價函數(shù)對應(yīng)的最優(yōu)控制問題，獲得 優(yōu)化后的四個車輪的力矩命令并作用于車輪，有效防止車輪加速時打滑或者制動時抱死， 并獲得良好的加速或者制動性能。本發(fā)明中的牽引力控制算法正是在這樣一個閉環(huán)過程中 實現(xiàn)的。
[0019] 本發(fā)明的基于最大傳輸力矩估計和模型預(yù)測控制的牽引力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如 圖2所示。首先，最大傳輸力矩估計模塊，根據(jù)電動汽車四個車輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息，實時估 計出各個車輪當(dāng)前狀態(tài)下的最大傳輸力矩;其次，將各個車輪估計的最大傳輸力矩值傳遞 給牽引力控制器，作為模型預(yù)測控制的時域約束，同時考慮電機最大輸出力矩約束，控制器 輸出優(yōu)化后的四個車輪的力矩命令并作用于整車，有效防止車輪加速時打滑或者制動時抱 死，并獲得良好的加速或者制動性能。下面對各個模塊分別進行詳細說明。
[0020] 本發(fā)明主要基于車輛的縱向動力學(xué)進行研究，主要包括車輛縱向運動方程和四個 車輪的轉(zhuǎn)動方程。如圖3所示，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。
[0021] 表1車輛縱向動力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)
1、最大傳輸力矩估計 本發(fā)明最大傳輸力矩估計算法的核心思想是利用可測量的量如四個車輪的力矩和轉(zhuǎn) 速信息，估計出當(dāng)前狀態(tài)各個車輪的最大傳輸力矩，原理如下所示。
[0022 ]由車輛縱向運動和四個車輪的轉(zhuǎn)動方程可得： (I) 其中，/=m.4分別代表前左、前右、后左、后右四個車輪。四個車輪的縱向力之 和設(shè)定為i|，這里設(shè)定四個車輪轉(zhuǎn)動慣量的值都為。
[0023]在根據(jù)公式(1)可知，每個車輪的縱向力可以用下式計算：
(2) 車輪滑轉(zhuǎn)或者抱死最直觀的反應(yīng)是車速V和輪速胃#之間的差別，差距越大車輛滑轉(zhuǎn) 或者抱死越厲害，車輛越不安全。因此，要防止車輪打滑或者抱死，車速和輪速越接近越好， 相應(yīng)的整車加速度和車輪加速度也應(yīng)該越接近越好。本發(fā)明中定義一個相對因子β，它表 示的是整車加速度和車輪加速度的比值，其中/ = L 分別代表前左、前右、后左、 后右四個車輪。
[0024]
(3) 為了防止車輪打滑或者抱死，_的值應(yīng)該接近于1。并且當(dāng)車輪發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)或者抱 死的時候，最大傳輸力矩必須隨著縱向力的減小而減小，來有效防止車輪打滑或者 抱死。由公式⑶可得到，.丨的計算公式如下：
(4) 由上式可知，當(dāng)四個車輪的縱向力/-定的情況下，車輪對應(yīng)的最大傳輸力矩 也就確定了。由于實際當(dāng)中，空氣阻力和滾動阻力對最大傳輸力矩的估計也有較大 的影響，本發(fā)明中也考慮阻力。另外，:_的值是可調(diào)節(jié)的，它的大小選擇是很關(guān)鍵的，減小CT 的值，最大傳輸力矩增大，可以提高車輛的加速性能，但是可能損害防滑控制性能;相反，增 加:_的值可以提高防滑控制過程的穩(wěn)定性，但是車輛可能被鉗制在一個很小的速度下行 駛，其加速性能會受到影響，因此，本發(fā)明根據(jù)不同踏板位置以及車輛的狀態(tài)選取不同的雜 ，來滿足多種性能要求的，其中_的選取如下： (5) 其中，為固定參數(shù)。這樣的選取就實現(xiàn)了車輛安全性和整車性能的一個折中處 理。同時考慮了車輪力矩和輪速對α的影響，當(dāng)1 .敏< I時，當(dāng)車輪力矩增大時， 隨之減小；當(dāng)輪速增大時，_隨之增大，這個區(qū)域其取值范圍在(1，2)之間。
[0025]在實際的電動汽車牽引力系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)存在時延，會造成當(dāng)前時刻返回的以 前時刻的最大傳輸力矩，從而使得返回的最大傳輸力矩可能會小于當(dāng)前的實際力矩，這就 會造成一個突然劇烈加速或者制動。為了解決這個問題本發(fā)明用處理后的來替換初 始得到的？^^^，具體形式如下：
(6) 根據(jù)上面的推理分析，得出本發(fā)明所涉及的最佳傳輸力矩估計流程圖如圖4所示。電機 控制器5、6、7、8的將測量到了的四個車輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息1；^巧，傳遞給牽引力控制系 統(tǒng)中的最大傳輸力矩估計模塊，利用公式(2)求出四個車輪對應(yīng)的縱向力i^，并利用公式 (5)計算出當(dāng)前狀態(tài)下四個車輪對應(yīng)的％值;將計算得到的代入公式⑷求出四個 車輪對應(yīng)的最大傳輸力矩Tmsjn初始值，最后利用公式(6)得到四個車輪最終的最大傳輸力 矩值Hasi。將Kax5傳遞給整車牽引力控制器中，作為模型預(yù)測控制的時域約束。
[0026] 2、基于模型預(yù)測控制的牽引力控制器 模型預(yù)測控制為多步預(yù)測，基本思想可以描述為在線求解一個有限時域內(nèi)的開環(huán)最優(yōu) 控制問題，同時保證系統(tǒng)滿足目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)及輸入約束等。預(yù)測控制可以簡單概括為三 步:根據(jù)獲得的當(dāng)前量測信息和預(yù)測模型預(yù)測系統(tǒng)未來動態(tài);保證目標(biāo)函數(shù)和約束條件下 在線求解優(yōu)化問題;解的第一個元素作用于系統(tǒng)。模型預(yù)測控制是在每個采樣時刻重復(fù)進 行的，而預(yù)測系統(tǒng)未來動態(tài)的起點是當(dāng)前的測量值，即用每個采樣時刻的測量值作為預(yù)測 的初始條件。模型預(yù)測控制的基本原理如圖5所示。在當(dāng)前時刻t，從被控系統(tǒng)獲得測量值 -?:，根據(jù)測量信息和預(yù)測模型，預(yù)測系統(tǒng)在預(yù)測時域2；內(nèi)的未來動態(tài)行為，，優(yōu)化開環(huán)性 能指標(biāo)函數(shù)(本發(fā)明中目標(biāo)函數(shù)有四個部分），尋找出控制時域2：內(nèi)最佳的控制輸入序列 g，使得預(yù)測的系統(tǒng)輸出與期望的系統(tǒng)輸出越接近越好，即圖5中的陰影部分面積最小。 [0027]根據(jù)前面提出的多個控制目標(biāo)，t時刻模型本發(fā)明所設(shè)計的基于模型預(yù)測控制的 牽引力控制器的目標(biāo)函數(shù)如下所示：
ο 其中，為加權(quán)系數(shù)矩陣，:為控制變量，這里指四個車輪的力矩命令， 迦為力矩命令的變化量，為前面估計得到的車輪最大傳輸力矩，?為電機的最 大輸出力矩，它與電機的轉(zhuǎn)速和供電電壓有關(guān)，本發(fā)明中通過查詢電機最大力矩map表得 出。下面詳細對目標(biāo)函數(shù)進行功能說明。
[0028] 1)牽引力控制系統(tǒng)必須有效防止車輪在加速時過度滑轉(zhuǎn)或者在制動時抱死，保證 車輛安全性。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，根據(jù)前面的分析，估計得到四個車輪的最大傳輸力矩，并 將其作為模型預(yù)測控制的時域約束(如公式(8)所示)來處理，通過控制四個車輪的實際力 矩在對應(yīng)的最大傳輸力矩范圍內(nèi)，實現(xiàn)車輛安全性。由于電機本身的能力限制，四個車輪的 實際力矩不能超過電機的最大輸出力矩，因此還需滿足公式(9)所示的電機最大力矩約束。
[0029] 2)在保證車輛安全前提下，實現(xiàn)良好的縱向加速和制動性能。通過添加目標(biāo)函數(shù) J1實現(xiàn)，在不危及車輛安全前提下給四個車輪提供適當(dāng)大的力矩以獲得良好的縱向加速和 制動性能。實際電動汽車行駛過程中，并不意味著輪胎縱向力越大車輛性能越好，它是車輛 安全性，整車性能和系統(tǒng)約束等的折中關(guān)系。本發(fā)明中通過調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)P實現(xiàn)車輛安全與 整車性能的均衡。
[0030] 3)保證駕駛員的舒適性，即車輛加速和制動過程平順沒有較大的抖動。為了保證 電動汽車駕駛員舒適性，控制動作的變化量不能太大，這樣會造成很大的震蕩。也就是說， 力矩命令變化量的平方和J 2應(yīng)該盡量小來保證車輛加速和制動過程平順，沒有過大抖動。
[0031] 4)車輛行駛過程中保證性能前提下盡量減小控制能量。由于電機力矩越意味著電 池需要提供的能量也越大，為了在保證性能前提下節(jié)約能量，四個車輪的力矩命令平方和 J3應(yīng)該越小越好。
[0032]本發(fā)明所設(shè)計的基于模型預(yù)測控制的牽引力控制器原理如圖6所示。首先，最大傳 輸力矩估計模塊和電機最大力矩模塊，實時估計出各個車輪當(dāng)前狀態(tài)下的最大傳輸力矩 和電機最大輸出力矩值ξ，得到預(yù)測未來狀態(tài)和約束的具體范圍；其次，保證目標(biāo)函 數(shù)(公式(7))和約束條件(公式(8,9))下在線求解優(yōu)化問題，得到四個車輪力矩命令的優(yōu)化 解;最后將解的第一個元素作用于系統(tǒng)。控制器輸出優(yōu)化后的四個車輪的力矩命令并作用 于整車，分別控制四個車輪的實際力矩有效防止車輪加速時打滑或者制動時抱死，并獲得 良好的加速或者制動性能。本發(fā)明設(shè)計的牽引力控制器能同時實現(xiàn)對四個車輪的精確控 制，同時還考慮了車輛安全性約束和電機的約束。整車性能、駕駛舒適性和能量控制目標(biāo)都 是通過構(gòu)造對應(yīng)的代價函數(shù)來實現(xiàn)。它們之間通過加權(quán)系數(shù)矩陣來調(diào)節(jié)彼此的比重，從而 實現(xiàn)車輛不同性能指標(biāo)間的折中優(yōu)化。
【主權(quán)項】
1. 一種電動汽車牽引力控制方法，其特征在于:其相關(guān)參數(shù)如表1所示： 表1車輛縱向動力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)最大傳輸力矩估計： 由車輛縱向運動和四個車輪的轉(zhuǎn)動方程可得：其中，?=1,:2,3,4分別代表前左、前右、后左、后右四個車輪，四個車輪的縱向力之和 設(shè)定為，這里設(shè)定四個車輪轉(zhuǎn)動慣量的值都為*4; 在根據(jù)公式(1)可知，每個車輪的縱向力可以用下式計算：定義一個相對因子α，它表示的是整車加速度和車輪加速度的比值，其中 _f二i，H4分別代表前左、前右、后左、后右四個車輪由公式(3)可得到，2；^的計算公式如下：其中，碎，疼為固定參數(shù)； 用處理后的來替換初始得到的，具體形式如下：將會合弓1力手空_措+，作力豐莫@廁耐空_勺日寸土或會勺私2.權(quán)利要求1所述電動汽車牽引力控制方法，其特征在于:基于模型預(yù)測控制的牽引力 控制器： 根據(jù)前面提出的多個控制目標(biāo)，t時刻模型所設(shè)計的基于模型預(yù)測控制的牽引力控制 器的目標(biāo)函數(shù)如下所示：其中，為鑛及為加權(quán)系數(shù)矩陣，:·?翁為控制變量，??推+?)為力矩命令的變化量， 3^^為前面估計得到的車輪最大傳輸力矩，:?[為電機的最大輸出力矩。
【專利摘要】一種電動汽車牽引力控制方法，屬于電動汽車技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是利用可測量的量估計出當(dāng)前狀態(tài)各個車輪的最大傳輸力矩，然后采用模型預(yù)測控制算法來設(shè)計牽引力控制器的電動汽車牽引力控制方法。本發(fā)明首先根據(jù)電動汽車四個車輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息，實時估計出各個車輪當(dāng)前狀態(tài)下的最大傳輸力矩，再將各個車輪估計的最大傳輸力矩值傳遞給設(shè)計的牽引力控制器。本發(fā)明有效避免了傳統(tǒng)方法中對于車速的依賴，大大簡化控制復(fù)雜度，并節(jié)約了控制成本。并有效實現(xiàn)車輛安全性和整車性能之間的折中優(yōu)化，在有效防止車輪加速時打滑或者制動時抱死前提下，獲得良好的加速或者制動性能。
【IPC分類】B60W30/18, B60L15/20, B60W10/08
【公開號】CN105667343
【申請?zhí)枴緾N201610148136
【發(fā)明人】趙海艷, 陳虹, 袁磊
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月16日