆处于打滑状态，序号较小的电动轮为空转电动轮。

本实施例的车辆打滑处理采用黏着控制算法，按一定斜率卸载空转电动轮电机的纵向转矩实现降速增扭，迫使整车脱离打滑路面，空转的第i个电动轮转矩函数表达式如下所示：

上式中，i＝2n且n≥2，本实施例中1≤i≤6，T₀表示空转电动轮电机纵向转矩值的初始值，T_xi表示空转电动轮电机的实际纵向转矩值，T_m为电机纵向转矩值的最高门槛值，k为转矩上升系数。当某个电动轮空转时，控制系统将直接按式(4)中相关函数表达式的比例关系快速加大纵向转矩，转矩值的最高门槛值等于各电动轮中的最大纵向转矩，表示随着空转时间推移下发给电动轮的纵向转矩不断增加直至脱离打滑路面为止。该黏着控制算法结构简单、实现起来较为容易。

因此本实施例的步骤1.2)具体包括以下步骤：

1.2.1)设置阈值，根据序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值与阈值的大小关系判断是否有空转电动轮，具体为：序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值均大于或等于预设阈值时，序号较小的电动轮为空转电动轮，是则进入步骤1.2.2)，否则跳转步骤1.3)；

1.2.2)降低空转电动轮转速并增加空转电动轮电机的纵向转矩值，直到车辆脱离打滑路面。

本实施例中，步骤2)中的各电动轮电机的执行转矩值T_Mi由直接转矩控制系统生成，直接转矩控制系统如图4所示，为具有功率闭环和转矩闭环控制形成双闭环控制系统，电机根据功率参考值

与实际值P_M进行比较并经过功率控制器生成转矩参考值

参考值

与实际值T_M经过比较控制器、转矩控制器和逆变器实现电机转矩精准控制，其中功率参考值

由上层控制器接受观测器反馈的油门踏板信号、方向手柄信号和电机转速信号生成该电机的功率参考值。

本实施例的步骤3)还需满足约束条件，具体为：电动轮电机的纵向转矩值小于该电动轮与路面之间的附着力产生的转矩，电动轮电机的纵向转矩值还小于该电机的峰值转矩，同时分配给车辆前部电动轮电机的纵向转矩值大于或等于分配给车辆后部电动轮电机的纵向转矩值。因此本实施例的步骤3)需要同时满足函数表达式如下：

上式中，i＝2n且n≥2，本实施例中1≤i≤6，T_Mi表示第i个电动轮电机的执行转矩值，θ为车辆转向角度值，T_xi表示第i个电动轮的电机的实际纵向转矩值，i₀为主减速比，r为轮胎半径，B_i为每一对电动轮的轮间距，μ_i为电动轮与路面之间的附着系数，N_i为车轮垂直载荷，T_max为牵引电机的峰值转矩。

本发明还提供一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制系统，包括：

上层处理器，用于判断车辆当前运行状况，计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，以及计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw；

观测器，用于获取车辆运行状态数据，包括各电动轮电机的执行转矩值T_Mi、车辆的转向角度值θ、失效电机数量、各电动轮的速度以及各电动轮的加速度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)判断车辆当前运行状况，当有电机失效时，使失效电机停止工作后进入步骤2)，当有电动轮空转时，使电动轮停止空转后进入步骤2)，当没有电机失效并没有电动轮空转时，进入步骤2)；

2)获取各电动轮电机的执行转矩值T_Mi和车辆的转向角度值θ；

3)根据执行转矩值T_Mi和转向角度值θ计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，根据各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw，所述纵向力矩值T_xreq为所有电动轮电机的纵向转矩值之和，所述横摆力矩值T_yw为每对电动轮电机的纵向转矩值之差的和。

2.根据权利要求1所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)判断是否存在失效电机，是则实施制动后停止失效电机运转并跳转步骤2)，否则进入步骤1.2)；

1.2)判断是否有电动轮空转，是则增大空转电动轮转矩后跳转步骤3)，否则进入步骤1.3)；

1.3)进入步骤3)。

3.根据权利要求2所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤1.1)包括以下步骤：

1.1.1)读取失效电机数量，若数量大于0，进入下一步，否则跳转步骤1.2)；

1.1.2)实施制动，使车辆速度小于安全速度V₀；

1.1.3)停止给失效电机分配转矩；

1.1.4)跳转步骤2)。

4.根据权利要求3所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤1.1.3)具体为：当失效电机数量为1个或失效电机数量为2个且在不同侧时，停止给失效电机分配转矩；当失效电机数量为2个且在同一侧或失效电机数量为2个以上时，将失效电机对侧的电机也设置为失效电机，停止给失效电机分配转矩。

5.根据权利要求2所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤1.2)包括以下步骤：

1.2.1)设置阈值，根据序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值与阈值的大小关系判断是否有空转电动轮，是则进入步骤1.2.2)，否则跳转步骤1.3)；

1.2.2)降低空转电动轮转速并增加空转电动轮电机的纵向转矩值，直到车辆脱离打滑路面。

6.根据权利要求5所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤1.2.1)中，序号相邻的两个电动轮的速度之差和加速度之差的绝对值均大于或等于预设阈值时，序号较小的电动轮为空转电动轮，函数表达式如下所示：

上式中，i＝2n且n≥2，第i个电动轮为空转电动轮，V_i为第i个电动轮的车速，V_i+1为第i+1个电动轮的车速，

为第i个电动轮的加速度，

为第i+1个电动轮的加速度，δ为电动轮加速度差值的阈值，ε为电动轮速度差值的阈值。

7.根据权利要求5所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤1.2.2)中降低空转电动轮转速并增加空转电动轮电机的纵向转矩值的函数表达式如下：

上式中，i＝2n且n≥2，T₀表示空转电动轮电机纵向转矩值的初始值，T_xi表示空转电动轮电机的实际纵向转矩值，T_m为电机纵向转矩值的最高门槛值，k为转矩上升系数。

8.根据权利要求1所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤3)还需满足约束条件，具体为：电动轮电机的纵向转矩值小于该电动轮与路面之间的附着力产生的转矩，电动轮电机的纵向转矩值还小于该电机的峰值转矩，同时分配给车辆前部电动轮电机的纵向转矩值大于或等于分配给车辆后部电动轮电机的纵向转矩值。

9.根据权利要求8所述的多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制方法，其特征在于，步骤3)函数表达式如下：

上式中，i＝2n且n≥2，T_Mi表示第i个电动轮电机的执行转矩值，θ为车辆转向角度值，T_xi表示第i个电动轮的电机的实际纵向转矩值，i₀为主减速比，r为轮胎半径，B_i为每一对电动轮的轮间距，μ_i为电动轮与路面之间的附着系数，N_i为车轮垂直载荷，T_max为电机的峰值转矩。

10.一种多轮独立电驱动车辆的稳定性优化控制系统，其特征在于，包括：

上层处理器，用于判断车辆当前运行状况，计算各电动轮电机的实际纵向转矩值T_xi，以及计算车辆的纵向力矩值T_xreq和横摆力矩值T_yw；

观测器，用于获取车辆运行状态数据，包括各电动轮电机的执行转矩值T_Mi、车辆的转向角度值θ、失效电机数量、各电动轮的速度以及各电动轮的加速度。

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