考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统及方法，该方法包括以下步骤：1)获取车轮输出力矩的范围约束；2)对运动控制层的广义力需求进行预分配；3)获取路面附着系数对应的峰值滑移率和每个车轮的参考轮速，确定每个车轮的工作模式；4)构建抗饱和积分滑模变结构控制器，并以实际轮速和参考轮速的差值作为输入得到控制力矩；5)将不打滑的车轮作为二次分配的控制变量，以广义力跟踪误差最小和附着利用率最小的加权和为目标函数，优化求解；6)最后结合驱动防滑控制单元和四轮转矩分配控制单元的转矩指令，输出给电机控制器。与现有技术相比，本发明专利技术具有二次分配、有效防滑、考虑全面、控制精确等优点。

Torque Distribution Control System Considering Coordination of Maneuverability and Wheel Stability

【技术实现步骤摘要】
考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统及方法
本专利技术涉及分布式驱动电动汽车四轮转矩协调控制领域，尤其是涉及一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统及方法。
技术介绍
分布式驱动电动汽车作为一种先进的电动汽车动力系统，在动力性及经济性方面具有很大优势。分布式驱动电动汽车一般采用轮毂/轮边电机驱动动力系统，作用在车轮上的峰值转矩较大，在起步或者加速阶段容易造成驱动轮的过度滑转，使轮胎磨损，驱动效率降低，侧向稳定性降低。因此，为了避免在行驶过程中过大的滑移率，需要采取合理的控制方法来减小驱动轮上的驱动力矩，从而将滑移率控制在一个合理范围内。目前大多数驱动防滑控制方法仍然只考虑单个车轮，缺乏对整车四轮的协调。从系统角度讲，分布式驱动带来可控自由度、操纵稳定性及高效节能等技术优点。由于分布式驱动电动汽车动力系统由于存在多个驱动单元，因此，如何在各个驱动单元之间实现协调控制和转矩分配是一个研究重点。目前具有的转矩分配控制技术包括转矩平均分配法及搜索法等。但以上转矩分配算法都存在一定局限性，缺乏对于车轮驱动防滑控制的考虑。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统及方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统，该系统包括：电机控制器：用以根据车轮驱动转矩控制对应4个车轮的驱动电机；车辆状态测量单元：用以分别通过传感器实时采集车辆的加速度、路面附着系数、车速、四轮转速和转矩数据，并发送给控制输出约束计算单元；控制输出约束计算单元：包括车轮垂直载荷估算模块和控制量输出约束计算模块，用以计算车轮输出力矩的范围约束以及每个车轮的垂直载荷；转矩控制模式单元：用以根据生成的期望滑移率和峰值滑移率获取每个车轮的参考轮速；驱动防滑控制单元：包括轮速差值计算单元和抗饱和积分滑模变结构控制器，用以根据轮速差值获取每个车轮的控制力矩；四轮转矩分配单元：根据控制力矩和车轮输出力矩的范围约束重新优化驱动转矩指令发送给电机控制器。所述的转矩控制模式单元包括：预分配模块：用以根据运动控制层的期望总驱动力需求和附加横摆力矩需求计算每个车轮的期望滑移率；峰值滑移率MAP模块：用以根据实时的路面附着系数查表得到当前车轮的峰值滑移率；参考轮速模块：用以根据期望滑移率和峰值滑移率的较小值，结合车速信号计算得到每个车轮的参考轮速信号；ASR介入退出判断模块：用以根据车轮的打滑情况进行判断每一个车轮对应的驱动防滑控制模块是否起作用。一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制方法，包括以下步骤：1)实时采集车辆的加速度、路面附着系数、车速、四轮转速和转矩数据，估计四轮垂直载荷，并获取车轮输出力矩的范围约束；2)对运动控制层的广义力需求进行预分配，得到四轮的期望滑移率；3)采用查表获取路面附着系数对应的峰值滑移率，获取每个车轮的参考轮速，然后根据四轮实时的车轮打滑程度判断各个车轮的驱动防滑控制是否介入，确定每个车轮的工作模式；4)构建抗饱和积分滑模变结构控制器，并以实际轮速和参考轮速的差值作为输入得到控制力矩；5)将不打滑的车轮作为二次分配的控制变量，根据驱动防滑控制单元的输出转矩修正参考的驱动力和附加横摆力矩，以广义力跟踪误差最小和附着利用率最小的加权和为目标函数，优化求解出不打滑车轮的输出转矩；6)最后结合驱动防滑控制单元和四轮转矩分配控制单元的转矩指令，输出给电机控制器。控制量输出的范围约束的获取方法具体为：根据电机输出能力的范围约束、离散化控制中电机转矩变化的速率约束和当前路面运行的最大电机转矩约束，获取车轮输出力矩的约束范围，则有：其中，u为车轮的输出力矩，u为车轮的输出力矩的最小值，为车轮的输出力矩的最大值,，Timax(k)为电机外特性的输出能力限制，μ为路面附着系数，Fzi(k)为车轮垂直载荷，r为车轮半径，括号内第二项表示由路面附着极限限制的转矩限值，为电机输出转矩每个周期的变化最大值，Δt为周期时间间隔，Fxi(k-1)为上一时刻的车轮纵向力，第三项表示由电机输出转矩变化速率限制的转矩限值。所述的步骤2)具体包括以下步骤：21)根据广义力需求中的期望总驱动力需求Fxd和期望总附加横摆力矩需求ΔMz计算左右侧的纵向力需求，则有：其中，为车辆左侧的纵向力需求，为车辆右侧的纵向力需求，b为车辆轮距；22)根据前后轮的垂直载荷比例分配车辆单侧前后轮的需求驱动力，则有：其中，为每个车轮的需求驱动力，为每个车轮的实时垂直载荷，为每一侧前后车轮的垂直载荷之和，上标i＝l表示左轮，i＝r表示右轮，j＝F表示前轮，j＝R表示后轮；23)根据各个车轮的纵向力需求获取每个车轮对应的期望滑移率则有：其中，为每个车轮的纵滑刚度，k(μ)为轮胎在不同附着系数路面下的纵滑特性参数。所述的步骤3)中，每个车轮的参考轮速的计算式为：其中，为峰值滑移率，为参考滑移率，Vx为车轮车速，r为车轮滚动半径。所述的步骤3)中，确定每个车轮的工作模式具体为：当车轮驱动防滑模块不起作用时，则令标志位flag＝0，当车轮的角加速度大于车辆纵向加速度，或滑移率超过路面对应的峰值滑移率，并且维持超过一段时间时，令标志位flag＝1，车轮驱动防滑控制介入；在车轮驱动防滑控制介入后，令标志位flag＝1，当车轮的角加速度小于车辆纵向加速度并且滑移率没有超过路面对应的峰值滑移率维持一段时间后，驱动防滑控制退出，并令标志位flag＝0；若车轮对应的标志位flag＝1时，则该车轮的驱动力矩指令由对应的驱动防滑ASR单元接管，否则，该车轮的驱动力矩指令由四轮转矩分配单元计算得到。所述的步骤4)中，抗饱和积分滑模变结构控制器具体为：其中，ρ为条件积分项，θ为滑模控制的切换曲面附近的边界层厚度，ki为积分增益，kp为比例增益，为控制力矩，sat为饱和函数，为电机力矩上限，eij为实际轮速ωij和参考轮速的差值，为驱动防滑控制器的力矩输出上限值。所述的步骤5)具体包括以下步骤：51)四轮转矩分配单元跟根据车轮输出力矩的范围约束和四轮垂直载荷，根据标志位判断每个车轮的工作模式；52)修正运动控制层的广义力需求v，则有：53)重新确定分配控制的动态效率矩阵B，对不打滑车轮的驱动转矩进行重新优化分配，则有：ifflagij＝1B(:,n)＝[]54)设计目标函数并在线求解出目标驱动转矩。所述的步骤54)中，目标函数的表达式为：其中，u为驱动防滑ASR单元不介入控制时对应的车轮输出力矩，Wu为调节控制输出的权重，Wv为调节广义力的权重，λ为调节分配精度和轮胎利用率以及输出转矩大小之间的权重。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、二次分配、有效防滑：本专利技术通过二次分配的方法，避免了驱动防滑控制与转矩分配控制之间的相互影响，利用预分配和对车轮打滑程度的判断确定车轮的工作模式，优先稳定车轮滑移率，并且在转矩分配过程中补偿驱动防滑控制的影响，提高了转矩分配的控制精度，从而做到在汽车正常运行时又能有效防滑；二、考虑全面、控制精确：对轮胎的输出力矩的约束范围的求解过程中，充分考虑了电机输出能力的范围约束、电机转矩变化的速率约束和当前路面运行的最大电机转矩约束，考虑全面，提高了控制结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统，其特征在于，该系统包括：电机控制器：用以根据车轮驱动转矩控制对应4个车轮的驱动电机；车辆状态测量单元：用以分别通过传感器实时采集车辆的加速度、路面附着系数、车速、四轮转速和转矩数据，并发送给控制输出约束计算单元；控制输出约束计算单元：包括车轮垂直载荷估算模块和控制量输出约束计算模块，用以计算车轮输出力矩的范围约束以及每个车轮的垂直载荷；转矩控制模式单元：用以根据生成的期望滑移率和峰值滑移率获取每个车轮的参考轮速；驱动防滑控制单元：包括轮速差值计算单元和抗饱和积分滑模变结构控制器，用以根据轮速差值获取每个车轮的控制力矩；四轮转矩分配单元：根据控制力矩和车轮输出力矩的范围约束重新优化驱动转矩指令发送给电机控制器。

【技术特征摘要】
1.一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统，其特征在于，该系统包括：电机控制器：用以根据车轮驱动转矩控制对应4个车轮的驱动电机；车辆状态测量单元：用以分别通过传感器实时采集车辆的加速度、路面附着系数、车速、四轮转速和转矩数据，并发送给控制输出约束计算单元；控制输出约束计算单元：包括车轮垂直载荷估算模块和控制量输出约束计算模块，用以计算车轮输出力矩的范围约束以及每个车轮的垂直载荷；转矩控制模式单元：用以根据生成的期望滑移率和峰值滑移率获取每个车轮的参考轮速；驱动防滑控制单元：包括轮速差值计算单元和抗饱和积分滑模变结构控制器，用以根据轮速差值获取每个车轮的控制力矩；四轮转矩分配单元：根据控制力矩和车轮输出力矩的范围约束重新优化驱动转矩指令发送给电机控制器。2.根据权利要求1所述的一种考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统，其特征在于，所述的转矩控制模式单元包括：预分配模块：用以根据运动控制层的期望总驱动力需求和附加横摆力矩需求计算每个车轮的期望滑移率；峰值滑移率MAP模块：用以根据实时的路面附着系数查表得到当前车轮的峰值滑移率；参考轮速模块：用以根据期望滑移率和峰值滑移率的较小值，结合车速信号计算得到每个车轮的参考轮速信号；ASR介入退出判断模块：用以根据车轮的打滑情况进行判断每一个车轮对应的驱动防滑控制模块是否起作用。3.一种采用如权利要求1或2的考虑操纵性与车轮稳定性协调的转矩分配控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)实时采集车辆的加速度、路面附着系数、车速、四轮转速和转矩数据，估计四轮垂直载荷，并获取车轮输出力矩的范围约束；2)对运动控制层的广义力需求进行预分配，得到四轮的期望滑移率；3)采用查表获取路面附着系数对应的峰值滑移率，获取每个车轮的参考轮速，然后根据四轮实时的车轮打滑程度判断各个车轮的驱动防滑控制是否介入，确定每个车轮的工作模式；4)构建抗饱和积分滑模变结构控制器，并以实际轮速和参考轮速的差值作为输入得到控制力矩；5)将不打滑的车轮作为二次分配的控制变量，根据驱动防滑控制单元的输出转矩修正参考的驱动力和附加横摆力矩，以广义力跟踪误差最小和附着利用率最小的加权和为目标函数，优化求解出不打滑车轮的输出转矩；6)最后结合驱动防滑控制单元和四轮转矩分配控制单元的转矩指令，输出给电机控制器。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，控制量输出的范围约束的获取方法具体为：根据电机输出能力的范围约束、离散化控制中电机转矩变化的速率约束和当前路面运行的最大电机转矩约束，获取车轮输出力矩的约束范围，则有：其中，u为车轮的输出力矩，u为车轮的输出力矩的最小值，为车轮的输出力矩的最大值,，Timax(k)为电机外特性的输出能力限制，μ为路面附着系数，Fzi(k)为车轮垂直载荷，r为车轮半径，为电机输出转矩每个周期的变化最大值，Δt...

【专利技术属性】
技术研发人员：余卓平，侯誉烨，冷搏，熊璐，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31