[发明专利]一种用于轮毂电机驱动车辆的稳定性控制方法

权利要求书

1.一种用于轮毂电机驱动车辆的稳定性控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、采集所述车辆的纵向车速v_x、横摆角速度ω_z和质心侧偏角β参数；

步骤2、基于所述步骤1中采集的各参数，并结合参考纵向车速v_xdes、参考横摆角速度ω_zdes和参考质心侧偏角β_des构建滑模控制器，获取运动过程中的目标纵向力，并设计横摆力矩合成控制器实现车辆运动状态对参考状态的跟踪，以得到目标横摆力矩；

步骤3、基于所述步骤2中得到的所述目标纵向力和目标横摆转矩实现基于最小误差逼近的轮胎纵向力分配；

步骤4、基于所述步骤3中的所述轮胎纵向力获得电机转矩，基于滑模控制结构实现对所述电机转矩的输出控制；

所述步骤2中所述的构建滑模控制器，具体包括：

建立关于车辆实际运动状态与参考运动状态之间偏差的滑模函数：

s_β＝β-β_des

取等速趋近律，即：

其中，f为车辆风阻和滚动阻力之和，Y_des是基于轮胎纵向力和轮胎侧向力获得的车辆侧向力，X_xdes、M_zxdes分别表示由轮胎纵向力获得的车辆纵向力和横摆力矩，X_ydes和M_zydes分别表示由轮胎侧向力获得的车辆纵向力和横摆力矩，和分别为目标质心侧偏角速度和目标横摆角加速度，ε_β和κ是等速趋近律常数，均大于零；m为质量；

建立质心侧偏角与横摆力矩的函数关系；

首先引入中间变量ω_z-β：

并根据中间变量与横摆角速度之间的偏差建立滑模函数，取等速趋近律后表示如下：

为等速趋近常数；

构建滑模控制器获取车辆目标纵向力，即：

其中，表示车辆纵向速度变化率，v_y表示车辆侧向车速，表示带饱和函数的趋近律，代替了符号函数用于消除模运动过程中的抖振问题；

所述步骤2中所述的设计横摆力矩合成控制器实现车辆运动状态对参考状态的跟踪，以得到目标横摆力矩，具体包括：

构建滑模控制器获取车辆的横摆转矩，即：

其中，b_i为第i轴的轮距的一半，I_z为车辆横摆运动转动惯量，是通过横摆角速度跟踪参考横摆角速度的横摆力矩，M_zx-βdes是质心侧偏角通过中间变量ω_z-β跟踪参考质心侧偏角的横摆力矩；

所述横摆力矩合成控制器通过调整权重系数得到目标横摆转矩，即：

其中，K₁和K₂为车辆运动状态跟踪参考运动状态的权重系数；

步骤3中所述的基于所述步骤2中得到的所述目标纵向力和目标横摆转矩实现基于最小误差逼近的轮胎纵向力分配，具体包括：

建立分配方程：Bu＝v

其中，v＝[X_xdes M_zxdes]^T，B和u分别为系数矩阵和输出矩阵，即：

u＝[F_xw11 F_xw12 F_xw21 F_xw22 F_xw31 F_xw32 F_xw41 F_xw42]^T

元素a_ij和b_ij分别为矩阵B中的系数：

a_ij＝cosδ_ij

b_ij＝(-1)^jdcosδ_ij+(-1)ⁱl_isinδ_ij

其中，δ_ij为各个车轮的转向角，其中i表示第1、2、3和4轴，j为1时表示左侧车轮和为2时表示右侧车轮，δ_3j＝δ_4j＝0；l_i表示第1、2、3和4轴到质心的距离，d表示车辆两侧车轮的距离；

轮胎纵向力满足外特性约束：

其中，i_g为轮毂电机到车轮动力输出过程中的减速器的传动比，T_mmax为轮毂电机的最大输出转矩；

轮胎纵向力还与轮胎侧向力满足摩擦圆约束，即：

其中，F_xwij、F_ywij和F_zij分别表示为各个轮胎的纵向力、轮胎侧向力和轮胎垂向力，μ_ij分别为各个轮胎的路面附着系数；

轮胎纵向力约束综合为以下形式：

式中，上下限为：

其中，R_w代表车轮半径；

对于极限工况下等式Bu＝v无解的问题，采用最小误差逼近函数||Bu-v||²取代了等式约束Bu＝v，目标方程用范数的平方表示：

J₁＝arg min||W_v(Bu-v)||²

式中W_v是权重矩阵，

利用性能优化方程提高轮胎纵向力储备裕度，基于轮胎力利用率最小提高车辆稳定性：

J₂＝||W_uu||²

对角加权矩阵W_u表示为：

其中，c_ij为加权对角矩阵的各个轮胎力的加权系数，μ_ij和F_zij分别为各个轮胎的路面附着系数和轮胎垂向力；

将上述目标方程和性能优化方程归纳为一个二次规划问题：

其中，Ω为最有目标逼近函数的解的集合；

通过设置加权系数γ，将以上两步算法集成到一步算法并通过加权最小二乘法求解：

所述步骤4中所述的基于轮胎纵向力获得电机转矩，如下式所示：

其中，T_wij、I和分别为各个车轮的转矩、电动轮转动惯量和角加速度；

所述步骤4中所述的基于滑模控制结构实现对所述电机转矩的输出控制，具体包括：

设置λ_opt最优滑移率为0.2，车轮期望转速ω_des可表示为：

其中

针对车轮滑移率构建滑模控制结构，由车轮转速误差定义滑模函数：

s_ω＝ω-ω_des

取指数趋近律，表达式如下：

其中，ε_ω和k_ω为指数趋近律的系数，均大于零；

由此得到电机转矩输出为：

由此，电机的输出转矩为：

其中，λ为车轮的实际滑移率。