一種基于電機(jī)與車輪耦合特性的路面附著系數(shù)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及車輛的路面附著系數(shù)估計(jì)，特別是關(guān)于一種分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛的 路面附著系數(shù)估計(jì)方法，是基于電機(jī)與車輪耦合特性的路面附著系數(shù)估計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式電驅(qū)動(dòng)車輛是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別安裝在各車輪內(nèi)或各車輪附近，一臺電機(jī)獨(dú) 立驅(qū)動(dòng)一個(gè)車輪，具有響應(yīng)速度快、傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)高效、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，其充分利用了電 機(jī)轉(zhuǎn)矩精確觀測和快速可控的特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。但目前的分布 式電驅(qū)動(dòng)車輛仍存在很多需要改進(jìn)的問題，如低速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)造成的沖擊，對于該現(xiàn) 象還沒有合理的解釋。
[0003] 路面附著系數(shù)：是指輪胎與地面間作用的縱向力、側(cè)向力的合力與垂向力之比的 最大值。精確估計(jì)路面附著系數(shù)是研宄電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)造成沖擊影響的可靠前提。目前國內(nèi) 外對于路面峰值附著系數(shù)實(shí)時(shí)估算方法已經(jīng)進(jìn)行了大量研宄。這些方法可以分為基于原因 的方法和基于效果的方法兩類。前者是利用超聲波傳感器等來檢測路面狀況來估算路面附 著系數(shù)，該種方法需要外加昂貴的傳感器，并且對于環(huán)境的依賴程度較高。后者方法則是 直接利用車輛與輪胎的動(dòng)力學(xué)特性來估計(jì)路面附著系數(shù)，例如用U-S曲線斜率（附著系數(shù) 與滑移率曲線）估算路面附著系數(shù)的方法。該類方法由于需要準(zhǔn)確的縱向力和滑移率估計(jì) 值，所以對輪速噪聲和穩(wěn)態(tài)誤差的要求比較高，也就是需要車輪發(fā)生較大滑轉(zhuǎn)時(shí)才能較好 的工作，而且目前該類方法均采用穩(wěn)態(tài)輪胎模型，不適用于瞬態(tài)工況，特別是在分布式電驅(qū) 動(dòng)車輛這種結(jié)構(gòu)下，高頻振動(dòng)源較多，使得縱向力不能通過穩(wěn)態(tài)輪胎模型估計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有用y-S曲線斜率估算路面附著系數(shù)的方法不適用于小滑移率工 況，且對輪速噪聲和穩(wěn)態(tài)誤差靈敏度高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種新型的基于電機(jī)與車輪耦 合特性的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，適用于電驅(qū)動(dòng)車輛正常行駛（勻速或者小幅加/減速） 過程中路面附著系數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測估計(jì)，可在不需要轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器等情況下，僅 依靠輪速信號處理實(shí)現(xiàn)對每個(gè)車輪所在路面情況的辨識。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于電機(jī)與車輪耦合特性的路 面附著系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] 1)首先建立輪胎縱向剛度與車輪共振頻率之間的關(guān)系，為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于電機(jī)與車輪耦合特性的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 首先建立輪胎縱向剛度與車輪共振頻率之間的關(guān)系，為：
r〇) 式中f〇為共振頻率，R為車輪滾動(dòng)半徑，ks為車輪縱向剛度，I為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r， 輪胎的縱向松弛長度； 2) 然后在整車控制器獲取實(shí)時(shí)的輪速信號《和電機(jī)的電流信號iq基礎(chǔ)上，利用 MATLAB中的nonlinearARXmodel模塊，輸出二階系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)的系數(shù)ai，a2，a3，然后 利用公式（22)找到兩個(gè)解\(i= 1，2): G(入）=a!入 2+a2 入 +a3 (22) 式中A是拉布拉斯算子，ai，a2, &3為系數(shù)； 3) 再按照公式（23)、（24)、（25)計(jì)算共振頻率
上述AT為采樣時(shí)間，Re、Im分別表示數(shù)學(xué)計(jì)算中的實(shí)部和虛部； 4) 將公式（23)取得的&帶入到公式（20)中，在公式（20)的基礎(chǔ)上估計(jì)輪胎縱向剛 度ks; 5) 在任意時(shí)刻，將得到的輪胎縱向剛度輸入到路面附著系數(shù)估計(jì)模塊中，計(jì)算得到路 面附著系數(shù)：
式中的系數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，采用數(shù)據(jù)擬合的方法得到。 J f
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，在建立輪胎縱向剛度 與車輪共振頻率之間的關(guān)系時(shí)，是按照如下方法實(shí)現(xiàn)的： 1) 建立單輪動(dòng)力學(xué)模型：
式中I為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，《為車輪轉(zhuǎn)速，6是《關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Td為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)XD是車輪瞬態(tài)縱向力，R為車輪滾動(dòng)半徑； 2) 建立穩(wěn)態(tài)輪胎模型：
式中是車輪穩(wěn)態(tài)縱向力，ks為車輪縱向剛度，S為滑移率，不同情況取不同值，F(xiàn)x(l為 滑移率為零時(shí)的縱向力，v為車輛縱向速度，《為車輪轉(zhuǎn)速，R為車輪滾動(dòng)半徑； 3) 建立瞬態(tài)輪胎模型：
式中FXD為車輪瞬態(tài)縱向力，是FXD關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)，為車輪穩(wěn) 態(tài)縱向力，rx為輪胎的縱向松弛長度； 4) 建立簡化電機(jī)模型： Td=Kiq (4) 式中iq為電機(jī)電流，K為比例常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測得或電機(jī)廠商提供，Td為電機(jī)輸出轉(zhuǎn) 矩； 5) 在上述幾種車輛模型和簡化電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，分為 恒定部分與高頻部分，如下所示： Td=T0+TlSin(2 3if?t) (5) 式中L表示恒定轉(zhuǎn)矩，認(rèn)為是一個(gè)相對恒定的值；而1\8；[11(2itf 表示高頻轉(zhuǎn)矩，其 中為轉(zhuǎn)矩振幅，f為高頻轉(zhuǎn)矩的頻率，t是表示某一時(shí)刻； 6) 結(jié)合公式（1)，將公式（5)帶入到公式（1)中，單輪動(dòng)力學(xué)模型可表示為：
對公式（6)兩端同時(shí)對時(shí)間求導(dǎo)，得到公式（7):
再將公式（7)乘以時(shí)間常數(shù)t，然后與公式（6)求和得公式（8):
結(jié)合公式（2)、（3)和三角函數(shù)公式，公式⑶可簡化為公式（9):
式中al\為合并后高頻信號的振幅，<i>合并后高頻信號的初始相位； 對于驅(qū)動(dòng)工況，考慮其滑移率定義，公式（9)可以表示為公式（10):
進(jìn)一步對公式（10)兩端求導(dǎo)可得公式（11):
假設(shè)R? ~v，由于車輛的慣性遠(yuǎn)大于車輪的慣性，所以車輛的加速度相比車輪的角加 速度可以忽略，公式（11)可進(jìn)一步簡化為公式（12):
對公式（14)兩端作拉普拉斯變換，得到公式（15):
式中A為拉普拉斯算子； 這樣就得到了電機(jī)轉(zhuǎn)矩到輪速的傳遞函數(shù)，公式（16):
結(jié)合公式（4)和（16)，可以進(jìn)一步得到可以得到電機(jī)電流到輪速的傳遞函數(shù)，公式 (17)：
令X=j2 31f，其中j表示虛部，合并同類項(xiàng)，求模即可得到電機(jī)電流到輪速的幅頻函 數(shù)，公式（18):
作如下近似：^/l+(2，T./y?2；r/，當(dāng)電機(jī)車輪系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，即有公式（19):
應(yīng)用求極值的方法，得到其最小值對應(yīng)的頻率，即共振頻率，見公式（20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，基于遞歸最小二乘 法進(jìn)行隨時(shí)間變化的輪胎縱向剛度估計(jì)，遞歸最小二乘法的輪胎縱向剛度估計(jì)描述為以下 方程： x(t) = 0T(t)ks(t)+e(t) (26) 其中ks(t)是隨時(shí)間變化的輪胎縱向剛度；x(t)是共振頻率&的平方；e(t)是誤差函 R2 數(shù)，0T(t)是矩陣0 (t)的轉(zhuǎn)置，矩陣是回歸系數(shù)函數(shù)，0 (t)為式中R為車輪滾動(dòng) 半徑，I為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，rx為輪胎松弛長度； 對式（26)求解ks(t)按如下步驟進(jìn)行： 步驟一：獲取系統(tǒng)輸出的x(t)，并確定回歸系數(shù)函數(shù)0T(t); 步驟二：根據(jù)t時(shí)刻的系統(tǒng)真實(shí)輸出值和上一時(shí)刻t-1預(yù)測的本時(shí)刻輸出值來計(jì)算t時(shí)刻e(t): e(t) =x(t)-0T(t)ks(t-1) (27) 步驟三：利用下式求t時(shí)刻解增益向量K(t):
式中P(t-l)為上一時(shí)刻t-1預(yù)測的本時(shí)刻的協(xié)方差矩陣，參見式（29)，x是遺忘因 子，本例中取值在（0.9,1)， 利用下式計(jì)算下一時(shí)刻t+1的協(xié)方差矩陣P(t):
步驟四：計(jì)算輪胎縱向剛度： ks(t) =ks(t-l)+K(t)e(t) (30)〇 對于式（26)的求解可按如下步驟進(jìn)行： 步驟一：獲取系統(tǒng)輸出的x(t)，即上一模塊估計(jì)共振頻率的平方，并確定回歸系數(shù)函 數(shù) 0T(t)。 步驟二：根據(jù)t時(shí)刻的系統(tǒng)真實(shí)輸出值和上一時(shí)刻t-1預(yù)測的本時(shí)刻輸出值來計(jì)算t時(shí)刻e(t): e(t) =x(t)-0T(t)ks(t-1) (27) 步驟三：利用下式求t時(shí)刻解增益向量K(t):
式中P(t-l)為上一時(shí)刻t-1預(yù)測的本時(shí)刻的協(xié)方差矩陣，參見式（29)。x是遺忘因 子，本例中取值在（0.9,1)。 利用下式計(jì)算下一時(shí)刻t+1的協(xié)方差矩陣P(t): 步驟四：計(jì)算輪胎縱向剛度：
ks(t) =ks(t-l)+K(t)e(t) (30)〇
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于電機(jī)與車輪耦合特性的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，適用于電動(dòng)車輛行駛過程中路面附著系數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。它建立輪胎縱向剛度與電動(dòng)輪共振頻率之間的關(guān)系，在利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩獲取的共振頻率基礎(chǔ)上求解出輪胎縱向剛度，然后再利用輪胎縱向剛度與路面附著系數(shù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了路面附著系數(shù)估計(jì)。本發(fā)明僅采用電機(jī)電流與輪速信號，不需要車速與輪胎縱向力信息，不需要計(jì)算輪胎縱向滑移率，使得該方法應(yīng)用方便；利用頻域信息進(jìn)行估計(jì)，使得該方法具有對輪速噪聲與誤差不敏感的特性，也說明了該方法的準(zhǔn)確性。
【IPC分類】B60W40-068
【公開號】CN104691551
【申請?zhí)枴緾N201510129140
【發(fā)明人】李克強(qiáng), 陳龍, 邊明遠(yuǎn), 羅禹貢, 連小珉, 王建強(qiáng), 鄭四發(fā), 楊殿閣, 張書瑋, 秦兆博
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月24日