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基于四轮轮边驱动电动车的路面附着系数估算方法

2021-07-21 来源:我们爱旅游
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2007年(第29卷)第2期 汽车工程 Automotive Engineering 2007(Vo1.29)No.2 2007032 基于四轮轮边驱动电动车的路面附着系数估算方法 余卓平,左建令,陈(同济大学汽车学院,上海慧 201804) [摘要] 路面附着系数是影响车辆行驶安全性的重要因素,利用轮边驱动电动汽车驱动力矩可以对路面利用 附着系数进行观测。当观测到 —A曲线接近于峰值点时,将该时刻的轮胎利用附着系数作为路面峰值附着系数,并 根据识别的路面峰值附着系数进行驱动防滑控制。该方法能够有效防止轮胎滑转,提高车辆行驶稳定性。 关键词:电动汽车;四轮驱动;路面附着系数;估算 Tire—road Friction Coefficient Estimation with Four Wheel In..whee1..motor Drive Vehicle Yu Zhuoping.Zuo Jianling&Chen HIIi Automobile School,Tongfi Urdt ̄rs ,Shanghai 201804 l Abstract j In an in—wheel—motor drive vehicle the tire—road firction coefficient iS observed by means of drive torque,which can be acquired accurately and controlled easily.When the adhesion coefficient is close to the maxi— mum tire—road firction coeficifent,the current adhesion coefifcient is used as maximum tire—road firction coefficient to contolr the drive torque.This method can avoid tire slip effectively,and hence improve the driving stability of the vehic1e. ’ Keywords:Electric vehicle;Four-wheel drive;Tire-road friction coefficient;Estimation 而估算了路面附着系数。 刖舌 文中利用电机驱动力矩能够快速准确地获得及 快速精确控制的特点对路面附着系数进行了估算, 并利用估算结果对电机驱动力矩进行控制,从而防 止了轮胎的滑转,保证了车辆的行驶稳定性。 些汽车工业发达国家已在路面附着系数识别 领域做了很多工作,其中研究最多的是基于 一A曲 线的斜率,他们的研究结果表明, 一A曲线在线性段 的斜率直接体现了路面附着系数信息¨ ]。但是要 识别 一A曲线的斜率,必须知道轮胎的滑移率A。 近几年随着环保节能的要求,对电动汽车的研究日 益增多,四轮轮边驱动更是小型轿车的发展方向。 1单轮车辆模型 为了便于理论分析,建 立如图1所示的单轮车辆 模型。在忽略风阻和轮胎 滚动阻力的情况下车轮、车 身的动力学方程如下。 dv /dt=F 一 (1) 四轮驱动车辆没有非驱动轮,因而准确的车速信息 就难以获得,基于 一A曲线斜率的路面估算算法也 就难以在该类车上应用。 日本东京大学的Hideo Sado和Shin—ichior Sakai 等人以轮边驱动电动汽车为基础,通过电机输出力 矩和车轮转动角速度观测路面附着力,在整个滑移 率变化范围内对/.L-S曲线的斜率进行估算 J,从 Mdv/dt=Fd (2) (3) 图1单轮车辆模型 Fd/Ⅳ 原稿收到日期为2005年10月加日,修改稿收到日期为2006年4月25日。 维普资讯 http://www.cqvip.com

汽车工程 2007年(第29卷)第2期 A:f‘ 一 ) ( > ’ (4) 【( 一 )/ ( < ) 式中 为车速; 为当量轮速( =wR,R为车轮滚 动半径);肘为整车质量;Mw为车轮当量质量(M = f/R ,f 为车轮转动惯量);F 为地面驱动力;F 为 当量电机驱动力(F : /R, 为电机驱动力矩); 为利用附着系数;Ⅳ为轮胎垂直载荷;A为滑移率。 各种路面上的 一A曲线如图2所示,当驱动力 矩突然增大或者路面峰值附着系数突然减小时,滑 移率会迅速增大,轮胎发生滑转,路面驱动力 减 小。同时随着滑移率的增大,轮胎的侧向附着性能 也变差。车辆稳定性降低,在小的外力扰动下就会失 稳,因而要避免车轮打滑的发生。 0.5 l 一0.5 0 0.5 ~\/ 0.5 制动 驱动 \ l 图2各种路面下典型的 一A曲线 2附着系数估算算法 当轮胎处于 —A曲线的稳定附着区域,且利用 附着系数远小于当前路面的峰值附着系数时,可以 不必关心路面附着系数的大小。只要在轮胎的利用 附着系数接近于 一A曲线的峰值时控制系统就能对 该附着状态和附着系数进行识别,并快速控制电机 驱动力矩,防止车轮滑转和车辆失稳。 首先要对车辆行驶状态进行估计,当系统判断 轮胎即将达到 —A曲线的峰值时,对利用路面附着 系数进行估算,将估算结果作为路面峰值附着系数。 并根据该附着系数对车辆驱动力矩进行控制。 2.1利用附着系数的估算 在忽略轮胎滚动阻力的情况下,可以根据式 (5)和式(6)对利用附着系数进行实时观测。 Fd=( —1w&)/R (5) Fd/N (6) 在车辆实际行驶中由于加速度的存在而发生轴 荷转移。可根据测量或估算的纵向、侧向加速度计 算轴荷转移。实际轴荷可通过式(7)估算得到。 = 一 + c (7) = + 一 c = + + 式中 、F扪 、, 分别为左前、右前、左后、右后 轮的垂直载荷,0、b分别是质心到前后轴的距离,h, 为质心高度, 、 分别为车辆纵向、侧向速度, 为 轮距,g为重力加速度。 2.2附着系数估算算法分析 下面对车辆驱动过程( > )进行分析。 驱动过程中有 A= 一 (8) △A: + :一 + (9) o U o Uw Uw "31 1分析过程中忽略轮胎载荷的变化,则有 肘 A Ⅳ(_ 1 ) 其中 = ,如图3所示,当滑移率有不同取值时, 斜率 的取值也.不同。从而可得 赣 1Il5 椰 莲 滑移率 图3 一A曲线及其斜率 (I + ¨JA)/八( + ¨J1)…  1) 式中s为拉普拉斯算子。 设 lOkm/h,M=200kg,A=0.1,分别取 = 维普资讯 http://www.cqvip.com

2007(Vo1.29)No.2 余卓平,等:基于四轮轮边驱动电动车的琏亘 着 笪篁查鎏 : 竺: 15和d=1,得到(△ 一Av)/Av 的波特图(图4)。 ∞ 迥 馨 遵 罂 频率/Hz 图4相同A、不同a值条件下(Av 一Av)/Av 的波特图 设 =10km/h,M=200kg,分别取A=0.1,d= 15和A=0.25,d=1,得到(Av 一Av)/Av 的波特 图如图5所示。 ∞ 遥 馨 翅 频率/Hz 图5不同A、不同a值条件下(△ 一Av)/Av 的波特图 从图4、图5可以看出,该观测器实际是一个高 通滤波器,当车轮即将达到 一A曲线的峰值点时(即 d值变小),观测器截止频率降低,低频成分将叠加 到输出结果中,观测器输出值增大。从而可以从观 测器输出值中观测车轮的打滑状态。 在正常驱动状态下,轮速与车速的差别很小,因 而车轮加速度与车身加速度差别也比较小。当车轮 滑移率快速增大,轮胎进入非稳定附着区时,车轮转 动角速度迅速增大,必然有车轮当量加速度远远大 于整车加速度的过程。因而只要对车轮加速度和车 身加速度进行监控,发现二者出现较大差异时,就对 路面附着系数进行识别。并利用识别结果对电机驱 动力矩进行控制。 车身加速度可以通过加速度传感器测量得到, 也可以通过电机驱动力矩估算得到。 为了计算简单,取滑移率为零时的车轮当量角 加速度代替车身加速度,即 0d= /(1w+MR ) (12) 在四轮驱动车辆中,可以取各个车轮驱动力矩 之和计算车轮参考角加速度 0d=∑Tm/(∑L+MR ) (13) 如果车辆处于弯道行驶状态,还可以根据转向 盘转角对各个车轮的参考角加速度进行修正。 取比例系数田为 叼=( 一 )/ (14) 当轮胎附着状况良好时, 与 m.. 较接近,因而 叼较小。当轮胎即将达到 一A曲线峰值的时候,叼将 迅速增大。因而取叼为观测量,取叼>叼。(叼。为设定 常数)时的利用路面附着系数为当前路面峰值附着 系数,并根据该附着系数对驱动力矩进行控制。 2.3估算算法仿真结果 图6为路面附着系数识别结果,仿真参数设置 如下: 辄 莲 时间/s 图6路面附着系数识别结果 (1)车辆在峰值附着系数为0.15的路面上,以 120N·m的最大驱动力矩加速行驶; (2)6s后,路面峰值附着系数降低到0.1; (3)12s后,路面峰值附着系数升至0.18; (4)为了便于在图中观测和比较,这里将高路 面附着系数设置为0.3,实际使用中高路面附着系 数应该为0.8或0.9。 图7为电机驱动力矩时间历程,图8为轮胎滑 移率变化时间历程,图9为轮速、车速时间历程。 图6中0—6s内车辆行驶在峰值附着系数为 0.15的路面上,电机等效驱动力超过了地面驱动 力,车轮滑移率迅速增大,利用附着系数接近路面峰 值附着系数,识别系统对这一车辆状态和路面附着 系数进行了估算;6—12s内车辆行驶在附着系数为 0.1的路面上;12s后车辆又回到了0.18的路面上, 估算系统同样对这两种路面进行了准确估算。由于 维普资讯 http://www.cqvip.com

汽车工程 2007年(第29卷)第2期 争 蚕 垂 时间/s 图7 电机驱动力矩时间历程 得 艇 时间/s ∞ 如 ∞ 如 加 m O 图8滑移率时间历程 要 卅 时间,S 图9轮速车速时问历程 车辆处于稳定附着状态后系统将不能对路面峰值附 着系数进行估算,因而车辆一旦从低附着系数路面 上驶过,控制系统将根据该低附着系数对驱动力矩 进行控制,即使后来车辆行驶到高附着系数路面上 也无法增大驱动力矩,这样将大大损失车辆的动力 性能,甚至失去动力性。为了解决这一问题,每次成 功识别路面附着系数并实施防滑控制的几秒钟后, 系统要将附着系数识别结果恢复(或逐渐恢复)到 系统设定的高附着系数,从而可以继续增大驱动力 矩,并在必要时对附着系数重新识别。这样就可以 避免由于路面附着系数识别的非实时性而降低车辆 动力性。 该识别算法只能在打滑的初始阶段(图l0中A 区,其 R》 )对路面附着系数进行识别。在轮速 很大而车轮角加速度较小的情况下(图lO中B区) 系统不能判断出轮胎的滑移状态,从而无法识别路 面附着系数。因而该识别算法具有一定的局限性, 需要与其它防滑算法结合使用。 } /,,— | 二麓 量 B区 g ; 一 一、二一 祷 / f, 一一 / 8 12 16 时间,s 图l0无控制时的轮速车速对比 3车速估算 为了减小上述路面附着系数估算误差和单纯根 据路面附着系数估算结果进行防滑控制的不足,根 据估算的车速和滑移率对路面估算和防滑控制进行 纠正,从而得到更好的防滑效果。 图1 1为采用车速估算的防滑控制结构框图, 为驾驶员踏板指令, 为防滑系统计算得到的电机 力矩指令,∞为轮速,丘为路面峰值附着系数估算 值, 为纵向车速, 为侧向车速。 y 附着系数估算模块}_{._一 防滑  I 控 制 模 。L1车速估算模块I v ̄,vy. 块 图11防滑控制系统结构框图 图9显示了车速估算和防滑控制结果,为了验 证估算算法的鲁棒性,车速估算模型使用的轮胎模 型参数、风阻系数、迎风面积、整车质量等都与仿真 模型有所差异,二者使用的轮胎模型分别如图l2所 示,两种轮胎模型的最佳滑移率有很大差别。 参照图6和图8又可看出,该防滑控制算法既 保证了较小的轮胎滑移率,又维持了较高的利用路 维普资讯 http://www.cqvip.com

1 O.8 参考文献 [1] Gustafsson F.Estimation and Change Detection of Tire—R0ad Fric— tion Using the Wheel Slip[C].IEEE,1996:99—104. [2] Gustafsson F.Momtoring Tie-Road Frriction Using the Wheel Slip [C].IEEE Contml System,1998:42-49. 0.2 O.4 滑移率 0.6 [3]Lee Chankyu,Hedrick Karl,Yi Ky0“gsu.Real—Time Slip—Based Estimation of Maximum Tire Road Friction Coefficient[J].IEEE/ 。一6 O2 0 图12建模使用的轮胎模型 [4]Yuki0 Naka0,HiIoaki Kawasaki,Douglas J Maj0r.Estimati0n of 面附着系数。 Friction 。 。Be “ R。ad[c]· AE Pape oo 一o …口[5]Gustafsson F.Slip—Based Tire—Road Friction Estimation[J].Auto一 4结论  ̄natica,1997,33(6):1087—1099. 仿真结果表明,该估算方法能够对路面附着系 i“Ek V。 i k[c]· EEE 1999, E ·Bkd, k 。“i · 数进行估算。识别出的路面附着系数略小于实际的 EH ori , Yasu shi Yosh imasaTracti v。。 E。 R0ad路面峰值附着系数,但误差较小。使用估算结果对 c。 diti。 一Basj Ex口。ri Results Using the rre。t Ev。 uCrr E车轮驱动力矩进行控制,能够有效防止轮胎滑转,同lectri March”[c].Pro eedi gs。f th。Pow。 Conversi。 Confe 时较好地发挥了地面附着能力,既保证了行车安全, ence,1997. 又不降低车辆的动力性。 [8]Ho Y,Toydea Y,Tsuru。kaY·Tl-stc i。n Control。fElectirc Vehi’ 车轮打滑的判断依据处 , … 对轮速信号的要求较高,曼 熏 在实 Mc(l5e ): :B1a1s…;icl  lE. l38. n tla the TeAs t EHV oT’ l ’ 际工程中要对轮速信号做合理的处理才能应用。 (上接第127页) 2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段) 车油箱的实际温度在30%左右,因此可以认为乙醇 [S].2005—04—15发布. 汽油对油箱蒸发量也没有影响。 [6] 国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局.GB18352.2-- (4)导致如上试验结果的原因也与所使用的燃 2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法(Ⅱ)[S].2001—04一 l6发布. 料油样有关:所使用的乙醇汽油蒸气压略低于汽油。 [7] 国家环境保护总局.HBC32--2004环境保护产品认定技术要 根据国家标准的要求,调配乙醇汽油所使用的组分 求汽油车燃油蒸发污染物控制系统(装置)[s].2004—10—28 油蒸气压较低,弥补了调制后的蒸气压上升。由于 发布. 燃料是市场采购的合格油品,所以试验结果反映我 [8]Wiliams D J,Robe,s D B.Adsorption Capacity of In Rso Carbon 国乙醇汽油车辆在汽车蒸发排放上不会存在问题。 canisters[R].Report to EPAV,1996. [9]Bishop Robert P,Berg Peter G.Vapor Canister Heater for Evapo— 参考文献 ertire Emissions Systems[C].SAE Paper 870123. [1O] Johnson H R,willia s R S.Performance of Activated Carbon in Aulich T R,H Xinming.Gasoline Evaporation『J].Ethanol and Evaporative Loss Contml Systems[C].SAE Paper 9021 19. Nonethanol Blends Journal of the Air&Waste Management Asosci— [11]Hideyuki Matsushima,Akio 1wamoto,et a1.Development of a ation,1994,44(8):1004—1009. Gasoline—Fueled Vehicle with Zero Evaporative Emissions『C]. 黄佐华,苗海燕,等.汽油机燃用汽油一含氧化合物混合燃料时 SAE Paper 2000一Ol一2926. 的燃烧特性研究[J].西安交通大学学报,1999(9):43—46. 1 l2] Furey R L.Volatility Characteristics of Gasoline A1c0hol and Gas- 何邦全,王建昕,等.乙醇一汽油燃料电喷汽油机的排放及催化 oline—Ether Fuel Blends[C].SAE Paper 8521 16. 性能[J].内燃机学报,2002,20(6). [13]Colucci Joseph M,Darlington Thomas L.et a1.An Analysis 0f 刘志敏,邓宝清,等.电控喷射小型乙醇发动机排放性能[J]. 1996—98 Gasoline Quality in the United States[C].SAE Paper 吉林大学学报(工学版),2003(1O). l999—01—3584. 国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局.GB18352.3-- 

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