CN117644775A - 一种扭矩矢量控制方法、装置、存储介质和车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扭矩矢量控制方法、装置、存储介质和车辆，通过以横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，计算出附加横摆力矩，并以轮胎附着率最优作为目标函数结合附加横摆力矩和预设的约束条件计算出各个车轮的目标纵向力，以对电机扭矩的大小及方向进行控制，通过控制电机扭矩对车辆进行稳定性控制，既能保证车辆动力性不会衰减，也能保证及时对车辆进行稳定性控制。
Description
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，尤其涉及一种扭矩矢量控制方法、装置、存储介质和车辆。
背景技术
当车辆处于高速过弯工况，或处于湿滑路面转向时，由于车辆的固有转向特性及轮胎-路面附着能力的限制，车辆可能出现不足转向或过度转向的情况，此时车辆不能按照驾驶员预期的姿态及运动轨迹行驶，车辆具有失稳趋势或可能处于失稳状态。当前行业内对于车辆稳定性控制，最常见的做法是ESP（Electronic Stability Program，车身电子稳定系统）通过控制车轮的液压制动力实现，但是，这种控制方式下，液压制动建压时长较长，不能及时对车辆进行稳定性控制。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种扭矩矢量控制方法、装置、存储介质和车辆，通过以横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，计算出附加横摆力矩，并以轮胎附着率最优作为目标函数计算出各个车轮的目标纵向力，以对电机扭矩的大小及方向进行控制，无需进行液压制动建压，能够及时对车辆进行稳定性控制。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种扭矩矢量控制方法，包括：
根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角；其中，所述驾驶信息包括参考车速、前轮转角、后轮转角和路面峰值附着系数，所述车辆中包括至少两个车轮驱动电机；
采集车辆的实际横摆角速度和实际质心侧偏角，根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩；
根据所述附加横摆力矩、预设的约束条件和预先建立的轮胎附着率最优目标函数，计算出各个车轮的目标纵向力；
根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制。
作为上述方案的改进，所述根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角，包括：
根据所述参考车速、所述前轮转角和所述后轮转角，计算出期望横摆角速度和期望质心侧偏角；
根据所述期望横摆角速度、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标横摆角速度；
根据所述期望质心侧偏角、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标质心侧偏角。
作为上述方案的改进，所述根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩，包括：
根据所述目标横摆角速度和所述实际横摆角速度计算出横摆角速度偏差，将所述横摆角速度偏差和所述参考车速输入至预先建立的横摆角速度前馈控制器，计算出横摆角速度前馈控制附加横摆力矩；
将所述横摆角速度偏差输入至预先建立的横摆角速度PID控制器，计算出横摆角速度反馈控制附加横摆力矩；
将所述横摆角速度反馈控制附加横摆力矩与所述横摆角速度前馈控制附加横摆力矩相加，计算出横摆角速度控制附加横摆力矩；
根据所述目标质心侧偏角和所述实际质心侧偏角计算出质心侧偏角偏差，将所述质心侧偏角偏差和所述参考车速输入至预先建立的质心侧偏角前馈控制器，计算出质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩；
将所述质心侧偏角偏差输入至预先建立的质心侧偏角PID控制器，计算出质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩；
将所述质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩与所述质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩相加，计算出质心侧偏角控制附加横摆力矩；
对所述横摆角速度控制附加横摆力矩和所述质心侧偏角控制附加横摆力矩进行加权计算，得到附加横摆力矩。
作为上述方案的改进，所述附加横摆力矩通过以下公式计算得到：
其中，表示附加横摆力矩，表示加权值，表示横摆角速度控制附加横摆力矩，表示质心侧偏角控制附加横摆力矩，表示实际质心侧偏角，、是标定系数。
作为上述方案的改进，所述轮胎附着率最优目标函数，满足以下公式：
其中，表示轮胎附着率最优目标函数，表示第i个车轮所需施加的目标纵向力，表示第i个车轮所受到的侧向力，表示i个车轮所受到的垂向力，表示路面峰值附着系数，i表示车轮序号，取1、2、3、4分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
作为上述方案的改进，所述约束条件包括轮胎摩擦圆约束、电机能力约束、纵向扭矩约束和附加横摆力矩约束中的至少一种：
其中，所述轮胎摩擦圆约束用于指示各车轮所需施加的目标纵向力和各车轮所受到的侧向力、各车轮所受到的垂向力、所述路面峰值附着系数的约束关系；
所述电机能力约束用于指示各车轮所需施加的目标纵向力和对应电机的最小可用扭矩、对应车轴主减速器传动比、对应车轴电机总成机械传递效率、轮胎滚动半径、对应电机的最大可用扭矩的约束关系；
所述纵向扭矩约束用于指示车轮所需施加的目标纵向力和驾驶员需求扭矩、对应车轴扭矩分配系数、所述轮胎滚动半径的约束关系；
所述附加横摆力矩约束用于指示附加横摆力矩和各车轮所需施加的目标纵向力、质心距前轴距离、质心距后轴距离、所述前轮转角、所述后轮转角、轮距的约束关系。
作为上述方案的改进，所述根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制，包括：
当稳定性控制激活标志为激活状态时，根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制；
当稳定性控制激活标志为非激活状态时，根据获取的驾驶员需求扭矩计算出前轴扭矩和后轴扭矩，将所述前轴扭矩和所述后轴扭矩分别平均分配给对应车轴上的所有车轮驱动电机。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种扭矩矢量控制装置，包括：
稳定性控制目标设定模块，用于根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角；其中，所述驾驶信息包括参考车速、前轮转角、后轮转角和路面峰值附着系数，所述车辆中包括至少两个车轮驱动电机；
附加横摆力矩计算模块，用于采集车辆的实际横摆角速度和实际质心侧偏角，根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩；
目标纵向力计算模块，用于根据所述附加横摆力矩、预设的约束条件和预先建立的轮胎附着率最优目标函数，计算出各个车轮的目标纵向力；
扭矩分配模块，用于根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述任一实施例所述的扭矩矢量控制方法。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种车辆，包括车辆本体和上述发明实施例所述的扭矩矢量控制装置。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种扭矩矢量控制方法、装置、存储介质和车辆，通过以横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，计算出附加横摆力矩，并以轮胎附着率最优作为目标函数结合附加横摆力矩和预设的约束条件计算出各个车轮的目标纵向力，以对电机扭矩的大小及方向进行控制，通过控制电机扭矩对车辆进行稳定性控制，既能保证车辆动力性不会衰减，也能保证及时对车辆进行稳定性控制。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种扭矩矢量控制方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种扭矩矢量控制方法的示意图；
图3是本发明实施例提供的PID控制器的原理图；
图4是本发明一实施例提供的一种扭矩矢量控制装置。
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作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。
当车辆处于高速过弯工况，或处于湿滑路面转向时，车辆可能出现不足转向或过度转向的情况，此时车辆不能按照驾驶员预期的姿态及运动轨迹行驶，具有失稳趋势或处于失稳状态时，面对这种情况，现有技术中普遍通过ESP（Electronic Stability Program，车身电子稳定系统）控制四个车轮的液压制动力以实现车辆稳定控制，但是这种控制方式存在以下问题：首先，液压制动建压需要较长时间（大约300ms），从而导致控制过程中车辆失稳程度进一步劣化；其次，ESP通过制动实现稳定性控制会损失车辆动力性，降低车辆过弯车速；再者，在一般程度转向不足时，ESP不会干预，从而车辆操纵性降低；另外，ESP干预时有明显的介入感，降低了车辆控制的平顺性。
为解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种扭矩矢量控制方法，、装置、存储介质和车辆，值得说明的是，为了方便理解，本发明实施例以前后轴均布置左右分布式电机的四电机架构为例，但本明也同样适用于前轴布置单电机、后轴布置左右分布式电机的三电机架构，前轴布置左右分布式电机的双电机架构，以及后轴布置左右分布式电机的双电机架构。
参见图1，是本发明实施例提供的一种扭矩矢量控制方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1~S4：
S1、根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角；其中，所述驾驶信息包括参考车速、前轮转角、后轮转角和路面峰值附着系数，所述车辆中包括至少两个车轮驱动电机。
S2、采集车辆的实际横摆角速度和实际质心侧偏角，根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩。
S3、根据所述附加横摆力矩、预设的约束条件和预先建立的轮胎附着率最优目标函数，计算出各个车轮的目标纵向力。
S4、根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制。
参见图2，是本发明一实施例提供的一种扭矩矢量控制方法的示意图。值得说明的是，本发明实施例在对同轴上布置有两个电机的左右车轮进行扭矩控制时，既可以控制左右轮扭矩的大小，也可以控制左右轮扭矩同向或反向，也即左右轮扭矩具有“比例可任意分配，方向相同或相反”的特征，即具有“矢量”的特征，因此称为“扭矩矢量控制”。
与通过ESP控制车辆稳定性相比，本发明实施例提供的一种扭矩矢量控制方法具有以下有益效果：首先，电机响应速度更快，单次控制时长可缩短200ms左右，使稳定性控制更精准；其次，通过两侧车轮的差动控制，不会改变车辆总扭矩，整车动力性无衰减，能够提升过弯车速5%以上；再者，能够实时监控车辆运动状态并控制左右轮扭矩，保证车辆按预期状态行驶，提升了车辆操纵性；另外，对左右车轮进行扭矩控制的控制方式更平滑，无明显介入感，提升了车辆控制的平顺性。
作为其中一个可选的实施例，在步骤S1中，所述根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角，包括：
S11、根据所述参考车速、所述前轮转角和所述后轮转角，计算出期望横摆角速度和期望质心侧偏角；
S12、根据所述期望横摆角速度、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标横摆角速度；
S13、根据所述期望质心侧偏角、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标质心侧偏角。
可以理解的是，车辆动力学运动微分方程如式（1）所示：
（1）
其中，表示前轮侧偏刚度，为左前轮侧偏刚度与右前轮侧偏刚度之和，单位为N/rad；表示后轮侧偏刚度，为左后轮侧偏刚度与右后轮侧偏刚度之和，单位为N/rad；表示前轮转角，为左前轮转角与右前轮转角的平均值，单位为rad；表示后轮转角，为左后轮转角与右后轮转角的平均值，单位为rad；表示车辆质量，取半载质量，单位为kg；表示参考车速，即纵向车速，为已知值，单位为m/s；表示质心距前轴距离，单位为m；表示质心距后轴距离，单位为m；表示车辆横摆转动惯量，单位为；表示质心侧偏角，单位为rad；表示横摆角速度，单位为rad/s；表示附加横摆力矩，单位为。
对式（1）做推导及变换，得到稳态下横摆角速度与参考车速、前轮转角及后轮转角的函数关系，如式（2）所示：
（2）
其中，K为稳定性因数，K的表达式如式（3）所示：
（3）
则，在步骤S11中，根据所述参考车速、所述前轮转角和所述后轮转角，计算出期望横摆角速度，具体如式（4）所示：
()（4）
其中，表示期望横摆角速度。
值得说明的是，期望横摆角速度代表驾驶员的转向意图，但是在极限工况或低附路面条件下，转向盘转角可能过大，由此计算出的期望横摆角速度可能超过路面附着极限，此时若依然将期望横摆角速度作为目标横摆角速度进行控制，则容易导致车辆失稳，因此，需要根据路面附着能力对期望横摆角速度进行限制以保证车辆稳定性。
示例性的，期望横摆角速度通过式（5）进行限制：
（5）
其中，表示车辆横摆角速度的理想上限。
因此，在步骤S12中，根据所述期望横摆角速度、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标横摆角速度，具体如式（6）所示：
（6）
其中，表示目标横摆角速度；是符号函数，当括号内数值大于0时，符号函数结果取1，当括号内数值小于0时，符号函数结果取-1，否则符号函数结果取0；是绝对值函数。
为保证车辆的稳定性，质心侧偏角越小越好，理论上，目标质心侧偏角为0 rad是最理想的情况。但是，由于质心侧偏角与横摆角速度之间存在耦合关系，在进行横摆角速度控制时，车辆的质心侧偏角也会发生变化，因此，如果以0 rad作为目标质心侧偏角，会导致系统误触发质心侧偏角控制，不利于车辆稳定性控制。
因此，为提高车辆稳定性，本发明实施例在步骤S12中，根据参考车速、前轮转角和后轮转角计算期望质心侧偏角，具体如式（7）所示：
（7）
其中，表示期望质心侧偏角。
进一步地，质心侧偏角需要受路面最大附着能力的限制，具体如式（8）所示：
（8）
其中，表示质心侧偏角的上限值。
因此，在步骤S13中，目标质心侧偏角的具体计算公式如式（9）所示：
（9）
其中，表示目标质心侧偏角。
作为其中一个可选的实施例，在步骤S2中，所述根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩，包括：
S21、根据所述目标横摆角速度和所述实际横摆角速度计算出横摆角速度偏差，将所述横摆角速度偏差和所述参考车速输入至预先建立的横摆角速度前馈控制器，计算出横摆角速度前馈控制附加横摆力矩；
S22、将所述横摆角速度偏差输入至预先建立的横摆角速度PID控制器，计算出横摆角速度反馈控制附加横摆力矩；
S23、将所述横摆角速度反馈控制附加横摆力矩与所述横摆角速度前馈控制附加横摆力矩相加，计算出横摆角速度控制附加横摆力矩；
S24、根据所述目标质心侧偏角和所述实际质心侧偏角计算出质心侧偏角偏差，将所述质心侧偏角偏差和所述参考车速输入至预先建立的质心侧偏角前馈控制器，计算出质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩；
S25、将所述质心侧偏角偏差输入至预先建立的质心侧偏角PID控制器，计算出质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩；
S26、将所述质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩与所述质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩相加，计算出质心侧偏角控制附加横摆力矩；
S27、对所述横摆角速度控制附加横摆力矩和所述质心侧偏角控制附加横摆力矩进行加权计算，得到附加横摆力矩。
以横摆角速度γ和质心侧偏角作为控制目标，以附加的横摆力矩作为控制输入，将式（1）整理为状态空间方程的形式，如式（10）所示：
（10）
其中，，，，，。
由式（10）解得：
（11）
其中，考虑实际意义，式（11）中的应为目标横摆角速度与实际横摆角速度的差值，应为目标前轮转角与实际前轮转角的差值，应为目标后轮转角与实际后轮转角的差值，而由于车轮转角实际上没有目标值，因此可以认为差值为0，也即，，因此，在步骤S21中，横摆角速度前馈控制附加横摆力矩为：
（12）
其中，表示目标横摆角速度；表示实际横摆角速度。
同理可以推导出质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩的初始表达式为：
（13）
其中，表示目标质心侧偏角；表示实际质心侧偏角。
进一步地，由于质心侧偏角越小，车辆稳定性越好，因此当实际质心侧偏角的绝对值小于目标质心侧偏角的绝对值时，不对质心侧偏角进行控制，则在步骤S24中，质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩为：
（14）
参见图3，是PID控制器的原理图，PID控制器由三部分构成：比例部分、积分部分和微分部分。以横摆角速度PID控制器为例，横摆角速度PID控制器的输入为目标横摆角速度与实际横摆角速度的偏差，横摆角速度控制器的输出为横摆角速度反馈控制附加横摆力矩，被控对象为车辆，车辆的输入为横摆角速度反馈控制附加横摆力矩，车辆的输出为实际横摆角速度。PID控制器输出量的表达式为：
（15）
其中，表示PID控制器的输出量；表示目标状态量与实际状态量的偏差，，表示目标状态量，表示实际状态量；是比例系数；是积分系数；是微分系数。
则，在步骤S22中，横摆角速度反馈控制附加横摆力矩为：
（16）
其中，表示横摆角速度偏差，；、、根据实际情况进行设置。
在步骤S25中，质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩为：
（17）
其中，表示横摆角速度偏差，；、、根据实际情况进行设置。
因此，在步骤S23中，横摆角速度控制附加横摆力矩为：
（18）
在步骤S26中，质心侧偏角控制附加横摆力矩为：
（19）
作为其中一个可选的实施例，在步骤S27中，所述附加横摆力矩通过以下公式计算得到：
（20）
（21）
其中，表示附加横摆力矩，表示加权值，表示横摆角速度控制附加横摆力矩，表示质心侧偏角控制附加横摆力矩，表示实际质心侧偏角，、是标定系数。
值得说明的是，由于横摆角速度与质心侧偏角存在耦合关系，因此不可能完全排除某一个变量的影响而单独控制另一个变量，为了减弱二者之间的互相干扰给控制过程带来的不良影响，本发明实施例依据质心侧偏角与车辆稳定程度之间的对应关系，建立加权函数（加权值），用于规定在联合控制器给出的附加横摆力矩中两个控制子系统（用于获取横摆角速度附加控制横摆力矩的横摆角速度控制子系统和用于获取质心侧偏角附加控制横摆力矩的质心侧偏角控制子系统）分别给出的力矩的比例。
作为其中一个可选的实施例，在步骤S3中，所述轮胎附着率最优目标函数，满足以下公式：
（22）
其中，表示轮胎附着率最优目标函数，表示第i个车轮所需施加的目标纵向力，表示第i个车轮所受到的侧向力，表示i个车轮所受到的垂向力，表示路面峰值附着系数，i表示车轮序号，取1、2、3、4分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
值得说明的是，本发明实施例在为分布式驱动电动汽车分配附加横摆力矩时，以四个车轮轮胎附着率最优作为目标。因为利用附着系数越小，轮胎的稳定裕度越大，车辆稳定性越好，因此以轮胎附着率最优作为目标函数能够保证车辆的稳定性；进一步地，可以减小单侧车轮的利用附着系数，从而减小车轮打滑的可能性和单侧轮胎磨损程度。
可以理解的，基于轮胎附着率最优的扭矩分配可以转化为寻优问题，其目标函数如式（22）所示，进一步地，式（22）可以展开为：
（23）
其中，表示左前轮所需施加的目标纵向力，表示右前轮所需施加的目标纵向力，表示左后轮所需施加的目标纵向力，表示右后轮所需施加的目标纵向力；表示左前轮所受到的侧向力，表示右前轮所受到的侧向力，表示左后轮所受到的侧向力，表示右后轮所受到的侧向力；表示左前轮所受到的垂向力，表示右前轮所受到的垂向力，表示左后轮所受到的垂向力，表示右后轮所受到的垂向力。则，扭矩分配寻优函数的最优变量为：。
可以理解的是，扭矩分配过程还应受到一系列约束。
作为其中一个可选的实施例，在步骤S3中，所述约束条件包括轮胎摩擦圆约束、电机能力约束、纵向扭矩约束和附加横摆力矩约束中的至少一种：
其中，所述轮胎摩擦圆约束用于指示各车轮所需施加的目标纵向力和各车轮所受到的侧向力、各车轮所受到的垂向力、所述路面峰值附着系数的约束关系；
所述电机能力约束用于指示各车轮所需施加的目标纵向力和对应电机的最小可用扭矩、对应车轴主减速器传动比、对应车轴电机总成机械传递效率、轮胎滚动半径、对应电机的最大可用扭矩的约束关系；
所述纵向扭矩约束用于指示车轮所需施加的目标纵向力和驾驶员需求扭矩、对应车轴扭矩分配系数、所述轮胎滚动半径的约束关系；
所述附加横摆力矩约束用于指示附加横摆力矩和各车轮所需施加的目标纵向力、质心距前轴距离、质心距后轴距离、所述前轮转角、所述后轮转角、轮距的约束关系。
示例性的，为了防止车轮打滑，每个车轮都需满足轮胎摩擦圆的约束，因此得到轮胎摩擦圆约束如式（24）所示：
（24）
将式（24）转化为矩阵形式，得到：
（25）
进一步地，提供纵向力的扭矩应处于电机最小可用扭矩与最大可用扭矩之间，由此得到电机能力约束如式（26）所示：
（26）
其中，表示前轴主减速器传动比，表示后轴主减速器传动比；表示前轴电机总成机械传递效率，表示后轴电机总成机械传递效率；表示轮胎滚动半径，单位为m；表示对应电机的最小可用扭矩，也即能量回馈状态下的最大可用扭矩（ij取、、、分别代表左前车轮、右前轮、左后轮、右后轮对应的电机）；表示对应电机的最大可用扭矩，也即驱动状态下的最大可用扭矩（ij取、、、分别代表左前车轮、右前轮、左后轮、右后轮对应的电机）。
将式（26）转化为矩阵形式，得到：
（27）
进一步地，扭矩分配应满足驾驶员需求扭矩的约束，并且应该满足前后轴扭矩分配关系的约束，由此得到纵向扭矩约束如式（28）所示：
（28）
其中，表示驾驶员需求扭矩，为已知值，单位为;表示前轴扭矩分配系数。
将式（28）转化为矩阵形式，得到：
（29）
进一步地，扭矩分配应满足稳定性控制的附加横摆力矩约束，由此得到附加横摆力矩约束如式（30）所示：
（30）
其中，表示轮距，取前轴轮距和后轴轮距的平均值。
将式（30）转化为矩阵形式，得到：
（31）
由上述分析可以知道，轮胎附着率最优目标函数是关于的二次函数，约束条件则均为线性约束，因此该寻优问题为二次规化问题。二次规划优化函数标准形式如式（32）所示：
（32）
将式（32）应用到本发明实施例的寻优问题求解中，则式（32）中的即为前述的，且本发明实施例包含两个等式约束和两个不等式约束，则关于扭矩分配的寻优问题可以转化为如式（33）所示的带约束的二次规划问题：
（33）
在求解式（33）所示的二次规划问题时可能出现无可行解的情况，此时需要对约束进行松弛处理。为保证车辆的稳定性，需要优先保证附加横摆力矩需求，从而需要牺牲驾驶员需求扭矩，则目标函数可转化为：
（34）
其中，是松弛因子（标定参数）。
整理为二次型形式为：
（35）
则优化函数为：
（36）
再者，当车辆处于极限转弯工况时，轮胎侧向力趋于饱和，上述优化问题仍然可能无可行解，此时只需在满足轮胎摩擦圆的前提下，尽可能对附加横摆力矩进行跟随即可。则目标函数转化为：
（37）
则优化函数为：
（38）
作为其中一个可选的实施例，在步骤S4中，所述根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制，包括：
当稳定性控制激活标志为激活状态时，根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制；
当稳定性控制激活标志为非激活状态时，根据获取的驾驶员需求扭矩计算出前轴扭矩和后轴扭矩，将所述前轴扭矩和所述后轴扭矩分别平均分配给对应车轴上的所有车轮驱动电机。
值得说明的是，本发明实施例在为电机分配扭矩之前，还包括判断稳定性控制是否被激活，并根据不同的激活状态采取不同的扭矩分配策略。这是因为当车辆实际运行轨迹与目标运行轨迹相当且车辆质心侧偏角较小时，车辆的稳定性基本满足要求，此时可以不用进行稳定性控制（稳定性控制即对车辆施加附加横摆力矩，并以轮胎附着率最优为目标为电机分配扭矩）；又或者，在车辆低速运行时车辆失稳的几率较低，此时如果驾驶员对动力性有较高要求，则不适合进行稳定性控制；再者，当车辆有脱困需求时（如车轮打滑），需要为车辆提供足够的动力，这种情况也应该退出稳定性控制。为了使扭矩分配方式能够更加适用于不同的行车场景，本发明实施例对车辆滑移场景进行识别，从而判断稳定性控制是否被激活，当稳定性控制被激活时，对车辆进行稳定性控制，当稳定性控制没有被激活时，将前后轴扭矩分别平均分配给左右电机，从而能够更好地兼顾车辆的稳定性和动力性。
在对车辆滑移场景进行识别之前，需要计算四个车轮的滑移率，而车轮的滑移率又与车轮的轮心速度有关。轮心速度代表车轮旋转中心在X方向的移动速度，在转向工况下，由于四个车轮的转向半径不同，车轮轮心速度也不同。参考车速是后轴中心点的实际运动速度，为计算四个车轮的轮心速度，需要将参考车速按照车辆运动学原理向四个车轮轮心处转移。转移公式如下：
（39）
（40）
（41）
（42）
其中，、、、分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮心速度。
值得说明的是，为方便起见，下文将“滑转”和“滑移”统称为“滑移”。根据车轮轮速和轮心速度，可计算出车轮的滑移率：
(43)
表示车轮滑移率；表示对应车轮轮速；：表示对应车轮的轮心速度。
分别判断四个车轮的滑移率，当车轮的滑移率大于30%，即时，将车轮的滑移状态标志设置为“1”（车轮滑移）；当上一周期车轮滑移状态标志为1，且当前周期车轮滑移率小于10%，即时，将车轮滑移状态标志设置为“0”（车轮未滑移）。
根据车轮滑移状态和车速，识别出不同的车辆滑移场景，示例性的，以下以划分为五个车辆滑移场景进行举例：
场景一：车辆低速行驶（车速小于20km/h，下同）或静止，且同侧两轮滑移；
场景二：车辆低速行驶或静止，且交叉轮滑移；
场景三：车辆低速行驶或静止，且单轮未滑移，其余三轮滑移；
场景四：车辆低速行驶或静止，且四轮均滑移；
场景五：除场景一至场景四的其他场景。
当车辆处于场景五且满足以下条件中的任一条件时，稳定性控制被激活，也即将稳定性控制激活标志设置为激活状态：
（1）、实际横摆角速度与目标横摆角速度偏差率大于15%，即（可标定）;
(2)、实际质心侧偏角β的绝对值大于，即（可标定）。
当车辆未处于场景五且同时满足以下两个条件时，退出稳定性控制，也即稳定性控制激活标志设置为非激活状态：
（1）、实际横摆角速度与目标横摆角速度偏差率小于10%，即（可标定）；
（2）、实际质心侧偏角β的绝对值小于0.75，即（可标定）。
当稳定性控制被激活时，根据各个车轮的目标纵向力计算出每个电机的目标扭矩，以四电机架构为例：
（44）
其中，分别表示左前电机、右前电机、左后电机、右后电机的目标扭矩。
当稳定性控制没有被激活时，将前轴扭矩和后轴扭矩分别平均分配给对应车轴上的左右电机：
（45）
其中，表示对应电机的最小可用扭矩，表示对应电机的最大可用扭矩。
值得说明的是，本发明实施例在对前轴扭矩和后轴扭矩进行平均分配时，还包括判断前轴扭矩的平均值、后轴扭矩的平均值是否超出对应电机的可用扭矩的限制范围。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种扭矩矢量控制方法，通过以横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，计算出附加横摆力矩，并以轮胎附着率最优作为目标函数结合附加横摆力矩和预设的约束条件计算出各个车轮的目标纵向力，以对电机扭矩的大小及方向进行控制，通过控制电机扭矩对车辆进行稳定性控制，既能保证车辆动力性不会衰减，也能保证及时对车辆进行稳定性控制。
参加图4，本发明实施例还提供一种扭矩矢量控制装置，包括：
稳定性控制目标设定模块11，用于根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角；其中，所述驾驶信息包括参考车速、前轮转角、后轮转角和路面峰值附着系数，所述车辆中包括至少两个车轮驱动电机；
附加横摆力矩计算模块12，用于采集车辆的实际横摆角速度和实际质心侧偏角，根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩；
目标纵向力计算模块13，用于根据所述附加横摆力矩、预设的约束条件和预先建立的轮胎附着率最优目标函数，计算出各个车轮的目标纵向力；
扭矩分配模块14，用于根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制。
本发明实施例提供的扭矩矢量控制装置，能够实现上述实施例所述的扭矩矢量控制方法的所有流程步骤，装置中的各个模块、单元的作用以及实现的技术效果分别与上述实施例所述的扭矩矢量控制方法的作用以及实现的技术效果对应相同，具体实现方式在此不赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述扭矩矢量控制方法实施例中的步骤，例如图1中所述的步骤S1~S4；或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块的功能。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种车辆，包括车辆本体和上述实施例所述的扭矩矢量控制装置。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种扭矩矢量控制装置、存储介质和车辆，通过以横摆角速度和质心侧偏角作为控制目标，计算出附加横摆力矩，并以轮胎附着率最优作为目标函数结合附加横摆力矩和预设的约束条件计算出各个车轮的目标纵向力，以对电机扭矩的大小及方向进行控制，通过控制电机扭矩对车辆进行稳定性控制，既能保证车辆动力性不会衰减，也能保证及时对车辆进行稳定性控制。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种扭矩矢量控制方法，其特征在于，包括：
根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角；其中，所述驾驶信息包括参考车速、前轮转角、后轮转角和路面峰值附着系数，所述车辆中包括至少两个车轮驱动电机；
采集车辆的实际横摆角速度和实际质心侧偏角，根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩；
根据所述附加横摆力矩、预设的约束条件和预先建立的轮胎附着率最优目标函数，计算出各个车轮的目标纵向力；
根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制。
2.如权利要求1所述的扭矩矢量控制方法，其特征在于，所述根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角，包括：
根据所述参考车速、所述前轮转角和所述后轮转角，计算出期望横摆角速度和期望质心侧偏角；
根据所述期望横摆角速度、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标横摆角速度；
根据所述期望质心侧偏角、所述参考车速和所述路面峰值附着系数计算出目标质心侧偏角。
3.如权利要求1所述的扭矩矢量控制方法，其特征在于，所述根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩，包括：
根据所述目标横摆角速度和所述实际横摆角速度计算出横摆角速度偏差，将所述横摆角速度偏差和所述参考车速输入至预先建立的横摆角速度前馈控制器，计算出横摆角速度前馈控制附加横摆力矩；
将所述横摆角速度偏差输入至预先建立的横摆角速度PID控制器，计算出横摆角速度反馈控制附加横摆力矩；
将所述横摆角速度反馈控制附加横摆力矩与所述横摆角速度前馈控制附加横摆力矩相加，计算出横摆角速度控制附加横摆力矩；
根据所述目标质心侧偏角和所述实际质心侧偏角计算出质心侧偏角偏差，将所述质心侧偏角偏差和所述参考车速输入至预先建立的质心侧偏角前馈控制器，计算出质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩；
将所述质心侧偏角偏差输入至预先建立的质心侧偏角PID控制器，计算出质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩；
将所述质心侧偏角反馈控制附加横摆力矩与所述质心侧偏角前馈控制附加横摆力矩相加，计算出质心侧偏角控制附加横摆力矩；
对所述横摆角速度控制附加横摆力矩和所述质心侧偏角控制附加横摆力矩进行加权计算，得到附加横摆力矩。
4.如权利要求3所述的扭矩矢量控制方法，其特征在于，所述附加横摆力矩通过以下公式计算得到：
其中，表示附加横摆力矩，表示加权值，表示横摆角速度控制附加横摆力矩，表示质心侧偏角控制附加横摆力矩，表示实际质心侧偏角，、是标定系数。
5.如权利要求1所述的扭矩矢量控制方法，其特征在于，所述轮胎附着率最优目标函数，满足以下公式：
其中，表示轮胎附着率最优目标函数，表示第i个车轮所需施加的目标纵向力，表示第i个车轮所受到的侧向力，表示i个车轮所受到的垂向力，表示路面峰值附着系数，i表示车轮序号，取1、2、3、4分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
6.如权利要求1所述的扭矩矢量控制方法，其特征在于，所述约束条件包括轮胎摩擦圆约束、电机能力约束、纵向扭矩约束和附加横摆力矩约束中的至少一种;
其中，所述轮胎摩擦圆约束用于指示各车轮所需施加的目标纵向力和各车轮所受到的侧向力、各车轮所受到的垂向力、所述路面峰值附着系数的约束关系；
所述电机能力约束用于指示各车轮所需施加的目标纵向力和对应电机的最小可用扭矩、对应车轴主减速器传动比、对应车轴电机总成机械传递效率、轮胎滚动半径、对应电机的最大可用扭矩的约束关系；
所述纵向扭矩约束用于指示车轮所需施加的目标纵向力和驾驶员需求扭矩、对应车轴扭矩分配系数、所述轮胎滚动半径的约束关系；
所述附加横摆力矩约束用于指示附加横摆力矩和各车轮所需施加的目标纵向力、质心距前轴距离、质心距后轴距离、所述前轮转角、所述后轮转角、轮距的约束关系。
7.如权利要求1所述的扭矩矢量控制方法，其特征在于，所述根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制，包括：
当稳定性控制激活标志为激活状态时，根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制；
当稳定性控制激活标志为非激活状态时，根据获取的驾驶员需求扭矩计算出前轴扭矩和后轴扭矩，将所述前轴扭矩和所述后轴扭矩分别平均分配给对应车轴上的所有车轮驱动电机。
8.一种扭矩矢量控制装置，其特征在于，包括：
稳定性控制目标设定模块，用于根据采集的车辆的驾驶信息，计算出目标横摆角速度和目标质心侧偏角；其中，所述驾驶信息包括参考车速、前轮转角、后轮转角和路面峰值附着系数，所述车辆中包括至少两个车轮驱动电机；
附加横摆力矩计算模块，用于采集车辆的实际横摆角速度和实际质心侧偏角，根据所述实际横摆角速度、所述实际质心侧偏角、所述目标横摆角速度、所述目标质心侧偏角和所述参考车速，计算出附加横摆力矩；
目标纵向力计算模块，用于根据所述附加横摆力矩、预设的约束条件和预先建立的轮胎附着率最优目标函数，计算出各个车轮的目标纵向力；
扭矩分配模块，用于根据所述各个车轮的目标纵向力计算出每个所述车轮驱动电机的目标扭矩，以对所述车轮驱动电机进行控制。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的扭矩矢量控制方法。
10.一种车辆，其特征在于，包括车辆本体和如权利要求8所述的扭矩矢量控制装置。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117755103A (zh) * | 2024-02-22 | 2024-03-26 | 成都赛力斯科技有限公司 | 车辆扭矩的控制方法、装置及存储介质 |
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- 2023-12-19 CN CN202311748446.8A patent/CN117644775A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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| CN117755103B (zh) * | 2024-02-22 | 2024-04-16 | 成都赛力斯科技有限公司 | 车辆扭矩的控制方法、装置及存储介质 |
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