[發明專利]一種用于輪轂電機驅動車輛的穩定性控制方法

有效

• 申請號: 201810044229.3
• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN108556680B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 張承寧;張勇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B60L15/20
• 分類號: B60L15/20
• 代理公司: 11430 北京市誠輝律師事務所
• 代理人: 范盈

1.一種用于輪轂電機驅動車輛的穩定性控制方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

步驟1、采集所述車輛的縱向車速v_x、橫擺角速度ω_z和質心側偏角β參數；

步驟2、基于所述步驟1中采集的各參數，并結合參考縱向車速v_xdes、參考橫擺角速度ω_zdes和參考質心側偏角β_des構建滑模控制器，獲取運動過程中的目標縱向力，并設計橫擺力矩合成控制器實現車輛運動狀態對參考狀態的跟蹤，以得到目標橫擺力矩；

步驟3、基于所述步驟2中得到的所述目標縱向力和目標橫擺轉矩實現基于最小誤差逼近的輪胎縱向力分配；

步驟4、基于所述步驟3中的所述輪胎縱向力獲得電機轉矩，基于滑模控制結構實現對所述電機轉矩的輸出控制；

所述步驟2中所述的構建滑模控制器，具體包括：

建立關于車輛實際運動狀態與參考運動狀態之間偏差的滑模函數：

s_β＝β-β_des

取等速趨近律，即：

其中，f為車輛風阻和滾動阻力之和，Y_des是基于輪胎縱向力和輪胎側向力獲得的車輛側向力，X_xdes、M_zxdes分別表示由輪胎縱向力獲得的車輛縱向力和橫擺力矩，X_ydes和M_zydes分別表示由輪胎側向力獲得的車輛縱向力和橫擺力矩，和分別為目標質心側偏角速度和目標橫擺角加速度，ε_β和κ是等速趨近律常數，均大于零；m為質量；

建立質心側偏角與橫擺力矩的函數關系；

首先引入中間變量ω_z-β：

并根據中間變量與橫擺角速度之間的偏差建立滑模函數，取等速趨近律后表示如下：

為等速趨近常數；

構建滑模控制器獲取車輛目標縱向力，即：

其中，表示車輛縱向速度變化率，v_y表示車輛側向車速，表示帶飽和函數的趨近律，代替了符號函數用于消除模運動過程中的抖振問題；

所述步驟2中所述的設計橫擺力矩合成控制器實現車輛運動狀態對參考狀態的跟蹤，以得到目標橫擺力矩，具體包括：

構建滑模控制器獲取車輛的橫擺轉矩，即：

其中，b_i為第i軸的輪距的一半，I_z為車輛橫擺運動轉動慣量，是通過橫擺角速度跟蹤參考橫擺角速度的橫擺力矩，M_zx-βdes是質心側偏角通過中間變量ω_z-β跟蹤參考質心側偏角的橫擺力矩；

所述橫擺力矩合成控制器通過調整權重系數得到目標橫擺轉矩，即：

其中，K₁和K₂為車輛運動狀態跟蹤參考運動狀態的權重系數；

步驟3中所述的基于所述步驟2中得到的所述目標縱向力和目標橫擺轉矩實現基于最小誤差逼近的輪胎縱向力分配，具體包括：

建立分配方程：Bu＝v

其中，v＝[X_xdes M_zxdes]^T，B和u分別為系數矩陣和輸出矩陣，即：

u＝[F_xw11 F_xw12 F_xw21 F_xw22 F_xw31 F_xw32 F_xw41 F_xw42]^T

元素a_ij和b_ij分別為矩陣B中的系數：

a_ij＝cosδ_ij

b_ij＝(-1)^jdcosδ_ij+(-1)ⁱl_isinδ_ij

其中，δ_ij為各個車輪的轉向角，其中i表示第1、2、3和4軸，j為1時表示左側車輪和為2時表示右側車輪，δ_3j＝δ_4j＝0；l_i表示第1、2、3和4軸到質心的距離，d表示車輛兩側車輪的距離；

輪胎縱向力滿足外特性約束：

其中，i_g為輪轂電機到車輪動力輸出過程中的減速器的傳動比，T_mmax為輪轂電機的最大輸出轉矩；

輪胎縱向力還與輪胎側向力滿足摩擦圓約束，即：

其中，F_xwij、F_ywij和F_zij分別表示為各個輪胎的縱向力、輪胎側向力和輪胎垂向力，μ_ij分別為各個輪胎的路面附著系數；

輪胎縱向力約束綜合為以下形式：

式中，上下限為：

其中，R_w代表車輪半徑；

對于極限工況下等式Bu＝v無解的問題，采用最小誤差逼近函數||Bu-v||²取代了等式約束Bu＝v，目標方程用范數的平方表示：

J₁＝arg min||W_v(Bu-v)||²

式中W_v是權重矩陣，

利用性能優化方程提高輪胎縱向力儲備裕度，基于輪胎力利用率最小提高車輛穩定性：

J₂＝||W_uu||²

對角加權矩陣W_u表示為：

其中，c_ij為加權對角矩陣的各個輪胎力的加權系數，μ_ij和F_zij分別為各個輪胎的路面附著系數和輪胎垂向力；

將上述目標方程和性能優化方程歸納為一個二次規劃問題：

其中，Ω為最有目標逼近函數的解的集合；

通過設置加權系數γ，將以上兩步算法集成到一步算法并通過加權最小二乘法求解：

所述步驟4中所述的基于輪胎縱向力獲得電機轉矩，如下式所示：

其中，T_wij、I和分別為各個車輪的轉矩、電動輪轉動慣量和角加速度；

所述步驟4中所述的基于滑模控制結構實現對所述電機轉矩的輸出控制，具體包括：

設置λ_opt最優滑移率為0.2，車輪期望轉速ω_des可表示為：

其中

針對車輪滑移率構建滑模控制結構，由車輪轉速誤差定義滑模函數：

s_ω＝ω-ω_des

取指數趨近律，表達式如下：

其中，ε_ω和k_ω為指數趨近律的系數，均大于零；

由此得到電機轉矩輸出為：

由此，電機的輸出轉矩為：

其中，λ為車輪的實際滑移率。