CN102975714A - 一种电动车辆底盘系统及其协同控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电动车辆底盘系统的协同控制方法，涉及车辆控制领域。其通过将传感器量测得到的制动触发信号、轮速信号、车身的垂向加速度信号、纵向加速度信号、侧向加速度信号、俯仰角信号、侧倾角信号、横摆角速度信号、转向轴输入转矩信号和车速信号传递至协同控制器，协同控制器监控车辆的运动状态并适时向电液联合制动上层控制器和EPS+ASS集中控制器施加控制命令，电液联合制动上层控制器和EPS+ASS集中控制器根据各自接收的传感器信号和协同控制器命令进行操作，电液联合制动上层控制器通过协调电机控制器和ABS控制器控制轮毂电机和液压制动单元，EPS+ASS集中控制器直接控制助力电机和作动器。本发明降低了子系统耦合工况下的冲突，提升电动车辆底盘系统的整体性能。

Description

一种电动车辆底盘系统及其协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动车辆底盘系统及其协同控制方法，属于电动车辆协同控制技术领域。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，对汽车底盘系统中各子系统分散式的独立控制已经无法满足人们对于汽车整体性能日益提升的要求，汽车底盘系统的集成控制成为目前汽车底盘控制的研究热点。电动车辆底盘系统相对传统车辆底盘系统而言仅简化了传动系统，并在制动系统中增加了电机制动系统，因此对于电动车辆底盘系统的集成控制可以基于传统车辆底盘系统的集成控制。目前汽车底盘系统的集成控制结构主要有集中式和分层式两种，所谓集中式就是不需要各子系统的控制器，而采用一个全局控制器用来控制所有的执行机构，采用这种结构设计的控制器集成度高，控制效果通常较好，但存在控制器设计复杂，整体可靠性难以保证等问题；分层式是在保留原有子系统控制器不变的前提下，设计一个上层控制器用来监控并控制各子控制器，从而协调发生耦合作用的子系统，采用这种结构可以缩短控制器的开发时间、降低开发难度，通常也能获得较好的集成控制效果，但需要在设计时对子系统的耦合过程非常熟悉。本发明结合集中式控制结构和分层式控制结构的优点，以电动助力转向（EPS）、主动悬架系统（ASS）、防抱死制动系统（ABS）和电机制动系统为控制对象，提供了一种电动车辆底盘系统的协同控制方法，从而获得电动车辆底盘系统的最佳控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动车辆底盘系统的协同控制方法，能够控制EPS、ASS、ABS和电机制动系统间的协调工作，降低各子系统耦合工况下的冲突，从而提升电动车辆底盘系统的整体性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种电动车辆底盘的协同控制系统，包括制动踏板开关1、轮速传感器2、陀螺仪传感器3、转矩传感器4、车速传感器5、协同控制器6、电液联合制动上层控制器7、EPS+ASS集中控制器8、电机控制器9、ABS控制器10、轮毂电机11、液压制动器12、助力电机13、作动器14；

制动踏板开关1、轮速传感器2、陀螺仪传感器3、转矩传感器4、车速传感器5将量测到的信号传递至协同控制器6，协同控制器6对电液联合制动上层控制器7和EPS+ASS集中控制器8施加控制命令，电液联合制动上层控制器7对电机控制器9和ABS控制器10施加控制命令，电机控制器9负责控制轮毂电机11进行电机制动，ABS控制器10负责控制液压制动器12进行液压制动，EPS+ASS集中控制器8控制助力电机13和作动器14分别调节转向助力特性和悬架动态特性；其中，制动踏板开关1产生制动触发信号，轮速传感器2量测轮速信号，陀螺仪传感器3量测车身的垂向加速度、纵向加速度、侧向加速度、俯仰角、侧倾角以及横摆角速度信号，转矩传感器4量测转向轴输入转矩信号，车速传感器5量测车速信号。

本发明所具有的积极效果是：

本发明在分析EPS、ASS、ABS和电机制动系统中主要控制参数以及这些控制参数间相互关系的基础上，对上述系统进行协同控制，能够克服现有电动车辆EPS、ASS、ABS和电机制动系统间的相互影响；对ABS和电机制动系统按照分层式控制结构设计电液联合制动上层控制器7，对EPS和ASS按照集中式控制结构设计EPS+ASS集中控制器8，协同控制器6接收传感器量测信号，并根据当前电动车辆的运动状况计算出控制信号输入到电液联合制动上层控制器7和EPS+ASS集中控制器8，从而控制EPS、ASS、ABS和电机制动系统间的协调工作；本发明能够减少EPS、ASS、ABS和电机制动系统间耦合的不利影响，降低系统间的相互冲突，提高电动车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和制动效能。

附图说明

图1电动车辆底盘系统协同控制结构原理

图中：1.制动踏板开关 2.轮速传感器 3.陀螺仪传感器 4.转矩传感器 5.车速传感器 6.协同控制器 7.电液联合制动上层控制器 8.EPS+ASS集中控制器 9.电机控制器 10.ABS控制器 11.轮毂电机 12.液压制动器 13.助力电机 14.作动器

具体实施方式

现结合图1对本实施例作进一步说明。

本发明所述的电动车辆底盘系统由EPS、ASS、ABS和电机制动系统构成，它们分别代表电动车辆底盘系统中转向系统、悬架系统和制动系统这三个子系统。

本发明中，制动踏板开关1产生制动触发信号，轮速传感器2量测轮速信号，陀螺仪传感器3量测车身的垂向加速度、纵向加速度、侧向加速度、俯仰角、侧倾角以及横摆角速度信号，转矩传感器4量测转向轴输入转矩信号，车速传感器5量测车速信号，上述传感器信号传递至协同控制器6；协同控制器6将制动触发信号、轮速信号、车速信号以及纵向加速度信号传递至电液联合制动上层控制器7，电液联合制动上层控制器7将轮速信号传递至电机控制器9，同时将轮速信号、车速信号以及纵向加速度信号传递至ABS控制器10；协同控制器6将垂向加速度、侧向加速度、俯仰角、侧倾角、横摆角速度、转向轴输入转矩以及车速信号传递至EPS+ASS集中控制器8；同时，协同控制器6对电液联合制动上层控制器7和EPS+ASS集中控制器8施加控制命令，电液联合制动上层控制器7对电机控制器9和ABS控制器10施加控制命令；继而由电机控制器9控制轮毂电机11，ABS控制器10控制液压制动器12，EPS+ASS集中控制器8控制助力电机13和作动器14。

本发明提供的电动车辆底盘子系统单独工作控制方法如下：

1）制动系统单独工作

协同控制器6将制动触发信号、轮速信号、纵向加速度信号和车速信号传递至电液联合制动上层控制器7，此时协同控制器6仅起到监控作用，不对电液联合制动上层控制器7施加控制命令，具体控制方法如下：

（a）当车速>15km/h时，电液联合制动上层控制器7将上述信号传递至ABS控制器10，同时电液联合制动上层控制器7根据纵向加速度信号判定是否启用电机制动：当纵向加速度≤-5m/s²，仅ABS参与制动工作，电机不参与制动工作，当-5m/s²<纵向加速度≤0m/s²，电液联合制动上层控制器7将制动触发信号和轮速信号传递至电机控制器9，电机和ABS共同参与制动工作；

（b）当车速≤15km/h时，电液联合制动上层控制器7将制动触发信号和轮速信号传递至电机控制器9，仅电机参与制动工作，ABS不参与制动工作。

2）转向系统单独工作

协同控制器6将转向轴输入转矩以及车速信号传递至EPS+ASS集中控制器8，此时协同控制器6仅起到监控作用，不对EPS+ASS集中控制器8施加控制命令，当车速≤70km/h时，EPS+ASS集中控制器8控制EPS工作，EPS的控制目标是保证转向轻便性和路感，根据转向系统的转向轴输入转矩信号和车速信号调整助力电机13的助力转矩大小；当车速>70km/h时，EPS不参与工作。

3）悬架系统单独工作

协同控制器6将垂向加速度、俯仰角、侧倾角传递至EPS+ASS集中控制器8，此时协同控制器6仅起到监控作用，不对EPS+ASS集中控制器8施加控制命令，EPS+ASS集中控制器8控制ASS工作，ASS的控制目标是通过调整作动器14的控制力大小来保证车身的垂向加速度、俯仰角和侧倾角在较小的范围内（车身的垂向加速度均方根值≤0.12m/s²，俯仰角均方根值≤2°，侧倾角均方根值≤2°）。

本发明根据电动车辆底盘系统间的耦合关系，提供如下几种控制方法：

1）制动系统与转向系统耦合

协同控制器6通过监控纵向加速度信号和转向轴输入转矩信号判定制动系统与转向系统耦合工况，具体控制方法如下：

（a）当车速≤70km/h时，制动系统仍按前述制动系统单独工作时的控制方法进行控制，转向系统控制方法如下：协同控制器6对EPS+ASS集中控制器8施加控制命令，由EPS+ASS集中控制器8对助力电机13施加修正助力矩，从而抑制由于制动时车速下降而造成的过多转向问题，其控制效果由协同控制器6对侧向加速度和横摆角速度信号进行监控和判定，修正助力矩为：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_m=\frac{K_{\mathrm{kp}}{r}_s}{K_{x}N}(\mathrm{\&Delta;}{M}_{z1}+\mathrm{\&Delta;}{M}_{z2})$

其中，K_kp为齿条到转向传动系刚度系数，r_s为小齿轮半径，K_x为转向系刚度，N为齿条到转向轮的传动比，ΔM_z1和ΔM_z2分为车速变化导致的左、右前轮回正力矩变化，ΔM_z1和ΔM_z2可由轮胎魔术公式的回正力矩公式计算求得；

M_z=Dsin(Carctan(BX-E(BX-arctan(BX))))+S_v

其中，X为输入变量，且X=α+S_h，α为轮胎侧偏角，输出曲线的水平方向漂移S_h=c₁₁ω+c₁₂F_z+c₁₃，曲线形状因子C=c₀，峰值因子D=c₁F_z ²+c₂F_z，回正力矩零点处的扭转刚度

刚度因子B=BCD/(C×D)，曲线曲率因子E=(c₇F_z ²+c₈F_z+c₉)×(1-c₁₀|γ_w|)，曲线的垂直方向漂移S_v=ω(c₁₄F_z ²+c₁₅F_z)+c₁₆F_z+c₁₇，F_z为轮胎所受的垂直载荷，γ_w为轮胎外倾角，c₀~c₁₇为计算所需的拟合系数；

（b）当车速>70km/h时，制动系统仍按前述制动系统单独工作时的控制方法进行控制，EPS不参与工作。

2）制动系统与悬架系统耦合

协同控制器6通过监控纵向加速度信号和俯仰角信号判定制动系统与悬架系统耦合工况，具体控制方法如下：

（a）协同控制器6对EPS+ASS集中控制器8施加控制命令，由EPS+ASS集中控制器8对两后悬架作动器施加向下作用的修正控制力，从而抑制由于制动造成的车身俯仰动作，以保证车身的垂向加速度、俯仰角和侧倾角在较小的范围内（车身的垂向加速度均方根值≤0.15m/s²，俯仰角均方根值≤2.5°，侧倾角均方根值≤3.5°），悬架修正控制力为：

$\mathrm{\&Delta;}{f}_r=\frac{T_b}{T_{b\max }}{f}_{\max }$

其中，T_b为当前液压制动制动转矩，T_bmax为液压制动器最大制动转矩；f_max为主动悬架作动器最大控制力；

（b）当车速>15km/h时，协同控制器6还将对电液联合制动上层控制器7施加控制命令，由电液联合制动上层控制器7对ABS控制器10施加控制命令，由ABS控制器10对两前轴液压制动器12施加补偿液压制动力，从而补偿由于抑制俯仰动作造成的前轴载荷转移所引起的前轴制动转矩损失，补偿液压制动转矩为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{b1}=\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{x1}{r}_w\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{b2}=\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{x2}{r}_w\end{array}\right.$

其中，ΔT_b1和ΔT_b2分别为前轴左右车轮的补偿液压制动转矩，ΔΔF_x1和ΔΔF_x2为因制动时纵向加速度和俯仰角波动变化而引起的车辆前轴左右车轮垂直载荷波动，r_w为车轮半径，前轴左右车轮垂直载荷波动为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{z1}=[-m_s\mathrm{\&Delta;}{a}_{x}H+({l_f}^2{K}_{\mathrm{sf}}+{l_r}^2{K}_{\mathrm{sr}})\mathrm{\&Delta;\&theta;}-(m_{u1}+m_{u2})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_f-(m_{u3}+m_{u4})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_r]/\left[(l_f+l_r)\right]\\ \mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{z2}=[-m_s\mathrm{\&Delta;}{a}_{x}H+({l_f}^2{K}_{\mathrm{sf}}+{l_r}^2{K}_{\mathrm{sr}})\mathrm{\&Delta;\&theta;}-(m_{u1}+m_{u2})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_f-(m_{u3}+m_{u4})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_r]/[2(l_f+l_r)\end{array}\right.$

其中，m_s为车身质量，H为整车质心高度，l_f为整车质心至前轴距离，l_r为整车质心至后轴距离，K_sf为前悬架弹簧刚度，K_sr为后悬架弹簧刚度，m_u1、m_u2、m_u3、m_u4分别为整车的左前、右前、左后、右后四个非簧载质量，h_f为两前非簧载质量质心高度，h_r为两后非簧载质量质心高度，Δθ为俯仰角信号，Δα_x为纵向加速度信号。

3）转向系统与悬架系统耦合

协同控制器6通过监控转向轴输入转矩信号和侧倾角信号判定转向系统与悬架系统耦合工况，具体控制方法如下：

协同控制器6将垂向加速度、侧向加速度、俯仰角、侧倾角、转向轴输入转矩以及车速信号传递至EPS+ASS集中控制器8，此时协同控制器6仅起到监控作用，不对EPS+ASS集中控制器8施加控制命令；

（a）当车速≤70km/h时，EPS+ASS集中控制器8同时控制EPS和ASS工作，EPS+ASS集中式控制目标是通过调整助力电机13的助力转矩大小保证转向过程中的轻便性和路感，并通过调整作动器14的控制力大小保证车身的垂向加速度、俯仰角和侧倾角在较小的范围内（车身的垂向加速度均方根值≤0.15m/s²，俯仰角均方根值≤3.5°，侧倾角均方根值≤2.5°），同时保证侧向加速度信号也比单独控制时有所减少；

（b）当车速>70km/h时，EPS不参与工作，EPS+ASS集中控制器8ASS工作，ASS的控制目标是通过调整作动器14的控制力大小来保证车身的垂向加速度、俯仰角和侧倾角在较小的范围内（车身的垂向加速度均方根值≤0.15m/s²，俯仰角均方根值≤3.5°，侧倾角均方根值≤2.5°）。

Claims (2)

1.一种电动车辆底盘系统，是在原有车辆制动踏板开关（1）、轮速传感器（2）、转矩传感器（4）、车速传感器（5）、电机控制器（9）、ABS控制器（10）、轮毂电机（11）、液压制动器（12）、助力电机（13）和作动器（14）的基础上新增了陀螺仪传感器（3）、协同控制器（6）、电液联合制动上层控制器（7）、EPS+ASS集中控制器（8），其特征在于：制动踏板开关（1）、轮速传感器（2）、陀螺仪传感器（3）、转矩传感器（4）、车速传感器（5）将量测到的信号传递至协同控制器（6），协同控制器（6）对电液联合制动上层控制器（7）和EPS+ASS集中控制器（8）施加控制命令，电液联合制动上层控制器（7）对电机控制器（9）和ABS控制器（10）施加控制命令，电机控制器（9）控制轮毂电机（11）进行电机制动，ABS控制器（10）控制液压制动器（12）进行液压制动，EPS+ASS集中控制器（8）控制助力电机（13）和作动器（14）分别调节转向助力特性和悬架动态特性；其中，制动踏板开关（1）产生制动触发信号，轮速传感器（2）量测轮速信号，陀螺仪传感器（3）量测车身的垂向加速度、纵向加速度、侧向加速度、俯仰角、侧倾角以及横摆角速度信号，转矩传感器（4）量测转向轴输入转矩信号，车速传感器（5）量测车速信号。

2.如权利要求所述1的一种电动车辆底盘系统的协同控制方法，其特征在于：根据电动车辆底盘系统间的耦合关系，提供如下几种控制方法：

1）制动系统与转向系统耦合：

协同控制器（6）通过监控纵向加速度信号和转向轴输入转矩信号判定制动系统与转向系统耦合工况，具体控制方法如下：

（a）当车速≤70km/h时，制动系统按照其单独工作时的控制方法进行控制，转向系统控制方法如下：协同控制器（6）对EPS+ASS集中控制器（8）施加控制命令，由EPS+ASS集中控制器（8）对助力电机（13）施加修正助力矩，从而抑制由于制动时车速下降而造成的过多转向问题，其控制效果由协同控制器（6）对由陀螺仪传感器（3）送入的侧向加速度和横摆角速度信号，进行监控和判定，修正助力矩为：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_m=\frac{K_{\mathrm{kp}}{r}_s}{K_{x}N}(\mathrm{\&Delta;}{M}_{z1}+\mathrm{\&Delta;}{M}_{z2})$

其中，K_kp为转向系统中齿条到转向传动系刚度系数，r_s为小齿轮半径，K_x为转向系刚度，N为齿条到转向轮的传动比，ΔM_z1和ΔM_z2分为车速变化导致的左、右前轮回正力矩变化，ΔM_z1和ΔM_z2由轮胎魔术公式的回正力矩公式计算求得；

（b）当车速>70km/h时，制动系统按照其单独工作时的控制方法进行控制，EPS+ASS集中控制器中的EPS不参与工作；

2）制动系统与悬架系统耦合

协同控制器（6）通过监控由陀螺仪传感器（3）传来的纵向加速度信号和俯仰角信号判定制动系统与悬架系统耦合工况，具体控制方法如下：

（a）协同控制器（6）对EPS+ASS集中控制器（8）施加控制命令，由EPS+ASS集中控制器（8）对两后悬架作动器施加向下作用的修正控制力，从而抑制由于制动造成的车身俯仰动作，以保证车身的垂向加速度均方根值≤0.15m/s²，俯仰角均方根值≤2.5°，侧倾角均方根值≤3.5°，悬架修正控制力为：

$\mathrm{\&Delta;}{f}_r=\frac{T_b}{T_{b\max }}{f}_{\max }$

其中，T_b为电动车辆当前液压制动制动转矩，T_bmax为电动车辆液压制动器最大制动转矩；f_max为主动悬架作动器最大控制力；

（b）当车速>15km/h时，协同控制器（6）还将对电液联合制动上层控制器（7）施加控制命令，由电液联合制动上层控制器（7）对ABS控制器（10）施加控制命令，由ABS控制器（10）对两前轴液压制动器（12）施加补偿液压制动力，从而补偿由于抑制俯仰动作造成的前轴载荷转移所引起的前轴制动转矩损失，补偿液压制动转矩为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{b1}=\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{x1}{r}_w\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{b2}=\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{x2}{r}_w\end{array}\right.$

其中，ΔT_b1和ΔT_b2分别为电动车辆前轴左右车轮的补偿液压制动转矩，ΔΔF_x1和ΔΔF_x2为因制动时纵向加速度和俯仰角波动变化而引起的车辆前轴左右车轮垂直载荷波动，r_w为电动车辆车轮半径，前轴左右车轮垂直载荷波动为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{z1}=[-m_s\mathrm{\&Delta;}{a}_{x}H+({l_f}^2{K}_{\mathrm{sf}}+{l_r}^2{K}_{\mathrm{sr}})\mathrm{\&Delta;\&theta;}-(m_{u1}+m_{u2})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_f-(m_{u3}+m_{u4})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_r]/\left[(l_f+l_r)\right]\\ \mathrm{\&Delta;\&Delta;}{F}_{z2}=[-m_s\mathrm{\&Delta;}{a}_{x}H+({l_f}^2{K}_{\mathrm{sf}}+{l_r}^2{K}_{\mathrm{sr}})\mathrm{\&Delta;\&theta;}-(m_{u1}+m_{u2})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_f-(m_{u3}+m_{u4})\mathrm{\&Delta;}{a}_x{h}_r]/[2(l_f+l_r)\end{array}\right.$

其中，m_s为车身质量，H为整车质心高度，l_f为整车质心至前轴距离，l_r为整车质心至后轴距离，K_sf为前悬架弹簧刚度，K_sr为后悬架弹簧刚度，m_u1、m_u2、m_u3、m_u4分别为整车的左前、右前、左后、右后四个非簧载质量，h_f为两前非簧载质量质心高度，h_r为两后非簧载质量质心高度，Δθ为俯仰角信号，Δα_x为纵向加速度信号；

3）转向系统与悬架系统耦合：

协同控制器（6）通过监控转向轴输入转矩信号和侧倾角信号判定转向系统与悬架系统耦合工况，具体控制方法如下：

协同控制器（6）将垂向加速度、侧向加速度、俯仰角、侧倾角、转向轴输入转矩以及车速信号传递至EPS+ASS集中控制器（8），此时协同控制器（6）仅起到监控作用，不对EPS+ASS集中控制器（8）施加控制命令；

（a）当车速≤70km/h时，EPS+ASS集中控制器（8）同时控制EPS和ASS工作，EPS+ASS集中控制器控制目标通过调整助力电机（13）的助力转矩大小保证转向过程中的轻便性和路感，并通过调整作动器14的控制力大小保证车身车身的垂向加速度均方根值≤0.15m/s²，俯仰角均方根值≤3.5°，侧倾角均方根值≤2.5°，同时保证侧向加速度信号也比单独控制时有所减少；

（b）当车速>70km/h时，EPS不参与工作，EPS+ASS集中控制器（8）控制ASS工作，ASS的控制目标是通过调整作动器14的控制力大小来保证车身的垂向加速度均方根值≤0.15m/s²，俯仰角均方根值≤3.5°，侧倾角均方根值≤2.5°。

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