CN102167082A - 电动轮驱动汽车的差力主动转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电动轮驱动汽车的差力主动转向系统及其控制方法，差力主动转向系统由左、右转向电动轮、差力主动转向机构和差力主动转向控制系统组成，差力主动转向控制方法采用转向电动轮转向角和车速双PID控制算法确定左、右转向电动轮中左、右轮毂电机转矩目标值。本发明提出了新的转向方法，用于有转向机构的车辆，通过左、右转向电动轮的驱动力差和转向梯形机构的约束使各转向电动轮绕各自主销转动形成协调的转向角而使车辆转向行驶，主动转向机构简单，转向能耗小。

Description

电动轮驱动汽车的差力主动转向系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车，具体涉及电动汽车的转向系统，特别是电动轮驱动汽车的转向系统。

背景技术

电动汽车具有节能和环保的优点，是当前汽车技术发展的一种趋势。电动轮驱动汽车是一种新型的电动汽车。驱动电机直接或通过减速机构安装在车轮上，构成电动轮。电动轮的布置非常灵活，可作为电动汽车的两个前轮、两个后轮或四个车轮，相应使电动汽车成为前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动汽车。

与内燃机汽车和单电机驱动电动汽车相比，电动轮驱动汽车在动力源配置、底盘结构等方面有独特的技术特点和优势。电动轮车中由于电机可直接驱动车轮，故可实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了内燃机汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简化，有效可利用空间增大，传动链缩短，传动效率提高。轻量化、集成化、高性能的电动轮驱动汽车是未来理想的一种清洁、节能、安全型电动汽车。

通过对本领域相关技术的国内外现状分析，可得出以下转向方式。

（1）滑动转向：滑动转向是履带式车辆常用的转向方式。滑动转向通过控制一侧履带驱动力增加，另一侧履带驱动力减小，形成两侧驱动力差，造成地面对车辆的横摆力矩，该力矩为驱动车辆转弯的转弯力矩，用于克服由于履带和地面滑动产生的转弯阻力以及车辆横摆旋转惯性的影响。滑动转向需克服较大阻力，转向能耗大。

（2）差动助力转向：差动助力转向利用左、右转向驱动轮的输出转矩差，产生驱动转向力矩（左、右转向轮的驱动力产生的绕各自主销轴线力矩的差值）实现转向助力的作用，从而达到减小驾驶员转向手力的最终目的。

（3）主动转向与线控转向：主动转向与线控转向通过在转向系中安装转向伺服电机而促动转向轮自行转向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供电动轮驱动汽车的差力主动转向系统及其控制方法，采用转向电动轮转向角和车速双PID控制算法确定左、右转向电动轮中左、右轮毂电机转矩目标值，进而利用左、右转向电动轮驱动力差引起转向电动轮转向的新型转向方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：电动轮驱动汽车的差力主动转向系统，其特征在于：它由左转向电动轮、右转向电动轮、差力主动转向机构和差力主动转向控制系统组成；左转向电动轮、右转向电动轮与差力主动转向机构连接；差力主动转向机构与汽车转向桥连接；其中左转向电动轮为与方向盘同侧的转向电动轮；

所述的左转向电动轮内置左轮毂电机，右转向电动轮内置右轮毂电机，左、右轮毂电机由差力主动转向控制系统控制；

所述的差力主动转向控制系统包括：

用于测量汽车的实际纵向行驶速度的车速传感器；

用于测量左转向电动轮实际转向角的转向角传感器；

用于测量驾驶员操纵方向盘转角并将其作为驾驶员转向指令、以用于确定左转向电动轮的目标转向角的方向盘转角传感器；

用于测量驾驶员踩下加速踏板的开度电压值、确定驾驶员车速指令的电子加速踏板；

根据接收到的驾驶员转向指令、车速指令以及左转向电动轮实际转向角和实际纵向行驶速度，确定左、右轮毂电机转矩指令的差力主动转向控制器；和

根据接收到的差力主动转向控制器的左、右轮毂电机转矩指令，通过调节左、右轮毂电机工作电流，控制左、右轮毂电机输出目标转矩的左、右轮毂电机控制器。

按上述方案，所述的汽车转向桥为采用非独立悬架的转向桥，汽车转向桥包括前梁；所述的差力主动转向机构由转向梯形机构和左、右转向节及左、右主销组成，转向梯形机构由转向横拉杆和左、右梯形臂组成；左转向节与左梯形臂前端固定连接，右转向节与右梯形臂前端固定连接，转向横拉杆两端分别与左、右梯形臂后端通过球头销相连；左、右主销分别固定在前梁两端的主销孔中，左转向节和与之固连的左梯形臂绕左主销转动，右转向节和与之固连的右梯形臂绕右主销转动；所述的左转向电动轮安装在左转向节上随左转向节绕左主销转动，所述的右转向电动轮安装在右转向节上随右转向节绕右主销转动。

按上述方案，所述的汽车转向桥为采用独立悬架的转向桥，汽车转向桥安装在车架上；所述的差力主动转向机构由转向梯形机构，左、右转向节，左、右主销，摇杆和悬架左、右摆臂组成，转向梯形机构由左、右转向横拉杆和左、右梯形臂组成；摇杆前端铰接在车架上，摇杆后端通过球头销与左、右转向横拉杆内端相连；左转向横拉杆外端通过球头销与左梯形臂后端铰接，右转向横拉杆外端通过球头销与右梯形臂后端铰接；悬架左、右摆臂内端通过铰链与车架铰接；左转向节与左梯形臂前端固定连接，左主销固定在悬架左摆臂外端的主销孔中，左转向节和与之固连的左梯形臂绕左主销转动，所述的左转向电动轮安装在左转向节上随左转向节绕左主销转动，右转向电动轮、右转向节、右梯形臂、右主销和悬架右摆臂之间的连接关系与前述左转向电动轮、左转向节、左梯形臂、左主销和悬架左摆臂相同。

按上述方案，所述的差力主动转向控制器和轮毂电机控制器通过CAN模块经CAN总线通讯连接。

电动轮驱动汽车的差力主动转向控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）通过方向盘转角传感器采集方向盘转角值φ，得到左转向电动轮的目标转向角值θ_1,d：

θ_1,d = φ/i_w0                                   （2），

式（2）中i_w0为转向系角传动比；

2）通过电子加速踏板采集加速踏板开度电压值U_p，得到车速目标值V_d：

V_d=aU_p+b                                （3），

式（3）中，a、b为V_d与U_p线性函数的系数；

3）通过转向角传感器采集左转向电动轮的实际转向角值θ₁，通过车速传感器采集汽车的实际纵向行驶速度值V，与左转向电动轮的目标转向角值θ_1,d和车速目标值V_d进行比较，通过转向角和车速双PID控制算法，确定左、右转向电动轮中左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d；

根据转向梯形机构的设置，左、右转向电动轮的实际转向角值θ₁、θ₂满足如下关系：

ctgθ₁ - ctgθ₂ = ± K/L                               （1）

式（1）中，K为左、右主销中心线的延长线与地面交点之间的距离，L为汽车轴距，右转向时式（1）等号右侧取“+”，左转向时式（1）等号右侧取“–”

4）左、右轮毂电机控制器根据左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d，按式（4）调节左、右轮毂电机工作电流，以使左、右轮毂电机输出目标转矩T_1,d和T_2,d：

I_i,d = f(T_i,d)                                （4）；

式（4）中，I_i,d(i=1,2)为左、右轮毂电机工作电流目标值，函数f(T_i,d)为对轮毂电机进行测试后经分析所得的轮毂电机工作电流和输出转矩的拟合函数；

5）左、右转向电动轮依照左、右轮毂电机输出目标转矩T_1,d和T_2,d进行差力驱动，在转向梯形机构的约束下使左、右转向电动轮绕左、右主销转动形成协调的转向角而使车辆转向行驶。

按上述方案，所述的左、右转向电动轮为可转向和驱动的两前轮，两后轮为不可转向的从动轮，汽车行驶驱动转矩全由左、右轮毂电机提供，所述的步骤3）具体为：

a、根据左转向电动轮的目标转向角值θ_1,d与实际转向角值θ₁的偏差e_θ=θ_1,d–θ₁，确定左、右转向电动轮转矩差目标值T_θ,d：

                          （5），

式（5）中k_p,θ、k_i,θ和k_d,θ依次为左转向电动轮转向角反馈PID控制的比例、积分、微分系数，其值通过实车试验反复调整确定；

左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d之差应等于左、右转向电动轮转矩差目标值T_θ,d，即

T_1,d – T_2,d = T_θ,d                               （6）；

b、根据车速的目标值V_d与实际值V的偏差e_V = V_d – V，利用车速反馈PID控制确定左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d：

                        （7），

式（7）中，k_p,V、k_i,V和k_d,V依次为车速反馈PID控制的比例、积分、微分系数，其值通过实车试验反复调整确定；

左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d之和应等于左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d，即

T_1,d + T_2,d = T_V,d                               （8）；

c、联立式（6）和（8），可得到左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d：

T_1,d = (T_V,d + T_θ,d)/2                             （9），

T_2,d = (T_V,d – T_θ,d)/2                            （10）。

按上述方案，所述的左、右轮毂电机为相同的永磁无刷直流电机，所述的步骤4）中的式（4）具体为：

I_i,d = (T_i,d + T₀) / (C_TΦ_δ)                       （11），

式（11）中T₀、C_T和Φ_δ分别为永磁无刷直流电机的摩擦转矩、转矩常数和每极磁通量。

本发明的工作原理为：当左、右转向电动轮的驱动转矩不等，即两者差力驱动时，地面对两者的纵向反作用力不等，从而两侧地面纵向反作用力使左、右转向电动轮绕各自主销转动的转矩大小不等且方向相反，同时在转向梯形机构的约束下两者会绕各自主销向地面纵向反作用力小的一侧主动转动以产生相协调的转向角，从而实现了左、右转向电动轮的差力驱动主动转向，简称差力主动转向。

转向电动轮的作用是驱动汽车行驶和转向。差力主动转向机构的作用是将左、右转向电动轮相连，并使两者转向角按一定关系变化，以保证转向行驶时车轮与地面的相对滑动尽可能小。差力主动转向控制系统的作用是根据驾驶员操纵指令（即方向盘转角和电子加速踏板开度）和汽车实际行驶状态（即实际车速和转向电动轮转向角），使左、右转向电动轮中的轮毂电机输出不同的驱动转矩，以使左、右转向电动轮差力驱动，从而地面对左、右转向电动轮的纵向反作用力使两者在转向梯形机构的约束下绕各自主销转动达到目标转向角。

由于汽车转向桥采用独立悬架与非独立悬架时结构不同，因此采用的差力主动转向机构也稍有差异。具体而言，汽车转向桥采用独立悬架时，左、右转向电动轮都需相对车架作独立运动，故转向梯形机构须分成左、右两段。

为使汽车转向行驶时，所有车轮都能绕一个瞬时转向中心、在不同的圆周上作无滑动的纯滚动，差力主动转向机构在设计时应保证左、右转向电动轮的实际转向角值θ₁、θ₂满足式（1）所示关系：

ctgθ₁ - ctgθ₂ = ± K/L                               （1）

式中，K为左、右主销中心线的延长线与地面交点之间的距离，L为汽车轴距，右转向时式（1）等号右侧取“+”，左转向时式(1)等号右侧取“–”。

差力主动转向控制系统包括差力主动转向控制器、轮毂电机控制器、方向盘转角传感器、电子加速踏板、转向角传感器和车速传感器。方向盘转角传感器用于测量驾驶员操纵方向盘的转角，将其作为驾驶员转向指令，以用于确定左转向电动轮的目标转向角。电子加速踏板用于测量驾驶员踩下加速踏板的开度电压值，将其用于确定驾驶员车速指令。转向角传感器用于测量与方向盘同侧的左转向电动轮的实际转向角。车速传感器用于测量汽车的实际纵向行驶速度。

差力主动转向控制器根据接收到的驾驶员转向指令和车速指令，以及当前实际的左转向电动轮转向角和车速，通过可保证转向电动轮转向角要求和汽车行驶车速要求的差力主动转向控制算法，确定左、右转向电动轮中轮毂电机转矩指令。轮毂电机控制器根据接收到的差力主动转向控制器的转矩指令，通过调节轮毂电机工作电流，控制轮毂电机输出目标转矩。方向盘转角传感器、电子加速踏板、转向角传感器和车速传感器的信号输出端分别和差力主动转向控制器的信号输入端连接。差力主动转向控制器和左、右轮毂电机控制器通过内部自带CAN模块经CAN总线通讯连接。

本发明的有益效果为：

1、由于左、右转向电动轮的电机转矩可有效地独立调节控制，故可通过差力主动转向控制器使左、右转向电动轮输出转矩不等以使两者绕各自主销转动形成转向角，从而可省去结构复杂的机械转向器，以进一步简化底盘结构和提高电动汽车转向性能。

本发明中方向盘与转向电动轮之间无机械连接，可作为一种线控转向系统应用于电动轮驱动汽车中以使其实现线控转向，也可作为一种主动转向系统应用于采用常规机械转向器的电动轮驱动汽车中以改善整车转向操纵稳定性。

2、本发明提出了新的转向方法，用于有转向机构的车辆，通过左、右转向电动轮的驱动力差和转向梯形机构的约束使各转向电动轮绕各自主销转动形成协调的转向角而使车辆转向行驶。本发明和滑动转向相比较，前者转向能耗小。本发明和差动助力转向相比较，前者以向转向轮提供转向角输入为目的，可直接影响汽车的转向；后者以向转向轮提供转向力输入为目的，间接影响汽车的转向。本发明和主动转向与线控转向相比较，前者不用伺服电机，主动转向机构简单。

附图说明

图1为本发明一实施例的差力主动转向控制系统示意图。

图2为本发明一实施例的差力主动转向机构示意图。

图3为本发明另一实施例的差力主动转向机构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例由左转向电动轮、右转向电动轮、差力主动转向机构和差力主动转向控制系统组成；左转向电动轮、右转向电动轮与差力主动转向机构连接；差力主动转向机构与汽车转向桥连接；其中左转向电动轮为与方向盘同侧的电动轮；所述的左转向电动轮内置左轮毂电机，右转向电动轮内置右轮毂电机，左、右轮毂电机由差力主动转向控制系统控制。

图1为本发明一实施例的差力主动转向控制系统示意图，包括：用于测量汽车的实际纵向行驶速度的车速传感器；用于测量左转向电动轮实际转向角的转向角传感器；用于测量驾驶员操纵方向盘转角并将其作为驾驶员转向指令、以用于确定左转向电动轮的目标转向角的方向盘转角传感器；用于测量驾驶员踩下加速踏板的开度电压值、确定驾驶员车速指令的电子加速踏板；根据接收到的驾驶员转向指令、车速指令以及左转向电动轮实际转向角和实际纵向行驶速度，确定左、右轮毂电机转矩指令的差力主动转向控制器；和根据接收到的差力主动转向控制器的左、右轮毂电机转矩指令，通过调节左、右轮毂电机工作电流，控制左、右轮毂电机输出目标转矩的左、右轮毂电机控制器。

图2为本发明一实施例的差力主动转向机构示意图，汽车转向桥采用非独立悬架时，差力主动转向机构主要由转向梯形机构和左、右转向节（3,11）及左、右主销（4,10）组成，转向梯形机构由转向横拉杆（7）和左、右梯形臂（5,9）组成。左、右转向节（3,11）分别与左、右梯形臂（5,9）前端固连，转向横拉杆（7）两端分别与左、右梯形臂（5,9）后端通过球头销（6,8）相连。左、右主销（4,10）分别固定在前梁（14）两端的主销孔中，左、右转向节（3,11）和与之固连的左、右梯形臂（5,9）可绕左、右主销（4,10）转动。内置左、右轮毂电机（2,12）的左、右转向电动轮（1,13）安装在左、右转向节（3,11）上，可随左、右转向节（3,11）绕左、右主销(4,10)转动。

差力主动转向系统的控制过程如下：

1）汽车行驶过程中，驾驶员根据行车要求转动方向盘和踩下电子加速踏板。差力主动转向控制器通过方向盘转角传感器采集方向盘转角值φ，通过电子加速踏板采集加速踏板开度电压值U_p，通过转向角传感器采集左转向电动轮转向角实际值θ₁，通过车速传感器采集汽车纵向行驶速度实际值V。左转向电动轮转向角目标值θ_1,d按式（2）确定：

θ_1,d = φ/i_w0                                （2）

式中，i_w0为转向系角传动比。车速目标值V_d按式（3）确定：

V_d = aU_p+b                                （3）

式中，a、b为V_d与U_p线性函数的系数。

2）为达到左转向电动轮转向角目标值θ_1,d和车速目标值V_d，差力主动转向控制器根据当前的左转向电动轮转向角实际值θ₁和车速实际值V，通过差力主动转向控制算法，确定左、右转向电动轮中左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d。

3）差力主动转向控制器和左、右轮毂电机控制器之间通过CAN总线进行通讯，前者将左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d下传至后者，后者将左、右轮毂电机工作状态参数信号（如轮毂电机的工作电压、电流和转速信号）上传至前者，以使前者了解左、右轮毂电机工作状态。

4）左、右轮毂电机控制器根据左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d，按式（4）调节左、右轮毂电机工作电流，以使左、右轮毂电机输出目标转矩T_1,d和T_2,d。

I_i,d = f(T_i,d)                                （4）

式中，I_i,d(i=1,2)为轮毂电机工作电流目标值，函数f(T_i,d)为对轮毂电机进行测试后经分析所得的轮毂电机工作电流和输出转矩的拟合函数。

对于永磁无刷直流电机，其工作电流（即电枢电流）I = (T + T₀) / (C_TΦ_δ)，其中T、T₀、C_T和Φ_δ分别为电机的输出转矩、摩擦转矩、转矩常数和每极磁通量。调节工作电流I使得输出转矩T = T_i,d。

5）与非独立悬架配用的差力主动转向机构的工作过程如下。当左、右轮毂电机输出转矩不等时，在地面附着力极限范围内，地面对左、右转向电动轮的纵向反作用力不等，这不等的地面纵向反作用力使左、右转向电动轮在转向梯形机构的约束下按式（1）所示关系绕各自主销转动以达到相应转向角。当左轮毂电机输出转矩大于右轮毂电机输出转矩时，地面对左转向电动轮的前向纵向反作用力大于对右转向电动轮的前向纵向反作用力，由于转向节与电动轮固连，且差力主动转向机构左右对称，则使左转向节绕左主销顺时针转动的力矩大于使右转向节绕右主销逆时针转动的力矩。由于左、右梯形臂分别与左、右转向节固连，则使左梯形臂绕左主销顺时针转动的力矩大于使右梯形臂绕右主销逆时针转动的力矩。由于左、右梯形臂后端分别与转向横拉杆左、右外端铰接，则作用在转向横拉杆左外端向左的拉力大于作用在转向横拉杆右外端向右的拉力。因此，转向横拉杆左移，从而带动右梯形臂和与之固连的右转向节绕右主销顺时针转动，同时左梯形臂和与之固连的左转向节绕左主销顺时针转动，所以左、右转向电动轮均右转向，即向地面对转向电动轮纵向反作用力小的一侧转向，汽车右转向行驶。同理，当左轮毂电机输出转矩小于右轮毂电机输出转矩时，左、右转向电动轮均左转向，汽车左转向行驶。当左、右轮毂电机输出转矩相等时，若左、右转向电动轮的前轮定位参数、车轮负载、地面附着条件等均相同，则汽车直行。

差力主动转向控制算法采用转向角和车速双PID控制算法确定各轮毂电机目标转矩，以使汽车在差力主动转向时即满足转向角要求，又要满足行驶车速要求。由于差力主动转向是通过左、右转向电动轮的驱动力差来实现主动转向，为实现主动转向与驱动的协调控制应使左、右转向电动轮驱动力差（或转矩差）满足转向角要求，左、右转向电动轮驱动力和（或转矩和）满足行驶车速要求。

驾驶员转动方向盘时，根据方向盘转角φ按式（2）确定左转向电动轮转向角目标值θ_1,d。为简化计算，式（2）中的转向系角传动比i_w0取满足转向要求的定值。为达到转向所要求的θ_1,d，根据左转向电动轮转向角的目标值θ_1,d与实际值θ₁的偏差e_θ (e_θ = θ_1,d – θ₁)，利用左转向电动轮转向角反馈PID控制按式（5）确定左、右转向电动轮转矩差目标值T_θ,d

                          （5）

式中，k_p,θ、k_i,θ和k_d,θ依次为左转向电动轮转向角反馈PID控制的比例、积分、微分系数，其值通过实车试验反复调整确定。同时，左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d之差应等于左、右转向电动轮转矩差目标值T_θ,d，即

T_1,d – T_2,d = T_θ,d                               （6）

当左转向电动轮转向角达到目标值θ_1,d时，由于转向梯形机构的约束，右转向电动轮转向角可达到符合式（1）要求的目标值。

当左、右转向电动轮为可转向和驱动的前轮，两后轮为不可转向的从动轮时，汽车行驶驱动转矩全由左、右轮毂电机提供。驾驶员踩下电子加速踏板时，根据电子加速踏板开度电压U_p按式（3）确定车速目标值V_d。为达到行驶车速目标值V_d，根据车速的目标值V_d与实际值V的偏差e_V (e_V = V_d – V)，利用车速反馈PID控制按式（7）确定左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d

                          （7）

式中，k_p,V、k_i,V和k_d,V依次为车速反馈PID控制的比例、积分、微分系数，其值通过实车试验反复调整确定。同时，左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d之和应等于左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d，即

T_1,d + T_2,d = T_V,d                               （8）

联立式（6）和（8），知

T_1,d = (T_V,d + T_θ,d)/2                             （9）

T_2,d = (T_V,d – T_θ,d)/2                            （10）

当倒车时，左、右转向电动轮反转且驱动力向后，从而左、右转向电动轮中的轮毂电机反转且驱动转矩反向，故左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d和左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d均为负值。当左、右转向电动轮反向转矩不等时，两者在转向梯形机构的约束下会绕各自主销向轮毂电机转矩代数值小（转矩绝对值大）的一侧转向。

上述描述中视轮毂电机和车轮之间无减速器，电动轮驱动转矩等于轮毂电机驱动转矩。若轮毂电机和车轮之间有减速器，则电动轮驱动转矩等于轮毂电机驱动转矩与减速器传动比的乘积。

实施例二：

本实施例与实施例一的原理和结构基本相同，其不同之处在于：汽车转向桥采用独立悬架，差力主动转向机构如图3所示，由转向梯形机构，左、右转向节(3,11)及左、右主销(4,10)，摇杆(15)和悬架左、右摆臂(22,18)组成，转向梯形机构由左、右转向横拉杆(7-1,7-2)和左、右梯形臂(5,9)组成。

由于转向桥采用独立悬架，左、右转向电动轮(1,13)都需相对车架(20)作独立运动，故转向梯形机构须分成左、右两段。摇杆(15)前端铰接在车架(20)上，摇杆(15)后端通过球头销(16,17)与左、右转向横拉杆(7-1,7-2)内端相连，同时左、右转向横拉杆(7-1,7-2)外端通过球头销(6,8)与左、右梯形臂(5,9)后端铰接，故左、右转向横拉杆(7-1,7-2)能随同侧车轮相对于车架(20)和摇杆(15)在横向平面内上下摆动。悬架左、右摆臂(22,18)内端通过铰链(21,19)与车架(20)铰接，故其能随同侧车轮在横向平面内上下摆动。左、右转向节(3,11)分别与左、右梯形臂(5,9)前端固连。左、右主销(4,10)分别固定在悬架左、右摆臂(22,18)外端的主销孔中，左、右转向节(3,11)和与之固连的左、右梯形臂(5,9)可绕左、右主销(4,10)转动。内置左、右轮毂电机(2,12)的左、右转向电动轮(1,13)安装在左、右转向节(3,11)上，可随左、右转向节(3,11)绕左、右主销(4,10)转动。

与独立悬架配用的差力主动转向机构的工作过程和与非独立悬架配用的差力主动转向机构的工作过程类似。

采用差力主动转向系统的电动轮驱动汽车为微型双座四轮车，两前轮为可转向和驱动的转向电动轮，两后轮为不可转向的从动轮。两转向电动轮中各安装一台永磁无刷直流外转子轮毂电机，额定电压72V，额定功率7kW，由72V锂离子动力电池供电。轮毂电机和车轮之间无减速器。前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为单纵臂式独立悬架。转向桥采用如图3所示与独立悬架配用的差力主动转向机构。

方向盘转角传感器和转向角传感器采用基于各向异性磁电阻效应的非接触式角位移传感器，前者安装在转向柱（转向柱与方向盘相连，为普通汽车采用的通用结构）上，后者安装在左转向节绕左主销转动处。电子加速踏板采用电位器型电子踏板，其开度电压值对应于电位器中间抽头分压值。车速传感器通过安装在后轮从动轮中的霍尔传感器测量从动轮转速，将从动轮的转速与半径的乘积作为车速。差力主动转向控制器采用飞思卡尔Freescale微控制器MC9S12XS128，通过4路A/D通道采集方向盘转角传感器、电子加速踏板、转向角传感器和车速传感器输出后经调理处理的模拟信号，通过CAN模块经CAN总线与左、右轮毂电机控制器通讯相连。轮毂电机控制器采用英飞凌Infineon微控制器XC164CS，通过电流和电压测量电路测量轮毂电机工作电流和电压，利用轮毂电机中的霍尔传感器测量轮毂电机转速，通过CAN模块经CAN总线与差力主动转向控制器通讯相连。

Claims (7)

1.电动轮驱动汽车的差力主动转向系统，其特征在于：它由左转向电动轮、右转向电动轮、差力主动转向机构和差力主动转向控制系统组成；左转向电动轮、右转向电动轮与差力主动转向机构连接；差力主动转向机构与汽车转向桥连接；其中左转向电动轮为与方向盘同侧的电动轮；

所述的左转向电动轮内置左轮毂电机，右转向电动轮内置右轮毂电机，左、右轮毂电机由差力主动转向控制系统控制；

所述的差力主动转向控制系统包括：

用于测量汽车的实际纵向行驶速度的车速传感器；

用于测量左转向电动轮实际转向角的转向角传感器；

用于测量驾驶员操纵方向盘转角并将其作为驾驶员转向指令、以用于确定左转向电动轮的目标转向角的方向盘转角传感器；

用于测量驾驶员踩下加速踏板的开度电压值、确定驾驶员车速指令的电子加速踏板；

根据接收到的驾驶员转向指令、车速指令以及左转向电动轮实际转向角和实际纵向行驶速度，确定左、右轮毂电机转矩指令的差力主动转向控制器；和

根据接收到的差力主动转向控制器的左、右轮毂电机转矩指令，通过调节左、右轮毂电机工作电流，控制左、右轮毂电机输出目标转矩的左、右轮毂电机控制器。

2.根据权利要求1所述的电动轮驱动汽车的差力主动转向系统，其特征在于：所述的汽车转向桥为采用非独立悬架的转向桥，汽车转向桥包括前梁；所述的差力主动转向机构由转向梯形机构和左、右转向节及左、右主销组成，转向梯形机构由转向横拉杆和左、右梯形臂组成；左转向节与左梯形臂前端固定连接，右转向节与右梯形臂前端固定连接，转向横拉杆两端分别与左、右梯形臂后端通过球头销相连；左、右主销分别固定在前梁两端的主销孔中，左转向节和与之固连的左梯形臂绕左主销转动，右转向节和与之固连的右梯形臂绕右主销转动；所述的左转向电动轮安装在左转向节上随左转向节绕左主销转动，所述的右转向电动轮安装在右转向节上随右转向节绕右主销转动。

3.根据权利要求1所述的电动轮驱动汽车的差力主动转向系统，其特征在于：所述的汽车转向桥为采用独立悬架的转向桥，汽车转向桥安装在车架上；所述的差力主动转向机构由转向梯形机构，左、右转向节，左、右主销，摇杆和悬架左、右摆臂组成，转向梯形机构由左、右转向横拉杆和左、右梯形臂组成；摇杆前端铰接在车架上，摇杆后端通过球头销与左、右转向横拉杆内端相连；左转向横拉杆外端通过球头销与左梯形臂后端铰接，右转向横拉杆外端通过球头销与右梯形臂后端铰接；悬架左、右摆臂内端通过铰链与车架铰接；左转向节与左梯形臂前端固定连接，左主销固定在悬架左摆臂外端的主销孔中，左转向节和与之固连的左梯形臂绕左主销转动，所述的左转向电动轮安装在左转向节上随左转向节绕左主销转动，右转向电动轮、右转向节、右梯形臂、右主销和悬架右摆臂之间的连接关系与前述左转向电动轮、左转向节、左梯形臂、左主销和悬架左摆臂相同。

4.根据权利要求1或2或3所述的电动轮驱动汽车的差力主动转向系统，其特征在于：所述的差力主动转向控制器和轮毂电机控制器通过CAN模块经CAN总线通讯连接。

5.电动轮驱动汽车的差力主动转向控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）通过方向盘转角传感器采集方向盘转角值φ，得到左转向电动轮的目标转向角值θ_1,d：

θ_1,d = φ/i_w0                                （2），

式（2）中i_w0为转向系角传动比；

2）通过电子加速踏板采集加速踏板开度电压值U_p，得到车速目标值V_d：

V_d=aU_p+b                                （3），

式（3）中，a、b为V_d与U_p线性函数的系数；

3）通过转向角传感器采集左转向电动轮的实际转向角值θ₁，通过车速传感器采集汽车的实际纵向行驶速度值V，与左转向电动轮的目标转向角值θ_1,d和车速目标值V_d进行比较，通过转向角和车速双PID控制算法，确定左、右转向电动轮中左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d；

根据转向梯形机构的设置，左、右转向电动轮的实际转向角值θ₁、θ₂满足如下关系：

ctgθ₁ - ctgθ₂ = ± K/L                               （1）

式（1）中，K为左、右主销中心线的延长线与地面交点之间的距离，L为汽车轴距，右转向时式（1）等号右侧取“+”，左转向时式（1）等号右侧取“–”

4）左、右轮毂电机控制器根据左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d，按式（4）调节左、右轮毂电机工作电流，以使左、右轮毂电机输出目标转矩T_1,d和T_2,d：

I_i,d = f(T_i,d)                                （4）；

式（4）中，I_i,d(i=1,2)为左、右轮毂电机工作电流目标值，函数f(T_i,d)为对轮毂电机进行测试后经分析所得的轮毂电机工作电流和输出转矩的拟合函数；

5）左、右转向电动轮依照左、右轮毂电机输出目标转矩T_1,d和T_2,d进行差力驱动，在转向梯形机构的约束下使左、右转向电动轮绕左、右主销转动形成协调的转向角而使车辆转向行驶。

6.根据权利要求5所述的电动轮驱动汽车的差力主动转向控制方法，其特征在于：所述的左、右转向电动轮为可转向和驱动的两前轮，两后轮为不可转向的从动轮，汽车行驶驱动转矩全由左、右轮毂电机提供，所述的步骤3）具体为：

a、根据左转向电动轮的目标转向角值θ_1,d与实际转向角值θ₁的偏差e_θ=θ_1,d–θ₁，确定左、右转向电动轮转矩差目标值T_θ,d：

                          （5），

式（5）中k_p,θ、k_i,θ和k_d,θ依次为左转向电动轮转向角反馈PID控制的比例、积分、微分系数，其值通过实车试验反复调整确定；

左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d之差应等于左、右转向电动轮转矩差目标值T_θ,d，即

T_1,d – T_2,d = T_θ,d                               （6）；

b、根据车速的目标值V_d与实际值V的偏差e_V = V_d – V，利用车速反馈PID控制确定左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d：

                        （7），

式（7）中，k_p,V、k_i,V和k_d,V依次为车速反馈PID控制的比例、积分、微分系数，其值通过实车试验反复调整确定；

左、右轮毂电机目标转矩T_1,d、T_2,d之和应等于左、右转向电动轮总驱动转矩目标值T_V,d，即

T_1,d + T_2,d = T_V,d                               （8）；

c、联立式（6）和（8），可得到左、右轮毂电机的转矩指令T_1,d和T_2,d：

T_1,d = (T_V,d + T_θ,d)/2                             （9），

T_2,d = (T_V,d – T_θ,d)/2                            （10）。

7.根据权利要求5或6所述的电动轮驱动汽车的差力主动转向控制方法，其特征在于：所述的左、右轮毂电机为永磁无刷直流电机，所述的步骤4）中的式（4）具体为：

I_i,d = (T_i,d + T₀) / (C_TΦ_δ)                       （11），

式（11）中T₀、C_T和Φ_δ分别为永磁无刷直流电机的摩擦转矩、转矩常数和每极磁通量。

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