一种基于滑移率的电动四驱车的扭矩控制方法与流程

1.本发明涉及车辆动力控制领域，尤其是一种基于滑移率的电动四驱车的扭矩控制方法。


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.车轮转矩控制分配是四驱电动汽车动力学控制的一个重要方面，目前关于转矩控制分配的研究，主要包括安全和节能两方面的优化目标，如以稳定性控制广义力跟踪误差、轮胎力利用附着系数等表示安全性控制指标，以驱动系统能量效率表示节能指标。然后利用最优化控制方法，得到各个车轮的期望轮胎力，然后通过车轮半径得到期望车轮转矩，作为执行器的输入指令，实现动力学控制。
4.在车轮转矩控制分配中，车轮转矩通过轮胎的动力学特性，才可以得到期望轮胎力，因此轮胎的动力学特性不可忽视。而目前关于车轮转矩分配的研究中，主要侧重在轮胎力的控制分配阶段，通过控制车轮转矩实现轮胎力过程通常被忽略。而轮胎力控制的一个主要参量就是滑移率。当车轮在起步或驱动过程中出现非预期地滑转时，滑移率控制功能可以在保持车辆稳定性的前提下，通过重新计算前后轴(或者左右轮)的驱动扭矩来保证车辆的正常驾驶或者实现脱困。因此，研究滑移率已经是目前的热门技术，例如中国专利cn102114782b和中国专利cn109383469b所揭示的计算滑移率及确定车辆最佳滑移率的技术。
5.对于滑移率控制应用来讲，基于滑移率控制，考虑轮胎的动力学特性，进行四驱电动汽车的转矩控制分配具有重要意义。例如中国专利cn108394313b揭示了一种扭矩控制分配方法，进行滑移率计算和轮胎力控制分配，然后根据滑移率判断轮胎是否处于稳定状态，若汽车处于稳定状态，则通过轮胎逆模型求解目标滑移率，进行滑移率控制，实现车轮转矩分配；若汽车处于不稳定状态，则利用滑模极值搜索算法控制车轮转矩，实现最优滑移率和最大轮胎力。这个技术的不足之处在于目标滑移率计算过程需要求解复杂的轮胎模型或滑模极值搜索算法，在车辆动态驾驶过程中，难以在短时间内收敛求解出最优值，需要结合车辆实际滑移率状况进行聚类和精准控制。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种基于滑移率的电动四驱车的扭矩控制方法。
7.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
8.一种基于滑移率的电动四驱车的扭矩控制方法，包括如下步骤：
9.s1、通过车速、轮速、纵向加速度、峰值路面附着系数、车轮载荷和轮胎纵向滑移刚度等参数计算目标轮边滑移率和目标轴间滑移率；
10.s2、通过车速、轮速、纵向加速度、横摆角速度、前轮转角和轴距等参数计算实际轮边滑移率和实际轴间滑移率；
11.s3、检查路面状态和估算轮胎-路面纵向附着力限值；
12.s4、判断车辆滑移严重等级；
13.s5、计算车辆滑移率控制所需要的反馈控制扭矩，并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，对于前后桥单电机的车型，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独立分配；对于四轮电机驱动的车型，实施四轮扭矩独立分配。
14.优选的，所述步骤s1中，滑移率控制的目标是将打滑轮的滑移率从非稳态区域控制到稳态区域，并且充分利用路面附着系数，同时需要考虑车轮载荷的影响，通过函数λ
des
＝f(μ
max
,fz)查表计算，表的输入量为峰值路面附着系数和车轮载荷，输出量为目标轮边滑移率。
15.优选的，所述步骤s1中，根据当前开环控制的前后轴目标扭矩、四轮轮速均值、轮胎纵向滑移刚度计算目标轴间速差，并根据如下公式结合当前车速计算目标轴间滑移率，计算公式如下：
[0016][0017][0018]
其中：v
fl-左前轮速度；
[0019]vfr-右前轮速度；
[0020]vrl-左后轮速度；
[0021]vrr-右后轮速度；
[0022]
v-车速；
[0023]cx-轮胎纵向滑移刚度；
[0024]-开环控制的前后轴目标扭矩差值；
[0025]-目标轴间速差；
[0026]-目标轴间滑移率；
[0027]
四轮轮速由传感器测得，所述车速由驱动电机转速估算。
[0028]
优选的，所述步骤s2中，根据四轮轮速和车速计算实际轮边滑移率，并通过纵向加速度信号进行修正，得到修正后的实际轮边滑移率:
[0029]
λ＝f(v
fl
,v
fr
,v
rl
,v
rr
,v,a
x
)
[0030]
其中：a
x-纵向加速度。
[0031]
优选的，所述步骤s2中，根据前后轴转速平均值计算实际轴间速差基础值，在车辆
转向时，根据前轮转角、轴距和横摆角速度计算修正后的实际轴间速差，并根据如下公式结合当前车速计算实际轴间滑移率，计算公式如下：
[0032][0033][0034]
其中：v
fl-左前轮速度；
[0035]vfr-右前轮速度；
[0036]vrl-左后轮速度；
[0037]vrr-右后轮速度；
[0038]
v-车速；
[0039]-横摆角速度；
[0040]
l-前后轴距；
[0041]
δ-前轮转角；
[0042]vdiff-实际轴间速差；
[0043]
λ
diff-实际轴间滑移率。
[0044]
优选的，所述步骤s3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：
[0045]
s31、通过车辆滑移率计算或图像识别来判断路面状态，并采用聚类算法将其分成高、中、低三种典型附着路面；
[0046]
s32、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。
[0047]
优选的，所述步骤s4中，所述车辆滑移严重等级包括单轮滑移、单轴滑移、单侧轮滑移、交叉轮滑移、三轮滑移和四轮滑移，所述“判断车辆滑移严重等级”具体过程为：根据步骤s2计算得到的实际轮边滑移率和实际轴间滑移率进行聚类分析，如果判别结果为某一车辆滑移严重，则触发相应的滑移率控制功能。
[0048]
优选的，所述滑移率控制功能为根据摩擦椭圆理论计算各个车轮的纵向附着力极限值，以此作为滑移率控制扭矩分配的边界值。
[0049]
优选的，所述步骤s5中，所述滑移率控制功能包括，
[0050]
轴间滑移率控制：根据目标轴间滑移率和实际轴间滑移率进行pid控制，控制输出量用于调整前后轴电机扭矩，此为第一级闭环控制；
[0051]
轮边滑移率控制：根据打滑最严重车轮的滑移率偏差进行pid控制，控制输出量用于总需求扭矩的限制，此为第二级闭环控制；
[0052]
轮间滑移率控制：根据同轴左右轮之间的滑移率偏差进行pid控制，适用于具备扭矩矢量功能的电动四驱系统。
[0053]
优选的，根据pid控制算法进行滑移率控制，控制器输入量为目标滑移率与实际滑移率的偏差，控制器输出量为滑移率控制所需的闭环控制扭矩t
fb
，其计算公式为：
[0054][0055]
其中：λ
err-滑移率偏差值；
[0056]-滑移率偏差的微分值；
[0057]kp-p项控制系数；
[0058]ki-i项控制系数；
[0059]kd-d项控制系数；
[0060]
t
fb-pid反馈控制计算扭矩。
[0061]
本发明的有益效果主要体现在：在车辆运动极限范围内，根据控制目标合理计算前后轴或者左右轮驱动或制动扭矩，快速、精确地实现车辆在各种驾驶工况下的滑移率控制。
附图说明
[0062]
图1：为本发明优选实施例的流程示意图。
[0063]
图2：为本发明优选实施例的扭矩计算、分配示意图。
[0064]
图3：为本发明优选实施例的车辆滑移率控制效果示意图。
具体实施方式
[0065]
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。
[0066]
在车辆起步或者加速过程中，如果车轮驱动力超过路面-轮胎纵向附着力极限，那么驱动轮将发生打滑现象。根据行业研究结果可知，如果滑移率大于20％，那么车轮将会打滑，影响车辆行驶，因此需要通过滑移率控制将打滑轮的滑移率控制在20％以内，使其进入稳定转动状态。因此就需要实现基于滑移率的扭矩控制。
[0067]
本发明根据各个车轮滑转情况，将基于滑移率的扭矩控制的应用场景分为以下几类：
[0068]
单个车轮打滑(例如：泥坑脱困)；
[0069]
单轴车轮打滑(例如：前轴砂石后轴柏油路面)；
[0070]
单侧车轮打滑(例如：左侧冰雪右侧柏油路面)；
[0071]
交叉车轮打滑(例如：交叉起伏路面)；
[0072]
三个车轮打滑(例如：戈壁路面)；
[0073]
全轮打滑(例如：冰雪路面)。
[0074]
在此基础上，本发明的核心思想是实时监测车轮滑移率的变化以及估算轮胎-路面附着力极限，尽量减少打滑轮的驱动力，将更多的驱动力分配给附着力大的车轮，逐步实现脱困并恢复至正常行驶状态。
[0075]
如图1和图2所示，本发明揭示了一种基于滑移率的电动四驱车的扭矩控制方法，包括如下步骤：
[0076]
s1、通过车速、轮速、纵向加速度、峰值路面附着系数、车轮载荷和轮胎纵向滑移刚度等参数计算目标轮边滑移率和目标轴间滑移率；
[0077]
s2、通过车速、轮速、纵向加速度、横摆角速度、前轮转角和轴距等参数计算实际轮边滑移率和实际轴间滑移率；
[0078]
s3、检查路面状态和估算轮胎-路面纵向附着力限值；
[0079]
s4、判断车辆滑移严重等级；
[0080]
s5、计算车辆滑移率控制所需要的反馈控制扭矩，并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，对于前后桥单电机的车型，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独立分配；对于四轮电机驱动的车型，实施四轮扭矩独立分配。
[0081]
所述步骤s1中，滑移率控制的目标是将打滑轮的滑移率从非稳态区域控制到稳态区域，并且充分利用路面附着系数，同时需要考虑车轮载荷的影响，通过函数λ
des
＝f(μ
max
,fz)查表计算，表的输入量为峰值路面附着系数和车轮载荷，输出量为目标轮边滑移率。根据当前开环控制的前后轴目标扭矩、四轮轮速均值、轮胎纵向滑移刚度计算目标轴间速差，并根据如下公式结合当前车速计算目标轴间滑移率，计算公式如下：
[0082][0083][0084]
其中：v
fl-左前轮速度；
[0085]vfr-右前轮速度；
[0086]vrl-左后轮速度；
[0087]vrr-右后轮速度；
[0088]
v-车速；
[0089]cx-轮胎纵向滑移刚度；
[0090]-开环控制的前后轴目标扭矩差值；
[0091]-目标轴间速差；
[0092]-目标轴间滑移率。
[0093]
四轮轮速由传感器测得，所述车速由驱动电机转速估算。
[0094]
所述步骤s2中，根据四轮轮速和车速计算实际轮边滑移率，并通过纵向加速度信号进行修正，得到修正后的实际轮边滑移率:
[0095]
λ＝f(v
fl
,v
fr
,v
rl
,v
rr
,v,a
x
)
[0096]
其中：a
x-纵向加速度。
[0097]
所述步骤s2中，根据前后轴转速平均值计算实际轴间速差基础值，在车辆转向时，根据前轮转角、轴距和横摆角速度计算修正后的实际轴间速差，并根据如下公式结合当前车速计算实际轴间滑移率，计算公式如下：
[0098][0099][0100]
其中：v
fl-左前轮速度；
[0101]vfr-右前轮速度；
[0102]vrl-左后轮速度；
[0103]vrr-右后轮速度；
[0104]
v-车速；
[0105]-横摆角速度；
[0106]
l-前后轴距；
[0107]
δ-前轮转角；
[0108]vdiff-实际轴间速差；
[0109]
λ
diff-实际轴间滑移率。
[0110]
所述步骤s3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：
[0111]
s31、通过车辆滑移率计算或图像识别来判断路面状态，并采用聚类算法将其分成高、中、低三种典型附着路面；
[0112]
s32、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。
[0113]
所述步骤s4中，所述车辆滑移严重等级包括单轮滑移、单轴滑移、单侧轮滑移、交叉轮滑移、三轮滑移和四轮滑移，所述“判断车辆滑移严重等级”具体过程为：根据步骤s2计算得到的实际轮边滑移率和实际轴间滑移率进行聚类分析，如果判别结果为某一车辆滑移严重，则触发相应的滑移率控制功能。
[0114]
所述滑移率控制功能为根据摩擦椭圆理论计算各个车轮的纵向附着力极限值，以此作为滑移率控制扭矩分配的边界值。
[0115]
所述步骤s5中，所述正常模式下的滑移率控制功能包括，
[0116]
轴间滑移率控制：根据目标轴间滑移率和实际轴间滑移率进行pid控制，控制输出量用于调整前后轴电机扭矩，此为第一级闭环控制；
[0117]
轮边滑移率控制：根据打滑最严重车轮的滑移率偏差进行pid控制，控制输出量用于总需求扭矩的限制，此为第二级闭环控制；
[0118]
轮间滑移率控制：根据同轴左右轮之间的滑移率偏差进行pid控制，适用于具备扭矩矢量功能的电动四驱系统。
[0119]
根据pid控制算法进行滑移率控制，控制器输入量为目标滑移率与实际滑移率的偏差，控制器输出量为滑移率控制所需的闭环控制扭矩t
fb
，其计算公式为：
[0120]
[0121]
其中：λ
err-滑移率偏差值；
[0122]-滑移率偏差的微分值；
[0123]kp-p项控制系数；
[0124]ki-i项控制系数；
[0125]kd-d项控制系数；
[0126]
t
fb-pid反馈控制计算扭矩。
[0127]
结合图3所示，本发明根据车辆滑移严重等级的具体滑移率控制实现方式如下。
[0128]
单个车轮打滑：这种现象常见于水坑或泥坑路面，假设车辆为前驱模式并且右前轮打滑，那么需要将前驱模式切换为四驱模式或者后驱模式，减少前轮驱动力用于脱困，增加后轮驱动力用于驱动；当其他单个车轮打滑时，可采取类似的控制策略。
[0129]
单轴车轮打滑：这种现象常见于砂石-柏油前后拼接路面，假设车辆为前驱模式并且前轴车轮打滑，那么需要将前驱模式切换为四驱模式或者后驱模式，减少前轴驱动力用于脱困，增加后轴驱动力用于驱动；当后轴车轮打滑时，可采取类似的控制策略。
[0130]
单侧车轮打滑：这种现象常见于冰雪-柏油左右拼接路面，假设车辆为四驱模式并且左侧车轮打滑，如果该四驱系统支持左右轮的扭矩分配，那么需要尽量将驱动力分配给附着力大的车轮用于驱动；如果该四驱系统不支持左右轮的扭矩分配，那么需要比较前后轴的轴间滑移率，增加滑移率小的轴的驱动力用于驱动；如果前后轴滑移率相当且不能进行左右轮扭矩分配，那么就需要进行扭矩限制，将驱动力减小至打滑轮与路面的附着力极限范围之内；当右侧车轮打滑时，可采取类似的控制策略。
[0131]
交叉车轮打滑：这种现象常见于不规则的交叉起伏路面，假设车辆为四驱模式并且左前轮与右后轮打滑，如果该四驱系统支持左右轮的扭矩分配，那么需要尽量将驱动力分配给附着力大的车轮用于驱动；如果该四驱系统不支持左右轮的扭矩分配，那么需要比较前后轴的轴间滑移率，增加滑移率小的轴的驱动力用于驱动；如果前后轴滑移率相当且不能进行左右轮扭矩分配，那么就需要进行扭矩限制，将驱动力减小至打滑轮与路面的附着力极限范围之内，特殊情况(例如两个车轮空转)下不能通过软件控制实现脱困；当右前轮与左后轮打滑时，可采取类似的控制策略。
[0132]
三个车轮打滑：这种现象常见于砂石混合的戈壁路面，假设车辆为四驱模式并且左前轮、右前轮与右后轮打滑，那么需要保持四驱模式(或者根据情况切换为两驱模式)；如果该四驱系统支持后轴左右轮扭矩分配，那么尽量将驱动力分配给左后轮，否则需要进行后轴扭矩限制；其他任意三个车轮打滑时，可采取类似的控制策略。
[0133]
全轮打滑：这种现象常见于全冰雪路面，车辆为四驱模式，此时需要分析四个车轮滑移率差异情况，保持四驱模式(或者根据情况切换为两驱模式)，尽量将驱动力分配给滑移率小的车轴或车轮，并且进行相应的扭矩限制；如果四个车轮滑移率相当并且路面附着系数很低，那么车辆在驱动过程中不仅会出现打滑，还会出现失稳状况，此时需要驾驶员安全停车，采取物理防滑措施(例如更换防滑轮胎)后安全行驶。
[0134]
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。