CN112758096A - 一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统及方法，包括：采集驱动轮角速度、电机输出转矩、油门踏板开度等信息；通过驱动轮的角速度和角加速度变化判断驱动轮是否处于打滑状态，并参考驾驶员的意图，获得电机转矩控制命令；控制电机输出转矩从而控制驱动轮的转矩，本发明通过驱动轮角速度、角加速度信息判断驱动轮是否处于打滑状态，无需计算驱动轮滑转率，无需识别道路最佳滑转率，增强了驱动防滑对各种路面、天气的适应性。

Description

一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统及方法
技术领域
本发明属于电动汽车驱动防滑控制技术领域，具体是一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统及方法。
背景技术
汽车在光滑路面起步、加速时，容易出现打滑现象。驱动轮打滑时，滑转率过大会导致驱动力的减小，汽车的动力性降低；会导致侧向力的减小，汽车的方向稳定性、转向控制性降低，影响行车安全；会导致驱动轮转速急速增大，车轮剧烈磨损。
目前常用的驱动防滑系统采用的是将驱动轮滑转率控制在最佳滑转率附近的控制策略，包含以下几个难点：
1、驱动轮滑转率难以精准计算，目前使用广泛、成本低廉的计算驱动轮滑转率的方法是以从动轮的转速代替车速进行计算，但是从动轮的转速与车速并不完全等同，以从动轮和驱动轮转速计算出的滑转率并不精确，并且对于一些全驱动车型并不适用，而为了更精确的计算驱动轮滑转率或适应一些全驱动车型而使用GPS等设备测量车速又会增加系统开发生产成本；
2、最佳滑转率难以确定。不同路面条件下，驱动轮的最佳滑转率不同。目前确定道路最佳滑转率主要有两种方法，一种通过轮速传感器等设备获取车辆信息，再通过车辆动力学估算道路最佳滑转率，准确性较差；一种通过摄像头、超声波等设备直接识别道路最佳滑转率，成本高，对天气环境适应性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，包括数据采集模块和判断模块，所述数据采集模块采集驱动轮角速度和角加速度，所述判断模块通过数据采集模块的信息判断驱动轮是否处于打滑状态，判断模块的工作步骤如下：
在车轴作用于驱动轮的转矩恒定的条件下，当驱动轮处于加速状态时，若角加速度随时间增大，则驱动轮处于打滑状态；
当驱动轮处于减速状态时，若角加速度的绝对值随时间增大，则驱动轮处于打滑状态。
作为本发明再进一步的方案：该控制系统的方法包括如下步骤：
步骤一：整车控制器通过数据采集模块采集的驱动轮角速度、油门开度对应的电机转矩和电机的输出转矩信息；
步骤二：整车控制器接收步骤一采集的受驱动轮角速度w1、w2、w3、油门开度对应的电机转矩Ta、电机的输出转矩Te等信息，执行控制算法模块，向电机控制器输出转矩命令T′e；
步骤三:电机控制器响应整车控制器发出的转矩命令，控制电机输出转矩Te；
步骤四：电机转矩通过传动系统传递给驱动轮车轴，车轴输出转矩Tp，驱动轮胎转动。
作为本发明再进一步的方案：步骤一所述数据采集模块包括：轮速传感器、转矩传感器、油门踏板传感器，所述转速传感器用于采集驱动轮的角速度，所述转矩传感器用于采集电机的输出转矩，所述油门踏板传感器用于采集油门踏板开度。
作为本发明再进一步的方案：步骤一中整车控制器采集轮速传感器数据的周期设为20ms，采集转矩传感器数据的周期设为60ms，采集油门踏板传感器数据的周期设为60ms，具体采集方式为从整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e的时刻t0开始等待20ms，作为电机响应转矩命令并达到稳定输出的过渡时间，再采集驱动轮角速度w1，40ms后采集驱动轮角速度w2，60ms后采集驱动轮角速度w3和油门开度对应的电机转矩Ta以及电机的输出转矩Te。
作为本发明再进一步的方案：步骤二中整车控制器向电机控制器发送转矩命令的周期为60ms，通过驱动轮角速度和角加速度的变化判断驱动轮是否处于打滑状态的前提是车轴作用于驱动轮的转矩恒定，传统油车以节气门开度控制发送机工作，在加速行驶过程中很难实现发动机恒转矩输出；但是电车的电机由电信号控制电机转矩输出，在电信号控制周期内，可实现相对恒定的转矩输出。
作为本发明再进一步的方案：步骤二中控制算法模块的流程包括以下步骤：
1)判断(w3＞w2＞w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于加速状态，执行步骤2)；如果不为真，则执行步骤5)；
2)判断(w3-w2)＞(w2-w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于加速打滑状态，驱动轮滑转率s＞s0，且滑转率s依然处于增大状态，执行步骤3)；如果不为真，则执行步骤9)；
3)判断Ta＞0.8(Te-Iα/iη)是否为真，式中：Tp＝Teiη，i为传动系统传动比，η为传动系统效率，如果为真，此时驾驶员通过油门发送的转矩命令大于控制算法输出的转矩命令，则执行步骤4)；如果不为真，则执行步骤9)；
4)整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e＝0.8(Te-Iα/iη)，执行步骤3)；
5)判断(w3＜w2＜w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于减速状态，执行步骤6)；如果不为真，则执行步骤9)；
6)判断(w1-w2)＜(w2-w3)是否为真，如果为真，此时虽然驱动轮处于减速打滑状态，滑转率s逐渐降低，但是依然大于最佳滑转率s0，需要继续降速，执行步骤7)；如果不为真，则执行步骤9)；
7)判断Ta＞Te是否为真，如果为真，此时驾驶员通过油门发送的转矩命令大于控制算法输出的转矩命令，则执行步骤8)；如果不为真，则执行步骤9)；
8)整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e＝Te，执行步骤3)；
9)整车控制器响应驾驶员的驾驶意向，向电机控制器发送油门踏板开度对应转矩命令T′e＝Ta，执行步骤3)。
作为本发明再进一步的方案：步骤4)和步骤8)中电机转矩降不为0，能够减小电机降矩的幅度，提高乘坐的舒适性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明无需直接计算滑转率、识别当前路面最佳滑转率，而是通过驱动轮角速度、角加速度和滑转率之间的关系，自动调节电机转矩，使得驱动轮的滑转率保持在最佳范围内，避免了滑转率计算和路面最佳滑转率识别不精准的问题；
2、无需使用GPS、摄像头、超声波等设备，节约了驱动防滑系统的开发生产成本；
3、车型适用性广，无论是前驱、后驱、全驱的电动车都可适用；对各种道路、天气的适用性强。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1车辆行驶时驱动轮受力图；
图2驱动力系数和滑转率关系图；
图3驱动力矩和滑转率关系图；
图4加速时驱动轮力矩分析图；
图5减速时驱动轮力矩分析图；
图6基于电机转矩控制的驱动防滑策略流程图；
图7数据采集和发送命令周期图；
图8控制算法流程图；
图9为步骤4)滑转率S的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为车辆行驶时，驱动轮的受力分析，图中：Ft为地面对驱动轮的反作用力，此力为驱动轮转动的阻力，也是驱动汽车前进的驱动力；Tt为驱动力作用于驱动轮的力矩；Tp为车轴作用于驱动轮的转矩；FP为转矩Tp产生的对地面的圆周力；W为驱动轮垂直载荷；Fr为车轴对驱动轮的阻力；r为驱动轮半径。分析可知：
Tp＝Fpr
Figure BDA0002944920500000051
式中：
Figure BDA0002944920500000052
为驱动力系数，驱动力与垂直载荷之比。
如图2所示为驱动力系数和滑转率s的关系图，图中s0为最佳滑转率，此时驱动力系数
Figure BDA0002944920500000053
最大。当s＞s0时，则驱动轮处于打滑状态。在驱动轮垂直载荷W和驱动轮半径r不变的情况下，驱动力矩Tt和滑转率s关系如图3所示。
当车辆以匀速行驶时，轮胎以匀角速度转动，此时轮胎的滑转率稳定在某个固定值，驱动力系数
Figure BDA0002944920500000061
也因此稳定在某个固定值，且：
Fp＝Ft＝Fr
Figure BDA0002944920500000062
若给轮胎施加一个转矩Tp，且使Tp＞Tt，如图4所示，则：
Tp-Tt＝Iα＞0
式中：I为驱动轮的转动惯量；α为驱动轮的角加速度。驱动轮处于加速状态，滑转率s随时间增大。则当s＜s0时，(Tp-Tt)随时间减小，轮胎的角加速度α也随时间减小；s＞s0时，(Tp-Tt)随时间增大，轮胎的角加速度α也随时间增大。
若给轮胎施加一个转矩Tp，且使Tp＜Tt，如图5所示，则：当s1＜s＜100％时，Tp＜Tt，
Tp-Tt＝Iα＜0
驱动轮处于减速状态，滑转率s随时间减小。则当s0＜s＜100％，|Tp-Tt|随时间增大，|α|也随时间增大；当s1＜s＜s0时，|Tp-Tt|随时间减小，|α|也随时间减小。
由上分析可知：在车轴作用于驱动轮的转矩Tp恒定的条件下，当驱动轮处于加速状态时，若角加速度随时间增大则驱动轮处于打滑状态；当驱动轮处于减速状态时，若角加速度的绝对值随时间增大则驱动轮处于打滑状态，据此理论本发明提出一种基于电机转矩控制的驱动轮防滑控制系统的方法，如图6所示，具体包括以下步骤：
S1：整车控制器通过数据采集模块，包括：轮速传感器、转矩传感器、油门踏板传感器采集驱动轮角速度、电机输出转矩、油门踏板开度等信息。整车控制器采集轮速传感器数据的周期设为20ms，采集转矩传感器数据的周期设为60ms，采集油门踏板传感器数据的周期设为60ms；
具体采集方式如图7所示：从整车控制器向电机控制器发送转矩命令Te′的时刻t0开始等待20ms，作为电机响应转矩命令并达到稳定输出的过渡时间，再采集驱动轮角速度w1，40ms后采集驱动轮角速度w2，60ms后采集驱动轮角速度w3和油门开度对应的电机转矩Ta以及电机的输出转矩Te；
S2：整车控制器接受驱动轮角速度w1、w2、w3、油门开度对应的电机转矩Ta、电机的输出转矩Te等信息，执行控制算法模块，向电机控制器输出转矩命令T′e。整车控制器向电机控制器发送转矩命令的周期为60ms，可知，通过驱动轮角速度和角加速度的变化判断驱动轮是否处于打滑状态的前提是转矩Tp恒定，传统油车以节气门开度控制发送机工作，在加速行驶过程中很难实现发动机恒转矩输出；但是电车的电机由电信号控制电机转矩输出，在电信号控制周期内，可实现相对恒定的转矩输出；
控制算法模块如图8所示，具体包括以下步骤：
1)判断(w3＞w2＞w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于加速状态，执行步骤2)；如果不为真，则执行步骤5)；
2)2)判断(w3-w2)＞(w2-w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于加速打滑状态，驱动轮滑转率s＞s0，且滑转率s依然处于增大状态，执行步骤3)；如果不为真，则执行步骤9)；
3)判断Ta＞0.8(Te-Iα/iη)是否为真，式中：Tp＝Teiη，i为传动系统传动比，η为传动系统效率，如果为真，此时驾驶员通过油门发送的转矩命令大于控制算法输出的转矩命令，则执行步骤4)；如果不为真，则执行步骤9)；
4)整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e＝0.8(Te-Iα/iη)，执行步骤3)，如图9中所示，通过本周期中驱动轮的转矩Tp下驱动轮的角加速度α可以推导出此时地面对驱动轮的反作用力Tt，如果下周期将车轴对驱动轮的转矩降为0.8Tt＝0.8(Tp-Iα)，则Tp-Tt＝Iα＜0，驱动轮转速减低，滑转率s降低，向最佳滑转率靠近，当车轴对驱动轮的转矩降为0.8Tt＝0.8(Tp-Iα)时，电机的对应转矩为0.8(Te-Iα/iη)，此处不将电机转矩降为0，是为了减小电机降矩的幅度，提高乘坐的舒适性；
5)判断(w3＜w2＜w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于减速状态，执行步骤6)；如果不为真，则执行步骤9)；
6)判断(w1-w2)＜(w2-w3)是否为真，如果为真，此时虽然驱动轮处于减速打滑状态，滑转率s逐渐降低，但是依然大于最佳滑转率s0，需要继续降速，执行步骤7)；如果不为真，则执行步骤9)；
7)判断Ta＞Te是否为真，如果为真，此时驾驶员通过油门发送的转矩命令大于控制算法输出的转矩命令，则执行步骤8)；如果不为真，则执行步骤9)；
8)整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e＝Te，执行步骤3)，如果电机执行此命令则驱动轮转矩保持不变，驱动轮转速继续降低，滑转率s降低，向最佳滑转率靠近，此处不将电机转矩降为0，是为了减小电机降矩的幅度，提高乘坐的舒适性；
9)整车控制器响应驾驶员的驾驶意向，向电机控制器发送油门踏板开度对应转矩命令T′e＝Ta，执行步骤3)。
S3：电机控制器响应整车控制器发出的转矩命令，控制电机输出转矩Te；
S4：电机转矩通过传动系统传递给驱动轮车轴，车轴输出转矩Tp，驱动轮胎转动。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，其特征在于，包括数据采集模块和判断模块，所述数据采集模块采集驱动轮角速度和角加速度，所述判断模块通过数据采集模块的信息判断驱动轮是否处于打滑状态，判断模块的工作步骤如下：
在车轴作用于驱动轮的转矩恒定的条件下，当驱动轮处于加速状态时，若角加速度随时间增大，则驱动轮处于打滑状态；
当驱动轮处于减速状态时，若角加速度的绝对值随时间增大，则驱动轮处于打滑状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，其特征在于，该控制系统的方法包括如下步骤：
步骤一：整车控制器通过数据采集模块采集的驱动轮角速度、油门开度对应的电机转矩和电机的输出转矩信息；
步骤二：整车控制器接收步骤一采集的受驱动轮角速度w1、w2、w3、油门开度对应的电机转矩Ta、电机的输出转矩Te等信息，执行控制算法模块，向电机控制器输出转矩命令T′e；
步骤三:电机控制器响应整车控制器发出的转矩命令，控制电机输出转矩Te；
步骤四：电机转矩通过传动系统传递给驱动轮车轴，车轴输出转矩Tp，驱动轮胎转动。
3.根据权利要求2所述的一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，其特征在于，步骤一中整车控制器采集轮速传感器数据的周期设为20ms，采集转矩传感器数据的周期设为60ms，采集油门踏板传感器数据的周期设为60ms，具体采集方式为从整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e的时刻t0开始等待20ms，作为电机响应转矩命令并达到稳定输出的过渡时间，再采集驱动轮角速度w1，40ms后采集驱动轮角速度w2，60ms后采集驱动轮角速度w3和油门开度对应的电机转矩Ta以及电机的输出转矩Te。
4.根据权利要求2所述的一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，其特征在于，步骤二中整车控制器向电机控制器发送转矩命令的周期为60ms，通过驱动轮角速度和角加速度的变化判断驱动轮是否处于打滑状态的前提是车轴作用于驱动轮的转矩恒定，传统油车以节气门开度控制发送机工作，在加速行驶过程中很难实现发动机恒转矩输出；但是电车的电机由电信号控制电机转矩输出，在电信号控制周期内，可实现相对恒定的转矩输出。
5.根据权利要求2所述的一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，其特征在于，步骤二中控制算法模块的流程包括以下步骤：
1)判断(w3＞w2＞w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于加速状态，执行步骤2)；如果不为真，则执行步骤5)；
2)判断(w3-w2)＞(w2-w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于加速打滑状态，驱动轮滑转率s＞s0，且滑转率s依然处于增大状态，执行步骤3)；如果不为真，则执行步骤9)；
3)判断Ta＞0.8(Te-Iα/iη)是否为真，式中：Tp＝Teiη，i为传动系统传动比，η为传动系统效率。如果为真，此时驾驶员通过油门发送的转矩命令大于控制算法输出的转矩命令，则执行步骤4)；如果不为真，则执行步骤9)；
4)整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e＝0.8(Te-Iα/iη)，执行步骤(3)；
5)判断(w3＜w2＜w1)是否为真，如果为真，此时驱动轮处于减速状态，执行步骤6)；如果不为真，则执行步骤9)；
6)判断(w1-w2)＜(w2-w3)是否为真，如果为真，此时虽然驱动轮处于减速打滑状态，滑转率s逐渐降低，但是依然大于最佳滑转率s0，需要继续降速，执行步骤7)；如果不为真，则执行步骤9)；
7)判断Ta＞Te是否为真，如果为真，此时驾驶员通过油门发送的转矩命令大于控制算法输出的转矩命令，则执行步骤8)；如果不为真，则执行步骤9)；
8)整车控制器向电机控制器发送转矩命令T′e＝Te，执行步骤(3)；
9)整车控制器响应驾驶员的驾驶意向，向电机控制器发送油门踏板开度对应转矩命令T′e＝Ta，执行步骤(3)。
6.根据权利要求5所述的一种基于电机转矩控制的智能驱动防滑控制系统，其特征在于，步骤4)和步骤8)中电机转矩降不为0。
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