一種輪轂驅動電動汽車底盤協調控制系統的制作方法

本發明涉屬于電動汽車底盤控制技術領域，尤其涉及一類輪轂驅動系統電動汽車的耦合動力學控制系統。

技術背景

輪轂電機驅動電動汽車取消了傳動軸、差速器等，將電機、減速機構等高度集成于車輪內。將電機等部件引入車輪內，不僅會造成非簧載質量的增加，同時，不平路面下的輪胎跳動、載荷不均等將使電機電磁場發生變化，從而產生新的機-電-磁多場耦合的動力學問題，這使得輪轂電機驅動車輛底盤系統的動力學控制問題面臨不同于傳統電動汽車的新的挑戰。

在輪轂電機驅動車輛動力學控制方面，國內外已經進行了一定卓有成效的研究工作。但縱觀現有研究，多數學者車輛的各向動力學控制分開研究，但實際上車輛各向動力學特性存在嚴重的耦合關系的，且底盤各向動力學控制子系統繁多，易出現控制干涉問題；另一方面，車輛動力學模型的基本假設均是在平直路面上的理想情況，沒有考慮路面激勵的影響；輪轂電機直接安裝于車輪內，不同路面激勵下輪胎跳動、載荷不均等造成的電機結構場的變化將導致電磁場產生不平衡電磁力，并通過減速機構或直接傳遞給車輪和車身，對車輛的動力學特性產生一定影響，目前的車輛底盤集成控制研究中均未考慮此方面的影響。

本發明提出了一種輪轂驅動電動汽車底盤協調控制系統，其通過頂層協調控制層的設置對輪轂驅動車輛現有的主動懸架、主動轉向和直接橫擺力矩系統進行協調控制，不僅可以避免車輛運行時各子系統“各行其是”而出現控制干涉問題，同時，頂層協調控制層和各子系統是相互獨立的，在其頂層協調控制層出現故障時，主動懸架、主動轉向和直接橫擺力矩等子系統仍可以按各自的控制規則進行工作，因此，具有較高的可靠性。利用該系統可以達到較好的改善路面和電磁耦合激勵下輪轂電機驅動車輛垂向和橫向耦合動力學特性。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術存在的不足，提出了一種以改善輪轂電機驅動車輛垂向和橫向耦合動力學特性為目標的底盤協調控制系統，其通過對主動懸架、主動轉向和直接橫擺力矩各子系統的協調控制，可以較好的解決路面激勵、電磁激勵和車輛轉向輸入下輪轂電機驅動車輛的垂向和橫向耦合動力學控制問題。

本發明的目的通過如下技術方案實現：

本發明主要由信號處理層、頂層協調控制層、底層子系統控制層及執行層組成。信號處理層主要利用車輛參考模型計算出路面激勵、電磁激勵和轉向盤轉向同時作用下所期望的動力學響應值，并將得到的期望值與實時反饋的實際值進行比較，同時將期望值及其與實際值的差值信號傳遞給頂層協調控制層；頂層協調控制層則根據信號處理層傳遞過來的各輸入信號和采集到的車輛動力學響應的實際值對車輛運行狀態進行判斷，進行綜合控制目標的制定，并根據事先制定的協同控制策略對底層子系統控制器進行任務分配；各子系統控制器在接收到頂層協調控制層的指令后，按照各自的控制規則指令各自子系統執行層工作，實現對車輛耦合動力學的控制。

本發明屬于電動汽車底盤控制技術領域，尤其涉及一類輪轂驅動電動汽車底盤協調控制系統。該系統可以解決同一車輛上多個子系統同時存在時，由于控制目標的不一致各系統會而產生相互干涉與沖突的問題，確保車輛各子系統之間協調工作，以達到改善車輛耦合動力學特性的目的。

附圖說明

下面結合附圖和實施實例對本發明做進一步說明。

圖1是本發明輪轂驅動電動汽車底盤協調控制系統的結構示意圖。

圖2是本發明實施例中AFS控制器S31的控制結構示意圖。

圖3是本發明實施例中AS控制器S32的控制結構示意圖。

圖4是本發明實施例中DYC控制器S33的控制結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明，但本發明的實施方式不限于此。

如圖1底盤協調控制系統實施例的結構示意圖所示，本發明提供的一種輪轂驅動電動汽車底盤協調控制系統，通過對輪轂驅動車輛底盤的主動懸架系統AFS、主動轉向系統ASS和直接橫擺力矩系統DYC進行協調控制，確保汽車各子系統之間協調工作，來改善路面激勵、電磁激勵及轉向輸入同時作用下車輛的垂向和橫向耦合動力學特性。該系統主要包括：信號處理層S1、頂層協調控制層S2、子系統控制層S3、執行層S4。

1、信號處理層S1包括：路面激勵S11、電磁激勵S12、轉向輸入S13和參考模型S14。信號處理層的作用是利用車輛參考模型S13計算出路面激勵S11、電磁激勵S12和轉向輸入S14同時作用下所期望的車輛動力學響應值，并將得到的期望值與實時反饋的實際值進行比較，同時將車輛動力學響應的期望值及其與實際值的差值信號傳遞給頂層協調控制層S2。路面激勵S11是指能模擬路面不平度的時域或頻域輸入，或通過實驗測試得到的路面平度輸入數據；所述S12的電磁激勵是指由于路面激勵、載荷不均等引起的電機氣隙變形而產生的不平衡電磁力，其根據輪轂電機的不同類型，有不同的數學表達式；所述轉向輸入S13可以是轉向盤轉角輸入，也可以是車輪轉向角輸入，本實施例S13指的是車輪轉向角輸入。參考模型S14在本實施例中為線性二自由度動力學模型。

2、頂層協調控制層S2則根據信號處理層S1傳遞過來的各輸入信號和采集到的車輛動力學響應的實際值完成如下工作：車輛運行狀態的判斷S21，控制目標的制定S22，子系統任務的分配S23。

(1)頂層協調控制層S2在制定協調控制策略時，首先要根據信號處理層S1傳遞過來的各輸入信號和采集到的車輛動力學響應的實際值完成車輛運行狀態的判斷步驟S21，其對車輛狀態的判斷包括：

A.直線行駛與轉向行駛的識別

通過設置轉向控制閥值▽δ的方法區分直線和轉向行駛狀態。若轉向角輸入δ≤▽δ，則認為車輛為直線行駛狀態；若轉向角輸入δ＞▽δ，則認為車輛為轉向狀態。

B.轉向行駛穩態響應識別

首先由所述S14線性二自由度車輛動力學模型，得到系統特征方程；然后，根據Huiwitz穩定性判斷，可以得到系統穩定性的判斷條件如下：

其中u為車速，u_ch為車輛特征車速。由穩定性判斷條件可知，要判斷車輛是否穩定運行，必須求解出特征車速u_ch。特性車速可根據轉向盤轉角、車速和橫擺角速度進行求解。

假設車輛作穩態圓周運動，則滿足：

其中，β為質心側偏角，γ為質心橫擺角。

則可推導出橫擺角速度增益為：

可推得，

其中，ρ為轉向半徑，l為軸距。

假設車輛符合阿克曼轉向條件，則滿足

于是可以得到以下結論：

a.為不足轉向；

b.為中性轉向；

c.為過多轉向。

(2)控制目標的設置

頂層協調控制層S2在完成車輛運行狀態的判斷S21后，將根據所述S21的判斷結果進行下一步的工作，即：控制目標的設置S22。

所述S22要根據應用對象的性能要求所指定的，應用對象的性能要求不同，制定的控制目標函數會有所不同，應用對象的性能要求相同，也可以有不同的表達函數。本實施例中應用對象的協調控制主要是針對車輛的垂向和側向耦合動力學行為進行的。綜合垂向和側向動力學特性的評價指標，選取車輛的垂向加速度、俯仰角、側向加速度、橫擺角速度和側傾角作為協調控制指標，將其控制目標函數：

σ_a(γ)、σ_a(a_y)、σ_a(φ)、σ_a(θ)分別為控制時橫擺角速度、側向加速度、垂向加速度、側傾角、俯仰角的均方根值，σ_p(γ)、σ_p(a_y)、σ_p(φ)、σ_p(θ)分別為無控制時相應性能的均方根值。

(3)子系統任務的分配S23

在完成車輛運行狀態的判斷S21和控制目標的制定S22后，協調控制系統S2即可根據一定的控制規則進行子系統任務的分配S23。所述控制規則是首先設置控制閥值▽δ進行車輛轉向狀態識別，然后根據轉向行駛穩態響應識別設置前輪橫擺角速度閥值▽ω₁、后輪橫擺角速度閥值▽ω₂、車輛側向加速度閥值▽a對前輪主動轉向和目標橫擺力矩進行協調，避免相互干涉。系統具體的控制策略如下：

A.轉向角δ≤▽δ，無轉向操縱

車輛處于直線行駛狀態，頂層協調控制層S2僅起監控作用，不作任何決策指令。此時，所述AFS控制器S31和DYC控制器S33均不工作，AS控制器S32正常工作，主要改善車輛垂向動力學特性。

B.轉向角δ＞▽δ，轉向操縱

在轉向行駛工況下，根據特征車速u_ch將頂層協調控制層S2的控制規則劃分為兩個區域，并制定不同的規則進行所述子系統協調控制。

a.u≤|u_ch|，系統穩定

此時，頂層協調控制層S2僅起監控作用，并不發出任何決策指令；AS控制器S32和DYC控制器S33不工作；AFS控制器S31正常工作。如果|a_y|＞▽a，頂層協調控制層S2發出決策指令，AFS控制器S31和AS控制器S32同時進行協調工作，改善車輛的耦合動力學特性；反之，系統只進行AFS控制器S31單獨控制。

b.u＞|u_ch|，系統不穩定

①當|γ|≤|0.85μg/u|且||γ|-|γ_n||＞▽ω₁時，頂層協調控制層S2進行實時監控，并發出決策指令；DYC控制器S33參與工作，改善前輪轉向的靈敏度；AS控制器S32正常工作，改善車輛行駛穩定性。此時，如果|a_y|＞▽a，頂層協調控制層S2發出決策指令，AS控制器S32參與工作，進入AFS控制器S31、DYC控制器S33和AS控制器S32協調控制模式；反之，頂層協調控制層S2進行AFS控制器S31和DYC控制器S33的協調控制。

②當|γ|＞|0.85μg/u|且▽ω₁＜||γ|-|γ_n||≤▽ω₂時，頂層協調控制層S2進行實時監控，并發出決策指令；DYC控制器S33參與工作，改善前輪轉向的靈敏度；AS控制器S32正常工作，改善車輛行駛穩定性。如果|a_y|＞▽a，頂層協調控制層S2發出決策指令，AS控制器S32參與工作，進入AFS控制器S31、DYC控制器S33和AS控制器S32協調控制模式；反之，頂層協調控制層S2進行AFS控制器S31和DYC控制器S33的協調控制。

③當|γ|＞|0.85μg/u|且||γ|-|γ_n||＞▽ω₂時，頂層協調控制層S2僅起監控作用，并不發出任何決策指令；AFS控制器S31不工作；DYC控制器S33參與工作。如果|a_y|＞▽a，頂層協調控制層S2發出決策指令，AS控制器S32參與工作，此時進入DYC控制器S33、AS控制器S32協調控制模式，提高車輛行駛的穩定性；反之，頂層協調控制層S2只對DYC控制器S33進行單獨控制。

④除①～③外的其他情況下，如果|a_y|＞▽a，頂層協調控制層S2發出決策指令，系統進行DYC控制器S33、AS控制器S32協調控制；反之，頂層協調控制層S2只進行AFS控制器S31的單獨控制。

3、子系統控制層S3包括：AFS控制器S31、AS控制器S32和DYC控制器S33。各子系統控制器在接收到頂層協調控制層S2的指令后，按照各自的控制規則指令各自子系統執行層工作，實現對車輛耦合動力學的控制。在本實施例中：

(1)AFS控制器S31是采用模糊控制對前輪進行主動轉向控制，其控制結構如圖2所示。所述AFS控制器S31中的兩個二維模糊控制器分別以車輛質心側偏角β和橫擺角速度γ實際值與理想值之間的偏差e及其偏差變化率ec為輸入變量，以AFS輸出的控制量為附加前輪轉角δ_l和δ_y。則最終的前輪轉角應為：

δ_f＝δ+δ_l+δ_y

其中，δ_l為因質心側偏角產生的附加前輪轉角。δ_y為因橫擺角速度產生的附加前輪轉角。

(2)AS控制器S32采用常規的PID控制方法對主動懸架進行控制，其控制結構如圖3所示。AS控制器S32的輸入為懸架動行程的期望值和實際值的差值，輸出為主動懸架的控制力f_si。

(3)DYC控制器S33是采用滑模變結構控制算法進行目標橫擺力矩的計算和控制，其控制結構如圖4所示。DYC控制器S33的上層控制為DYC滑模控制模塊，下層控制為控制力矩的分配模塊。

4、執行層S4包括：AFS執行結構S41、AS執行結構S42和DYC執行結構S43和車輛耦合動力學模型S44。所述子系統控制層S3中各子系統控制器發出的控制指令通過各子系統執行結構直接作用于車輛的耦合動力學模型S44。