CN113788066A - 一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，与现有技术相比解决了转向助力控制无法实现自适应调整的缺陷。本发明包括以下步骤：理想方向盘转矩数据的获取；跟踪微分器的设计；扩张状态观测器的设计；定义非线性误差反馈控制规律；对各控制器进行参数优化；汽车行驶数据的获取；线控助力转向的自适应控制。本发明使得分布式电驱动线控汽车实际方向盘转矩跟踪理想方向盘转矩，通过控制器计算得到前轮转矩差，分配给前轮后可实现自适应助力转向。

Description

一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法

技术领域

本发明涉及分布式电驱动线控汽车技术领域，具体来说是一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法。

背景技术

在众多的电动汽车类型中，轮毂电机电动汽车因其结构简单、传动效率高，被普遍认为是电动汽车的理想驱动形式之一，受到各个国家、企业及科研院所的广泛关注。轮毂电机电动汽车因其四个车轮均可单独控制转矩、转速等重要变量，能够更精确的实现驾驶员的期望轨迹，提升驾驶体验，保证车辆稳定，因此在当前电动汽车分布式驱动技术中大多采用轮毂电机驱动。

以轮毂电机为驱动的线控汽车转向助力系统是一个全新的系统，与EPS和EHPS有着相同的目的。在驾驶员操纵方向盘转向时，系统会判断当前工况并输出前轮转矩差，通过改变前轮转矩来为驾驶员提供可靠的助力，一定程度上降低驾驶员的手力，缓解驾驶员操作负担，提高汽车的驾驶舒适性，一定程度上提高了车辆行驶的安全性和操作的平顺性。

助力转向系统中助力转向和转向系统参数息息相关，当转向系统参数因轮胎磨轮或者主销定位发生变化时，如阻尼、刚度会随之一起变化，导致转向助力控制效果精度下降，无法做到自适应调整。

因此，如何开发出一种针对于分布式电驱动线控汽车的自适应转向助力控制方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中转向助力控制无法实现自适应调整的缺陷，提供一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，包括以下步骤：

理想方向盘转矩数据的获取：获取汽车当前工况下的车速V、方向盘转角δ，将其输入理想的方向盘转矩MAP图，得到理想的方向盘转矩T_swd；

跟踪微分器的设计：基于非线性跟踪微分器设计跟踪微分器；

扩张状态观测器的设计：基于非线性反馈系统设计扩张状态观测器；

定义非线性误差反馈控制规律；

对各控制器进行参数优化；

汽车行驶数据的获取：获取汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ；

线控助力转向的自适应控制：将汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ输入跟踪微分器，经跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制规律处理后输出左右前轮转矩，实现线控转向的自适应助力控制。

所述跟踪微分器的设计包括以下步骤：

基于经典非线性跟踪微分器的设计，其表达式如下：

式中，T_swd为理想方向盘转矩，R为速度因子，

和

为状态方程变量；

采用最速控制综合函数fhan(x₁,x₂,R,h)设计跟踪微分器，该函数具体公式如下所示：

u＝fhan(x₁,x₂,R,h)，

式中,d、d₀、y、a₀、a为所设计的跟踪微分器函数内变量，h为跟踪补偿，R为速度因子；

将微分跟踪器最终设计为：

式中，T_swd为理想方向盘转矩，R为速度因子，h为跟踪补偿。

所述扩张状态观测器的设计包括以下步骤：

对于非线性反馈系统，设计如下形式的状态观测器：

式中，y、γ₀₁、γ₀₂、b为常系数，e为误差项，u为外界输入量，g_i(e)为满足如下条件的非线性函数：

eg_i(e)≥0；

选择合适的γ₀₁、γ₀₂以及非线性函数g_i(e)，使系统精确估计状态变量，并对系统进行状态扩张观测，建立新的线性控制系统；

对被扩张的系统建立状态观测器，即扩张状态观测器表达式设定如下：

将扩张状态观测其中的|e|^αsign(e)函数替换为在原点处具有分段性质的函数：

式中，φ为线性段的长度；

最终确定的扩张观测器如下：

式中，e为跟踪误差，T_sw为理想方向盘转矩，

为fal函数参数，γ₀₁、γ₀₂、γ₀₃、b为常系数，α₁、α₂为fal函数的非线性因子，z₁跟踪实际方向盘转矩T_sw的目标值，z₂跟踪方向盘转矩的变化率，z₃跟踪系统的总扰动项。

所述定义非线性误差反馈控制规律包括以下步骤：

定义非线性反馈控制率：

式中，e₁为方向盘转矩误差，e₂为方向盘转矩变化率误差，γ₀₁、γ₀₂为非线性组合系数，u₀为非线性反馈控制率的输出；

设计基于误差反馈控制量得到的扰动估计补偿，其表达式如下：

其中ΔT_z为计算得出的前轮转矩差，b₀为补偿因子。

所述的参数优化包括以下步骤：

设定非线性误差反馈控制规律中α₃取值为0.95,α₄取值为1.25；扩张状态观测器中的α₁、α₂取值为0.5，R为速度因子，取值为10；

统一取值为0.01；

使用退火算法对γ₀₁、γ₀₂、γ₀₃、γ₁、γ₂、b₀进行组合优化。

有益效果

本发明的一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，与现有技术相比使得分布式电驱动线控汽车实际方向盘转矩跟踪理想方向盘转矩，通过控制器计算得到前轮转矩差，分配给前轮后可实现自适应助力转向。

本发明设计的自适应助力转向控制策略不依赖精确的转向系统参数和整车参数，能够在汽车参数变化后依然提供精确的转向助力，缓解驾驶员操控压力的同时提升了转向助力的稳定性和平顺性。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明所述方法的仿真结果图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，包括以下步骤：

第一步，理想方向盘转矩数据的获取：获取汽车当前工况下的车速V、方向盘转角δ，将其输入理想的方向盘转矩MAP图，得到理想的方向盘转矩T_swd。

第二步，跟踪微分器的设计：基于非线性跟踪微分器设计跟踪微分器。

非线性跟踪微分器可通过惯性环节尽可能快速跟踪输入信号，但容易引起高频振荡，本发明设计跟踪微分器可快速跟踪输入信号的同时防止高频振荡的产生。其具体步骤如下：

(1)基于经典非线性跟踪微分器的设计，其表达式如下：

式中，T_swd为理想方向盘转矩，R为速度因子，

和

为状态方程变量；

(2)采用最速控制综合函数fhan(x₁,x₂,R,h)设计跟踪微分器，该函数具体公式如下所示：

式中,d、d₀、y、a₀、a为本发明设计的跟踪微分器函数内变量，h为跟踪补偿，R同样为速度因子；

(3)将微分跟踪器最终设计为：

式中，T_swd为理想方向盘转矩，R为速度因子，h为跟踪补偿。

第三步，扩张状态观测器的设计：基于非线性反馈系统设计扩张状态观测器。相较于普通状态观测器，扩张状态观测器对大范围系统，尤其是汽车各系统都可以精确估计出状态变量。其具体步骤如下：

(1)对于非线性反馈系统，设计如下形式的状态观测器：

式中，y、γ₀₁、γ₀₂、b常系数，e为误差项，u为外界输入量，g_i(e)为满足如下条件的非线性函数：

eg_i(e)≥0；

(2)选择合适的γ₀₁、γ₀₂以及非线性函数g_i(e)，使系统更精确估计状态变量，并对系统进行状态扩张观测，建立新的线性控制系统；

对被扩张的系统建立状态观测器，即扩张状态观测器表达式设定如下：

将扩张状态观测其中的|e|^αsign(e)函数替换为在原点处具有分段性质的函数：

式中，φ为线性段的长度；

(3)最终确定的扩张观测器如下：

式中，e为跟踪误差；T_sw为理想方向盘转矩；

为fal函数参数；γ₀₁、γ₀₂、γ₀₃、b为常系数；α₁、α₂为fal函数的非线性因子；z₁跟踪实际方向盘转矩T_sw的目标值；z₂跟踪方向盘转矩的变化率；z₃跟踪系统的总扰动项。

第四步，定义非线性误差反馈控制规律。非线性误差反馈规律是本发明控制器的重要组成部分，该环节可对偏差进行快速调节，对系统的在响应快速性和超调上取得平衡。

(1)定义非线性反馈控制率：

式中，e₁为方向盘转矩误差，e₂为方向盘转矩变化率误差，γ₀₁、γ₀₂为非线性组合系数，u₀为非线性反馈控制率的输出；

(2)设计基于误差反馈控制量得到的扰动估计补偿，其表达式如下：

其中ΔT_z为计算得出的前轮转矩差，b₀为补偿因子。

第五步，对各控制器进行参数优化。

(1)设定非线性误差反馈控制规律中α₃取值为0.95,α₄取值为1.25；扩张状态观测器中的α₁、α₂取值为0.5，R为速度因子，取值为10；

统一取值为0.01；

(2)使用退火算法对γ₀₁、γ₀₂、γ₀₃、γ₁、γ₂、b₀进行组合优化。

第六步，汽车行驶数据的获取：获取汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ。

第七步，线控助力转向的自适应控制：将汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ输入跟踪微分器，经跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制规律处理后输出左右前轮转矩，实现线控转向的自适应助力控制。

(1)将汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ输入跟踪微分器；

(2)跟踪微分器获得理想方向盘转矩，跟踪目标值后输出方向盘转矩实际值和转矩变化率，并将转矩和转矩变化率交给非线性误差反馈控制规律处理；

(3)扩张状态观测器得到方向盘转矩实际值，得到经扩张状态观测器检测后的方向盘转矩、转矩变化率和干扰值，将方向盘转矩和转矩变化率输入非线性误差反馈控制规律；将干扰值返回跟踪微分器；

(4)交给非线性误差反馈控制规律处理得到计算得到方向盘转矩误差、转矩变化率误差和前轮目标转矩差ΔT_z；

(5)将得到的转矩差ΔT_z分配给前轮；

即左前轮转矩为：

式中，T₁为经控制策略后得到的左前轮转矩，T'₁左前轮原转矩；

右前轮转矩为：

式中，T₂为经控制策略后得到的左前轮转矩，T'₂左前轮原转矩；

(6)得到控制后的左右前轮转矩，形成电驱动线控汽车自适应助力转向控制。

如图2，其为本发明仿真结果，从图2中可以看出，在本发明的控制下，汽车方向盘扭矩得到了明显下降。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)理想方向盘转矩数据的获取：获取汽车当前工况下的车速V、方向盘转角δ，将其输入理想的方向盘转矩MAP图，得到理想的方向盘转矩T_swd；

12)跟踪微分器的设计：基于非线性跟踪微分器设计跟踪微分器；

13)扩张状态观测器的设计：基于非线性反馈系统设计扩张状态观测器；

14)定义非线性误差反馈控制规律；

15)对各控制器进行参数优化；

16)汽车行驶数据的获取：获取汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ；

17)线控助力转向的自适应控制：将汽车行驶状态下的车速V、方向盘转角δ输入跟踪微分器，经跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制规律处理后输出左右前轮转矩，实现线控转向的自适应助力控制。

2.根据权利要求1所述的一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，其特征在于，所述跟踪微分器的设计包括以下步骤：

21)基于经典非线性跟踪微分器的设计，其表达式如下：

式中，T_swd为理想方向盘转矩，R为速度因子，

和

为状态方程变量；

22)采用最速控制综合函数fhan(x₁,x₂,R,h)设计跟踪微分器，该函数具体公式如下所示：

u＝fhan(x₁,x₂,R,h)，

式中,d、d₀、y、a₀、a为所设计的跟踪微分器函数内变量，h为跟踪补偿，R为速度因子；

23)将微分跟踪器最终设计为：

式中，T_swd为理想方向盘转矩，R为速度因子，h为跟踪补偿。

3.根据权利要求1所述的一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器的设计包括以下步骤：

31)对于非线性反馈系统，设计如下形式的状态观测器：

式中，y、γ₀₁、γ₀₂、b为常系数，e为误差项，u为外界输入量，g_i(e)为满足如下条件的非线性函数：

eg_i(e)≥0；

32)选择合适的γ₀₁、γ₀₂以及非线性函数g_i(e)，使系统精确估计状态变量，并对系统进行状态扩张观测，建立新的线性控制系统；

对被扩张的系统建立状态观测器，即扩张状态观测器表达式设定如下：

将扩张状态观测其中的|e|^αsign(e)函数替换为在原点处具有分段性质的函数：

式中，φ为线性段的长度；

33)最终确定的扩张观测器如下：

式中，e为跟踪误差，T_sw为理想方向盘转矩，

为fal函数参数，γ₀₁、γ₀₂、γ₀₃、b为常系数，α₁、α₂为fal函数的非线性因子，z₁跟踪实际方向盘转矩T_sw的目标值，z₂跟踪方向盘转矩的变化率，z₃跟踪系统的总扰动项。

4.根据权利要求1所述的一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制方法，其特征在于，所述定义非线性误差反馈控制规律包括以下步骤：

41)定义非线性反馈控制率：

式中，e₁为方向盘转矩误差，e₂为方向盘转矩变化率误差，γ₀₁、γ₀₂为非线性组合系数，u₀为非线性反馈控制率的输出；

42)设计基于误差反馈控制量得到的扰动估计补偿，其表达式如下：

其中ΔT_z为计算得出的前轮转矩差，b₀为补偿因子。

5.根据权利要求1所述的一种分布式电驱动线控汽车自适应转向助力控制策略，其特征在于，所述的参数优化包括以下步骤：

51)设定非线性误差反馈控制规律中α₃取值为0.95,α₄取值为1.25；扩张状态观测器中的α₁、α₂取值为0.5，R为速度因子，取值为10；

统一取值为0.01；

52)使用退火算法对γ₀₁、γ₀₂、γ₀₃、γ₁、γ₂、b₀进行组合优化。

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