一种轮毂电机驱动车辆的转矩分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电动汽车和车辆动力学控制领域，涉及一种轮毂电机和制动器转矩分 配方法，尤其是轮毂电机与制动器之间驱动转矩和制动转矩的分配方法。
【背景技术】
[0002] 轮毂电机驱动车辆是目前电动汽车领域中的研究热点之一。轮毂电机驱动系统独 特的结构特点和布置方式，给车辆的底盘结构带来了技术革新，有利于优化车辆结构设计、 发挥电动技术优势、挖掘车辆动力学控制潜能。
[0003] 轮毂电机驱动系统中，多个轮毂电机与制动器构成了一个执行器冗余系统，需要 合理地分配所有轮毂电机和制动器之间的转矩，才能真正地发挥轮毂电机驱动车辆的性能 优势。
[0004] 在目前的轮毂电机驱动车辆中，转矩分配的方法主要包括基于规则的分配方法， 以及基于优化函数的控制分配方法。基于规则的方法重点在于转矩分配规则的制定，计算 量小，求解速度快，但是，不能很好地处理轮毂电机和制动器的约束条件，其中的某些电动 轮容易提前达到约束边界，而其他电动轮未充分发挥作用，以至于降低了总体控制效果。基 于优化函数的控制分配方法的主要内容是目标函数的确定，以及约束条件下对目标函数的 求解，目前常用的对目标函数的求解算法主要是基于数学关系的解析算法，求解速度快，转 矩分配精度高，但是在一些复杂工况下难以满足实际的约束条件。通行的方法中，大多只是 针对轮毂电机的输出转矩进行分配，而不考虑机械制动器的转矩分配，当需求的制动力矩 较大时，轮毂电机的制动转矩达到饱和极限，而机械制动器却未发挥作用，因此存在一定的 缺陷。
[0005] 因此，需要一种转矩分配方法，在对轮毂电机驱动车辆的轮毂电机和制动器进行 转矩分配时，一方面需要充分考虑轮毂电机和制动器的约束条件，另一方面需要具有较高 的分配精度。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于提供一种对轮毂电机驱动车辆的轮毂电机与制动器同时加以考 虑来实现输出转矩分配的方法，通过求解最优控制分配方程，得到轮毂电机与制动器的最 优输出转矩，实现转矩最优分配，尤其是针对四轴八轮车辆在计算中引入了整车需求侧向 合力参数。
[0007] 本发明的目的通过以下操作步骤实现：
[0008] -种轮毂电机驱动车辆的制动输出转矩分配方法，该分配方法的主要思路为：由 整车控制方法得到所需的整车目标控制力和力矩后，首先通过控制电动轮纵向力实现所述 的整车目标控制力和力矩，然后进一步通过控制轮毂电机和制动器的输出转矩实现电动轮 纵向力。所述整车控制方法包含但不限于滑模变结构控制方法、PID控制方法、模糊控制方 法。
[0009] 该方法包含以下步骤：
[0010] -、采用最优控制分配方法，根据整车需求纵向合力，整车需求侧向合力以及整车 需求横摆力矩，对电动轮纵向力的建立最优控制分配方程，；
[0011] 二、根据建立的电动轮纵向力最优控制分配方程，求解得到各电动轮纵向力最优 解，结合电动轮输出转矩与电动轮纵向力的关系，得到各电动轮输出转矩；
[0012] 三、根据轮毂电机转矩与机械制动器转矩的关系，得到各轮毂电机输出转矩和制 动器输出转矩。
[0013] 在本申请的一个优选实施方式中，步骤一中所述的根据建立的电动轮纵向力最优 控制分配方程，求解得到各电动轮纵向力最优解，建立的电动轮纵向力的最优控制分配方 程为带加权系数的二阶范数形式，所述的电动轮纵向力在一定的约束条件内被求解，所述 约束条件为电动轮的附着力极限和轮毂电机及制动器的输出转矩极限。
[0014] 最优控制分配方程表示如下：
[0016] 式中，其中u是由所有电动轮纵向力Fxwi.j组成的列向量，下标i = 1，2,......，n ;分 别表示第一轴、第二轴、……、第n轴，下标j代表1或r，1和r分别表示左侧轮和右侧 ，U [Fxwll，Fxwlr，Fxw21，Fxw2r， ，FxwnI，Fxwnr ]，IT是电动轮纵向力Fxwl的上约束边界，U是电 动轮纵向力Fxwl的下约束边界，Wu是维数为电动轮个数的对角加权矩阵，Wv是维数为目标 控制力和力矩个数的对角加权矩阵，B是系数矩阵，V是整车目标控制力和力矩组成的列向 量，y是值大于1000的加权系数。
[0017] 在本申请的一个优选实施方式中，所述的电动轮纵向力最优控制分配方程中的一 个目标函数为逼近误差目标函数，意义在于所分配的电动轮纵向力在动力学关系上需要尽 量逼近目标控制力和力矩，即Bu与V之差尽量小，表不为如下：
[0019] 式（1)中，控制分配方程中的另一个目标函数为性能目标函数，意义在于所分配 的电动轮纵向力的负荷率尽量地小，表示为如下：
[0021] 所述电动轮纵向力的负荷率是指电动轮纵向力与电动轮最大附着力之比，表示 为：
[0023] 式中，y U是电动轮所处的路面附着系数。
[0024] 根据电动轮负荷率P u的定义，Wu取为式（5)，则目标函数J2表示所有电动轮纵 向力负荷率之和。
[0026] 采用积极集算法求解式（I)，得到电动轮纵向力最优解。
[0027] 求得电动轮纵向力最优解后，由电动轮输出转矩与电动轮纵向力之间的关系求解 电动轮输出转矩，所述关系如下：
[0028] Twheellj=FxwljRw (6)
[0029] 式中，Twh_是各电动轮输出转矩，Rw是电动轮滚动半径。
[0030] 在本申请的一个优选实施方式中，步骤三中所述的根据轮毂电机转矩与机械制动 器转矩的关系，得到轮毂电机输出转矩和制动器输出转矩，是在驱动时，电动轮转矩完全由 轮毂电机转矩提供；制动时，若轮毂电机能够提供足够的电制动力矩，则只由轮毂电机输出 制动转矩；若轮毂电机无法提供足够的电制动力矩，则制动器输出制动转矩进行补充。所述 的轮毂电机可以输出驱动转矩也可以输出制动转矩，所述的制动器只能输出制动转矩。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明中控制分配方法的原理图；
[0032] 图2是实施例中车辆动力学关系图；
[0033] 图3是实施例中电动轮内的轮毂电机与制动器之间的转矩关系图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以8X8轮毂电机驱 动车辆的轮毂电机和制动器的输出转矩为分配对象，以本发明技术方案为前提进行实施， 给出了详细的实施方式，本发明的保护范围包含而不限于8轮车辆和4轮车辆。
[0035] 如附图1所示，所采用的整车控制方法包含但不限于滑模变结构控制方法、PID控 制方法、模糊控制方法，得到车辆所需的目标控制力和力矩V。由整车控制方法得到所需 的整车目标控制力和力矩后，首先通过控制电动轮纵向力实现所述的整车目标控制力和力 矩，然后进一步通过控制轮毂电机和制动器的输出转矩u实现电动轮纵向力。
[0036] 考虑电动轮纵向力的约束条件，所述约束条件为电动轮的附着力极限和轮毂电机 及制动器的输出转矩极限，表示为如下：
[0038] 下标i= 1，2,……，n;分别表示第一轴、第二轴、……、第n轴，下标j代表1或 r，1和r分别表示左侧轮和右侧轮，max是取最大值的函数，min是取最小值的函数，!^^是 电机最大输出驱动转矩，Tbniax是制动器最大输出制动转矩，ig是轮边减速器的减速比，Fzwlj 是电动轮的垂向载荷，Fxwi.j是电动轮纵向力，Fywu是电动轮侧向力，Rw是电动轮滚动半径， iH,是电动轮所处的路面附着系数。
[0039] 最优控制分配方程表示如下：
[0041] 式中，u是由所有电动轮纵向力Fxwi_j组成的列向量，下标i= 1，2,......，n;分别表 示第一轴、第二轴、……、第n轴，下标j代表1或r，1和r分别表示左侧轮和右侧轮，u-I-Fxwll)Fxwlr)Fxw21)Fxw2r) )Fxwnl)Fxwnr]T，i是电动轮纵向力Fxwl^上约束边界，u是电动轮 纵向力匕^的下约束边界，Wu是维数为电动轮个数的对角加权矩阵，Wv是维数为目标控制 力和力矩个数的对角加权矩阵，B是系数矩阵，V是目标控制力和力矩组成的列向量，Y是 值大于1000的加权系数。
[0042] 所述的电动轮纵向力最优控制分配方程中的一个目标函数为逼近误差目标函数， 意义在于所分配的电动轮纵向力在动力学关系上需要尽量逼近目标控制力和力矩，即Bu 与V之差尽量小，表不为如下：
[0044] 式（1)中，控制分配方程中的另一个目标函数为性能目标函数，意义在于所分配 的电动轮纵向力的负荷率尽量地小，表示为如下：
[0046