CN103879307B - 一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法。它包括方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、电子油门踏板、整车驱动控制器、CAN通讯网络、右后轮毂电机、右后轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、左后轮毂电机；整车驱动控制器通过CAN通讯网络分别与方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、电子油门踏板、右后轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器相连，右后轮毂电机控制器与右后轮毂电机相连，左后轮毂电机控制器与左后轮毂电机相连。本发明将电子差速和驱动防滑结合进行综合控制，提出新颖的电子差速、驱动防滑及转矩协调控制为一体的集成驱动控制方法，改善了后轮独立驱动电动汽车在实际多种复杂工况下的操纵稳定性和行驶安全性。

Description

一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法

技术领域

本发明属于电动汽车驱动控制系统，特别是涉及一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法。

背景技术

多轮独立驱动纯电动汽车有较多改善整车动力性及稳定性等优势，但是由于其对电机性能及驱动控制系统要求较高，目前多见于概念车或是实验车。在多轮独立驱动电动汽车整车控制的关键技术研究方面，虽然已有不少电子差速和驱动防滑的相关研究，但是往往是作为单独的控制策略进行研究，结合一起实行综合控制的研究较少，而在基于驱动防滑之上的转矩协调控制的研究更是少之又少。若差速或者驱动防滑等这些特定控制功能不能有机统一起来，就不能满足多轮独立驱动电动汽车在实际多种复杂工况下正常行驶的要求，制约着多轮独立驱动电动汽车的实际应用与发展。因此，本发明提出集成电子差速、驱动防滑、转矩协调为一体的驱动力控制方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法。

用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统包括方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、电子油门踏板、整车驱动控制器、CAN通讯网络、右后轮毂电机、右后轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器、左后轮毂电机；整车驱动控制器通过CAN通讯网络分别与方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、电子油门踏板、右后轮毂电机控制器、左后轮毂电机控制器相连，右后轮毂电机控制器与右后轮毂电机相连，左后轮毂电机控制器与左后轮毂电机相连。

所述的整车驱动控制器采用单片机，使用simulink框图编程，再采取Real-Time Workshop工具产生C代码来编写整车驱动控制方法并经编译后下载到整车驱动控制器的主控芯片中。

用于电动汽车的后轮独立驱动控制方法包括：

1）位于整车驱动控制器主控芯片中的后轮独立驱动控制方法包括“人-车-路”观测与测量模块、工况判定模块、驱动控制分配模块；

2）“人-车-路”观测与测量模块接收输入方向盘转角δ_s和加速踏板行程S_ac至的同时，“人-车-路”观测和测量模块不断采集和计算车辆及车轮的有关数据，包括后两轮实际角速度ω₃、ω₄、实际转矩T₃、T₄、车辆横摆角速度γ，并实时发送数据至工况判定模块；

3）首先通过方向盘转角δ_s判定车辆是否处于直线行驶状态，若否，直接进入驱动控制系统的电子差速控制，若是，再通过驱动轮滑转率判定驱动轮是否处于滑转状态；若判定驱动轮处于滑转状态，则运用驱动防滑+转矩协调控制对驱动轮进行控制，若否，直接由驾驶员踩下的加速踏板行程S_ac来决定电机输出转矩。当车辆进入电子差速控制时，系统仍实时监测各个驱动轮的滑转率λ_i，一旦出现单个驱动轮或两个驱动轮滑转率高于最优滑转率的情况，驱动防滑和转矩协调控制起作用，此时驱动转矩分配模块同时接收来自电子差速控制的驱动转矩T_rl2、T_rr2，及驱动防滑+转矩协调控制的驱动转矩T_rl3、T_rr3，选取驱动防滑+转矩协调控制制定的驱动转矩作为驱动电机的输出转矩；

4）电子差速控制模块实现车辆转向时内外侧驱动轮的差速；首先，接收来自“人-车-路”观测与测量模块发送的车辆行驶速度v和前轮内侧车轮转向角δ’,计算出驱动轮左右两轮的转矩之差ΔT₁：

${\mathrm{\ΔT}}_1=\frac{1-K(v,{\mathrm{\δ}}^{\′})}{1+K(v,{\mathrm{\δ}}^{\′})}{T}_t$

式中：ΔT₁为内、外轮实际所需转矩之差，K(v，δ′)为两个驱动轮的驱动转矩比，T_t为驾驶员通过加速踏板给定的期望驱动转矩；

同时，“人-车-路”观测与测量模块根据驾驶员踩下的加速踏板行程S_ac确定驱动转矩T_t，最后，根据驱动转矩T_t及转矩差ΔT₁经过驱动转矩分配模块，分配后左右车轮的驱动转矩T_rl、T_rr，使两侧车轮产生不同的转速，实现电子差速功能；

5）驱动防滑+转矩协调控制模块包含了针对左后轮和右后轮分别设置的驱动防滑控制方法和转矩协调控制方法；

6）驱动防滑模块通过滑转率及路面附着系数的估计、基于模糊控制的最优滑转率估计及基于最优滑转率的PI控制器设计，输出驱动转矩至转矩协调模块；通过下式估计滑转率：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{v_{\mathrm{\ωi}}-{\mathrm{\υ}}_i}{v_{\mathrm{\ωi}}}$

式中，v_ωi为各轮实际切向速度，υ_i为各轮理论切向速度，路面附着系数定义如下：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{F_{x,i}}{F_{z,i}}$

式中，F_x，i为车轮的纵向力，即驱动力；F_z，i为车轮的垂向力。设计了车轮滑转率λ_i和路面附着系数μ_i双输入、与6条标准路面曲线的相似程度k_i多输出的模糊控制器；以输入滑转率偏差Δλ_i为控制量设计PI控制器，对电机转矩进行调控，转矩计算公式如下：

ΔT₂＝K_p1Δλ_i+K_I1∫Δλ_i

式中，ΔT₂为驱动防滑控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差；K_p1为比例系数；K_I1为积分系数；

7）转矩协调控制模块在车辆进入驱动防滑控制后，实时更新车辆横摆角速度，并与理想横摆角速度进行对比，通过单轮滑转或双轮滑转不同工况对应的不同转矩协调方案，使车辆横摆角速度趋于下式计算的理想横摆角速度：

γ^*＝υδ′/[L(1+Kν²)]

式中，K为稳定性因数，L为车辆轴距，ν为车辆行驶速度，

在假定轮胎模型线性条件下，通过控制与横摆角速度直接相关的横摆力矩保证横摆角速度的恒定。横摆运动方程如下：

J_zγ＝a(F_y1+F_y2)-b(F_y3+F_y4)+M_z

M_z＝W(F_x2-F_x1+F_x4-F_x3)/2

式中，M_z为稳定性横摆力矩，F_xi为各车轮纵向力，F_yi为各车轮侧向力，γ为车辆横摆角速度，J_z为横摆力矩，W为车辆轮距，a为车辆质心到前轴的距离，b为车辆质心到后轴的距离，以输入横摆角速度偏差Δγ为闭环控制目标，对电机转矩进行PI控制，转矩计算公式如下：

ΔT₃＝K_p2Δγ+K_I2∫Δγ

式中：ΔT₃为转矩协调控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差，Nm；K_p2为比例系数；K_I2为积分系数；

最后，输出各轮毂电机的目标驱动转矩T_rl、T_rr，通过CAN通讯网络传递给各轮毂电机控制器，实现合理分配各电机转矩。

本发明将电子差速和驱动防滑结合在一起进行综合控制，提出新颖的电子差速、驱动防滑及转矩协调控制为一体的集成驱动控制方法，可以满足后轮独立驱动电动汽车在实际多种复杂工况下正常行驶的要求，改善了电动汽车的操纵稳定性、行驶经济性，提高了行驶安全性。

附图说明

图1是用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统结构示意图；

图2是用于电动汽车的后轮独立驱动控制方法原理图。

图中，方向盘转角传感器1、横摆角速度传感器2、电子油门踏板3、整车驱动控制器4、CAN通讯网络5、右后轮毂电机6、右后轮毂电机控制器7、左后轮毂电机控制器8、左后轮毂电机9。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统包括方向盘转角传感器1、横摆角速度传感器2、电子油门踏板3、整车驱动控制器4、CAN通讯网络5、右后轮毂电机6、右后轮毂电机控制器7、左后轮毂电机控制器8、左后轮毂电机9；整车驱动控制器4通过CAN通讯网络5分别与方向盘转角传感器1、横摆角速度传感器2、电子油门踏板3、右后轮毂电机控制器7、左后轮毂电机控制器8相连，右后轮毂电机控制器7与右后轮毂电机6相连，左后轮毂电机控制器8与左后轮毂电机9相连。

所述的整车驱动控制器4采用单片机，使用simulink框图编程，再采取Real-TimeWorkshop工具产生C代码来编写整车驱动控制方法并经编译后下载到整车驱动控制器的主控芯片中。2个轮毂电机均采用额定电压72V、额定功率8kW的永磁无刷直流电机，配置2个CSEV S2正弦波电机控制器。整车驱动控制器4基于所接收的方向盘转角传感器1检测到的方向盘转角信号、电子油门踏板3的加速信号、右后轮毂电机控制器7及左后轮毂电机控制器8反馈的轮速及转矩信号、横摆角速度传感器2检测到的横摆角速度信号，根据后轮独立驱动控制方法来制定各电机目标转矩，通过CAN通讯控制各轮毂电机控制器实现驱动力的合理分配。

如图2所示，用于电动汽车的后轮独立驱动控制方法包括：

1）位于整车驱动控制器4主控芯片中的后轮独立驱动控制方法包括“人-车-路”观测与测量模块、工况判定模块、驱动控制分配模块；

2）“人-车-路”观测与测量模块接收输入方向盘转角δ_s和加速踏板行程S_ac至的同时，“人-车-路”观测和测量模块不断采集和计算车辆及车轮的有关数据，包括后两轮实际角速度ω₃、ω₄、实际转矩T₃、T₄、车辆横摆角速度γ，并实时发送数据至工况判定模块；

3）首先通过方向盘转角δ_s判定车辆是否处于直线行驶状态，若否，直接进入驱动控制系统的电子差速控制，若是，再通过驱动轮滑转率判定驱动轮是否处于滑转状态；若判定驱动轮处于滑转状态，则运用驱动防滑+转矩协调控制对驱动轮进行控制，若否，直接由驾驶员踩下的加速踏板行程S_ac来决定电机输出转矩。当车辆进入电子差速控制时，系统仍实时监测各个驱动轮的滑转率λ_i，一旦出现单个驱动轮或两个驱动轮滑转率高于最优滑转率的情况，驱动防滑和转矩协调控制起作用，此时驱动转矩分配模块同时接收来自电子差速控制的驱动转矩T_rl2、T_rr2，及驱动防滑+转矩协调控制的驱动转矩T_rl3、T_rr3，选取驱动防滑+转矩协调控制制定的驱动转矩作为驱动电机的输出转矩；

4）电子差速控制模块实现车辆转向时内外侧驱动轮的差速；首先，接收来自“人-车-路”观测与测量模块发送的车辆行驶速度v和前轮内侧车轮转向角δ’,计算出驱动轮左右两轮的转矩之差ΔT₁：

${\mathrm{\ΔT}}_1=\frac{1-K(v,{\mathrm{\δ}}^{\′})}{1+K(v,{\mathrm{\δ}}^{\′})}{T}_t$

式中：ΔT₁为内、外轮实际所需转矩之差，K(v，δ′)为两个驱动轮的驱动转矩比，T_t为驾驶员通过加速踏板给定的期望驱动转矩；

同时，“人-车-路”观测与测量模块根据驾驶员踩下的加速踏板行程S_ac确定驱动转矩T_t，最后，根据驱动转矩T_t及转矩差ΔT₁经过驱动转矩分配模块，分配后左右车轮的驱动转矩T_rl、T_rr，使两侧车轮产生不同的转速，实现电子差速功能；

5）驱动防滑+转矩协调控制模块包含了针对左后轮和右后轮分别设置的驱动防滑控制方法和转矩协调控制方法；

6）驱动防滑模块通过滑转率及路面附着系数的估计、基于模糊控制的最优滑转率估计及基于最优滑转率的PI控制器设计，输出驱动转矩至转矩协调模块；通过下式估计滑转率：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{v_{\mathrm{\ωi}}-{\mathrm{\υ}}_i}{v_{\mathrm{\ωi}}}$

式中，v_ωi为各轮实际切向速度，υ_i为各轮理论切向速度，路面附着系数定义如下：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{F_{x,i}}{F_{z,i}}$

式中，F_x，i为车轮的纵向力，即驱动力；F_z，i为车轮的垂向力。设计了车轮滑转率λ_i和路面附着系数μ_i双输入、与6条标准路面曲线的相似程度k_i多输出的模糊控制器；以输入滑转率偏差Δλ_i为控制量设计PI控制器，对电机转矩进行调控，转矩计算公式如下：

ΔT₂＝K_p1Δλ_i+K_I1∫Δλ_i

式中，ΔT₂为驱动防滑控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差；K_p1为比例系数；K_I1为积分系数；

式中，F_x，i为车轮的纵向力，即驱动力；F_z，i为车轮的垂向力。设计了车轮滑转率λ_i和路面附着系数μ_i双输入、与6条标准路面曲线的相似程度k_i多输出的模糊控制器；采用Mamdani推理模型来制定模糊规则，共建立了12条模糊控制规则，具体的模糊规则如下表：

表中，DS代表不相似，NS代表一般相似，CS代表较相似，S代表相似，VS代表很相似。

以输入滑转率偏差Δλ_i为控制量设计PI控制器，对电机转矩进行调控，转矩计算公式如下：

ΔT₂＝K_p1Δλ_i+K_I1∫Δλ_i

式中，ΔT₂为驱动防滑控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差；K_p1为比例系数；K_I1为积分系数。

7）转矩协调控制模块在车辆进入驱动防滑控制后，实时更新车辆横摆角速度，并与理想横摆角速度进行对比，通过单轮滑转或双轮滑转不同工况对应的不同转矩协调方案，使车辆横摆角速度趋于下式计算的理想横摆角速度：

γ^*＝υδ′/[L(1+Kv²)]

式中，K为稳定性因数，L为车辆轴距，ν为车辆行驶速度，

在假定轮胎模型线性条件下，通过控制与横摆角速度直接相关的横摆力矩保证横摆角速度的恒定。横摆运动方程如下：

J_zγ＝a(F_y1+F_y2)-b(F_y3+F_y4)+M_z

M_z＝W(F_x2-F_x1+F_x4-F_x3)/2

式中，M_z为稳定性横摆力矩，F_xi为各车轮纵向力，F_yi为各车轮侧向力，γ为车辆横摆角速度，J_z为横摆力矩，W为车辆轮距，a为车辆质心到前轴的距离，b为车辆质心到后轴的距离，以输入横摆角速度偏差Δγ为闭环控制目标，对电机转矩进行PI控制，转矩计算公式如下：

ΔT₃＝K_p2Δγ+K_I2∫Δγ

式中：ΔT₃为转矩协调控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差，Nm；K_p2为比例系数；K_I2为积分系数；

最后，输出各轮毂电机的目标驱动转矩T_rl、T_rr，通过CAN通讯网络传递给各轮毂电机控制器，实现合理分配各电机转矩。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制方法，包括用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统，其特征在于它的步骤如下：

1）位于整车驱动控制器（4）主控芯片中的后轮独立驱动控制方法包括“人-车-路”观测与测量模块、工况判定模块、驱动控制分配模块；

2）“人-车-路”观测与测量模块接收输入方向盘转角δ_s和加速踏板行程S_ac的同时，“人-车-路”观测和测量模块不断采集和计算车辆及车轮的有关数据，包括后两轮实际角速度ω₃、ω₄、实际转矩T₃、T₄、车辆横摆角速度γ，并实时发送数据至工况判定模块；

3）首先通过方向盘转角δ_s判定车辆是否处于直线行驶状态，若否，直接进入驱动控制系统的电子差速控制，若是，再通过驱动轮滑转率判定驱动轮是否处于滑转状态；若判定驱动轮处于滑转状态，则运用驱动防滑+转矩协调控制对驱动轮进行控制，若否，直接由驾驶员踩下的加速踏板行程S_ac来决定电机输出转矩，当车辆进入电子差速控制时，系统仍实时监测各个驱动轮的滑转率λ_i，一旦出现单个驱动轮或两个驱动轮滑转率高于最优滑转率的情况，驱动防滑和转矩协调控制起作用，此时驱动转矩分配模块同时接收来自电子差速控制的驱动转矩T_rl2、T_rr2，及驱动防滑+转矩协调控制的驱动转矩T_rl3、T_rr3，选取驱动防滑+转矩协调控制制定的驱动转矩作为驱动电机的输出转矩;

4）电子差速控制模块实现车辆转向时内外侧驱动轮的差速；首先，接收来自“人-车-路”观测与测量模块发送的车辆行驶速度v和前轮内侧车轮转向角δ’,计算出驱动轮左右两轮的转矩之差ΔT₁：

式中：ΔT₁为内、外轮实际所需转矩之差，K(v,δ′)为两个驱动轮的驱动转矩比，T_t为驾驶员通过加速踏板给定的期望驱动转矩；同时，“人-车-路”观测与测量模块根据驾驶员踩下的加速踏板行程S_ac确定驱动转矩T_t，最后，根据驱动转矩T_t及转矩差ΔT₁经过驱动转矩分配模块，分配后左右车轮的驱动转矩T_rl、T_rr，使两侧车轮产生不同的转速，实现电子差速功能；

5）驱动防滑+转矩协调控制模块包含了针对左后轮和右后轮分别设置的驱动防滑控制方法和转矩协调控制方法；

6）驱动防滑模块通过滑转率及路面附着系数的估计、基于模糊控制的最优滑转率估计及基于最优滑转率的PI控制器设计，输出驱动转矩至转矩协调模块；通过下式估计滑转率：

式中，v_ωi为各轮实际切向速度，υ_i为各轮理论切向速度，路面附着系数定义如下：

式中，F_x,i为车轮的纵向力，即驱动力；F_z,i为车轮的垂向力，设计了车轮滑转率λ_i和路面附着系数μ_i双输入、与6条标准路面曲线的相似程度k_i多输出的模糊控制器；以输入滑转率偏差Δλ_i为控制量设计PI控制器，对电机转矩进行调控，转矩计算公式如下：

ΔT₂=K_p1Δλ_i+K_I1∫Δλ_i

式中，ΔT₂为驱动防滑控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差；K_p1为比例系数；K_I1为积分系数；

7）转矩协调控制模块在车辆进入驱动防滑控制后，实时更新车辆横摆角速度，并与理想横摆角速度进行对比，通过单轮滑转或双轮滑转不同工况对应的不同转矩协调方案，使车辆横摆角速度趋于下式计算的理想横摆角速度：

γ^*=υδ′/[L(1+Kν²)]

式中，K为稳定性因数，L为车辆轴距，ν为车辆行驶速度，

在假定轮胎模型线性条件下，通过控制与横摆角速度直接相关的横摆力矩保证横摆角速度的恒定，横摆运动方程如下：

J_zγ=a(F_y1+F_y2)-b(F_y3+F_y4)+M_z

M_z=W(F_x2-F_x1+F_x4-F_x3)/2 

式中，M_z为稳定性横摆力矩，F_xi为各车轮纵向力，F_yi为各车轮侧向力，γ为车辆横摆角速度，J_z为横摆力矩，W为车辆轮距，a为车辆质心到前轴的距离，b为车辆质心到后轴的距离，以输入横摆角速度偏差Δγ为闭环控制目标，对电机转矩进行PI控制，转矩计算公式如下：

ΔT₃=K_p2Δγ+K_I2∫Δγ

式中：ΔT₃为转矩协调控制策略制定的输出转矩与实际电机上驱动转矩之差；K_p2为比例系数；K_I2为积分系数；

最后，输出各轮毂电机的目标驱动转矩T_r1、T_rr，通过CAN通讯网络传递给各轮毂电机控制器，实现合理分配各电机转矩；

所述用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统，其特征在于包括方向盘转角传感器（1）、横摆角速度传感器（2）、电子油门踏板（3）、整车驱动控制器（4）、CAN通讯网络（5）、右后轮毂电机（6）、右后轮毂电机控制器（7）、左后轮毂电机控制器（8）、左后轮毂电机（9）；整车驱动控制器（4）通过CAN通讯网络（5）分别与方向盘转角传感器（1）、横摆角速度传感器（2）、电子油门踏板（3）、右后轮毂电机控制器（7）、左后轮毂电机控制器（8）相连，右后轮毂电机控制器（7）与右后轮毂电机（6）相连，左后轮毂电机控制器（8）与左后轮毂电机（9）相连。

2.如权利要求1所述的一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制方法，其特征在于所述的整车驱动控制器（4）采用单片机，使用simulink框图编程，再采取Real-Time Workshop工具产生C代码来编写整车驱动控制方法并经编译后下载到整车驱动控制器的主控芯片中。