[发明专利]一种兼顾节能和稳定的分布式驱动电动汽车控制方法

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1.一种兼顾节能和稳定的分布式驱动电动汽车控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、纵向力估计：通过传感器采集四个电驱动轮的转速、母线电流和电压，针对四个电驱动轮分别设计纵向力观测器，纵向力观测器实时估计出四个车轮的纵向力；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

独立驱动电动汽车每个车轮各由一个轮毂电机单独驱动，由轮毂电机和车轮组成的驱动轮是一个独立的驱动单元，单个车轮的旋转动力学方程为：

式中，ω_j(j＝1,2,3,4)为纵向力F_xj所对应车轮的转速；J₁为车轮转动惯量；r为车轮有效半径；T_Lj为安装于车轮内轮毂电机的负载力矩；

轮毂电机输出轴上的转矩平衡方程为：

轮毂电机等效电路的动态电压平衡方程为：

式三、四中，J₂为电机转子的转动惯量；b为阻尼系数；K_t为电机转矩常数；i_j为线电流；u_j为线电压；R为绕组等效线电阻；L为绕组等效电感；K_a为反电动势系数；

由式一、二、三联立可得

其中，J＝J₁+J₂；

假设状态向量x＝[i n]^T，u为已知输入母线电压，未知输入d为驱动轮纵向力，y为传感器测量值，w和v为互不相关的零均值白噪声序列，

则电驱动轮模型的状态方程表示为：

y＝Cx+Fv 式六

其中，

轮胎纵向力为系统的未知输入，为实现纵向力估计，构建马尔科夫过程为：

将纵向力以及纵向力的微分增广为状态量，则扩维后的系统状态为利用卡尔曼滤波来进行纵向力估计，其中状态方程为：

量测方程为y_e＝[i_j ω_j]^T；

步骤S2、横摆角速度和质心侧偏角估计：将估计出的四个车轮纵向力视为已知量，同时采集前轮转角作为输入量，设计车辆横摆角速度和质心侧偏角估计器，将估计到的横摆角速度和质心侧偏角作为整车控制输入；

所述步骤S2横摆角速度和质心侧偏角估计具体包括以下步骤：

建立具有纵向、侧向以及横摆运动的三自由度车辆动力学模型，三自由度车辆模型的动力学方程为：

式中，v_x为纵向车速，v_y为侧向车速，γ为横摆角速度，m为汽车质量，F_xj和F_yj(j＝1,2,3,4)分别为轮胎的纵向力和侧向力，δ为前轮转角，I_z为绕z轴的转动惯量，l_f为质心距前轴的距离，l_r为质心距后轴的距离，b_f为前轮距的1/2，b_r为后轮距的1/2；

采用半经验魔术公式的轮胎模型对轮胎侧向力进行估计，公式为：

F_y＝Dsin{Carctan[Bα-E(Bα-arctan(Bα))]} 式十

式中，B为刚度因子，C为曲线形状因子，D为峰值因子，E为曲线曲率因子，α为车轮侧偏角；

轮胎模型参数B、C、D、E都与轮胎的垂直载荷相关，各轮胎的垂直载荷为：

式中，F_z1、F_z2、F_z3、F_z4、为对应轮胎的垂直载荷，h为质心高度，g为重力加速度；

各轮胎侧偏角为：

式中，α₁、α₂、α₃、α₄为对应轮胎的侧偏角；

由三自由度车辆模型和轮胎模型，建立车辆动力学的状态空间方程：

式中，w(t)、v(t)为符合高斯分布的过程噪声和量测噪声，输入变量为

u_v＝[δ F_x1 F_x2 F_x3 F_x4 F_y1 F_y2 F_y3 F_y4]^T，

状态变量为x_v(t)＝[v_x v_y β]^T，

量测输出为y＝[a_x a_y]^T，

其中，a_x、a_y分别为车辆在大地坐标系上的纵向加速度和侧向加速度，且

将纵向力观测器所得的纵向力估计值视为伪量测值，作为车辆行驶状态卡尔曼滤波估计的输入量，基于车辆状态卡尔曼估计，可得车辆质心侧偏角为：

β＝arctan(v_y/v_x) 式十五；

步骤S3、上层控制器设计：设计车辆上层控制器，通过实时跟踪理想的车辆横摆角速度和质心侧偏角，得到所需的车辆横摆控制力矩；

所述步骤S3中上层控制器设计具体包括以下步骤：

在上层控制器中，将估计到的横摆角速度和质心侧偏角视为传感器采集量，并将其作为控制器输入，采用前馈和反馈结合的方式得到需求横摆力矩；

建立车辆的二自由度模型，则参考模型状态空间方程表示为：

x_d＝A_dx_d+E_dδ+B_du_d 式十七

其中，x_d＝[β_d γ_d]^T，u_d＝M_d，

车辆的横摆控制，通过实时跟踪车辆转向时的参考横摆角速度和质心侧偏角，采用零化质心侧偏角的方法，并设定车辆参考横摆角速度为所得的控制横摆力矩M_z由前馈横摆M_zf和反馈横摆M_zr组成；车辆的稳态需求为得前馈控制器输出的M_zf为：

反馈控制器设计中，采用滑模控制器来获得最优的横摆力矩，设其中Δγ＝γ_d-γ，则车辆模型可转化为：

其中，

滑模面动态切换函数为：

其中，k₁、k₂、k₃为系统参数，且k₁﹤0，k₂﹤0，设计系数趋近律为：

其中，λ﹥0，ε﹥0，由式二十二和二十三可得滑模控制律为：

步骤S4、下层控制器设计：设计车辆下层控制器，用于四个轮毂电机力矩的动态分配，同时满足车辆稳定与节能的控制目标；

所述步骤S4下层控制器设计包括前后电机转矩分配单元的设计步骤：

采集轮毂电机的母线电流和车轮的转速值，利用估计所得的纵向力计算出汽车行驶的实时转矩需求T_d；其中，采用电流传感器采集轮毂电机的母线电流，采用转速传感器采集车轮的转速值，并通过CAN总线采集传感器信息；

对车轮轮速求均值可得车速v，对车速求微分可到车辆加速度a_x，从而车辆行驶的需求转矩为：

其中，m为整车装备质量，a_x为纵向加速度，A为迎风面积，ρ为空气密度，C_d为空气阻力系数，V_x为车速，F_f为路面行驶阻力；

所述前后电机转矩分配单元中还包括侧重提高电机效率分配模块，所述侧重提高电机效率分配模块以提高电机效率为优化目标的目标函数为：

其中，T_d为总转矩需求，n为驱动电机转速，λ₁为前轴转矩优化分配系数，η_f,和η_r分别为前、后轴驱动电机效率；约束条件为：0≤λ₁≤0.5，0≤0.5λ₁T_d≤T_max，0≤0.5(1-λ₁)T_d≤T_max，其中T_max为当前转速下驱动电机的最大转矩；

利用轮毂电机特性实验的实验数据，通过离线优化计算的方式，得到特定转矩和转速下的前轴转矩优化分配系数λ₁；

所述前后电机转矩分配单元中还包括侧重提高电机响应分配模块；所述侧重提高电机响应分配模块以提高电机响应速度为优化目标的优化函数为：

其中，F_dj为当前车轮实际驱动力，F_xj为分配到四个电机的驱动力。为了满足整车的纵向力需求∑F_x和横摆力矩需求∑M_z，车轮的驱动力应满足：

路面附着条件和电机驱动能力对纵向力的约束条件为：max(-μF_zi，-F_m)≤F_xi≤min(μF_zi，F_m)；其中，F_m为驱动电机能够提供的最大车轮驱动力，l为同轴两个车轮之间距离的1/2；由式五得

此处，P＝(∑F_x+∑M_Z/l)/2，Q＝(∑F_x-∑M_Z/l)/2；将式五带入式四得：

J_r＝(P-F_x2-F_d1)²+(F_x2-F_d2)²+(Q-F_x4-F_d3)²+(F_x4-F_d4)² 式二十八

分别对F_x2和F_x4求偏导并令偏导等于0，得：

设前轴转矩优化分配系数为λ₂，则

将纵向力观测器的实时估计值输入到侧重提高电机响应分配模块，计算得到前轴转矩优化分配系数λ₂；

所述前后电机转矩分配单元中还包括模糊控制器；所述模糊控制器实时调节侧重提高电机效率分配模块和侧重提高电机响应分配模块两种分配模块的模糊权重系数，得到综合侧重提高电机效率分配模块和侧重提高电机响应分配模块性能的前轴转矩优化分配系数λ；

基于所述模糊控制器的优化分配算法，设定前轴转矩优化分配系数为：

λ＝(1-k)λ₁+kλ₂ 式三十一

则后轴转矩分配系数为1-λ，式中，k＝k(η)∈[0,1]是用来调节两种分配结果的模糊权重系数；

所述模糊控制器以电机电流方差的平均值和η/η₀作为控制输入，以权重系数k作为模糊控制器输出，因此模糊控制器实时计算电机电流方差的平均值和η/η₀的大小，并利用提前制定的模糊规则得到最优的前轴转矩分配系数，从而来动态平衡侧重提高电机效率分配模块和侧重提高电机响应分配模块所得的分配系数所占的权重；

模糊控制器输出的模糊权重系数k，通过对侧重提高电机效率分配模块和侧重提高电机响应分配模块所得的前轴转矩优化分配系数λ₁和λ₂进行模糊加权，得到能综合两种模块性能的前轴转矩优化分配系数λ。