CN113002528A

CN113002528A - 四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统

Info

Publication number: CN113002528A
Application number: CN202110335160.1A
Authority: CN
Inventors: 赵泽; 顾亮
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-06-22

Abstract

本发明涉及一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统。该方法包括：获取车辆参考模型；基于所述车辆参考模型构建滑模面，并根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的横摆力矩、总转矩和驱动转矩；根据所述横摆力矩、所述总转矩和所述驱动转矩确定四个车轮的转矩。本发明提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统，针对加速同时转向而地面附着力不足并且路面附着情况未知的工况，提供了对路面附着系数具有良好鲁棒性的驱动防滑控制方法，并通过对车辆纵、侧向动力学目标进行优先级判断和多目标协调控制，实现了稳定性协调控制，有效提升了车辆的侧向和纵向稳定性。

Description

四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，特别是涉及一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统。

背景技术

四轮轮毂电机驱动电动汽车利用四个转矩精确可控的轮毂电机作为驱动系统，具有传动链短、传动效率高、结构紧凑等优点。由于各轮毂电机独立可控，可以通过对两侧车轮分配不同的转矩，甚至一侧驱动一侧制动，实现直接横摆力矩控制，在此基础上可以使车辆在加速过程中实现避障。在车辆同时加速和转向时，如果路面附着系数较小无法给轮胎提供所需的纵向和侧向力，车辆容易出现滑转、失去转向能力或甩尾等失稳情况，非常危险。因此，研究车辆的纵、侧向稳定性协调控制策略，全面提高车辆的稳定性，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统，以对车辆的纵、侧向稳定性协调进行控制，提高车辆稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法，包括：

获取车辆参考模型；

基于所述车辆参考模型构建滑模面，并根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的横摆力矩、总转矩和驱动转矩；

根据所述横摆力矩、所述总转矩和所述驱动转矩确定四个车轮的转矩。

优选地，所述基于所述车辆参考模型构建滑模面，并根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的横摆力矩、总转矩和驱动转矩，具体包括：

基于所述车辆参考模型确定车轮纵向力-车轮滑转率曲线；

获取预设趋近系数和当前时刻所述车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率；

根据所述趋近系数和当前时刻所述车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率构建滑模面；

根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的横摆力矩；

获取当前车辆的加速度信号和车辆质量；

根据所述加速度信号和所述车辆质量确定车辆加速的总转矩；

根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的驱动转矩。

优选地，所述横摆力矩为ΔM：

式中，I_z为横摆角转动惯量，c_ω为权重系数，

为横摆角速度实际值与期望值的偏差的导数，a为前轴距质心的距离，k_f为前轮的侧偏刚度，b为后轴距质心的距离，k_r为后轮的侧偏刚度，

为车辆质心侧偏角的导数，v_x为车速，

为横摆角加速度，

为车辆前轮转角的导数，

为横摆角速度期望值的二阶导数，ε为趋近律常数，s_ω为滑模面，

sat为符号函数；

所述总转矩为T_exp：

T_exp＝ma_x；

式中，m为车辆质量，a_x为车辆加速度信号；

所述驱动转矩为T_max：

其中，R_e为轮胎的有效滚动半径，F_x为车轮纵向力，J_w为轮系的转动惯量，M为滑模面系数，sgn[·]为阶跃函数，H为周期系数。

优选地，所述根据所述横摆力矩、所述总转矩和所述驱动转矩确定四个车轮的转矩，具体包括：

采用多目标优化方法，根据所述横摆力矩、所述总转矩和所述驱动转矩确定四个车轮的转矩。

优选地，所述采用多目标优化方法，根据所述横摆力矩、所述总转矩和所述驱动转矩确定四个车轮的转矩，具体包括：

获取优化目标；所述优化目标包括目标方程和边界约束；

根据所述优化目标生成优化问题；所述优化问题为：

式中，α1和α2均权重系数，F_xi为控制变量，表示各车轮纵向力；i＝1,2,3,4，表示四个车轮；F_i为，m为车辆质量，a_x为车辆加速度信号，μ_i为所在路面的附着系数，F_zi为各车轮垂向力，B_w为轮距，δ为车辆前轮转角，ΔM为横摆力矩，F_xi,max为车轮最大驱动力；

获取车轮在转动方向的动力学模型；

根据所述优化问题确定控制变量；

基于所述车轮在转动方向的动力学模型，根据所述控制变量确定四个车轮的转矩。

一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制系统，包括：

车辆参考模型获取模块，用于获取车辆参考模型；

上层控制器，与所述车辆参考模型获取模块连接，用于基于所述车辆参考模型构建滑模面，并根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的横摆力矩、总转矩和驱动转矩；

下层控制器，与所述上层控制器连接，用于根据所述横摆力矩、所述总转矩和所述驱动转矩确定四个车轮的转矩。

优选地，所述车辆参考模型获取模块包括：

驾驶员输入单元，用于获取踏板输入的加速度信号和方向盘输入的转角信息。

优选地，所述上层控制器包括：

直接横摆力矩控制单元，用于基于所述车辆参考模型确定车轮纵向力-车轮滑转率曲线，获取预设趋近系数和当前时刻所述车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率，根据所述趋近系数和当前时刻所述车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率构建滑模面，根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的横摆力矩；

确定防滑控制单元，用于获取当前车辆的加速度信号和车辆质量，根据所述加速度信号和所述车辆质量确定车辆加速的总转矩，根据所述车辆参考模型和所述滑模面确定车辆的驱动转矩。

优选地，还包括：

轮毂电机模块，与所述下层控制器连接，用于执行所述下层控制器中确定的四个车轮的转矩。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法和系统，针对加速同时转向而地面附着力不足并且路面附着情况未知的工况，提供了对路面附着系数具有良好鲁棒性的驱动防滑控制方法，并通过对车辆纵、侧向动力学目标进行优先级判断和多目标协调控制，实现了稳定性协调控制，有效提升了车辆的侧向和纵向稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的轮胎纵向力与车轮滑转率间的关系曲线图；

图3为本发明实施例提供的车轮在转动方向的动力学模型的示意图；

图4为本发明实施例提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制系统的结构示意图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法包括：

步骤100：获取车辆参考模型。

步骤110：基于车辆参考模型构建滑模面，并根据车辆参考模型和滑模面确定车辆的横摆力矩、总转矩和驱动转矩。

步骤120：根据横摆力矩、总转矩和驱动转矩确定四个车轮的转矩。

其中，上述步骤110，具体包括：

基于车辆参考模型确定车轮纵向力-车轮滑转率曲线。

获取预设趋近系数和当前时刻车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率。

根据趋近系数和当前时刻车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率构建滑模面。

根据车辆参考模型和滑模面确定车辆的横摆力矩。

获取当前车辆的加速度信号和车辆质量。

根据加速度信号和车辆质量确定车辆加速的总转矩。

根据车辆参考模型和滑模面确定车辆的驱动转矩。

具体的，构建滑模面是采用滑模控制方法设计驱动防滑控制策略的基础，因此，构建滑模面s如下

s＝(γ-γ_d)²+ρt (1)

其中，γ为图2中轮胎纵向力-车轮滑转率曲线的斜率，最优斜率值γ_d＝0，代表最优滑转率所在位置。t表示时间，ρ为正值，表示趋近系数。对该滑模面求导可以得出，当

时，d[(γ-γ_d)²]/dt＝-ρ，代表(γ-γ_d)²随着时间不断减小，即γ趋于γ_d，相应地，车轮滑转率将趋于最优滑转率λ_d。对公式(1)求导后的展开式为

令

其中，M为正值，代表滑模面系数。H为周期系数。

进一步，将公式

公式(1)和(3)代入车轮在转动方向的动力学模型，可以计算得到车轮的驱动转矩T_max为：

式中，其中，R_e为轮胎的有效滚动半径，F_x为车轮纵向力，J_w为轮系的转动惯量，M为滑模面系数，sgn[·]为阶跃函数，H为周期系数。

在公式(4)中，系统输入包括车速v_x和纵向加速度a_x，其中a_x可以由驾驶员的踏板输入信号计算得到。

上述步骤110即为驱动防滑控制方法，其证明过程如下：

将公式(3)带入公式(2)可以推导得到

根据三角函数特性，当H＜s(0)＜2H时，有如下两种情况：

s(0)为滑模面的初值。

在第一种情况中，将公式(6)带入公式(5)时，可以计算得到

假设Q＝(s-H)，则

因此，

当

时，上式为负值，即

则有

即

因此，随着时间的推移，有

即

在第二种情况中，将公式(7)带入公式(5)时，可以推导得到：

假设P＝(s-2H)，则

因此，

当

时，上式为负值，即

则有

即

因此随着时间的推移，有

即

综上，基于公式(2)和(3)构建的滑模控制律能够实现对最优曲线斜率γ_d的追踪，进而实现对路面最优滑转率λ_d的自适应追踪。该方法无需预知λ_d，因此无需预知或在线估计路面附着系数，在任意路面上均能够实现车辆的驱动防滑控制。

基于上述设计的驱动防滑控制策略，设计一种四轮轮毂电机驱动电动汽车纵向和侧向稳定性协调控制方法，针对加速同时转向而路面附着力不足的工况，能够同时提升车辆的纵向和侧向稳定性，并且对路面附着系数具有良好的稳定性，无需预知或在线估计路面附着系数，能够适用于未知或复杂多变的路面工况。

首先，采用二自由度车辆动力学模型构建车辆参考模型(即上述步骤100中获取的车辆参考模型)，如下所示：

其中，ω为横摆角速度，β为质心侧偏角，δ为车辆前轮转角，k_f和k_r分别为前、后轮的侧偏刚度，a和b分别为前轴和后轴距质心的距离，m和I_z分别为整车质量和横摆转动惯量。

当车辆处于稳态时，横摆角速度ω和质心侧偏角β均为定值，即

据此可以计算出横摆角速度的稳态期望值ω_d如下。

其中，

为车辆的稳定性因子，L为轴距。

此外，横摆角速度的最大值ω_max受路面附着极限的限制如下。

|ω_max|＝μg/v_x (14)

其中，μ为路面附着系数。因此，横摆角速度的期望值可以表示为如下形式：

基于此进一步构建滑模面，具体为：

在公式(12)的二自由度车辆动力学模型中加入直接横摆力矩ΔM，可以得到如下公式：

令横摆角速度ω追踪横摆角速度期望值ω_d，将追踪误差定义为e_ω＝ω-ω_d根据上述追踪误差，构建得到的稳定性协调控制方法的滑模面如下：

其中，c_ω＞0表示权重系数，用于调节追踪误差和误差变化率的权重比例。

对公式(20)的滑模面求导，可以推导得到如下等式：

使系统的状态点以等速趋近律来趋近滑模面，等速趋近律的公式为：

其中ε为趋近律常数，ε>0。为了抑制滑模控制效果中的抖振现象，用饱和函数sat(s_ω)替代上述等速趋近律中的符号函数sgn(s_ω)，得到新的趋近律如下：

根据公式(19)、公式(21)和公式(22)结合，可以求得滑模控制律(即直接横摆力矩)如下：

上式计算出的直接横摆力矩ΔM能够使车辆的横摆角速度ω追踪横摆角速度期望值ω_d。

此外，根据驾驶员通过加速踏板输入的加速度信号a_x计算出车辆加速所需的总转矩T_exp为：

T_exp＝ma_x (21)

进一步，为了提高车辆稳定的控制，上述步骤120中主要是采用多目标优化方法，根据横摆力矩、总转矩和驱动转矩确定四个车轮的转矩，具体包括：

获取优化目标。优化目标包括目标方程和边界约束。

根据优化目标生成优化问题。优化问题为：

式中，α1和α2均权重系数，F_xi为控制变量，表示各车轮纵向力。i＝1,2,3,4，表示四个车轮。F_i为，m为车辆质量，a_x为车辆加速度信号，μ_i为所在路面的附着系数，F_zi为各车轮垂向力，B_w为轮距，δ为车辆前轮转角，ΔM为横摆力矩，F_xi,max为车轮最大驱动力。

获取车轮在转动方向的动力学模型。如图3所示，在驱动工况中，车轮在转动方向的动力学模型可以表示为：

其中，J_w表示轮系的转动惯量，R_e为轮胎的有效滚动半径，ω_r表示车轮的轮速，T_d为车轮的驱动力矩，F_x为轮胎纵向力，由于轮毂电机的转矩可以测得，因此通过车轮在转动方向的动力学模型可以计算出相应的纵向力F_x。

根据优化问题确定控制变量。

基于车轮在转动方向的动力学模型，根据控制变量确定四个车轮的转矩。

具体的，目标1中的最小化轮胎纵向力可以表示为如下目标方程：

其中，i＝1,2,3,4分别代表四个车轮，F_xi、F_zi和μ_i分别表示各个车轮的纵向力、垂向力和所在路面的附着系数。

目标2可以表示为如下目标方程：

目标3可以表示为等式约束，如下所示：

其中，B_w为轮距。

在目标4中，驱动防滑控制方法计算出的转矩T_max表征车轮不发生过度滑转的最大转矩，将各个车轮的最大转矩表示为T_i,max，因此各个车轮的纵向力不能超过该最大转矩对应的纵向力，如公式(26)所示。根据车轮在转动方向的动力学模型可以求得与最大转矩相对应的轮胎最大驱动力F_xi,max，如公式28所示。由于本发明设计的驱动防滑控制策略无需预知或在线估计路面附着系数，对未知或多变的复杂路面工况具有良好的鲁棒性，因此，基于该驱动防滑控制策略构建的稳定性协调控制策略也对路面附着系数有良好的鲁棒性。

F_xi≤F_xi,max (26)

将目标1和目标2中的目标方程加权求和构成新的目标方程，并且将目标3和目标4作为边界约束，得到上述优化问题。

通过求解该优化问题可以得到控制变量F_xi。进一步可以通过车轮在转动方向的动力学模型计算出每个车轮的转矩T_i。

其中，ω_i表示各个车轮的轮速。

基于上述提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法，本发明还提供了一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制系统，如图4所示，该系统包括：车辆参考模型获取模块(图中未直接示出)、上层控制器和下层控制器。

其中，车辆参考模型获取模块用于获取车辆参考模型。

上层控制器与车辆参考模型获取模块连接，上层控制器用于基于车辆参考模型构建滑模面，并根据车辆参考模型和滑模面确定车辆的横摆力矩、总转矩和驱动转矩。

下层控制器与上层控制器连接，下层控制器用于根据横摆力矩、总转矩和驱动转矩确定四个车轮的转矩。

进一步，上述车辆参考模型获取模块包括：驾驶员输入单元。

其中，驾驶员输入单元中包含驾驶员通过加速踏板输入的加速度信号和通过方向盘输入的转角信息。上层控制器包括直接横摆力矩控制单元和驱动防滑控制单元。下层控制器用于转矩优化分配。

进一步，上述上层控制器包括：

直接横摆力矩控制单元，用于基于车辆参考模型确定车轮纵向力-车轮滑转率曲线，获取预设趋近系数和当前时刻车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率，根据趋近系数和当前时刻车轮纵向力-车轮滑转率曲线的斜率构建滑模面，根据车辆参考模型和滑模面确定车辆的横摆力矩。

确定防滑控制单元，用于获取当前车辆的加速度信号和车辆质量，根据加速度信号和车辆质量确定车辆加速的总转矩，根据车辆参考模型和滑模面确定车辆的驱动转矩。

进一步，如图4所示，上述提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制系统还包括：

轮毂电机模块，与下层控制器连接，用于执行下层控制器中确定的四个车轮的转矩。

其中，在上层控制器中，直接横摆力矩控制单元用于提高车辆的侧向稳定性，其中包括由车辆二自由度动力学模型构成的参考模型和用于计算直接横摆力矩的滑模控制器。

首先采用二自由度车辆动力学模型构建车辆参考模型，如公式(12)所示。

据此可以计算出横摆角速度的稳态期望值ω_d。

此外，横摆角速度的最大值ω_max受路面附着极限的限制下，进一步表示为

然后依据上述过程构建滑模控制器，具体如下：

在公式(12)的二自由度车辆动力学模型中加入直接横摆力矩ΔM,可以得到公式(16)。

令横摆角速度ω追踪横摆角速度期望值ω_d，将追踪误差定义为e_ω＝ω-ω_d。

根据上述追踪误差，构建稳定性协调控制方法的滑模面如公式(17)所示。

对公式(17)的滑模面求导，可以推导得到公式(18)。

为了抑制滑模控制效果中的抖振现象，用饱和函数sat(s_ω)替代上述等速趋近律中的符号函数sgn(s_ω)，得到新的趋近律如公式(19)所示。

根据公式(16)、公式(18)和公式(19)结合，可以求得滑模控制律如上述公式(20)所示。公式(20)计算出的直接横摆力矩ΔM能够使车辆的横摆角速度ω追踪横摆角速度期望值ω_d。

此外在上层控制器中，根据驾驶员通过加速踏板输入的加速度信号a_x计算出车辆加速所需的总转矩T_exp。

在下层控制器中，对四个车轮的转矩进行优化分配。首先对车辆纵向和侧向动力学目标进行优先级判断，车辆侧向失稳会导致车辆发生侧滑、甩尾等危险情况，纵向失稳会导致车轮发生过度滑转，因此车辆的侧向稳定性目标和纵向稳定性目标的优先级最高。与稳定性目标相比，纵向加速目标的优先级次之。在此基础上，本发明采用多目标优化控制方法来构建稳定性协调控制方法，需要实现的目标包括：1.轮胎纵向力和侧向力受“摩擦椭圆”的约束，为了提高车辆的侧向稳定性、增大轮胎的侧向力裕度，需要尽量减小轮胎纵向力的利用率。2.四个车轮的总转矩满足上层控制器的需求。3.左右侧车轮转矩的差值在车身形成的直接横摆力矩满足上层控制器的需求。4.各个车轮转矩不能超过上述驱动防滑控制方法计算出的转矩值。稳定性协调控制方法能够同时保障车辆的纵向和侧向稳定性：在提升车辆侧向稳定性的同时，保障各个车轮不发生过度滑转，即保障车辆的纵向稳定性。

通过求解该优化问题可以得到控制变量F_xi。进一步可以通过公式1计算出每个车轮的转矩T_i。

因此，本发明提供的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法，通过对纵向和侧向动力学目标进行优先级判断，制定了优先保障车辆侧向和纵向稳定性的目标，纵向加速目标次之。采用多目标优化控制方法构建了稳定性协调控制方法，能够同时实现如下目标：1.减小轮胎纵向力的利用率以增大轮胎的侧向力裕度、提高车辆的侧向稳定性。2.四个车轮的总转矩满足驾驶员的加速意图。3.左右侧车轮转矩的差值在车身形成的直接横摆力矩能够保障车辆的侧向稳定性。4.各个车轮转矩不超过驱动防滑控制策略计算出的转矩值，保障车轮不发生过度滑转。稳定性协调控制方法能够同时保障车辆的纵向和侧向稳定性：在提升车辆侧向稳定性的同时，保障各个车轮不发生过度滑转。

现有专利CN109435961A发明的一种基于驾驶人特性的全线控电动汽车底盘协调控制方法，首先计算出理想的横摆角速度、质心侧偏角和车速，并根据理想的横摆角速度和车速分配各车轮转矩、根据理想的质心侧偏角计算车轮转角。方法在计算理想状态参数时，主要针对车辆的侧向稳定性进行提升，并未考虑车辆的纵向稳定性，没有实现车辆侧向和纵向稳定性的同步提升。专利CN106364367A发明的一种四轮独立驱动电动汽车的协调控制方法，根据驾驶员输入的方向盘转角和期望的车辆纵、侧向速度，计算出各个轮胎的侧偏角，并进一步通过杜高夫轮胎模型计算出各车轮转矩。以上现有方法均没有针对极限工况对车辆纵向和侧向稳定性进行提升。

针对现有技术中存在的上述问题，本发明针对四轮轮毂电机驱动电动汽车加速同时转向而地面附着力不足的工况，设计了一种纵向和侧向稳定性协调控制策略，通过对车辆纵、侧向动力学目标进行优先级判断和多目标优化控制，同时保障了车辆的侧向和纵向稳定性。

此外，现有的四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法，在解决纵向稳定性问题时，往往需要预知路面附着情况或者对路面附着系数进行在线估计，从而获得路面所对应的车轮最优滑转率，进而实现驱动防滑控制。然而在车辆实际行驶过程中，路面工况复杂多变，路面附着系数难以预先获知。而在线估计路面附着系数增加了整车控制器的在线计算工作量，增大了工作负载。针对此问题，本发明无需预知或在线估计路面附着系数，能够自适应地追踪路面对应的车轮最优滑转率。基于驱动防滑控制策略，本发明设计了一种四轮轮毂电机驱动电动汽车稳定性协调控制方法，对路面附着系数也具有良好的鲁棒性，无需预知或在线估计路面附着系数，能够适用于未知或复杂多变的路面工况。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。