CN110481343A - 四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，包括如下步骤：步骤1：通过车辆外形尺寸及整车质量基本参数、车辆姿态数据和路面状态数据，结合车辆二自由度模型，获取车辆理想横摆角速度，该车辆理想横摆角速度作为实时横摆角速度跟随控制目标；步骤2：通过驾驶意图信息和当前的车速信息获取四轮轮毂电机初始控制力矩；步骤3：设计实时的车辆横摆角速度和车辆质心侧偏角为控制变量的滑模控制模型，通过该滑模控制模型，对整车失稳状态施加附加横摆力矩，将附加横摆力矩补偿在四轮轮毂电机初始控制力矩上。本发明能对轮毂四驱横摆力矩进行补偿，进而更有效提高车辆操纵稳定性，增加车辆转向灵敏度。

Description

四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法

技术领域

本发明涉及纯电动汽车控制技术领域，具体地指一种四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法。

背景技术

轮毂电机技术和应用通过颠覆式创新改变传统汽车传动系统，在新能源汽车行业颇具前瞻性被广泛关注，并被认作是未来新能源汽车驱动技术的主流发展趋势，其产业化发展前景巨大，相对于传统的集中式驱动的内燃发动机或电动机，轮毂电机采取分布式驱动，将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内，省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传动部件。轮毂电机驱动车辆的驱动执行器—轮毂电机在各自独立的车轮内，控制自由度与精确度大大提高。

扭矩矢量控制主要目的提高车辆操控性能，增加转向响应速度，减小转向的不稳定性以及提高过弯车速等。传统集中式驱动的内燃发动机或电动机汽车实现扭矩矢量控制需要借助扭矩矢量分配差速器实现，其结构复杂，自由度并不高。相对于传统机械传动汽车，轮毂四驱纯电动汽车因其车轮动力可单独控制，实现四轮差扭矢量控制更加灵活。四轮差扭矢量控制方法为了提高车辆操纵稳定性，增加车辆转向灵敏度，研究轮毂四驱差扭矩矢量控制方法，已经成为本领域技术人员的技术焦点，差扭横摆力矩决策模块是轮毂四驱差扭矩矢量控制的核心模块，差扭横摆力矩控制是一种车辆主动安全控制技术，提高车辆的横向稳定性，抑制汽车转向过度或严重不足的趋势，提高车辆极限工况下的操纵稳定性。

现有的轮毂四驱纯电动汽车力矩补偿方式一般采用PID控制算法，PID控制是纯数学算法，未考虑整车动力学模型，无法做到自适应控制；有些控制虽然采用独立的一阶滑模或独立的二阶滑模控制，但滑模运动中，或者产生严重地抖振问题，或者滑模趋近速度慢，系统响应效率低。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法。本发明可对轮毂四驱横摆力矩进行补偿，进而更有效提高车辆操纵稳定性，增加车辆转向灵敏度。

为实现此目的，本发明所设计的一种四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：通过车辆外形尺寸及整车质量基本参数、车辆姿态数据和路面状态数据，建立车辆二自由度模型，并通过车辆二自由度模型获取车辆理想横摆角速度，该车辆理想横摆角速度作为实时横摆角速度跟随控制目标；

步骤2：通过驾驶意图信息和当前的车速信息获取四轮轮毂电机初始控制力矩；

步骤3：设计实时的车辆横摆角速度和车辆质心侧偏角为控制变量的滑模控制模型，通过该滑模控制模型，对整车失稳状态施加附加横摆力矩，将附加横摆力矩补偿在四轮轮毂电机初始控制力矩上。

与现有技术相比，本发明的优点是：

现有的方案中，采用单独的PID控制、一阶滑模控制、二阶滑模控制的较多，本发明采用二阶滑模+自适应控制+PID控制+指数和双曲正切分段趋近律设计+横摆角速度及补偿力矩一阶惯性滤波，多种控制方法和手段组合使用。传统的PID控制只有数学模型控制，不符合整车动力学运行规律，因此控制效果较差；一阶滑模控制，较PID控制效果好些，但一阶滑模控制会产生剧烈的抖振问题；二阶滑模控制，虽然考虑了系统响应变化率的滑模面一阶导数，抖振问题得到一定程度的缓解，但对附加补偿力矩变化率积分的上下界确定没有解决手段，只能给出一个估算的最大值，因此滑模趋近速度慢；本发明采用的组合二阶滑模控制方法，通过自适应控制策略，解决了附加补偿力矩变化率积分上下界问题，其中的指数趋近率+双曲正切趋近律两段设计，适应性提高滑模趋近速度，并缓解抖振问题。

附图说明

图1为轮毂电机驱动四驱车差扭力矩补偿控制架流程图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：

如图1所示的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，它包括如下步骤：

步骤1：通过车辆外形尺寸及整车质量基本参数、车辆姿态数据和路面状态数据，建立车辆二自由度模型，并通过车辆二自由度模型获取车辆理想横摆角速度，该车辆理想横摆角速度作为实时横摆角速度跟随控制目标；

步骤2：通过驾驶意图信息和当前的车速信息获取四轮轮毂电机初始控制力矩；

步骤3：设计实时的车辆横摆角速度(由车载陀螺仪测量提供)和车辆质心侧偏角(由车载陀螺仪测量提供)为控制变量的滑模控制模型，通过该滑模控制模型，对整车失稳状态施加附加横摆力矩，将附加横摆力矩补偿在四轮轮毂电机初始控制力矩上。

上述技术方案中，横摆角速度、质心侧偏角是两个最基本的反映汽车行驶稳定程度的参考特征量，前者主要侧重汽车稳定性问题的基本特征量，反映汽车行驶过程中航向角变化的快慢，决定汽车的转向特性；后者则侧重汽车轨迹保持问题的基本特征量，反映汽车转向过程中与预定轨迹的偏离程度。本发明中的滑模控制就是基于横摆角速度和质心侧偏角两个控制变量的滑模控制，以整车线性二自由度模型为基础，获取车辆的理想横摆角速度，并以理想横摆角速度作为车辆控制跟随目标，获得补偿横摆力矩，对整车失稳状态施加附加横摆力矩，补偿在轮毂四轮初始控制力矩上，进一步提高整车稳定性。

本发明通过理想横摆角速度与实时横摆角速度的误差及误差变化率定义滑模面；采用双曲正切函数设计滑模趋近规则趋近滑模面；通过滑模面、滑模面变化率与整车转动惯量的整车动力学关系，获得附加横摆力矩变化率；最终由横摆力矩变化率积分获得所应补偿的附加横摆力矩。

滑模控制中，由于符号函数sgn(s)的存在，使系统出现不连续开关的特性，容易产生抖振，采用饱和函数sat(x)中的双曲正切函数tanh(x)的有界性和奇偶性，其图形夹在水平直线y＝1及y＝-1之间，且当x的绝对值很大时，它的图形在第一象限内接近于直线y＝1，而在第三象限内接近于直线y＝-1。双曲正切函数tanh(x)代替符号函数sgn(x)进行趋近律的设计，抑制系统状态趋近切换面时来回穿越切换面时，在其两侧有限区域内而产生的抖振，保证切换面附近控制输入光滑连续性。

上述技术方案中，所述步骤1中根据车辆外形尺寸及整车质量基本参数、车辆姿态数据、路面状态数据，建立组合二阶滑模控制策略中的二自由度模型，根据二自由度模型建立整车运动学平衡方程，对整车运动学平衡方程进行拉普拉斯变换求解，最终获得车辆理想横摆角速度。通过组合二阶滑模控制策略可以做到实时的横摆角速度与理想的横摆角速度具有更好的跟随性；

上述技术方案中，所述驾驶意图信息包括换档器的档位信息、油门踏板信息、制动踏板信息、方向盘转角信息，将换档器的档位信息、油门踏板信息、制动踏板信息、方向盘转角信息，以及当前的车速信息，通过驾驶员驾驶意图识别控制算法，获得轮毂四轮上的初始控制力矩。

上述技术方案的步骤3中通过车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度的误差及误差变化率，定义滑模控制模型的滑模面；采用双曲正切函数设计滑模趋近规则趋近滑模面；通过滑模面、滑模面变化率与整车转动惯量，获得附加横摆力矩变化率；最终由附加横摆力矩变化率积分获得附加横摆力矩。滑模控制是将复杂的车辆动力学控制学问题，简化成从一个状态到理想状态的趋近过程的控制，优点是它与很多的参数和扰动无关，通过这个控制，首先得到附加横摆力矩变化率，然后通过积分，得到附加横摆力矩。

上述技术方案的步骤3中，利用二自由度模型计算得到车辆理想横摆角速度，通过板载陀螺仪获取车辆实时的横摆角速度，根据车辆理想横摆角速度和车辆实时横摆角速度获取车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差权值、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率权值；然后根据车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差权值、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率权值定义滑模控制模型的滑模面；然后，根据滑模控制模型的滑模面、滑模面变化率、滑模面符号函数、车辆横摆角速度的趋近率参数采用指数趋近和双曲正切函数设计滑模分段趋近规则趋近滑模面；通过滑模面、滑模面变化率与整车转动惯量，获得附加横摆力矩变化率；最终由附加横摆力矩变化率积分获得附加横摆力矩。

上述技术方案的步骤3中，在对获得附加横摆力矩变化率时，需要进行如下自适应控制，控制过程为：

滑模运动的稳态振荡幅度h是趋近切换面速率ε、滑模面系数q、采样周期T的函数，滑模面s(k)的收敛程度受切换面速率ε和采样周期T的影响，根据车辆李雅普诺夫第二稳定判据对设计的控制系统进行稳定性分析并构造包括滑模面s(k)的指数趋近段和双曲正切趋近段的稳态振荡幅度h函数，车辆运动开始时，采用滑模面s(k)的指数趋近律对车辆的运动状态进行控制使车辆的横摆角速度达到车辆理想横摆角速度；达到滑模面s(k)的指数趋近律控制与双曲正切函数趋近律控制的切换点后，用双曲正切函数趋近律对车辆的运动状态进行控制使车辆的横摆角速度达到车辆理想横摆角速度；获得指数趋近段和双曲正切趋近段的滑模补偿力矩变化率积分的趋近律上下界，适应性提高滑模趋近速度；

在s(k)收敛到0，且s(k)趋向平衡点零(当到达s(k)＝0时，还要在零点处滑动，保证滑动平滑)时计算出s(k)/2对应的ε值，该ε值对应的采样时间点即为滑模面s(k)的指数趋近律控制与双曲正切函数趋近律控制的切换点。

滑模面s(k)的值处于指数趋近律的[-h,h]和双曲正切函数趋近律的[-h,h]范围内。

上述技术方案中，ε值减小，可降低系统的抖振，但ε值太小，影响系统到达切换面的趋近速度，同时T也不可能取得很小，因此，理想的ε值分两段，系统运动开始时，ε值大些，采用指数趋近律；随着时间的增加，ε值应该逐步减小，采用双曲正切函数趋近律。根据经验设定合适的ε、T。

自适应控制与滑模控制的有机结合，是解决参数不确定或时变参数系统控制问题的一种有效控制方法，针对一类可线性化的非线性系统，设计的一种动态自适应变结构滑模控制，本发明通过一种新参数自适应估计方法，保证变结构控制增益的合理性，解决了滑模控制中积分上下界难以确定的问题，从而实现非线性系统模型参考自适应滑模控制，实现带有不确定性和未知外干扰的非线性系统鲁棒控制。

上述技术方案的步骤3中为获得较平滑的控制变量曲线，通过一阶惯性滤波，对干扰和噪声进行滤波，即滤去横摆角速度、滑模补偿力矩初始值变化时的随机干扰信号，有助于提高输出信号的平滑程度和过滤奇异点；

两次使用一阶惯性滤波控制，分别针对实时的横摆角速度和附加横摆力矩进行惯性滤波；

其中，针对实时的横摆角速度的惯性滤波中，惯性滤波的输入为一个采样周期内的实时的横摆角速度，上一个采样周期内的实时的横摆角速度、预设滤波系数、时间常数、每个周期的时间，根据一阶惯性滤波算法，分别滤除实时的横摆角速度干扰信号和奇异点；

针对实时的附加横摆力矩的惯性滤波中，惯性滤波的输入为一个采样周期内的附加横摆力矩，上一个采样周期内的附加横摆力矩、预设滤波系数、时间常数、每个周期的时间，根据一阶惯性滤波算法，分别滤除附加横摆力矩干扰信号和奇异点。

两次滤波的结果使用得实时的横摆角速度或决策出来的补偿力矩初值形成的曲线变得更加光滑。

上述技术方案的步骤3中，对附加横摆力矩，进行PID剩余力矩补偿控制的方法为根据经验设定P、I、D值，以及理想横摆角速度与实时的横摆角速度差值，通过PID控制算法，P比例、I积分、D微分累加，最终计算获得PID剩余力矩补偿值。

上述技术方案中，所述车车辆外形尺寸及整车质量基本参数包括车辆质心高度、车辆前轴到车辆中心距离、车辆后轴到车辆中心距离、车辆前轮距、车辆后轮距、车辆前轴等效侧偏刚度、车辆后轴等效侧偏刚、整车整备质量、整车半载质量和整车满载质量。

上述技术方案中，车辆姿态数据包括车辆运动信息、轮胎参数信息、车辆动力部分状态信息；

其中，车辆运动信息包括纵向车速、侧向车速、质心侧偏角；

轮胎参数信息包括纵向轮胎力和侧向轮胎力；

车辆动力部分状态信息包括车轮转速、纵向加速度、横摆角速度、侧向加速度；

路面状态数据为路面附着系数。

以上所有控制策略组合形成完整的闭环控制，将力矩补偿控制中的影响因素采用科学方法给予考虑。汽车实际行驶工况较复杂，采取简单的PID等控制方法很难满足实际多变性的工况需求，而滑模控制作为一种特殊的变结构非线性控制方法，具有较强的鲁棒性，它使控制系统不受被控对象的参数变化和外部扰动的影响，因此非常适合汽车横摆稳定性的控制。

本发明中，车辆控制策略框架为轮毂四驱纯电动汽车作为被控对象，接收控制器TVC控制算法决策出的四轮驱动力矩进行响应；车辆反馈车速、加速度、横摆角速度等车体状态参数给控制算法，首先经过参数及变量计算，获得前后轴的等效侧偏刚度和垂向载荷分布；经过转向特性设计，设定横摆角速度的理想值作为TVC跟随控制目标；最后将理想的横摆角速度与实际值进行控制决策出所需总的附加横摆力矩，经过力矩分配决策出四个车轮上的驱动力矩。

本发明中，经过驾驶员驾驶意图解析出来的初始力矩、二阶滑模控制及自适应控制获得的补偿力矩、PID剩余力矩补偿后，作用于四轮上的总的分配力矩如下：

Mz_tot＝Mz_{(驾驶意图解析初始值)}+Mz_{(滑模+自适应)}+Mz_(PID)

其中，M_ztot表示总的补偿力矩；Mz_{(驾驶意图解析初始值)}表示驾驶意图解析出来的所需力矩初始值；Mz_{(滑模+自适应)}表示二阶滑模控制、自适应控制获得的附加横摆力矩；Mz_(PID)表示通过PID控制获得的二阶滑模及自适应控制后的剩余补偿力矩。

横摆力矩分配需要满足约束：总力矩需求不变和电机力矩输出能力。通常情况下，整个控制过程面对常规工况下行驶过程，控制目的为提高转向时汽车操纵性，并非极限工况稳定性控制，所以整个控制过程中需要保证总力矩需求不变，不干扰驾驶员车速控制过程；电机受外特性限制在一定转速度下只能发出固定最大扭矩。因此差扭力矩分配时要根据电机所处工作点动态调整差扭力矩分配。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：通过车辆外形尺寸及整车质量基本参数、车辆姿态数据和路面状态数据，建立车辆二自由度模型，并通过车辆二自由度模型获取车辆理想横摆角速度，该车辆理想横摆角速度作为实时横摆角速度跟随控制目标；

步骤2：通过驾驶意图信息和当前的车速信息获取四轮轮毂电机初始控制力矩；

步骤3：设计实时的车辆横摆角速度和车辆质心侧偏角为控制变量的滑模控制模型，通过该滑模控制模型，对整车失稳状态施加附加横摆力矩，将附加横摆力矩补偿在四轮轮毂电机初始控制力矩上。

2.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述步骤1中根据车辆外形尺寸及整车质量基本参数、车辆姿态数据、路面状态数据，建立组合二阶滑模控制策略中的二自由度模型，根据二自由度模型建立整车运动学平衡方程，对整车运动学平衡方程进行拉普拉斯变换求解，最终获得车辆理想横摆角速度。

3.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述驾驶意图信息包括换档器的档位信息、油门踏板信息、制动踏板信息、方向盘转角信息，将换档器的档位信息、油门踏板信息、制动踏板信息、方向盘转角信息，以及当前的车速信息，通过驾驶员驾驶意图识别控制算法，获得轮毂四轮上的初始控制力矩。

4.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述步骤3中通过车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度的误差及误差变化率，定义滑模控制模型的滑模面；采用双曲正切函数设计滑模趋近规则趋近滑模面；通过滑模面、滑模面变化率与整车转动惯量，获得附加横摆力矩变化率；最终由附加横摆力矩变化率积分获得附加横摆力矩。

5.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述步骤3中，利用二自由度模型计算得到车辆理想横摆角速度，通过板载陀螺仪获取车辆实时横摆角速度，根据车辆理想横摆角速度和车辆实时横摆角速度获取车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差权值、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率权值；然后根据车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差权值、车辆理想横摆角速度与车辆实时横摆角速度之间的误差变化率权值定义滑模控制模型的滑模面；然后，根据滑模控制模型中的滑模面、滑模面变化率、滑模面符号函数、车辆横摆角速度的趋近率参数采用双曲正切函数设计滑模趋近规则趋近滑模面；通过滑模面、滑模面变化率与整车转动惯量，获得附加横摆力矩变化率；最终由附加横摆力矩变化率积分获得附加横摆力矩。

6.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述步骤3中，在对获得附加横摆力矩变化率时，需要进行如下自适应控制，控制过程为：

滑模运动的稳态振荡幅度h是趋近切换面速率ε、滑模面系数q、采样周期T的函数，滑模面s(k)的收敛程度受切换面速率ε和采样周期T的影响，根据车辆李雅普诺夫第二稳定判据对设计的控制系统进行稳定性分析并构造包括滑模面s(k)的指数趋近段和双曲正切趋近段的稳态振荡幅度h函数，车辆运动开始时，采用滑模面s(k)的指数趋近律对车辆的运动状态进行控制使车辆的横摆角速度达到车辆理想横摆角速度；达到滑模面s(k)的指数趋近律控制与双曲正切函数趋近律控制的切换点后，用双曲正切函数趋近律对车辆的运动状态进行控制使车辆的横摆角速度达到车辆理想横摆角速度；获得指数趋近段和双曲正切趋近段的滑模补偿力矩变化率积分的趋近律上下界；

在s(k)收敛到0，且s(k)趋向平衡点零时计算出s(k)/2对应的ε值，该ε值对应的采样时间点即为滑模面s(k)的指数趋近律控制与双曲正切函数趋近律控制的切换点。

7.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：

步骤3中两次使用一阶惯性滤波控制，分别针对实时的横摆角速度和附加横摆力矩进行惯性滤波；

其中，针对实时的横摆角速度的惯性滤波中，惯性滤波的输入为一个采样周期内的实时的横摆角速度，上一个采样周期内的实时的横摆角速度、预设滤波系数、时间常数、每个周期的时间，根据一阶惯性滤波算法，分别滤除实时的横摆角速度干扰信号和奇异点；

针对实时的附加横摆力矩的惯性滤波中，惯性滤波的输入为一个采样周期内的附加横摆力矩，上一个采样周期内的附加横摆力矩、预设滤波系数、时间常数、每个周期的时间，根据一阶惯性滤波算法，分别滤除附加横摆力矩干扰信号和奇异点。

8.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述步骤3中，对附加横摆力矩，进行PID剩余力矩补偿控制的方法为根据经验设定P、I、D值，以及理想横摆角速度与实时的横摆角速度差值，通过PID控制算法，P比例、I积分、D微分累加，最终计算获得PID剩余力矩补偿值。

9.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：所述车车辆外形尺寸及整车质量基本参数包括车辆质心高度、车辆前轴到车辆中心距离、车辆后轴到车辆中心距离、车辆前轮距、车辆后轮距、车辆前轴等效侧偏刚度、车辆后轴等效侧偏刚、整车整备质量、整车半载质量和整车满载质量。

10.根据权利要求1所述的四轮轮毂电机驱动汽车力矩补偿的组合二阶滑模控制方法，其特征在于：车辆姿态数据包括车辆运动信息、轮胎参数信息、车辆动力部分状态信息；

其中，车辆运动信息包括纵向车速、侧向车速、质心侧偏角；

轮胎参数信息包括纵向轮胎力和侧向轮胎力；

车辆动力部分状态信息包括车轮转速、纵向加速度、横摆角速度、侧向加速度；

路面状态数据为路面附着系数。