CN104494464A - 一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，针对不同的驱动结构设计了与其对应的经济性、稳定性、动力性三种驱动模式以及符合其自身结构特征的容错模式，驱动协调控制器与整车控制器、若干电机控制器之间通过CAN总线连接，采用整车控制器、驱动协调控制器和电机控制器的分层结构，该驱动协调控制器位于上层的整车控制器与下层的电机控制器之间，负责接收整车控制器的驱动需求信号、转向需求信号、构型形式信号和功能模式信号，同时考虑各个电机的制造及选型差异进行预置，动态调节各电机的驱动转矩以满足不同的功能模式下的整车驱动和转向需求。本发明有效的提高了分布式驱动电动汽车的安全性与操控性，也深化了行业分工。

Description

一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器

技术领域

本发明属于电动汽车驱动控制领域，具体涉及一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器。

背景技术

近年来，由于环保、能源安全双重问题的日益突出，电动汽车再次跃入人们的视野。同时，随着电力电子控制技术以及计算机技术的不断发展，电气化、智能化无疑是未来汽车的发展方向，而采用轮边或轮毂电机驱动的分布式驱动汽车以其较为出色的控制性能，受到学术界和工程界的普遍关注。

采用轮边或轮毂电机驱动的分布式驱动汽车，电池与驱动电机通过电缆连接，每个车轮可由轮边或轮毂电机单独驱动，彼此之间舍弃了传统的机械连接，取消了发动机、油箱、离合器、变速器、传动轴、差速器等部件。每个电机由相应的控制器控制，各控制器间的通信可通过CAN总线实现。显然，对于分布式驱动的电动车，其优越的操控性能的发挥是建立在对各电机的转矩和转速进行精确协调控制的基础之上的，因此，各驱动电机的协调控制则成为分布式驱动电动车的一个关键的共性技术。

目前，电机协调控制策略的实现基本由整车厂负责，其做法是由整车厂研究电机协调控制策略并将策略写入整车控制器，由整车控制器通过CAN总线控制各电机动作，国内外市场上的电动汽车莫不如是。这种状态有其相应的缺陷：一是将整车控制器的管理功能与具体功能部件的控制功能混在一起，增加了整车控制器与车型的耦合程度，不利于形成独立的整车控制器产业以及整车控制策略的研发；二是随着多轮独立驱动的应用以及智能汽车的发展，整车控制器的功能过于集中，系统可维护性较差，且在一定程度上增加了系统的危险性。

鉴于以上问题，有必要开发专门负责各电机的转矩协调分配的协调控制器，将目前的电机协调控制策略从整车控制器中分离出来，使整车控制器只负责车辆的管理功能，而诸如电机转矩控制、协调功能则由驱动协调控制器担任。

发明内容

本发明的目的是为了解决分布式驱动电动车的两台及以上驱动电机相互协调的问题，提供了一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，其能够根据汽车安全性、稳定性要求以及驾驶员或整车控制器的指令向下层电机控制器发出相应指令，控制每个驱动电机的运行状态。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，整车控制器、驱动协调控制器和若干用于控制对应电机的电机控制器通过CAN总线网络通信，其中，整车控制器负责所有决策任务，接收驾驶员输入和整车的状态信息，计算驾驶员的驱动和转向需求、识别车辆运行状态并选择构型形式和功能模式；驱动协调控制器负责转矩协调，接收整车控制器的驱动需求信号、转向需求信号、构型形式信号和功能模式信号，同时考虑各个电机的特性差异，动态向各电机控制器发送转矩指令以满足不同的功能模式下的整车驱动和转向需求；若干电机控制器负责执行，接收驱动协调控制器的转矩信号，实现转矩闭环控制。

本发明进一步的改进在于：所述构型形式包括前后轴独立驱动、前轮独立驱动、后轮独立驱动以及四轮独立驱动，每种构型形式的功能模式均包括稳定模式、经济模式、动力模式以及容错模式；驱动协调控制器满足各种构型形式的分布式驱动电动汽车的转矩协调需求，其实现转矩协调控制的具体操作为：

每种构型形式各自成为一个模块，分别为前后轴独立驱动模块、前轮独立驱动模块、后轮独立驱动模块以及四轮独立驱动模块，同时，每个模块设置一个接口，接收来自整车控制器构型形式信息；用户选择在出厂时根据具体车辆构型形式，直接将驱动协调控制器的构型参数固化为一个默认值，或直接在整车控制器内部设置构型参数，在车辆起步前发送到驱动协调控制器。

本发明进一步的改进在于：针对前后轴独立驱动、前轮独立驱动、后轮独立驱动以及四轮独立驱动4种不同的构型形式，根据汽车行驶要求，分别设置动力性、经济性、稳定性三种不同的功能模式；对于每种构型形式电动汽车根据车体行驶状态或驾驶员意图在动力性、经济性、稳定性模式中任选一种适合实时状况的功能模式；同时根据汽车行驶安全性要求，设置容错模式，当电机或电机控制器发生故障时，自动启动容错模式，优先保障车辆的安全行驶；每种功能模式对应各自驱动控制策略，并自成一个模块；每种功能模式设置一个接口，接收来自整车控制器的功能模式选择信息。

本发明进一步的改进在于：在转矩协调中考虑各个电机的特性差异，具体如下：

1)考虑到左右两个电机的制造和运行环境的差异，在左右侧布置了驱动电机的车型中，该车型包括前轮独立驱动、后轮独立驱动以及四轮独立驱动，根据实车的台架标定数据预置转矩偏移量，保证左右两个电机在同样的给定下输出相同转矩，达到相同的控制精度；

2)考虑到前后轴电机的选型差异，在前后轴布置了驱动电机的车型中，该车型包括前后轴独立驱动以及四轮独立驱动，预置各电机的效率特性曲线，在经济性模式下保证各电机运行于各自效率高的性能区间，在动力性模式下保证各电机输出最大转矩。

相对现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明可使整车控制器和电机协调控制器两个部分都可以脱离整车而做到规范化和标准化。从技术角度看，首先，采用协调控制器降低了各模块的耦合，加深了技术研究的专业化程度；其次，相对原来的整车控制器集中控制而言，分散控制起到了危险分散的作用，增强了系统的可靠性；最后，由于协调控制作为一个单独的控制单元独立出来，当出现问题时，可直接维修该模块，而不用拆卸整车控制器，从而增强了系统的可维护性。从产业化的角度看，各模块将形成独立的产业，深化了行业分工，有利于提高劳动生产率。

附图说明

图1是整车控制器、驱动协调控制器及各电机控制器的连接示意图。

图2是驱动协调控制器的软、硬件模块结构示意图。

图3是驱动协调控制器控制流程图。

图4是稳定性控制算法结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步的详细说明。

本发明一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，是针对分布式驱动电动车而设计的一款协调控制器(如图2所示)。其中，分布式驱动电动车包括两轮及两轮以上的分布式驱动车型。

如图1所示，整车控制器1、驱动协调控制器2以及左前轮电机控制器3、左后轮电机控制器4、右前轮电机控制器5及右后轮电机控制器6通过CAN总线连接。整车控制器1通过CAN总线发布相关指令，驱动协调控制器2接收CAN总线上发过来的指令和数据，运行相应控制算法，再通过CAN总线向各电机控制器分别发出转矩指令。

如图2所示，标示出了本发明驱动协调控制器2的硬件及其软件模块。硬件层包括处理芯片，CAN接口电路、供电电路、存储器、JTAG接口以及预留模拟量I/O接口。其中，CAN接口电路主要用于驱动协调控制器2与整车控制器1、各个电机控制器及其它电子控制单元的通信；扩展的存储器用于备用存储程序设计中预置值得相关数据及表格；JTAG接口则用于驱动协调控制器2程序的调试或诊断；模拟量I/O接口为预留口。

如图3所示，图中软件层主要包括对各构型电动车的构型形式模块以及对应经济性、稳定性、动力性三种功能模式的驱动控制模块。每个模块设置一个接口以接收来自上层控制器的指令。如汽车构型是四轮独立驱动4WID形式，只需整车控制器1中选择四轮独立驱动4WID构型并锁定该选项。每种汽车构型模块中包含符合其自身构型特征的功能模式及容错模式。汽车行驶中，由整车控制器1根据实时行驶状况及驾驶员操控意图综合做出判断，选择合适的功能模式并向驱动协调控制器2发出相应指令。以稳定模式为例，由于车辆的行驶状况较为复杂，引起车辆失稳的原因较多，可取横摆角速度与质心侧偏角为参数，根据当前方向盘转角及车速计算出理想状态下的行驶参数(考虑传感器成本，质心侧偏角可采用观测器进行估计)，然后将其与车辆模型的反馈值对比，如果与理想值相差较大则选择稳定模式。至于动力模式的选择，则可依据驾驶员的操纵意图，如对电子油门踏板的开度设置某一阀值，超过这一阀值则选择进入动力模式。默认状态下则选择经济模式。这里需要强调的是，何种功能模式的选择判断是由整车控制器1来完成的，驱动协调控制器2在这里只负责执行整车控制器1的模式指令。

若左前轮电机控制器3、左后轮电机控制器4、右前轮电机控制器5、右后轮电机控制器6或电机出现故障，则驱动协调控制器2则根据对应汽车构型选择相应的故障处理策略。如四轮独立驱动4WID构型的前轮或后轮某一电机出现故障，驱动协调控制器2可切换整车功能模式为后轮驱动或前轮驱动，使整车动力均衡，保证车辆的正常行驶，并实时将故障信息传输至整车控制面板高亮显示以告知驾驶员相应故障状况。

当驱动协调控制器2接收到经济模式指令后，同时会接收到来自整车控制器1的电子油门踏板、电子制动踏板的开度指令，并根据指令值计算出目标转矩值并传送至各电机控制器。由于电机在低速区和低转矩区效率较低，在额定输出特性曲线附近具有高效率。基于此特性，在电机运行时应尽量避开低速低转矩输出区域。另外，考虑到实际行驶状况，直线行驶时左右轮驱动力应保持平衡，故车轮之间的转矩分配问题可简化为前后轴之间的转矩分配问题。由以上两点可知，在给定需求转矩情况下，经济性目标可以通过前后轴间的转矩优化分配实现。这里以折算到电机端的输出最小转矩为目标函数，整个优化问题表述如下：

优化参数：前后轴转矩分配系数λ

目标函数：T＝λT_need/η(λT_need,n_f)+(1-λ)T_need/η((1-λ)T_need,n_r)

约束条件： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}{T}_{\mathrm{need}}\≤\min \left(\right|T_{\max }|,|T_{\mathrm{limf}}\left|\right);(1-\mathrm{\λ})T_{\mathrm{need}}\≤\min \left(\right|T_{\max }|,|T_{\mathrm{limr}}\left|\right)\\ 0\≤\mathrm{\λ}\≤0.5\\ n_r/n_f=\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，δ为车轮转向角；η为电机效率特性曲线；T_need为驾驶员输入需求转矩；T_max为电机转矩输出最大值；T_limf和T_limr为前后轮达到附着极限时电机的输出转矩；n_f和n_r为前后轴在两轮转向模型下的转速。

根据以上分析可计算出在不同转矩及转速条件下的最优分配系数，使得汽车在低速低转矩区域基本处于单轴驱动，而在高速高转矩区域基本为前后轴平均分配。

稳定模式下，采用直接横摆力矩控制(DYC)改善汽车的稳定性能。其关键在于通过判别车辆运行状态计算出一个理想的主动横摆转矩，其控制变量的选取和名义值可以通过分析2自由度参考模型得到，其表达式如下：

${\mathrm{\γ}}_d=\min \left\{\right|\frac{u}{L(1+K{u}^2)}\mathrm{\δ}|,|\frac{0.85\mathrm{\μg}}{u}\left|\right\}\mathrm{sign}\left(\mathrm{\δ}\right)$

${\mathrm{\β}}_d=\min \left\{\right|\frac{b+{\mathrm{mau}}^2/{\mathrm{LK}}_r}{L(1+K{u}^2)}\mathrm{\δ}|,|{\tan }^{-1}\left(0.02\mathrm{\μg}\right)\left|\right\}\mathrm{sign}\left(\mathrm{\δ}\right)$

其中，β_d理想的质心侧偏角；γ_d为理想的横摆角速度；为稳定性因素；u为车辆在车身坐标系下的纵向速度；L为前后轴轴距；μ为地面附着系数；a、b分别为质心到前后轴的距离；m为车辆整体质量；k_f、k_r分别为前、后轴侧偏刚度。

如图4所示，横摆力矩没有介入前车辆的转矩根据驾驶员踏板输入在前后轴之间分配，DYC输出四轮的转矩增量由横摆角速度和质心侧偏角的反馈获得，叠加在前后轴的转矩输出上得到四个车轮的转矩控制值。根据对控制变量的分析可知，Δγ反映车辆行驶状态，通过判别转向和的Δγ的正负，可以施加相应的控制力，若车辆左转过度转向(Δγ＞0)，通过增加左侧电机控制器3、4驱动力矩值，并相应减少右侧电机控制器5、6的驱动力矩值获得顺时针的补偿横摆力矩，将车辆纠正到期望的轨迹上。再者，由轮胎特性可知，当滑转率过大驱动力反而会下降，继续增加转矩并不能产生更大的横摆力矩，所以设置滑转率控制器输出作为DYC输出的饱和上限。最终的转矩命令通过CAN总线发送给4个电机控制器，保证车辆在满足驾驶员驱动要求下稳定运行。

动力模式下，该控制器采用模型跟踪控制(MFC)方法实现驱动防滑控制，该控制方法不需附加其它传感器，只需电机转矩与转速信号即可实现驱动防滑的目标。其理想控制模型为：

$G\left(s\right)=\frac{1}{m+m_w}\frac{1}{s}$

其中，m为1/4车辆模型的整车质量；J_w为车轮转动惯量，R为车轮半径；

同时，为保护电机，根据电机特性在控制器中设置电机功率最大限值。考虑到实际行驶状况，直线行驶时左右轮驱动力应保持平衡，故采用左右轮中驱动力矩较小值作为最终输出转矩值。从而，驱动协调控制器2在保证不产生滑转、不超过电机功率限值的条件下，输出较大的驱动功率，获得较好的动力性能。

Claims (4)

1.一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，其特征在于：整车控制器(1)、驱动协调控制器(2)和若干用于控制对应电机的电机控制器通过CAN总线网络通信，其中，整车控制器(1)负责所有决策任务，接收驾驶员输入和整车的状态信息，计算驾驶员的驱动和转向需求、识别车辆运行状态并选择构型形式和功能模式；驱动协调控制器(2)负责转矩协调，接收整车控制器的驱动需求信号、转向需求信号、构型形式信号和功能模式信号，同时考虑各个电机的特性差异，动态向各电机控制器发送转矩指令以满足不同的功能模式下的整车驱动和转向需求；若干电机控制器负责执行，接收驱动协调控制器(2)的转矩信号，实现转矩闭环控制。

2.如权利要求1所述的一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，其特征在于：所述构型形式包括前后轴独立驱动(FRID)、前轮独立驱动(FWID)、后轮独立驱动(RWID)以及四轮独立驱动(4WID)，每种构型形式的功能模式均包括稳定模式、经济模式、动力模式以及容错模式；驱动协调控制器(2)满足各种构型形式的分布式驱动电动汽车的转矩协调需求，其实现转矩协调控制的具体操作为：

每种构型形式各自成为一个模块，分别为前后轴独立驱动(FRID)模块、前轮独立驱动(FWID)模块、后轮独立驱动(RWID)模块以及四轮独立驱动(4WID)模块，并将其嵌入驱动协调控制器(2)，同时，每个模块设置一个接口，接收来自整车控制器构型形式信息；用户选择在出厂时根据具体车辆构型形式，直接将驱动协调控制器(2)的构型参数固化为一个默认值，或者选择在人机界面或直接在整车控制器内部设置构型参数，在车辆起步前发送到驱动协调控制器(2)。

3.如权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，其特征在于：针对前后轴独立驱动(FRID)、前轮独立驱动(FWID)、后轮独立驱动(RWID)以及四轮独立驱动(4WID)4种不同的构型形式，根据汽车行驶要求，分别设置动力性、经济性、稳定性三种不同的功能模式；对于每种构型形式电动汽车根据车体行驶状态或驾驶员意图在动力性、经济性、稳定性模式中任选一种适合实时状况的功能模式；同时根据汽车行驶安全性要求，设置容错模式，当电机或电机控制器发生故障时，自动启动容错模式，优先保障车辆的安全行驶；每种功能模式对应各自驱动控制策略，并自成一个模块，嵌入驱动协调控制器(2)；每种功能模式设置一个接口，接收来自整车控制器的功能模式选择信息。

4.如权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车多电机协调控制器，其特征在于：在转矩协调中充分考虑各个电机的特性差异，具体如下：

1)考虑到左右两个电机的制造和运行环境的差异，在左右侧布置了驱动电机的车型中，该车型包括前轮独立驱动(FWID)、后轮独立驱动(RWID)以及四轮独立驱动(4WID)，根据实车的台架标定数据预置转矩偏移量，保证左右两个电机在同样的给定下输出相同转矩，达到相同的控制精度；

2)考虑到前后轴电机的选型差异，在前后轴布置了驱动电机的车型中，该车型包括前后轴独立驱动(FRID)以及四轮独立驱动(4WID)，预置各电机的效率特性曲线数据，在经济性模式下保证各电机运行于各自效率高的性能区间，在动力性模式下保证各电机输出最大转矩。