一种电动四驱车横摆扭矩控制方法与流程

1.本发明涉及车辆动力控制领域，尤其是一种电动四驱车横摆扭矩控制方法。


背景技术：

2.基于轮毂电机的四轮独立驱动电动汽车，四个车轮转矩独立可控，可以通过转矩控制分配提高车辆的动力性能，增加了控制自由度。此外电机既可以进行驱动，也可以进行制动，相比于传统内燃机和液压制动系统，其转矩响应速度和控制精度都较高，有利于改善动力控制系统的性能。因此，四轮独立驱动电动汽车在动力控制方面具有明显的优势，近年来逐渐成为一个研究热点。
3.中国专利cn111891125揭示了一种基于扭矩控制的车道偏离主动纠偏方法，通过前馈扭矩、反馈扭矩及方向盘扭矩计算补偿扭矩，将补偿扭矩输入至转向系统完成扭矩纠偏控制。这种方式前馈扭矩和反馈扭矩计算方式复杂，且也未考虑实际车辆驾驶工况来进行扭矩控制。根据实际车辆驾驶工况，一般可以将车辆车轮失稳类型分为以下几类。
4.第一种，直道行驶时的非预期横摆运动，这是由于车轮打滑引起的车辆异常横摆运动；这种现象常见于左右轮行驶在分离附着系数的路面上，车辆在直道上加速，由于驱动力超过路面-轮胎附着力极限而引起车轮滑转并且伴随着侧偏运动，此时车辆会一边滑转一边横摆。
5.第二种，不足转向横摆运动，这种现象常见于弯道或变道行驶中，由于方向盘转角不够引起的严重不足转向，前轮出现向外侧的滑动而偏离期望行驶路径。
6.过度转向横摆运动，这种现象常见于弯道或变道行驶中，由于驱动力超过轮胎-路面侧向附着力极限引起的过度转向，后轮出现向外侧的滑动而偏离期望行驶路径。
7.目前也有根据路面条件实现扭矩驱动控制，例如中国专利cn108248455所揭示。但是目前还未有根据车辆车轮失稳类型进行横摆扭矩控制的方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种电动四驱车横摆扭矩控制方法。
9.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种电动四驱车横摆扭矩控制方法，包括如下步骤，s1、判断目标横摆角速度和实际横摆角速度计算结果是否有效；s2、当目标横摆角速度和实际横摆角速度计算结果均有效时，检查路面状态和估算轮胎-路面侧向附着力限值，实时判断车辆车轮失稳类型，并结合车轮-路面侧向附着力限值对车辆失稳程度进行实时判断，生成不稳定性指标；s3、运用前馈控制算法和反馈控制算法，计算车辆横摆角速度控制所需要的前馈控制需求扭矩
푇푓푓
和反馈控制需求扭矩
푇푓푏
；s4、将计算所得的所述前馈控制需求扭矩
푇푓푓
反馈控制需求扭矩
푇푓푏
，根据电动四驱系统的结构形式定义扭矩分配方式和分配比例，输出前后轴或左右轮各自的需求扭
矩给扭矩协调功能模块，进行横摆角速度控制。
10.优选的，所述步骤s1的具体过程为，s11、对作为目标横摆角速度计算所需的车速和方向盘转角信号进行故障诊断，若输入信号有效，则判定目标横摆角速度计算结果有效，反之则无效；s12、对横摆角速度传感器信号进行故障诊断，若所述横摆角速度传感器信号有效，则实际横摆角速度结果有效，反之则无效。
11.优选的，所述步骤s1的结果中当只有目标横摆角速度计算结果有效时，仅运用前馈控制算法改善车辆失稳状况。
12.优选的，所述步骤s2中，所述“检查路面状态和估算轮胎-路面侧向附着力限值”，具体过程为：s21、通过车辆滑移率计算或图像识别等方式判断路面状态，并采用聚类算法将其分成高、中、低三种典型附着路面；s22、根据车辆运动状态和驾驶意图，运用车辆动力学公式估算当前及未来特定时间段内的轮胎-路面侧向附着力限值。
13.优选的，所述步骤s2中，所述“实时判断车辆车轮失稳类型，并结合车轮-路面侧向附着力限值对车辆失稳程度进行实时判断，生成不稳定性指标”，具体过程为：s23、根据车辆实际运动轨迹判断车辆车轮处于的横摆状态，所述横摆状态包括非预期横摆状态，不足转向横摆状态，过度转向横摆状态；s24、如果车辆出现转向失稳趋势，则结合车轮-路面侧向附着力限值对车辆失稳程度进行实时判断，生成不稳定性指标，并根据估算的不稳定指标值对驱动扭矩进行限制，其中不稳定性指标定义如下：0表示无不稳定 （无）；1表示轻微不稳定（低）；2表示比较不稳定（中）；3表示严重不稳定（高）；4表示非常不稳定（危险）。
14.优选的，所述步骤s3中“运用前馈和反馈控制算法进行横摆角速度控制”具体包括：横摆角速度前馈控制采用分级式 pid 控制算法，控制器输入量：目标横摆角速度；第一级控制器：采用 pd 控制算法，并根据车速设置控制死区和上下限值，防止控制器超调；第二级控制器：采用递减积分器控制算法，用于消除静态误差；控制器输出量：前馈控制需求扭矩
푇푓푓
；其计算公式如下：
푇푓푓 = 퐾푝휓
̇d푒푠 퐾d휓
̈d푒푠
−
퐾푝퐾푖
(
푠
−1퐾푖
)
휓
̇d푒푠 (1)其中：
휓
̇d푒푠
为目标横摆角速度;
휓
̈d푒푠
为目标横摆角速度的微分值;
퐾푝
为p 项控制系数;
퐾푖 为i 项控制系数;
퐾
d 为d 项控制系数;
푇푓푓 为前馈控制需求扭矩；所述横摆角速度反馈控制采用pid 控制算法，
控制器输入量：目标与实际横摆角速度偏差；核心控制算法：采用 pid 控制算法，并根据车速设置控制死区和上下限值，防止控制器超调；同时根据偏差值设定 d 项控制选择输出开关，当偏差较小时， 关闭 d 项控制，防止控制器震荡；控制器输出量：反馈控制需求扭矩
푇푓푏
；其计算公式如下：
푇푓푏 = 퐾푝휓
̇
푒푟푟 퐾d휓
̈
푒푟푟 퐾푖
(
푠
−1퐾푖
)
휓
̇
푒푟푟 (2)其中： 휓
̇
푒푟푟
为横摆角速度偏差；
휓
̈
푒푟푟
为横摆角速度偏差的微分值；
퐾푝 为p 项控制系数 ；
퐾푖 为i 项控制系数 ；
퐾
d 为d 项控制系数 ；
푇푓푏 为反馈控制需求扭矩。
15.优选的，所述步骤s4，所述“根据电动四驱系统的结构形式定义扭矩分配方式和分配比例”，具体过程为，s41、确定四驱系统的结构形式；s42、定义扭矩分配方式和分配比例，对于前后桥单驱动电机的车型，实施前后轴扭矩分配；对于前桥单电机、后桥双电机的车型，实施前后轴扭矩分配和后轴左右轮扭矩矢量分配；对于四轮电机驱动的车型，实施四轮扭矩矢量分配。
16.优选的，所述步骤s4，所述“输出前后轴或左右轮各自的需求扭矩给扭矩协调功能模块，进行横摆角速度控制”，具体过程为，根据车辆车轮横摆状态进行横摆角速度控制，当处于非预期横摆状态时，先判断车轮为横摆而非滑移状态，则激活过度转向控制模式；当处于不足转向横摆状态时，采取不足转向控制模式，a1、分析当前路面状态，将驱动模式切换成四驱模式，并减少内侧车轮的驱动力，增加外侧车轮的驱动力，形成更多的向内侧转向的横摆力矩；a2、如果驱动力达到轮胎-路面侧向附着力限值，则通过施加限制扭矩来降低总驱动力；a3、如果路面附着系数很低，则通过电机反转施加制动力，再进行重新进行横摆力矩计算，最终将车辆运行轨迹恢复至预期状态；当处于过度转向横摆状态时，采取过度转向控制模式，b1、分析当前路面状态，将驱动模式切换成四驱模式，并增加内侧车轮的驱动力，减少外侧车轮的驱动力，形成更多的向外侧转向的横摆力矩；b2、如果驱动力达到轮胎-路面侧向附着力限值，则通过施加限制扭矩来降低总驱动力；b3、如果路面附着系数很低，则通过电机反转施加制动力，再进行重新进行横摆力矩计算，最终将车辆运行轨迹恢复至预期状态。
17.优选的，所述限制扭矩与不稳定性指标成反比。
18.本发明的有益效果主要体现在：根据车辆车轮失稳类型估算不稳定指标值，对驱
动扭矩进行限制，输出计算的前后轴或左右轮需求扭矩给扭矩协调功能模块，快速、精确地实现横摆角速度控制。将vcu的驱动扭矩矢量与esp制动扭矩矢量功能相结合，可以最大程度地发挥电动四驱车辆的操稳控制特性。
附图说明
19.图1：为本发明优选实施例的控制流程示意图。
20.图2：为本发明优选实施例的扭矩计算、分配示意图。
21.图3：为本发明优选实施例的车辆运动失稳指标及其扭矩限制的关系示意图。
具体实施方式
22.本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
23.本发明揭示了一种电动四驱车横摆扭矩控制方法，核心思想是在车辆行驶过程中实时监测车辆横摆角速度的变化，当电四驱系统控制器检测到车辆出现不足转向或者过度转向时，反向加载矢量扭矩，纠正车辆运动姿态，使车辆恢复到稳定行驶和路径跟踪的状态。
24.如图1和图2所示，本发明优选实施例包括如下步骤，s1、判断目标横摆角速度和实际横摆角速度计算结果是否有效；具体过程为：s11、对作为目标横摆角速度计算所需的车速和方向盘转角信号进行故障诊断，若输入信号有效，则判定目标横摆角速度计算结果有效，反之则无效；s12、对横摆角速度传感器信号进行故障诊断，若所述横摆角速度传感器信号有效，则实际横摆角速度结果有效，反之则无效。
25.s2、当只有目标横摆角速度计算结果有效时，仅运用前馈控制算法改善车辆失稳状况。
26.当目标横摆角速度和实际横摆角速度计算结果均有效时，检查路面状态和估算轮胎-路面侧向附着力限值，实时判断车辆车轮失稳类型，并结合车轮-路面侧向附着力限值对车辆失稳程度进行实时判断，生成不稳定性指标。
27.所述步骤s2具体过程为：s21、通过车辆滑移率计算或图像识别等方式判断路面状态，并采用聚类算法将其分成高、中、低三种典型附着路面；s22、根据车辆运动状态和驾驶意图，运用车辆动力学公式估算当前及未来特定时间段内的轮胎-路面侧向附着力限值；s23、根据车辆实际运动轨迹判断车辆车轮处于的横摆状态，所述横摆状态包括非预期横摆状态，不足转向横摆状态，过度转向横摆状态；s24、如果车辆出现转向失稳趋势，则结合车轮-路面侧向附着力限值对车辆失稳程度进行实时判断，生成不稳定性指标，并根据估算的不稳定指标值对驱动扭矩进行限制，其中不稳定性指标定义如下：0表示无不稳定 （无）；1表示轻微不稳定（低）；2表示比较不稳定（中）；3表示严重不稳定（高）；4表示非常不稳定（危险）。
28.s3、运用前馈控制算法和反馈控制算法，计算车辆横摆角速度控制所需要的前馈控制需求扭矩
푇푓푓
和反馈控制需求扭矩
푇푓푏
。
[0029]“运用前馈和反馈控制算法进行横摆角速度控制”具体包括：横摆角速度前馈控制采用分级式 pid 控制算法，控制器输入量：目标横摆角速度；第一级控制器：采用 pd 控制算法，并根据车速设置控制死区和上下限值，防止控制器超调；第二级控制器：采用递减积分器控制算法，用于消除静态误差；控制器输出量：前馈控制需求扭矩
푇푓푓
；其计算公式如下：
푇푓푓 = 퐾푝휓
̇d푒푠 퐾d휓
̈d푒푠
−
퐾푝퐾푖
(
푠
−1퐾푖
)
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̇d푒푠 (1)其中：
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̇d푒푠
为目标横摆角速度;
휓
̈d푒푠
为目标横摆角速度的微分值;
퐾푝
为p 项控制系数;
퐾푖 为i 项控制系数;
퐾
d 为d 项控制系数;
푇푓푓 为前馈控制需求扭矩。
[0030]
所述横摆角速度反馈控制采用pid 控制算法，控制器输入量：目标与实际横摆角速度偏差；核心控制算法：采用 pid 控制算法，并根据车速设置控制死区和上下限值，防止控制器超调；同时根据偏差值设定 d 项控制选择输出开关，当偏差较小时， 关闭 d 项控制，防止控制器震荡；控制器输出量：反馈控制需求扭矩
푇푓푏
；其计算公式如下：
푇푓푏 = 퐾푝휓
̇
푒푟푟 퐾d휓
̈
푒푟푟 퐾푖
(
푠
−1퐾푖
)
휓
̇
푒푟푟 (2)其中： 휓
̇
푒푟푟
为横摆角速度偏差；
휓
̈
푒푟푟
为横摆角速度偏差的微分值；
퐾푝 为p 项控制系数 ；
퐾푖 为i 项控制系数 ；
퐾
d 为d 项控制系数 ；
푇푓푏 为反馈控制需求扭矩。
[0031]
s4、将计算所得的所述前馈控制需求扭矩
푇푓푓
反馈控制需求扭矩
푇푓푏
，根据电动四驱系统的结构形式定义扭矩分配方式和分配比例，输出前后轴或左右轮各自的需求扭矩给扭矩协调功能模块，进行横摆角速度控制。
[0032]
所述步骤s4具体过程为，s41、确定四驱系统的结构形式；s42、定义扭矩分配方式和分配比例，对于前后桥单驱动电机的车型，实施前后轴扭矩分配；对于前桥单电机、后桥双电机的车型，实施前后轴扭矩分配和后轴左右轮扭矩矢量分配；对于四轮电机驱动的车型，实施四轮扭矩矢量分配。
[0033]
当处于非预期横摆状态时，先判断车轮为横摆而非滑移状态，激活过度转向控制模式；当处于不足转向横摆状态时，采取不足转向控制模式，a1、分析当前路面状态，将驱动模式切换成四驱模式，并减少内侧车轮的驱动力，增加外侧车轮的驱动力，形成更多的向内侧转向的横摆力矩；a2、如果驱动力达到轮胎-路面侧向附着力限值，则通过施加限制扭矩来降低总驱动力；a3、如果路面附着系数很低，则通过电机反转施加制动力，再进行重新进行横摆力矩计算，最终将车辆运行轨迹恢复至预期状态；当处于过度转向横摆状态时，采取过度转向控制模式，b1、分析当前路面状态，将驱动模式切换成四驱模式，并增加内侧车轮的驱动力，减少外侧车轮的驱动力，形成更多的向外侧转向的横摆力矩；b2、如果驱动力达到轮胎-路面侧向附着力限值，则通过施加限制扭矩来降低总驱动力；b3、如果路面附着系数很低，则通过电机反转施加制动力， 再进行重新进行横摆力矩计算，最终将车辆运行轨迹恢复至预期状态。
[0034]
如图3所示，所述步骤a2\b2中，施加的限制扭矩与不稳定性指标成反比。电四驱系统通常还会随着车速的增加而减小后轴的总扭矩，以增加高速失稳时的可控性。
[0035]
本发明的有益效果主要体现在：根据车辆车轮失稳类型估算不稳定指标值，对驱动扭矩进行限制，输出计算的前后轴或左右轮需求扭矩给扭矩协调功能模块，快速、精确地实现横摆角速度控制。将vcu的驱动扭矩矢量与esp制动扭矩矢量功能相结合，可以最大程度地发挥电动四驱车辆的操稳控制特性。
[0036]
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。