CN113320523B - 分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，包括：根据基准车轴的两侧车轮的轮速变化率比值，确定车辆直驶时产生的异常横摆力矩，采用滑模变结构控制器控制所述基准车轴的车轮偏转一转向角对所述异常横摆力矩形成补偿力矩进行补偿，所述基准车轴包括前轴和/或后轴。本发明采用滑模变结构控制器控制引起异常横摆力矩的车轴的车轮转向进行偏转补偿，保证各轮产生摩擦驱动力相同，使车辆直线行驶稳定。

Description

分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车方向控制方法，特别是一种分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法。

背景技术

相对于传统集中驱动汽车而言，分布式驱动电动汽车由分布于四个轮子上的轮毂电机提供各自独立的分布式驱动力，省去了繁复的传动系统和变差速系统，实现了四轮转矩实时独立可控的驱动模式。

车辆直驶工况下，需要保证四轮提供与地面摩擦驱动力大小相等，方向与车辆行驶方向一致，否则会导致车辆横摆力矩增加，逐步产生横摆角速度，横摆力矩趋于增大，使车辆脱离直驶工况，脱离驾驶员控制目标，从而导致车辆失稳。

分布式驱动电动汽车对轮毂电机的控制，绝大多数以监测轮速或者转矩为控制目标，轮毂电机的转速达到期望值，控制目标就达成了。车辆行驶路况复杂，不同路况，不同轮胎与路面的摩擦力不同，前后轴垂直载荷的分配也不尽相同，从而导致滑移率也不同；在这样的实际情况下，单纯的对轮速或者转矩进行控制，并不能有效的对四轮摩擦驱动力实现独立有效的控制，控制效果很差，多数路况无法实现车辆直驶工况的保持。

发明内容

针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，确保车辆在驾驶员要求的直驶工况下，能够稳定得到相同的四轮摩擦驱动力，保证车辆直线行驶的稳定性。

本发明技术方案如下：一种分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，包括：根据基准车轴的两侧车轮的轮速变化率比值，确定车辆直驶时产生的异常横摆力矩，采用滑模变结构控制器控制所述基准车轴的车轮偏转一转向角对所述异常横摆力矩形成补偿力矩进行补偿，所述基准车轴包括前轴和/或后轴。

进一步地，包括车辆工况判断，当车辆处于直驶加速工况时，所述基准车轴为后轴，由后轴车轮产生转向角对后轴车轮产生的异常横摆力矩补偿；当车辆处于直驶减速工况时，所述基准车轴为前轴，由前轴车轮产生转向角对前轴车轮产生的异常横摆力矩补偿；当车辆处于匀速直驶工况时，所述基准车轴为前轴和后轴，由前轴车轮产生转向角对前轴车轮产生的异常横摆力矩补偿并且由后轴车轮产生转向角对后轴车轮产生的异常横摆力矩补偿。

进一步地，所述车辆工况判断时，采集方向盘转向角度和加速踏板开度，当所述方向盘转向角度不超过直驶角度范围且所述加速踏板开度值增大时，判断为所述车辆处于直驶加速工况；当所述方向盘转向角度不超过直驶角度范围且所述加速踏板开度值减小时，判断为所述车辆处于直驶减速工况；当所述方向盘转向角度不超过直驶角度范围、所述加速踏板开度值不变时，判断为所述车辆处于匀速直驶工况。

进一步地，所述异常横摆力矩通过公式M1＝Tb×(1-x)计算，M1为异常横摆力矩，Tb为所述基准车轴单侧驱动轮的电机转矩输出值，x为所述基准车轴两侧车轮的轮速变化率比值。

进一步地，所述补偿力矩通过公式M2＝F×L×Q计算，M2为补偿力矩，F为基准车轴的车轮转向角引起的侧向力，L为基准车轴到整车质心的距离，Q为经验加权系数。

进一步地，所述滑模变结构控制器的输入为所述异常横摆力矩与所述车轮偏转一转向角后形成的补偿力矩的差值，所述滑模变结构控制器的输出为所述相对车轴的车轮的转向角。

进一步地，所述滑模变结构控制器的切换函数为

所述滑模变结构控制器的趋近率为

为系统切换函数的导数，

e为所述异常横摆力矩与所述补偿力矩的差值，

为所述异常横摆力矩与所述补偿力矩的差值随时间的变化率，

为

随时间的变化率，c为常数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

通过车轮轮速变化率反馈路面情况，并确定异常横摆力矩，并由此控制相应的车轴的车轮转向以抵消，能够容易地根据直线行驶的不同状态做出相应的车辆控制，以保证直线行驶的稳定。采用滑模变结构控制器控制车轮转向，可以减少控制系统的振荡，避免由控制系统引起车辆左右偏摆，进一步提高直线行驶的稳定性。

附图说明

图1为实施例分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

请结合图1，本实施例涉及的分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，主要流程是首先判断分布式驱动电动汽车车辆行驶工况，将直驶工况分为直驶加速、直驶减速和直驶匀速工况。针对每个工况，基于轮间差速算法，以每个驱动轮的轮速变化率作为算法参考值，确定四轮的摩擦驱动力输出比值，据此推导因为轮间差速产生的异常横摆力矩。为保证这部分异常横摆力矩被消除，需要实时的针对的输出大小相等方向相反的补偿力矩，据此确保车辆的直驶工况稳定持续。在本发明中由驱动轮输出一个确定的转向角提供系统稳定所需的补偿力矩，由于在本发明方法中需要对前轴及后轴车轮分别进行转向角度的调整，因此对于车辆后轴的车辆应当具有独立的转向功能。

本发明的控制方法具体包括以下工况下的控制：

1、直驶加速工况

工况判断：驾驶员通过方向盘输入的转向角度参数在直驶角度范围内(例如设定为偏转1度范围内都属于直驶角度范围)，加速踏板开度值变大，同时车辆后轴车轮的轮胎压变化率增加，轮速变化率为正值。此工况下，直驶车辆整车重心后移，导致后轴车轮瞬时垂直载荷增加，后轴车轮形变量剧增，胎压增大，此时胎压不稳定会导致左右后轴车轮输出驱动力不等，导致车尾偏移，甩尾情况可能出现。

车轮轮速变化的计算方式是这样的，由四轮轮毂电机编码器获得实时四轮车速，本发明采用绝对值型编码器。以角度增量的方式提供位置、角度和圈数等信息，每个角度增量赋予唯一的编码。取固定步长t，求上一时刻t₁的角度θ₁与下一时刻t₂的角度θ₂，步长间偏差增量Δθ，实时角速度为ω；

其中，

Δθ＝θ₂-θ₁

并结合上一时刻轮速计算出四轮轮速度实时变化率，拟定步长为固定值Δt，上一时刻轮速为ω₁，下一时刻轮速为ω₂，拟定实时轮速变化率α；

显然，

据此得出四轮的实时轮速变化率，分别为α_i，i＝1，2，3，4。

假设左侧车辆接触路面湿滑，此时后轴左侧车轮轮速变化率大于后轴右侧车轮轮速变化率，此时车辆会产生一个指向左侧的异常横向加速度；从而产生异常横摆力矩M1＝Tb×(1-x)，M1为异常横摆力矩，Tb为后轴单侧驱动轮的电机转矩输出值，x为后轴左右两侧车轮的轮速变化率比值。

为了抵消该异常横摆力矩，采用滑膜变结构控制器控制后轴两侧车轮向右偏转一个转向角形成补偿力矩M2，滑膜变结构控制器的输入为异常横摆力矩M1与补偿力矩M2的差值e，以及差值的随时间的变化率

输出为后轴车轮的转向角z。

M2＝F×L×Q，其中F为利用魔术轮胎公式推导出的实时后轴车轮侧向力，由转向角z确定。魔术轮胎公式以一套形式完全相同的公式就完整描述了轮胎纵向力、横向力、回正力矩以及纵向力与横向力在联合工况下与轮胎滑移率和侧偏角之间的关系。且其拟合精度高、使用方便因而特别适用于汽车动力学分析，因此采用魔术轮胎公式对轮胎进行非线性建模。魔术轮胎公式的一般表达形式为

Y＝D sin{C tan^-1[B(X+S_h)-E(B(X+S_h)-tan^-1B(X+S_h))]}+S_v

式中，Y为魔术公式的输出即为侧向力、横向力和回正力矩；X为魔术公式的输入代表着轮胎侧偏角即转向角z；B，C，D，E为魔术公式的曲线修正因子分别表示刚度因子、曲线形状因子、峰值因子以及曲线曲率因子；S_h为曲线水平方向漂移。S_v为曲线垂直方向漂移。

另外F也可以由公式F＝P·a₁导出，其中P为预估的轴侧偏刚度，其等于车辆加速度与权重系数乘积，a₁为轴平均侧偏角；L为后轴到整车质心的距离；Q为经验加权系数，根据整车车况做出合理调整。

滑膜变结构控制器的切换函数为：

参数c为常数值，为横摆角速度跟踪误差的积分相对于横摆角速度跟踪误差的相对权重系数，其大小影响系统趋近于稳定的速率；滑模变结构控制器的趋近率为(等速趋近律)：

其中，

为系统切换函数的导数，即

ε为常数参数，滑模趋近率参数，描述滑模控制的运动点向切换面趋近的速度，

为

随时间的变化率。通过该滑膜变结构控制器得到后轴车轮的转向角z。

2、直驶减速工况

工况判断：驾驶员通过方向盘输入的转向角度参数在直驶角度范围内(例如设定为偏转1度范围内都属于直驶角度范围)，加速踏板开度值变小，同时车辆前轴车轮的轮胎压变化率增加，轮速变化率为负值。此工况下，直驶车辆整车重心前移，导致前轮瞬时垂直载荷增加，前轮形变量剧增，胎压增大，此时胎压不稳定会导致左右前轮输出驱动力不等，导致车前端偏移，失控变向情况可能出现。

假设左侧车辆接触路面湿滑，此时前轴左侧车轮轮速变化率大于前轴右侧车轮轮速变化率，此时车辆会产生一个指向左侧的异常横向加速度；从而产生异常横摆力矩M1＝Tb×(1-x)，M1为异常横摆力矩，Tb为前轴单侧驱动轮的电机转矩输出值，x为前轴左右两侧车轮的轮速变化率比值。

为了抵消该异常横摆力矩，采用滑膜变结构控制器控制前轴两侧车轮向右偏转一个转向角形成补偿力矩M2，滑膜变结构控制器的输入为异常横摆力矩M1与补偿力矩M2的差值e，以及差值的随时间的变化率

输出为前轴车轮的转向角z。M2＝F×L×Q，其中F为利用魔术轮胎公式推导出的实时前轴车轮侧向力，由转向角z确定，L为前轴到整车质心的距离；Q为经验加权系数，根据整车车况做出合理调整。

与直驶加速工况相似的，滑膜变结构控制器的切换函数为：

参数c为常数值，为横摆角速度跟踪误差的积分相对于横摆角速度跟踪误差的相对权重系数，其大小影响系统趋近于稳定的速率；滑模变结构控制器的趋近率为(等速趋近律)：

其中，

为系统切换函数的导数，即

ε为常数参数，滑模趋近率参数，描述滑模控制的运动点向切换面趋近的速度，

为

随时间的变化率。通过该滑膜变结构控制器得到前轴车轮的转向角z。

3、直驶匀速工况

工况判断：驾驶员通过方向盘输入的转向角度参数在直驶角度范围内(例如设定为偏转1度范围内都属于直驶角度范围)，加速踏板开度值不变。这种情况下，前轴及后轴车轮进行分别考虑，并采用两个滑膜变结构控制器分别控制前轴及后轴的车轮转向角。

假设前轴左侧车轮轮速变化率大于前轴右侧车轮轮速变化率，此时车辆会产生一个指向左侧的异常横向加速度；从而产生异常横摆力矩M1＝Tb×(1-x)，M1为异常横摆力矩，Tb为前轴单侧驱动轮的电机转矩输出值，x为前轴左右两侧车轮的轮速变化率比值。

为了抵消该异常横摆力矩，采用第一滑膜变结构控制器控制前轴两侧车轮向右偏转一个转向角形成补偿力矩M2，第一滑膜变结构控制器的输入为异常横摆力矩M1与补偿力矩M2的差值e，以及差值的随时间的变化率

输出为前轴车轮的转向角z。M2＝F×L×Q，其中F为利用魔术轮胎公式推导出的实时前轴车轮侧向力，由转向角z确定，L为前轴到整车质心的距离；Q为经验加权系数，根据整车车况做出合理调整。

第一滑膜变结构控制器的切换函数为：

参数c为常数值，为横摆角速度跟踪误差的积分相对于横摆角速度跟踪误差的相对权重系数，其大小影响系统趋近于稳定的速率；第一滑模变结构控制器的趋近率为(等速趋近律)：

其中，

为系统切换函数的导数，即

ε为常数参数，滑模趋近率参数，描述滑模控制的运动点向切换面趋近的速度，

为

随时间的变化率。通过第一滑膜变结构控制器得到前轴车轮的转向角z。

再考虑后轴，假设后轴左侧车轮轮速变化率大于后轴右侧车轮轮速变化率，此时车辆会产生一个指向左侧的异常横向加速度；从而产生异常横摆力矩M1’＝Tb’×(1-x’)，M1’为异常横摆力矩，Tb’为后轴单侧驱动轮的电机转矩输出值，x’为后轴左右两侧车轮的轮速变化率比值。

为了抵消该异常横摆力矩，采用第二滑膜变结构控制器控制后轴两侧车轮向右偏转一个转向角形成补偿力矩M2’，第二滑膜变结构控制器的输入为异常横摆力矩M1’与补偿力矩M2’的差值e′，以及差值的随时间的变化率

输出为后轴车轮的转向角z’。M2’＝F’×L’×Q’，其中F’为利用魔术轮胎公式推导出的实时前轴车轮侧向力，由转向角z’确定，L’为后轴到整车质心的距离；Q’为经验加权系数，根据整车车况做出合理调整。

第二滑膜变结构控制器的切换函数为：

参数c为常数值，为横摆角速度跟踪误差的积分相对于横摆角速度跟踪误差的相对权重系数，其大小影响系统趋近于稳定的速率；第二滑模变结构控制器的趋近率为(等速趋近律)：

其中，

为系统切换函数的导数，即

ε为常数参数，滑模趋近率参数，描述滑模控制的运动点向切换面趋近的速度，

为

随时间的变化率。通过第二滑膜变结构控制器得到后轴车轮的转向角z’。从而由两个滑膜变结构控制器分别完成对前轴车轮和后轴车轮的转向角控制，保证车辆稳定直驶。

Claims (5)

1.一种分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，其特征在于，包括：根据基准车轴的两侧车轮的轮速变化率比值，确定车辆直驶时产生的异常横摆力矩，采用滑模变结构控制器控制所述基准车轴的车轮偏转一转向角对所述异常横摆力矩形成补偿力矩进行补偿，所述基准车轴包括前轴和/或后轴，所述基准车轴由以下方式判断：包括车辆工况判断，当车辆处于直驶加速工况时，所述基准车轴为后轴，由后轴车轮产生转向角对后轴车轮产生的异常横摆力矩补偿；当车辆处于直驶减速工况时，所述基准车轴为前轴，由前轴车轮产生转向角对前轴车轮产生的异常横摆力矩补偿；当车辆处于匀速直驶工况时，所述基准车轴为前轴和后轴，由前轴车轮产生转向角对前轴车轮产生的异常横摆力矩补偿并且由后轴车轮产生转向角对后轴车轮产生的异常横摆力矩补偿；所述滑模变结构控制器的输入为所述异常横摆力矩与所述车轮偏转一转向角后形成的补偿力矩的差值，所述滑模变结构控制器的输出为相对车轴的车轮的转向角。

2.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，其特征在于，所述车辆工况判断时，采集方向盘转向角度和加速踏板开度，当所述方向盘转向角度不超过直驶角度范围且所述加速踏板开度值增大时，判断为所述车辆处于直驶加速工况；当所述方向盘转向角度不超过直驶角度范围且所述加速踏板开度值减小时，判断为所述车辆处于直驶减速工况；当所述方向盘转向角度不超过直驶角度范围、所述加速踏板开度值不变时，判断为所述车辆处于匀速直驶工况。

3.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，其特征在于，所述异常横摆力矩通过公式M1＝Tb×(1-x)计算，M1为异常横摆力矩，Tb为所述基准车轴单侧驱动轮的电机转矩输出值，x为所述基准车轴两侧车轮的轮速变化率比值。

4.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，其特征在于，所述补偿力矩通过公式M2＝F×L×Q计算，M2为补偿力矩，F为所述基准车轴的车轮转向角引起的侧向力，L为基准车轴到整车质心的距离，Q为经验加权系数。

5.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车直驶方向稳定控制方法，其特征在于，所述滑模变结构控制器的切换函数为所述滑模变结构控制器的趋近率为 为系统切换函数的导数，e为所述异常横摆力矩与所述补偿力矩的差值，为所述异常横摆力矩与所述补偿力矩的差值随时间的变化率，为随时间的变化率,c为常数。

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