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一種輪轂驅動電動汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:11121291閱讀:815來源:國知局
一種輪轂驅動電動汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制造方法與工藝

本發(fā)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(tǒng)電動汽車的耦合動力學控制系統(tǒng)。

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(nèi)。將電機等部件引入車輪內(nèi),不僅會造成非簧載質(zhì)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(fā)生變化,從而產(chǎn)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(tǒng)的動力學控制問題面臨不同于傳統(tǒng)電動汽車的新的挑戰(zhàn)。

在輪轂電機驅動車輛動力學控制方面,國內(nèi)外已經(jīng)進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(tǒng)繁多,易出現(xiàn)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(nèi),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(chǎn)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(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動電動汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),其通過頂層協(xié)調(diào)控制層的設置對輪轂驅動車輛現(xiàn)有的主動懸架、主動轉向和直接橫擺力矩系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制,不僅可以避免車輛運行時各子系統(tǒng)“各行其是”而出現(xiàn)控制干涉問題,同時,頂層協(xié)調(diào)控制層和各子系統(tǒng)是相互獨立的,在其頂層協(xié)調(diào)控制層出現(xiàn)故障時,主動懸架、主動轉向和直接橫擺力矩等子系統(tǒng)仍可以按各自的控制規(guī)則進行工作,因此,具有較高的可靠性。利用該系統(tǒng)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(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)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(xié)調(diào)控制系統(tǒng),其通過對主動懸架、主動轉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、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(fā)明的目的通過如下技術方案實現(xiàn):

本發(fā)明主要由信號處理層、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(xié)調(diào)控制層;頂層協(xié)調(diào)控制層則根據(jù)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(tài)進行判斷,進行綜合控制目標的制定,并根據(jù)事先制定的協(xié)同控制策略對底層子系統(tǒng)控制器進行任務分配;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,實現(xiàn)對車輛耦合動力學的控制。

本發(fā)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(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以解決同一車輛上多個子系統(tǒng)同時存在時,由于控制目標的不一致各系統(tǒng)會而產(chǎn)生相互干涉與沖突的問題,確保車輛各子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)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(fā)明做進一步說明。

圖1是本發(fā)明輪轂驅動電動汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中AFS控制器S31的控制結構示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例中AS控制器S32的控制結構示意圖。

圖4是本發(fā)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(fā)明作進一步詳細的說明,但本發(fā)明的實施方式不限于此。

如圖1底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實施例的結構示意圖所示,本發(fā)明提供的一種輪轂驅動電動汽車底盤協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),通過對輪轂驅動車輛底盤的主動懸架系統(tǒng)AFS、主動轉向系統(tǒng)ASS和直接橫擺力矩系統(tǒng)DYC進行協(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(tǒng)主要包括:信號處理層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(xié)調(diào)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(shù)據(jù);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(chǎn)生的不平衡電磁力,其根據(jù)輪轂電機的不同類型,有不同的數(shù)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(xié)調(diào)控制層S2則根據(jù)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(tài)的判斷S21,控制目標的制定S22,子系統(tǒng)任務的分配S23。

(1)頂層協(xié)調(diào)控制層S2在制定協(xié)調(diào)控制策略時,首先要根據(jù)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(tài)的判斷步驟S21,其對車輛狀態(tài)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(qū)分直線和轉向行駛狀態(tài)。若轉向角輸入δ≤▽δ,則認為車輛為直線行駛狀態(tài);若轉向角輸入δ>▽δ,則認為車輛為轉向狀態(tài)。

B.轉向行駛穩(wěn)態(tài)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(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,uch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)定運行,必須求解出特征車速uch。特性車速可根據(jù)轉向盤轉角、車速和橫擺角速度進行求解。

假設車輛作穩(wěn)態(tài)圓周運動,則滿足:

其中,β為質(zhì)心側偏角,γ為質(zhì)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(xié)調(diào)控制層S2在完成車輛運行狀態(tài)的判斷S21后,將根據(jù)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(jù)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(shù)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(shù)。本實施例中應用對象的協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)控制指標,將其控制目標函數(shù):

σa(γ)、σa(ay)、σa(φ)、σa(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,σp(γ)、σp(ay)、σp(φ)、σp(θ)分別為無控制時相應性能的均方根值。

(3)子系統(tǒng)任務的分配S23

在完成車輛運行狀態(tài)的判斷S21和控制目標的制定S22后,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)S2即可根據(jù)一定的控制規(guī)則進行子系統(tǒng)任務的分配S23。所述控制規(guī)則是首先設置控制閥值▽δ進行車輛轉向狀態(tài)識別,然后根據(jù)轉向行駛穩(wěn)態(tài)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(xié)調(diào),避免相互干涉。系統(tǒng)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(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,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(jù)特征車速uch將頂層協(xié)調(diào)控制層S2的控制規(guī)則劃分為兩個區(qū)域,并制定不同的規(guī)則進行所述子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

a.u≤|uch|,系統(tǒng)穩(wěn)定

此時,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|ay|>▽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同時進行協(xié)調(diào)工作,改善車輛的耦合動力學特性;反之,系統(tǒng)只進行AFS控制器S31單獨控制。

b.u>|uch|,系統(tǒng)不穩(wěn)定

①當|γ|≤|0.85μg/u|且||γ|-|γn||>▽ω1時,頂層協(xié)調(diào)控制層S2進行實時監(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,如果|ay|>▽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進行AFS控制器S31和DYC控制器S33的協(xié)調(diào)控制。

②當|γ|>|0.85μg/u|且▽ω1<||γ|-|γn||≤▽ω2時,頂層協(xié)調(diào)控制層S2進行實時監(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|ay|>▽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進行AFS控制器S31和DYC控制器S33的協(xié)調(diào)控制。

③當|γ|>|0.85μg/u|且||γ|-|γn||>▽ω2時,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|ay|>▽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,此時進入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DYC控制器S33進行單獨控制。

④除①~③外的其他情況下,如果|ay|>▽a,頂層協(xié)調(diào)控制層S2發(fā)出決策指令,系統(tǒng)進行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只進行AFS控制器S31的單獨控制。

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,實現(xiàn)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(zhì)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δl和δy。則最終的前輪轉角應為:

δf=δ+δly

其中,δl為因質(zhì)心側偏角產(chǎn)生的附加前輪轉角。δy為因橫擺角速度產(chǎn)生的附加前輪轉角。

(2)AS控制器S32采用常規(guī)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fsi。

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

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