一种基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法技术

本发明专利技术公开一种基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法，适用于电动车辆行驶过程中路面附着系数的实时监测。它建立轮胎纵向刚度与电动轮共振频率之间的关系，在利用电机转矩获取的共振频率基础上求解出轮胎纵向刚度，然后再利用轮胎纵向刚度与路面附着系数的关系，实现了路面附着系数估计。本发明专利技术仅采用电机电流与轮速信号，不需要车速与轮胎纵向力信息，不需要计算轮胎纵向滑移率，使得该方法应用方便；利用频域信息进行估计，使得该方法具有对轮速噪声与误差不敏感的特性，也说明了该方法的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法
本专利技术涉及车辆的路面附着系数估计，特别是关于一种分布式驱动的电动车辆的路面附着系数估计方法，是基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计。
技术介绍
分布式电驱动车辆是将驱动电机分别安装在各车轮内或各车轮附近，一台电机独立驱动一个车轮，具有响应速度快、传动链短、传动高效、结构紧凑等优点，其充分利用了电机转矩精确观测和快速可控的特点，是电动汽车领域的一个重要发展方向。但目前的分布式电驱动车辆仍存在很多需要改进的问题，如低速时，电机转矩波动造成的冲击，对于该现象还没有合理的解释。路面附着系数：是指轮胎与地面间作用的纵向力、侧向力的合力与垂向力之比的最大值。精确估计路面附着系数是研究电机转矩波动造成冲击影响的可靠前提。目前国内外对于路面峰值附着系数实时估算方法已经进行了大量研究。这些方法可以分为基于原因的方法和基于效果的方法两类。前者是利用超声波传感器等来检测路面状况来估算路面附着系数，该种方法需要外加昂贵的传感器,并且对于环境的依赖程度较高。后者方法则是直接利用车辆与轮胎的动力学特性来估计路面附着系数，例如用μ-s曲线斜率(附着系数与滑移率曲线)估算路面附着系数的方法。该类方法由于需要准确的纵向力和滑移率估计值，所以对轮速噪声和稳态误差的要求比较高，也就是需要车轮发生较大滑转时才能较好的工作，而且目前该类方法均采用稳态轮胎模型，不适用于瞬态工况，特别是在分布式电驱动车辆这种结构下，高频振动源较多，使得纵向力不能通过稳态轮胎模型估计。
技术实现思路
为了解决现有用μ-s曲线斜率估算路面附着系数的方法不适用于小滑移率工况，且对轮速噪声和稳态误差灵敏度高的缺点，本专利技术提出一种新型的基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法，适用于电驱动车辆正常行驶(匀速或者小幅加/减速)过程中路面附着系数的实时监测估计，可在不需要转矩传感器和车速传感器等情况下，仅依靠轮速信号处理实现对每个车轮所在路面情况的辨识。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先建立轮胎纵向刚度与车轮共振频率之间的关系，为：式中f0为共振频率，R为车轮滚动半径，ks为车轮纵向刚度，I为车轮转动惯量，rx为轮胎的纵向松弛长度；2)然后在整车控制器获取实时的轮速信号ω和电机的电流信号iq基础上，利用MATLAB中的nonlinearARXmodel模块，输出二阶系统模型传递函数的系数a1，a2，a3，然后利用公式(22)找到两个解λi(i＝1,2)：G(λ)＝a1λ2+a2λ+a3(22)式中λ是拉布拉斯算子，a1，a2，a3为系数；3)再按照公式(23)、(24)、(25)计算共振频率f0：式中上述ΔT为采样时间，Re、Im分别表示数学计算中的实部和虚部；4)将公式(23)取得的f0带入到公式(20)中，在公式(20)的基础上估计轮胎纵向刚度ks；5)在任意时刻，将得到的轮胎纵向刚度输入到路面附着系数估计模块中，计算得到路面附着系数：式中的系数根据实验数据确定，采用数据拟合的方法得到。在建立轮胎纵向刚度与车轮共振频率之间的关系时，是按照如下方法实现的：1)建立单轮动力学模型：式中I为车轮转动惯量，ω为车轮转速，是ω关于时间的导数，Td为电机输出转矩，FxD是车轮瞬态纵向力，R为车轮滚动半径；2)建立稳态轮胎模型：式中是车轮稳态纵向力，ks为车轮纵向刚度，s为滑移率，不同情况取不同值，Fx0为滑移率为零时的纵向力，v为车辆纵向速度，ω为车轮转速，R为车轮滚动半径；3)建立瞬态轮胎模型：式中FxD为车轮瞬态纵向力，是FxD关于时间的导数，τ为时间常数，为车轮稳态纵向力，rx为轮胎的纵向松弛长度；4)建立简化电机模型：Td＝Kiq(4)式中iq为电机电流，K为比例常数，通过实验测得或电机厂商提供，Td为电机输出转矩；5)在上述几种车辆模型和简化电机模型的基础上，假设电机转矩由两部分组成，分为恒定部分与高频部分，如下所示：Td＝T0+T1sin(2πf·t)(5)式中T0表示恒定转矩，认为是一个相对恒定的值；而T1sin(2πf·t)表示高频转矩，其中T1为转矩振幅，f为高频转矩的频率，t是表示某一时刻；6)结合公式(1)，将公式(5)带入到公式(1)中，单轮动力学模型可表示为：对公式(6)两端同时对时间求导，得到公式(7)：再将公式(7)乘以时间常数τ，然后与公式(6)求和得公式(8)：结合公式(2)、(3)和三角函数公式，公式(8)可简化为公式(9)：式中aT1为合并后高频信号的振幅，φ合并后高频信号的初始相位；对于驱动工况，考虑其滑移率定义，公式(9)可以表示为公式(10)：...

【技术保护点】
一种基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先建立轮胎纵向刚度与车轮共振频率之间的关系，为：f0≈R2πksIrx---(20)]]>式中f0为共振频率，R为车轮滚动半径，ks为车轮纵向刚度，I为车轮转动惯量，rx为轮胎的纵向松弛长度；2)然后在整车控制器获取实时的轮速信号ω和电机的电流信号iq基础上，利用MATLAB中的nonlinear ARX model模块，输出二阶系统模型传递函数的系数a1，a2，a3，然后利用公式(22)找到两个解λi(i＝1,2)：G(λ)＝a1λ2+a2λ+a3    (22)式中λ是拉布拉斯算子，a1，a2，a3为系数；3)再按照公式(23)、(24)、(25)计算共振频率f0：f0=di2-ci22π---(23)]]>式中ci=ln(Re(λi)2+Im(λi)2)2ΔT---(24)]]>di=-12ΔTIm(λi)Re(λi)---(25)]]>上述ΔT为采样时间，Re、Im分别表示数学计算中的实部和虚部；4)将公式(23)取得的f0带入到公式(20)中，在公式(20)的基础上估计轮胎纵向刚度ks；5)在任意时刻，将得到的轮胎纵向刚度输入到路面附着系数估计模块中，计算得到路面附着系数：μmax(t)=aμmaxks(t)+bμmax---(25)]]>式中的系数根据实验数据确定，采用数据拟合的方法得到。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电机与车轮耦合特性的路面附着系数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先建立轮胎纵向刚度与车轮共振频率之间的关系，为：式中f0为共振频率，R为车轮滚动半径，ks为轮胎纵向刚度，I为车轮转动惯量，rx为轮胎的纵向松弛长度；2)然后在整车控制器获取实时的车轮转速ω和电机的电流iq基础上，利用MATLAB中的nonlinearARXmdel模块，输出二阶系统模型传递函数的系数a1，a2，a3，然后利用公式(22)找到两个解λi(1，2）：G(λ)＝a1λ2+a2λ+a3(22)式中λ是拉布拉斯算子，a1，a2，a3为系数；3)再按照公式(23)、(24)、(25)计算共振频率f0：式中上述ΔT为采样时间，Re、Im分别表示数学计算中的实部和虚部；4)将公式(23)取得的f0代入到公式(20)中，在公式(20)的基础上估计轮胎纵向刚度ks；5)在任意时刻，将得到的轮胎纵向刚度输入到路面附着系数估计模块中，计算得到路面附着系数：式中的系数根据实验数据确定，采用数据拟合的方法得到。2.根据权利要求1所述的路面附着系数估计方法，其特征在于，在建立轮胎纵向刚度与车轮共振频率之间的关系时，是按照如下方法实现的：1)建立单轮动力学模型：式中I为车轮转动惯量，ω为车轮转速，是ω关于时间的导数，Td为电机输出转矩，FxD是车轮瞬态纵向力，R为车轮滚动半径；2)建立稳态轮胎模型：式中是车轮稳态纵向力，ks为轮胎纵向刚度，s为滑移率，不同情况取不同值，Fx0为滑移率为零时的纵向力，v为车辆纵向速度，ω为车轮转速，R为车轮滚动半径；3)建立瞬态轮胎模型：式中FxD为车轮瞬态纵向力，是FxD关于时间的导数，τ为时间常数，为车轮稳态纵向力，rx为轮胎的纵向松弛长度；4)建立简化电机模型：Td＝Kiq(4)式中iq为电机的电流，K为比例常数，通过实验测得或电机厂商提供，Td为电机输出转矩；5)在上述几种车辆模型和简化电机模型的基础上，假设电机转矩由两部分组成，分为恒定部分与高频部分，如下所示：Td＝T0+T1sin(2πf·t)(5)式中T0表示恒定转矩，认为是一个相对恒定的值；而T1sin(2πf·t)表示高频转矩，其中T1为转矩振幅，f为高频转矩的频率，t是表示某一时刻；6)结合公式(1)，将公式(5)带入到公式(1)中，单轮动力学模型可表示为：对公式(6)两端同时对时间求导，得到公式(7)：再将公式(7)乘以时间常数τ，然后与公式(6)求和得公式(8)：结合公式(2)、(3)和三角函数公式，公式(8)可简化为公式(9)：式中aT1为合并后高频信号的振幅，φ为合并后高频信号的初始相位；对于驱动工况，考虑其滑移率定义，公式(9)可以表示为公式(10)：进一步对公式(10)两端求导可得公式(11)：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克强，陈龙，边明远，罗禹贡，连小珉，王建强，郑四发，杨殿阁，张书玮，秦兆博，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11