本發(fā)明涉屬于電動(dòng)汽車底盤控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一類輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)汽車的耦合動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)。

技術(shù)背景

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車取消了傳動(dòng)軸、差速器等，將電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等高度集成于車輪內(nèi)。將電機(jī)等部件引入車輪內(nèi)，不僅會(huì)造成非簧載質(zhì)量的增加，同時(shí)，不平路面下的輪胎跳動(dòng)、載荷不均等將使電機(jī)電磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生新的機(jī)-電-磁多場(chǎng)耦合的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，這使得輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛底盤系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題面臨不同于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的新的挑戰(zhàn)。

在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)控制方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一定卓有成效的研究工作。但縱觀現(xiàn)有研究，多數(shù)學(xué)者車輛的各向動(dòng)力學(xué)控制分開(kāi)研究，但實(shí)際上車輛各向動(dòng)力學(xué)特性存在嚴(yán)重的耦合關(guān)系的，且底盤各向動(dòng)力學(xué)控制子系統(tǒng)繁多，易出現(xiàn)控制干涉問(wèn)題；另一方面，車輛動(dòng)力學(xué)模型的基本假設(shè)均是在平直路面上的理想情況，沒(méi)有考慮路面激勵(lì)的影響；輪轂電機(jī)直接安裝于車輪內(nèi)，不同路面激勵(lì)下輪胎跳動(dòng)、載荷不均等造成的電機(jī)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的變化將導(dǎo)致電磁場(chǎng)產(chǎn)生不平衡電磁力，并通過(guò)減速機(jī)構(gòu)或直接傳遞給車輪和車身，對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)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(fā)明提出了一種輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其通過(guò)頂層協(xié)調(diào)控制層的設(shè)置對(duì)輪轂驅(qū)動(dòng)車輛現(xiàn)有的主動(dòng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，不僅可以避免車輛運(yùn)行時(shí)各子系統(tǒng)“各行其是”而出現(xiàn)控制干涉問(wèn)題，同時(shí)，頂層協(xié)調(diào)控制層和各子系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，在其頂層協(xié)調(diào)控制層出現(xiàn)故障時(shí)，主動(dòng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩等子系統(tǒng)仍可以按各自的控制規(guī)則進(jìn)行工作，因此，具有較高的可靠性。利用該系統(tǒng)可以達(dá)到較好的改善路面和電磁耦合激勵(lì)下輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛垂向和橫向耦合動(dòng)力學(xué)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出了一種以改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛垂向和橫向耦合動(dòng)力學(xué)特性為目標(biāo)的底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其通過(guò)對(duì)主動(dòng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，可以較好的解決路面激勵(lì)、電磁激勵(lì)和車輛轉(zhuǎn)向輸入下輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的垂向和橫向耦合動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題。

本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明主要由信號(hào)處理層、頂層協(xié)調(diào)控制層、底層子系統(tǒng)控制層及執(zhí)行層組成。信號(hào)處理層主要利用車輛參考模型計(jì)算出路面激勵(lì)、電磁激勵(lì)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向同時(shí)作用下所期望的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)值，并將得到的期望值與實(shí)時(shí)反饋的實(shí)際值進(jìn)行比較，同時(shí)將期望值及其與實(shí)際值的差值信號(hào)傳遞給頂層協(xié)調(diào)控制層；頂層協(xié)調(diào)控制層則根據(jù)信號(hào)處理層傳遞過(guò)來(lái)的各輸入信號(hào)和采集到的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)際值對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)行綜合控制目標(biāo)的制定，并根據(jù)事先制定的協(xié)同控制策略對(duì)底層子系統(tǒng)控制器進(jìn)行任務(wù)分配；各子系統(tǒng)控制器在接收到頂層協(xié)調(diào)控制層的指令后，按照各自的控制規(guī)則指令各自子系統(tǒng)執(zhí)行層工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛耦合動(dòng)力學(xué)的控制。

本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車底盤控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一類輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以解決同一車輛上多個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)存在時(shí)，由于控制目標(biāo)的不一致各系統(tǒng)會(huì)而產(chǎn)生相互干涉與沖突的問(wèn)題，確保車輛各子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)工作，以達(dá)到改善車輛耦合動(dòng)力學(xué)特性的目的。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中AFS控制器S31的控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中AS控制器S32的控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中DYC控制器S33的控制結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

如圖1底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖所示，本發(fā)明提供的一種輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)輪轂驅(qū)動(dòng)車輛底盤的主動(dòng)懸架系統(tǒng)AFS、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ASS和直接橫擺力矩系統(tǒng)DYC進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，確保汽車各子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)工作，來(lái)改善路面激勵(lì)、電磁激勵(lì)及轉(zhuǎn)向輸入同時(shí)作用下車輛的垂向和橫向耦合動(dòng)力學(xué)特性。該系統(tǒng)主要包括：信號(hào)處理層S1、頂層協(xié)調(diào)控制層S2、子系統(tǒng)控制層S3、執(zhí)行層S4。

1、信號(hào)處理層S1包括：路面激勵(lì)S11、電磁激勵(lì)S12、轉(zhuǎn)向輸入S13和參考模型S14。信號(hào)處理層的作用是利用車輛參考模型S13計(jì)算出路面激勵(lì)S11、電磁激勵(lì)S12和轉(zhuǎn)向輸入S14同時(shí)作用下所期望的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)值，并將得到的期望值與實(shí)時(shí)反饋的實(shí)際值進(jìn)行比較，同時(shí)將車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的期望值及其與實(shí)際值的差值信號(hào)傳遞給頂層協(xié)調(diào)控制層S2。路面激勵(lì)S11是指能模擬路面不平度的時(shí)域或頻域輸入，或通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的路面平度輸入數(shù)據(jù)；所述S12的電磁激勵(lì)是指由于路面激勵(lì)、載荷不均等引起的電機(jī)氣隙變形而產(chǎn)生的不平衡電磁力，其根據(jù)輪轂電機(jī)的不同類型，有不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式；所述轉(zhuǎn)向輸入S13可以是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入，也可以是車輪轉(zhuǎn)向角輸入，本實(shí)施例S13指的是車輪轉(zhuǎn)向角輸入。參考模型S14在本實(shí)施例中為線性二自由度動(dòng)力學(xué)模型。

2、頂層協(xié)調(diào)控制層S2則根據(jù)信號(hào)處理層S1傳遞過(guò)來(lái)的各輸入信號(hào)和采集到的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)際值完成如下工作：車輛運(yùn)行狀態(tài)的判斷S21，控制目標(biāo)的制定S22，子系統(tǒng)任務(wù)的分配S23。

(1)頂層協(xié)調(diào)控制層S2在制定協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，首先要根據(jù)信號(hào)處理層S1傳遞過(guò)來(lái)的各輸入信號(hào)和采集到的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)際值完成車輛運(yùn)行狀態(tài)的判斷步驟S21，其對(duì)車輛狀態(tài)的判斷包括：

A.直線行駛與轉(zhuǎn)向行駛的識(shí)別

通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)向控制閥值▽?duì)牡姆椒▍^(qū)分直線和轉(zhuǎn)向行駛狀態(tài)。若轉(zhuǎn)向角輸入δ≤▽?duì)模瑒t認(rèn)為車輛為直線行駛狀態(tài)；若轉(zhuǎn)向角輸入δ＞▽?duì)模瑒t認(rèn)為車輛為轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

B.轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)識(shí)別

首先由所述S14線性二自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型，得到系統(tǒng)特征方程；然后，根據(jù)Huiwitz穩(wěn)定性判斷，可以得到系統(tǒng)穩(wěn)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(wěn)定性判斷條件可知，要判斷車輛是否穩(wěn)定運(yùn)行，必須求解出特征車速u_ch。特性車速可根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速和橫擺角速度進(jìn)行求解。

假設(shè)車輛作穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動(dòng)，則滿足：

其中，β為質(zhì)心側(cè)偏角，γ為質(zhì)心橫擺角。

則可推導(dǎo)出橫擺角速度增益為：

可推得，

其中，ρ為轉(zhuǎn)向半徑，l為軸距。

假設(shè)車輛符合阿克曼轉(zhuǎn)向條件，則滿足

于是可以得到以下結(jié)論：

a.為不足轉(zhuǎn)向；

b.為中性轉(zhuǎn)向；

c.為過(guò)多轉(zhuǎn)向。

(2)控制目標(biāo)的設(shè)置

頂層協(xié)調(diào)控制層S2在完成車輛運(yùn)行狀態(tài)的判斷S21后，將根據(jù)所述S21的判斷結(jié)果進(jìn)行下一步的工作，即：控制目標(biāo)的設(shè)置S22。

所述S22要根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的性能要求所指定的，應(yīng)用對(duì)象的性能要求不同，制定的控制目標(biāo)函數(shù)會(huì)有所不同，應(yīng)用對(duì)象的性能要求相同，也可以有不同的表達(dá)函數(shù)。本實(shí)施例中應(yīng)用對(duì)象的協(xié)調(diào)控制主要是針對(duì)車輛的垂向和側(cè)向耦合動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行的。綜合垂向和側(cè)向動(dòng)力學(xué)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取車輛的垂向加速度、俯仰角、側(cè)向加速度、橫擺角速度和側(cè)傾角作為協(xié)調(diào)控制指標(biāo)，將其控制目標(biāo)函數(shù)：

σ_a(γ)、σ_a(a_y)、σ_a(φ)、σ_a(θ)分別為控制時(shí)橫擺角速度、側(cè)向加速度、垂向加速度、側(cè)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(wú)控制時(shí)相應(yīng)性能的均方根值。

(3)子系統(tǒng)任務(wù)的分配S23

在完成車輛運(yùn)行狀態(tài)的判斷S21和控制目標(biāo)的制定S22后，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)S2即可根據(jù)一定的控制規(guī)則進(jìn)行子系統(tǒng)任務(wù)的分配S23。所述控制規(guī)則是首先設(shè)置控制閥值▽?duì)倪M(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向狀態(tài)識(shí)別，然后根據(jù)轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)識(shí)別設(shè)置前輪橫擺角速度閥值▽?duì)?sub>1、后輪橫擺角速度閥值▽?duì)?sub>2、車輛側(cè)向加速度閥值▽a對(duì)前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向和目標(biāo)橫擺力矩進(jìn)行協(xié)調(diào)，避免相互干涉。系統(tǒng)具體的控制策略如下：

A.轉(zhuǎn)向角δ≤▽?duì)模瑹o(wú)轉(zhuǎn)向操縱

車輛處于直線行駛狀態(tài)，頂層協(xié)調(diào)控制層S2僅起監(jiān)控作用，不作任何決策指令。此時(shí)，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(dòng)力學(xué)特性。

B.轉(zhuǎn)向角δ＞▽?duì)模D(zhuǎn)向操縱

在轉(zhuǎn)向行駛工況下，根據(jù)特征車速u_ch將頂層協(xié)調(diào)控制層S2的控制規(guī)則劃分為兩個(gè)區(qū)域，并制定不同的規(guī)則進(jìn)行所述子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

a.u≤|u_ch|，系統(tǒng)穩(wěn)定

此時(shí)，頂層協(xié)調(diào)控制層S2僅起監(jiān)控作用，并不發(fā)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(xié)調(diào)控制層S2發(fā)出決策指令，AFS控制器S31和AS控制器S32同時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，改善車輛的耦合動(dòng)力學(xué)特性；反之，系統(tǒng)只進(jìn)行AFS控制器S31單獨(dú)控制。

b.u＞|u_ch|，系統(tǒng)不穩(wěn)定

①當(dāng)|γ|≤|0.85μg/u|且||γ|-|γ_n||＞▽?duì)?sub>1時(shí)，頂層協(xié)調(diào)控制層S2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并發(fā)出決策指令；DYC控制器S33參與工作，改善前輪轉(zhuǎn)向的靈敏度；AS控制器S32正常工作，改善車輛行駛穩(wěn)定性。此時(shí)，如果|a_y|＞▽a，頂層協(xié)調(diào)控制層S2發(fā)出決策指令，AS控制器S32參與工作，進(jìn)入AFS控制器S31、DYC控制器S33和AS控制器S32協(xié)調(diào)控制模式；反之，頂層協(xié)調(diào)控制層S2進(jìn)行AFS控制器S31和DYC控制器S33的協(xié)調(diào)控制。

②當(dāng)|γ|＞|0.85μg/u|且▽?duì)?sub>1＜||γ|-|γ_n||≤▽?duì)?sub>2時(shí)，頂層協(xié)調(diào)控制層S2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并發(fā)出決策指令；DYC控制器S33參與工作，改善前輪轉(zhuǎn)向的靈敏度；AS控制器S32正常工作，改善車輛行駛穩(wěn)定性。如果|a_y|＞▽a，頂層協(xié)調(diào)控制層S2發(fā)出決策指令，AS控制器S32參與工作，進(jìn)入AFS控制器S31、DYC控制器S33和AS控制器S32協(xié)調(diào)控制模式；反之，頂層協(xié)調(diào)控制層S2進(jìn)行AFS控制器S31和DYC控制器S33的協(xié)調(diào)控制。

③當(dāng)|γ|＞|0.85μg/u|且||γ|-|γ_n||＞▽?duì)?sub>2時(shí)，頂層協(xié)調(diào)控制層S2僅起監(jiān)控作用，并不發(fā)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(xié)調(diào)控制層S2發(fā)出決策指令，AS控制器S32參與工作，此時(shí)進(jìn)入DYC控制器S33、AS控制器S32協(xié)調(diào)控制模式，提高車輛行駛的穩(wěn)定性；反之，頂層協(xié)調(diào)控制層S2只對(duì)DYC控制器S33進(jìn)行單獨(dú)控制。

④除①～③外的其他情況下，如果|a_y|＞▽a，頂層協(xié)調(diào)控制層S2發(fā)出決策指令，系統(tǒng)進(jìn)行DYC控制器S33、AS控制器S32協(xié)調(diào)控制；反之，頂層協(xié)調(diào)控制層S2只進(jìn)行AFS控制器S31的單獨(dú)控制。

3、子系統(tǒng)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(tǒng)控制器在接收到頂層協(xié)調(diào)控制層S2的指令后，按照各自的控制規(guī)則指令各自子系統(tǒng)執(zhí)行層工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛耦合動(dòng)力學(xué)的控制。在本實(shí)施例中：

(1)AFS控制器S31是采用模糊控制對(duì)前輪進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述AFS控制器S31中的兩個(gè)二維模糊控制器分別以車輛質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度γ實(shí)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(zhuǎn)角δ_l和δ_y。則最終的前輪轉(zhuǎn)角應(yīng)為：

δ_f＝δ+δ_l+δ_y

其中，δ_l為因質(zhì)心側(cè)偏角產(chǎn)生的附加前輪轉(zhuǎn)角。δ_y為因橫擺角速度產(chǎn)生的附加前輪轉(zhuǎn)角。

(2)AS控制器S32采用常規(guī)的PID控制方法對(duì)主動(dòng)懸架進(jìn)行控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。AS控制器S32的輸入為懸架動(dòng)行程的期望值和實(shí)際值的差值，輸出為主動(dòng)懸架的控制力f_si。

(3)DYC控制器S33是采用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法進(jìn)行目標(biāo)橫擺力矩的計(jì)算和控制，其控制結(jié)構(gòu)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(zhí)行層S4包括：AFS執(zhí)行結(jié)構(gòu)S41、AS執(zhí)行結(jié)構(gòu)S42和DYC執(zhí)行結(jié)構(gòu)S43和車輛耦合動(dòng)力學(xué)模型S44。所述子系統(tǒng)控制層S3中各子系統(tǒng)控制器發(fā)出的控制指令通過(guò)各子系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)直接作用于車輛的耦合動(dòng)力學(xué)模型S44。