四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法技术

一种四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法，属于车辆工程技术领域。本发明专利技术的目的是根据路面条件信息得到经验性的前后车轮期望的最优滑移率，在上层中设计滑移率模型预测控制器，在下层中以电机转速和电池剩余电量为约束条件的四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法。本发明专利技术步骤是：建立四轮轮毂电动汽车制动系统模型，识别路面附着条件与最佳滑移率，上层滑移率跟踪控制器设计，下层再生制动与摩擦制动分配控制器设计。本发明专利技术能够快速、精确地控制轮胎滑移率，有效地缩短制动距离和制动时间，提高紧急制动的安全性和可靠性，提高紧急制动过程中的能量回馈效率。

【技术实现步骤摘要】
四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法
本专利技术属于车辆工程

技术介绍
电动汽车相比于传统的内燃机汽车增加了电机制动系统，在紧急制动工况下，如何协调再生制动系统和摩擦制动系统来提高安全性和能效性，是一个重要的研究问题。在传统的液压制动系统中，可以通过脉宽调制信号调节电磁阀来控制液压，从而避免车轮抱死。随着液压压力的变化，液压制动力矩能够获得很大的相对工作区间，但是由于传统防抱死制动系统(ABS)的载波脉冲频率较低，摩擦制动力矩动态变化慢，在运行过程中总是有明显的瞬态延迟响应，会严重影响防抱控制性能。此外，传统的液压制动在ABS工作期间会有较大的振动和噪声，会影响制动稳定性和舒适性。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据路面条件信息得到经验性的前后车轮期望的最优滑移率，在上层中设计滑移率模型预测控制器，在下层中以电机转速和电池剩余电量为约束条件的四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法。本专利技术步骤是：步骤一、建立四轮轮毂电动汽车制动系统模型：车辆纵向动力学方程及每个车轮的力矩平衡方程如下：其中，M表示电动汽车整车质量，vx表示制动车速，Fxfl,Fxfr,Fxrl,Fxrr表示四个车轮与地面之间的摩擦力，Fa表示空气阻力，Fs和Fr分别表示坡度阻力和滚动阻力，J表示每个车轮的转动惯量，ωwj表示每个车轮的转动速度，Re表示轮胎有效滚动半径，Tbj表示作用于每个车轮上的制动力矩，ρ是空气质量密度，Ca是空气阻力系数，AF是前车窗迎风面积；Pacejka魔术公式轮胎模型如下：Fxj＝μj(κj)Fzj(4)μj(κj)＝Dxsin{Cxarctan[Bxκj-Ex(Bxκj-arctan(Bxκj))]}(5)其中，Fxj表示四个车轮与地面之间的摩擦力，μj表示各个轮胎与地面间的制动力系数，Fzj表示四个车轮的垂向载荷，κj表示各个车轮的滑移率，Bx、Cx、Dx、Ex分别表示轮胎的刚度因子、曲线形状因子、峰值因子和曲线曲率因子；步骤二、识别路面附着条件与最佳滑移率：轮胎力达到地面附着极限值，汽车减速度ax也达到最大值，滑移率超过或低于这个值，轮胎力都会减小，通过对电动汽车轮胎模型进行不同路面工况仿真，得到不同路面对应的前后轮最佳滑移率和最大制动减速度；步骤三、上层滑移率跟踪控制器设计：将车速vx所对应的车轮转速设为ωv，即：vx＝ωvRe(7)根据公式(1)、(2)、(6)有：其中，根据公式(7)、(8)、(9)可以推得：式(12)为系统状态空间方程，状态量为四个轮胎的纵向滑移率x＝[κfl,κfr,κrl,κrr]T，控制量为四个车轮总制动力矩u＝[Tbfl,Tbfr,Tbrl,Tbrr]T；为了跟踪期望滑移率，构建如下优化控制问题：其中，式(14)为优化问题的约束条件，式(12)为系统状态空间方程约束，0≤Tbj(t)≤g0Tmj,max(t)+Thj,max表示各个车轮制动力矩要满足执行器饱和约束；目标函数中的J1、J2、J3、J4具体形式如下：其中，κj,opt表示的是每个轮胎的最佳滑移率，Ts表示采样步长；根据模型预测控制原理，将优化问题重新描述如下：其中，p为模型预测控制预测时域，Q1、Q2、Q3、Q4分别是四个目标函数的权重；在时刻k，系统从k+1时刻到k+p时刻的状态预测方程如下：x(k+1|k)＝x(k)+f(x(k),u(k))Tsx(k+2|k)＝x(k+1|k)+f(x(k+1|k),u(k+1))Tsx(k+p|k)＝x(k+p-1|k)+f(x(k+p-1|k),u(k+p-1))Ts其中，表示状态空间方程；求解全部预测时域内的独立变量序列Uk，然后将其第一个元素u*(k)作用于系统，即：u*(k)＝[Tbfl*(k),Tbfr*(k),Tbrl*(k),Tbrr*(k)]T＝[1,0,…,0]Uk(k)(20)；步骤四、下层再生制动与摩擦制动分配控制器设计：根据状态空间方程(12)，在最佳滑移率κj,opt处有：其中，ax,opt、vx,opt和μj,opt分别为最佳滑移率时对应的制动减速度、车速和制动力系数；路面附着系数和最大制动减速赋值给ax,opt和μj,opt，即ax,opt＝ax,max、μj,opt＝μj,max，然后令vx,opt＝v0，那么可以得到一个接近于期望制动力矩的值Tbj*：如果超出约束范围，则设定液压制动与再生制动分配遵循以下规则：Thj＝Tbj*-b(μj,max)g0Tmj,max(ωmj0)，(23)Tmwj＝Tbj-Thj，(24)其中，Thj和Tmwj将作为液压执行器和电机执行器的参考输入，ωmj0是在紧急制动刚开始时的轮毂电机转速，Tmj,max(ωmj0)是对应的最大轮毂电机制动转矩，Tbj为上层滑移率控制器优化出的每个车轮所需要的总制动力矩。本专利技术针对四轮轮毂电动汽车的紧急防抱死制动控制问题，提出的分层式再生制动与摩擦制动协调ABS控制策略，能够快速、精确地控制轮胎滑移率，有效地缩短制动距离和制动时间，提高紧急制动的安全性和可靠性。以液压制动为基础、电机制动为补偿调节的策略能够有效地减小传统防抱死制动系统的振动和噪声，提高紧急制动过程中的能量回馈效率。附图说明图1是制动力系数与滑移率关系曲线图；图2是再生制动与摩擦制动协调ABS控制策略流程图；图3是干路面三种制动方法的车速与各个车轮相对速度；图3a是无ABS控制策略车速与车轮相对速度结果图；图3b是液压逻辑门限控制策略车速与车轮相对速度结果图；图3c是复合制动协调防抱死控制策略车速与车轮相对速度结果图；图4是干路面三种制动方法的制动距离与制动减速度；图4a是制动距离结果图；图4b是制动减速度结果图；图5是干路面三种制动方法各个车轮的制动力矩；图5a是前轮制动力矩结果图；图5b是后轮制动力矩结果图；图6是干路面复合制动ABS电机与液压制动力矩分配结果图；图6a是左前轮制动力矩分配结果图；图6b是右前轮制动力矩分配结果图；图6c是左后轮制动力矩分配结果图；图6d是右后轮制动力矩分配结果图；图7是干路面三种制动方法各个车轮的滑移率图；图7a是左前轮滑移率；图7b是右前轮滑移率；图7c是左后轮滑移率；图7d是右后轮滑移率；图8是干路面复合制动协调ABS控制策略SOC与回收能量结果图；图8a是电池SOC结果图；图8b是回收能量结果图；图9是湿路面三种制动方法的车速与各个车轮相对速度结果图；图9a是无ABS控制策略车速与车轮相对速度结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法，其特征在于：其步骤是：步骤一、建立四轮轮毂电动汽车制动系统模型：/n车辆纵向动力学方程及每个车轮的力矩平衡方程如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种四轮轮毂电动汽车电液复合制动防抱死协调优化控制方法，其特征在于：其步骤是：步骤一、建立四轮轮毂电动汽车制动系统模型：
车辆纵向动力学方程及每个车轮的力矩平衡方程如下：









其中，M表示电动汽车整车质量，vx表示制动车速，Fxfl,Fxfr,Fxrl,Fxrr表示四个车轮与地面之间的摩擦力，Fa表示空气阻力，Fs和Fr分别表示坡度阻力和滚动阻力，J表示每个车轮的转动惯量，ωwj表示每个车轮的转动速度，Re表示轮胎有效滚动半径，Tbj表示作用于每个车轮上的制动力矩，ρ是空气质量密度，Ca是空气阻力系数，AF是前车窗迎风面积；
Pacejka魔术公式轮胎模型如下：
Fxj＝μj(κj)Fzj(4)
μj(κj)＝Dxsin{Cxarctan[Bxκj-Ex(Bxκj-arctan(Bxκj))]}(5)



其中，Fxj表示四个车轮与地面之间的摩擦力，μj表示各个轮胎与地面间的制动力系数，Fzj表示四个车轮的垂向载荷，κj表示各个车轮的滑移率，Bx、Cx、Dx、Ex分别表示轮胎的刚度因子、曲线形状因子、峰值因子和曲线曲率因子；
步骤二、识别路面附着条件与最佳滑移率：
轮胎力达到地面附着极限值，汽车减速度ax也达到最大值，滑移率超过或低于这个值，轮胎力都会减小，通过对电动汽车轮胎模型进行不同路面工况仿真，得到不同路面对应的前后轮最佳滑移率和最大制动减速度；
步骤三、上层滑移率跟踪控制器设计：
将车速vx所对应的车轮转速设为ωv，即：
vx＝ωvRe(7)
根据公式(1)、(2)、(6)有：









其中，



根据公式(7)、(8)、(9)可以推得：



式(12)为系统状态空间方程，状态量为四个轮胎的纵向滑移率x＝[κfl,κfr,κrl,κrr]T，控制量为四个车轮总制动力矩u＝[Tbfl,Tbfr,Tbrl,Tbrr]T；
为了跟踪期望滑移率，构建如下优化控制问题：






其中，式(14)为优化问题的约束条件，式(12)为系...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐薇，陈虹，赵海艳，邓丽飞，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22