CN104724113B - 一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统，在由发动机驱动前桥车轮的基础上，采用电驱动后桥车轮，该系统的电驱动部分包括整车控制器、转向盘转角传感器、车体姿态传感器、针对每个后桥车轮设置的轮边驱动电机及其电机控制器；整车控制器在横摆力矩分配算法中，考虑了后桥各电驱动车轮的垂直载荷大小关系，为垂直载荷更大的车轮电机分配更大的电机转矩，从而更好的利用每个车轮的附着能力，提高车辆稳定性裕度；进一步地，目标横摆角速度计算采用了以中性转向为基准的可调模型，当参数A被修改后，车辆所被要求达到的转向特性将有所变化，可以实现更改车辆转向特性的目的。

Description

一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统

技术领域

本发明属于车辆动力学稳定性控制系统领域，具体涉及一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统。

背景技术

多轴车辆具有载荷分配合理、动力性强、通过性好等突出优点，被广泛应用于军用轮式车辆及民用重载轮式车辆。但是，以传统全轮驱动8×8车辆为例，其至少需要4个轮间差速器和3个轴间差速器才能实现全轮驱动，具有结构复杂、轴间轮间驱动力不能灵活分配等缺点，故而出现了如公布号CN103587403A所提出的分布式机电驱动车辆方案，其前两桥车轮由机械路驱动，后两桥车轮由轮边电机驱动，动力可在后两桥各车轮之间0-100％灵活分配，极大程度上提高了车辆的动力性及越野性能。

后两桥车轮由轮边电机独立驱动的方案可称为“分布式驱动”方案，其已称为新能源电动汽车的前沿发展方向，除了极大程度上提高车辆的动力性及越野性能之外，也可以较大程度提高车辆的操纵稳定性。如公布号CN103786602A所提出的基于4轮分布式驱动纯电动汽车的操纵稳定性改善控制方法：其以线性二自由度单轨模型为横摆角速度参考模型，控制两侧驱动电机产生横摆力矩促使车辆跟随目标横摆角速度。

但是，目前已有的分布式驱动车辆操纵稳定性控制系统都是基于4轮民用汽车而开发的，对于8×8等多轴车辆还未见报道。对于已有的分布式驱动车辆操纵稳定性控制系统而言，其所采用的横摆力矩分配至各电机转矩的映射算法多为平均分配算法，并未结合各车轮垂直载荷大小及附着能力而成比例分配电机转矩，会带来难以保证各车轮附着力裕度的问题；而且，其所采用的横摆角速度参考模型都为线性二自由度单轨模型，其未改变原车辆所固有的转向特性，而只是通过控制器跟踪而提高了横摆角速度瞬态响应速度，不能对车辆的稳态转向性能进行提升，不能对车辆的转向特性进行适当调整。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统，能够结合各车轮垂直载荷大小及附着能力而成比例分配电机转矩，提高车辆操纵稳定性裕度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统，适用于n轴轮式车辆，用于在由发动机驱动前n₁桥车轮的基础上，采用电驱动后n₂桥车轮，n₁+n₂＝n；该系统包括：整车控制器、转向盘转角传感器、车体姿态传感器、针对后n₂桥车轮中的每个后桥车轮设置的轮边驱动电机及其电机控制器；整车控制器、转向盘转角传感器、车体姿态传感器之间通过通讯网络进行信息传递；

所述整车控制器包括车速获取模块、目标横摆角速度计算模块、横摆力矩计算模块和电机转矩分配模块；其中，

所述车速获取模块，用于获取当前车速V，发送给所述横摆角速度计算模块；

所述横摆角速度计算模块，用于根据当前车速V和转向盘转角传感器发来的转向盘转角δ，计算所需的理想横摆角速度ω，发送给所述横摆力矩计算模块；

所述横摆力矩计算模块，用于根据所需的理想横摆角速度ω和车体姿态传感器反馈的实际横摆角速度产生达到理想横摆角速度ω所需的横摆力矩M，发送给电机转矩分配模块；

所述电机转矩分配模块，用于根据车体姿态传感器反馈的车体纵向加速度a_x和车体横向加速度a_y，估算由轮边驱动电机驱动的各个车轮的垂直载荷比例关系，根据该垂直载荷比例关系将横摆力矩M进行比例分配，获得各轮边驱动电机的电机转矩，发送给各个轮边驱动电机的电机控制器。

其中，所述车速获取模块利用后桥轮边驱动电机反馈的电机转速计算得到，计算公式为：

其中，V为车速，n_j为第j个轮边驱动电机的电机转速，N为轮边驱动电机的总数，i为减速器传动比，R为轮胎半径。

优选地，所述横摆角速度计算模块结合转向系传动比i_s、最前桥与最后桥轴距L和中性转向系数A计算所需的理想横摆角速度ω的公式为：

所述中性转向系数A表征理想横摆角速度响应与中性转向响应的比例关系。

优选地，中性转向系数A随车速变化而变化，车速越大，A值越小。

优选地，当车速低于50km/h时，中性转向系数A＝1，当车速高于或等于50km/h时，中性转向系数A由1逐渐降低。

优选地，所述横摆力矩计算模块将所需的理想横摆角速度ω和车体姿态传感器反馈的实际横摆角速度相减，根据差值通过比例微分控制计算输出需求横摆力矩M。

优选地，所述电机转矩分配模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块、比例确定子模块和分配子模块；n＝4；

第一计算子模块，用于基于整车重力G及车体姿态传感器所反馈的车体纵向加速度a_x，以及其他预设参数，计算前两桥车轮垂直载荷之和与后两桥车轮垂直载荷之和；

第二计算子模块，用于基于车体姿态传感器所反馈的车体纵向加速度a_x，以及其他预设参数，计算三桥车轮垂直载荷之和与四桥车轮垂直载荷之和的计算关系；

第三计算子模块，用于基于车体姿态传感器所反馈的车体横向加速度a_y，以及其他预设参数，计算三桥、四桥各车轮垂直载荷；

比例确定子模块，用于第一计算子模块、第二计算子模块和第三计算子模块计算结果联立，获得后两桥各车轮垂直载荷大小和比例P；

分配子模块，用于根据后两桥各车轮垂直载荷大小及比例P，成比例的分配驱动电机转矩以提供横摆力矩M。

优选地，第一计算子模块的计算方式为：

式中：m为车辆总质量；H为车辆质心高度；L’为一二轴中心与三四轴中心之间的距离；G₁₂为前两桥车轮垂直载荷之和；G₃₄为后两桥车轮垂直载荷之和；

第二计算子模块的计算方式为：

式中：H’为车辆后半部质心高度；L₃₄为三、四轴轴距；G₃为三桥车轮垂直载荷；G₄为四桥车轮垂直载荷；m'为车辆后半部的总质量；

第三计算子模块建立的计算方式为：

和

式中：B为车辆轮距；G_3L和G_4L分别为三桥、四桥左侧车轮垂直载荷；G_3R和G_4R分别为三桥、四桥右侧车轮垂直载荷；

驱动电机转矩的分配方式为：

其中，T_3L、T_4L、T_3R、T_4R分别为三桥左侧、四桥左侧、三桥右侧、四桥右侧电机转矩；R为轮胎半径，i为减速器传动比。

有益效果：

(1)本发明适用于8×8等分布式驱动多轴车辆，在横摆力矩分配算法中，考虑了后两桥4个电驱动车轮的垂直载荷大小关系，为垂直载荷更大的车轮电机分配更大的电机转矩，从而更好的利用每个车轮的附着能力，提高车辆操纵稳定性裕度。

(2)本发明的目标横摆角速度计算采用了以中性转向为基准的可调模型，当参数A被修改后，车辆所被要求达到的转向特性将有所变化，可以实现更改车辆转向特性的目的。同时，如果将参数A设计为随车速变化而变化的参数，将可以实现提高中低速转向机动性、高速转向稳定性的目的。

附图说明

图1：一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统硬件结构示意。

图2：一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统软件结构示意。

图3：目标横摆角速度计算中性转向系数随车速变化示意。

图4：蛇形绕桩工况车速示意。

图5：蛇形绕桩工况目标横摆角速度与实际横摆角速度对比示意。

图6：蛇形绕桩工况侧向加速度示意。

图7：蛇形绕桩工况质心侧偏角示意。

图8：蛇形绕桩工况需求横摆力矩示意。

其中，1：一桥左侧车轮；2：二桥左侧车轮；3：三桥左侧车轮；4：四桥左侧车轮；5:一桥右侧车轮；6：二桥右侧车轮；7：三桥右侧车轮；8：四桥右侧车轮；9：转向盘；10：发动机；11：发电机；12：分动箱；13：变速箱；14：轴间差速器；15：二桥桥间差速器；16：一桥桥间差速器；17：四桥左侧电机控制器；18：三桥左侧电机控制器；19：四桥右侧电机控制器；20：三桥右侧电机控制器；21：四桥左侧轮边加速器；22：四桥左侧电机；23：四桥右侧电机；24：四桥右侧减速器；25：三桥左侧轮边减速器；26：三桥左侧电机；27：三桥右侧电机；28：三桥右侧减速器；29：电池；30：横摆角速度传感器、纵向加速度传感器、侧向加速度传感器安装位置；31：整车控制器；32：转向盘转角传感器。

具体实施方式

下面以采用分布式机电驱动方案的8×8车辆为例，对本发明进行详细描述。如图1所示，发动机10的动力经分动箱12分为两路，一路经过变速箱13后通过轴间轮间差速器14,15,16驱动前两桥车轮；一路带动发电机11发电。后两桥车轮分别由4个永磁同步驱动电机22,23,26,27经过轮边减速器21,24,25,28驱动，4个永磁同步驱动电机分别由各自电机控制器实现控制17,18,19,20，同时，在电网络系统中并联了蓄电池29。整车控制器31安装在车体中心处，转向盘转角传感器32固连于转向柱9上，实时测得转向盘转角，通过转向系传动比换算可获得前轮转角。横摆角速度传感器、纵向加速度传感器及侧向加速度传感器安装在位于车辆质心位置的安装盒30内，其实时测得车辆质心处的横摆角速度、纵向加速度及侧向加速度。转向盘转角传感器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器和侧向加速度传感器与整车控制器之间由CAN网络实现通讯。

整车控制器内的操纵稳定性控制系统的软件架构如图2所示，共包括车速获取模块、横摆角速度计算模块、横摆力矩计算模块和电机转矩分配模块。

车速获取模块，用于获取当前车速V，发送给所述横摆角速度计算模块。

在车辆行驶过程中，后两桥车轮由驱动电机经减速器后直接驱动，故后两桥车轮转速可由反馈电机转速直接计算。为提高车速计算准确度，以后两桥车轮轮心纵向速度的平均值表征车速，因此车速获取模块利用后桥轮边驱动电机反馈的电机转速计算得到，对于4轴车辆，计算公式为：

式中：n₁、n₂、n₃、n₄为四个永磁同步驱动电机的反馈转速；i为轮边减速器传动比；R为轮胎半径。

当整车控制器中的车速获取模块完成车速计算后，将车速信号发送至横摆角速度计算模块，横摆角速度计算模块同时采集由CAN网络发来的转向盘转角信号，结合转向系传动比、一四轴轴距等预设参数完成理想横摆角速度ω计算：

式中：δ为转向盘转角；i_s为转向系传动比；L为车辆1、4轴轴距；A为中性转向系数，表征理想横摆角速度响应与中性转向响应的比例关系。

可通过中性转向系数A的调节实现车辆转向特性的改变，例如当系数A＝1时，车辆的目标横摆角速度为中性转向横摆角速度响应。同时，系数A可以被设计为随车速变化而变化，车速越大，A值越小，从而实现提高多轴车辆中低速段内转向机动性、高速段内转向稳定性的控制目标。

在实际应用中，设计了如图3所示的参数A变化曲线，其随车速的变化而变化。当车速低于50km/h时，系数A为1，其物理意义为，车辆此时的目标横摆角速度响应为中性转向响应。原车辆为不足转向，则中性转向的目标跟踪意味着提高了车辆的转向机动性。

当车速高于或等于50km/h时，系数A由1逐渐降低，则车辆不足转向特性逐渐加大，换言之，车辆此时的转向机动性逐渐降低，但高速区间内的转向稳定性逐渐提高。值得注意的是，系数A降低的斜率应随不同车辆、不同控制目标而改变。

由横摆角速度计算模块计算所得的理想横摆角速度，和由横摆角速度传感器所反馈的实际横摆角速度通过CAN网络被传送给整车控制器，整车控制器中的横摆力矩计算模块产生达到理想横摆角速度ω所需的横摆力矩M。一般来说，可以基于二者差值，通过PI控制器计算输出需求横摆力矩，并将此值发送给电机转矩分配模块。

在电机转矩分配模块中，首先根据车体姿态传感器反馈的车体纵向加速度a_x和车体横向加速度a_y，估算由电驱动的后两桥车轮的垂直载荷比例关系，并按照此比例关系将横摆力矩M进行比例分配，获得各轮边驱动电机的电机转矩，以实现横摆力矩计算模块中计算得的整车需求横摆力矩。

本实施例中，针对4轴车辆，电机转矩分配模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块、比例确定子模块和分配子模块。基于子模块划分后两桥车轮的垂直载荷比例通过以下流程计算得出：首先第一计算子模块基于整车重力及纵向加速度传感器所反馈的纵向加速度信号，以及其他预设参数，估算前两桥车轮垂直载荷之和与后两桥车轮垂直载荷之和：

式中：G为车辆总重力；m为车辆总质量；a_x为车辆纵向加速度；H为车辆质心高度；L’为一二轴中心与二三轴中心之间的距离；G₁₂为前两桥车轮垂直载荷之和；G₃₄为后两桥车轮垂直载荷之和。在此计算过程中，4轴车辆被假设为2轴车辆，假设1轴中心线位于原1,2轴中心线连线中点，假设2轴中心线位于原3,4轴中心线连线中点。

当完成后两桥车轮垂直载荷之和计算后，则第二计算子模块计算三桥车轮垂直载荷之和与四桥车轮垂直载荷之和。在此过程中，同样需要利用纵向加速度传感器所反馈的纵向加速度信号和一些预设参数：

式中：H’为车辆后半部质心高度；L₃₄为三、四轴轴距；G₃为三桥车轮垂直载荷；G₄为四桥车轮垂直载荷；m'为车辆后半部的总质量，这是一种等效估计的方法，其假设后两轴组成一台车。

至此，已经完成三桥车轮垂直载荷之和以及四桥车轮垂直载荷之和的计算，第三计算子模块结合侧向加速度传感器所反馈的侧向加速度信号，可最终确定三桥、四桥各车轮垂直载荷：

和

式中：B为车辆轮距；a_y为车辆横向加速度；G_3L和G_4L分别为三桥、四桥左侧车轮垂直载荷；G_3R和G_4R分别为三桥、四桥右侧车轮垂直载荷。

比例确定子模块将上述三式联立，可获得后两桥各车轮垂直载荷大小G_3L,G_3R,G_4L,G_4R及比例

P＝G_3L:G_3R:G_4L:G_4R

式中：P为后两桥各车轮垂直载荷比例。

在完成了后两桥各车轮垂直载荷比例计算的基础上，分配子模块根据后两桥各车轮垂直载荷大小G_3L,G_3R,G_4L,G_4R及比例P＝G_3L:G_3R:G_4L:G_4R，成比例的分配驱动电机转矩以提供横摆力矩M，驱动电机转矩的分配计算方法为：

式中：T_3L、T_4L、T_3R、T_4R分别为三桥左侧、四桥左侧、三桥右侧、四桥右侧电机转矩；M为横摆力矩计算模块所得到的需求横摆力矩。

最终，整车控制器将后两桥各车轮驱动电机转矩指令下发至各电机控制器。

同时，结合表1中所列出的实车参数进行了虚拟样机仿真，仿真结果表明，在较大幅值转向的高速蛇形绕桩工况下，所提出的操纵稳定性控制系统很好的维持了车辆的操纵稳定性。

表1.整车相关参数

参数	数值	参数	数值
				整车质量	25000kg	1、4轴距	2.7m
质心高度	1.5m	轮距	1.7m
				车轮半径	0.4m	转向系传动比	14
电机峰值功率	60kW	电机峰值转矩	350Nm

图4反应了车辆在蛇形绕桩工况下的车速变化，由于车辆油门开度被假设为常数，故而随着转向阻力的变化，车速出现小幅度波动。图5反应了车辆实际横摆角速度与理想横摆角速度的关系，可以看到，操纵稳定性控制系统良好的跟踪了理想横摆角速度的变化。图6反应了车辆此时的侧向加速度，可以看到侧向加速度已经高达0.7g左右，但车辆仍然可以维持继续运动而不至于失去稳定性。图7反应了车辆的质心侧偏角，可以看到质心侧偏角处于较小的范围内，故而车辆仍在如此高的侧向加速度下仍具有良好的转弯姿态。图8给出了操纵稳定性控制系统中横摆力矩计算模块的需求横摆力矩实时计算结果，可以看到，需求横摆力矩在正负间反复变化以维持车辆运动跟踪理想横摆角速度。

本发明填补了8×8多轴分布式驱动车辆操纵稳定性控制系统的空白，针对8×8分布式机电驱动车辆后两桥车轮采用轮边电机独立驱动的方案，本发明在横摆力矩至各车轮驱动电机转矩的映射建立中，考虑了各车轮垂直载荷的大小及附着能力，从而成比例的分配电机转矩以实现需求横摆力矩。同时，所采用的横摆角速度参考模型可根据需求自由调节，从而改变车辆转向特性，使车辆达到低速转向机动性强、高速转向稳定性强的效果，这符合对多轴军用车辆转向性能的一般要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)

1.一种用于多轴分布式机电驱动车辆的操纵稳定性控制系统，适用于n轴轮式车辆，其特征在于，在由发动机驱动前n₁桥车轮的基础上，采用电驱动后n₂桥车轮，n₁+n₂＝n；该系统包括：整车控制器、转向盘转角传感器、车体姿态传感器、针对后n₂桥车轮中的每个后桥车轮设置的轮边驱动电机及其电机控制器；整车控制器、转向盘转角传感器、车体姿态传感器之间通过通讯网络进行信息传递；

所述整车控制器包括车速获取模块、目标横摆角速度计算模块、横摆力矩计算模块和电机转矩分配模块；其中，

所述车速获取模块，用于获取当前车速V，发送给所述横摆角速度计算模块；

所述横摆角速度计算模块，用于根据当前车速V和转向盘转角传感器发来的转向盘转角δ，计算所需的理想横摆角速度ω，发送给所述横摆力矩计算模块；

所述横摆角速度计算模块结合转向系传动比i_s、最前桥与最后桥轴距L和中性转向系数A计算所需的理想横摆角速度ω的公式为：

$\mathrm{\ω}=A\·\frac{(\mathrm{\δ}/i_s)\·V}{L}$

所述中性转向系数A表征理想横摆角速度响应与中性转向响应的比例关系；

所述横摆力矩计算模块，用于根据所需的理想横摆角速度ω和车体姿态传感器反馈的实际横摆角速度产生达到理想横摆角速度ω所需的横摆力矩M，发送给电机转矩分配模块；

所述电机转矩分配模块，用于根据车体姿态传感器反馈的车体纵向加速度a_x和车体横向加速度a_y，估算由轮边驱动电机驱动的各个车轮的垂直载荷比例关系，根据该垂直载荷比例关系将横摆力矩M进行比例分配，获得各轮边驱动电机的电机转矩，发送给各个轮边驱动电机的电机控制器。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车速获取模块利用后桥轮边驱动电机反馈的电机转速计算得到，计算公式为：

$V=\left(\frac{\underset{j}{\overset{N}{\Σ}}{n}_j}{N\·i}\right)R$

其中，V为车速，n_j为第j个轮边驱动电机的电机转速，N为轮边驱动电机的总数，i为减速器传动比，R为轮胎半径。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，中性转向系数A随车速变化而变化，车速越大，A值越小。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当车速低于50km/h时，中性转向系数A＝1，当车速高于或等于50km/h时，中性转向系数A由1逐渐降低。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述横摆力矩计算模块将所需的理想横摆角速度ω和车体姿态传感器反馈的实际横摆角速度相减，根据差值通过比例微分控制计算输出需求横摆力矩M。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机转矩分配模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块、比例确定子模块和分配子模块；n＝4；

第一计算子模块，用于基于整车重力G及车体姿态传感器所反馈的车体纵向加速度a_x，以及其他预设参数，计算前两桥车轮垂直载荷之和与后两桥车轮垂直载荷之和；

第二计算子模块，用于基于车体姿态传感器所反馈的车体纵向加速度a_x，以及其他预设参数，计算三桥车轮垂直载荷之和与四桥车轮垂直载荷之和的计算关系；

第三计算子模块，用于基于车体姿态传感器所反馈的车体横向加速度a_y，以及其他预设参数，计算三桥、四桥各车轮垂直载荷；

比例确定子模块，用于第一计算子模块、第二计算子模块和第三计算子模块计算结果联立，获得后两桥各车轮垂直载荷大小和比例P；

分配子模块，用于根据后两桥各车轮垂直载荷大小及比例P，成比例的分配驱动电机转矩以提供横摆力矩M。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，

当n₁＝n₂＝2时，第一计算子模块的计算方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_{12}+G_{34}=G\\ G_{12}-G_{34}=\frac{2m\·a_x\·H}{L^{\′}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：m为车辆总质量；H为车辆质心高度；L’为一二轴中心与三四轴中心之间的距离；G₁₂为前两桥车轮垂直载荷之和；G₃₄为后两桥车轮垂直载荷之和；

第二计算子模块的计算方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_3+G_4=G_{34}\\ G_3-G_4=\frac{2m^{\′}\·a_x\·H^{\′}}{L_{34}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：H’为车辆后半部质心高度；L₃₄为三、四轴轴距；G₃为三桥车轮垂直载荷；G₄为四桥车轮垂直载荷；m'为车辆后半部的总质量；

第三计算子模块建立的计算方式为：

和

式中：B为车辆轮距；G_3L和G_4L分别为三桥、四桥左侧车轮垂直载荷；G_3R和G_4R分别为三桥、四桥右侧车轮垂直载荷；

后两桥各车轮垂直载荷比例P＝G_3L:G_3R:G_4L:G_4R；

驱动电机转矩的分配方式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left\{\frac{\[(T_{3R}+T_{4R})-(T_{3L}+T_{4L})\]\·i}{R}\right\}\·B=M\\ T_{3L}:T_{3R}:T_{4L}:T_{4R}=P\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，T_3L、T_4L、T_3R、T_4R分别为三桥左侧、四桥左侧、三桥右侧、四桥右侧电机转矩；R为轮胎半径，i为减速器传动比，。