CN105015363A - 一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统，包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪、CAN总线；协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器；助力电机以及四个驱动电机。本发明还提供一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制方法，可以有效降低来自于EPS系统和转矩分配系统之间的相互影响，在保证实现整车综合性能最优的基础之上，对EPS系统和转矩分配系统进行分工况协调控制，有效提高分布式驱动汽车的操纵稳定性。

Description

一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统及方法

技术领域

本发明属于电动汽车集成控制领域，具体涉及一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统及方法。

背景技术

分布式驱动系统是一种可以在包含极限工况在内的各种工况下都能很好改善车辆操纵稳定性的电动汽车驱动系统。它所包含的驱动电机既是执行单元也是信息反馈单元，四轮转矩/转速信息的获取为提高基于运动学及动力学的车辆状态估计算法精度提供了可能；同时可以实现四轮驱动/制动转矩独立、精确可控。当前，我国已将新能源汽车列入“七大战略性新兴产业”发展规划，研究和探索节能、环保和安全的电动汽车成为实现我国新能源汽车战略需求和可持续发展的重要方向。就电动汽车驱动系统而言，四轮毂独立驱动的分布式电驱动汽车以其在动力配置、传动结构、操控性能及能源利用等方面的独特优势和巨大发展潜力成为电动汽车研发十分重要的前沿领域。

同时，电动助力转向系统(Electric Power Steering system，简称EPS)由电机直接提供助力，通过合适的综合控制方法，能十分方便的调节系统助力特性，在汽车中得到了越来越广泛的应用，代表着当今汽车助力转向系统的发展方向。当前欧美日等国家的新车EPS装车率已超过40％，其中日本小车EPS装车率已达到80％。EPS由于在主动安全性、环保节能、电子集成控制、可靠性、结构紧凑性等方面具有显著优势，成为电动汽车转向系统必然的选择。

尽管EPS能增强驾驶员转向时的路感，改善车辆转向的响应，提高车辆操纵稳定性。但是，当车辆在复杂运行工况下运行，如在转弯驱动/制动工况、以及较低附着系数等工况下产生大侧向力加速度时，由于载荷转移、路面附着系数变化等原因，轮胎处于为非线性特性区，轮胎侧向力呈非线性变化，此时EPS所产生的转向控制效果减弱，容易引起汽车的快速瞬态侧滑而导致车身控制失稳，从而导致驾驶员精神紧张和误操作，直接危害车辆操纵稳定性和行驶安全性，仅靠EPS是难以保证车辆在各种情况下都有良好的操纵稳定性。

中国专利201410016002.X提出通过获取差动助力曲线，计算出附加横摆力矩，最后通过驱动转矩分配，改善整车操纵性能。但是并没有考虑转向工况下，电动助力转向(EPS)对于整车操作性能的影响。中国专利201410478935.0提出用于四轮独立驱动电动汽车在加速、转向行驶下进行四轮转矩分配。但是没有给出将电动助力转向(EPS)与转矩分配综合起来考虑的控制策略。中国专利201120507769.4提出一种四轮驱动和助力转向的电动车控制装置。但是并没有给出电动助力转向(EPS)与分布式驱动转矩分配具体的控制策略，缺乏对车辆在不同形式工况下最佳控制策略的选择。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统及方法，在保证分布式驱动电动汽车在极限工况下EPS系统正常工作的同时，提高了分布式驱动汽车整车操纵稳定性。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统，其特征在于，包括CAN总线、分别与CAN总线连接的车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪、协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器，以及助力电机和四个轮毂驱动电机；所述四个轮毂驱动电机分别与右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器电联接，所述助力电机与EPS控制器电联接；

所述车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和助力电机电枢电流传感器分别用于实时测量车辆的车速、转向盘转角、转向盘转矩和助力电机电枢电流，并通过CAN总线传递给EPS控制器和协调控制器；

所述油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块分别用于实时测量油门踏板、制动踏板的运动状态并通过CAN总线传递给协调控制器，以判定驾驶员的加速/制动意图；

所述驱动电机状态监测模块用来监测四个轮毂驱动电机的转矩和转速信号、并通过CAN总线传递给右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器、转矩分配控制器和协调控制器；

所述陀螺仪安装在车辆内部，陀螺仪底部与车辆底盘保持平行，用来检测车辆横摆角速度和侧向加速度，并通过CAN总线传递给协调控制器；

所述协调控制器用来根据各个传感器信号判断车辆的当前状态，并根据车辆运动状态控制EPS控制器、转矩分配控制器采取不同的控制策略，并对EPS控制器和转矩分配控制器输出的各自补偿转矩进行加权调整得到T_{EPS_real}和T_{TD_real}，再向EPS控制器、转矩分配控制器发出控制指令；

所述EPS控制器根据协调控制器的指令进行不同的控制策略，根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线计算得助力电机应该提供的助力转矩M_{z_EPS}′；并根据协调控制器的指令对助力电机发出实际输出的转矩T_{EPS_real}；

所述助力电机用来根据EPS控制器输出助力转矩；

所述转矩分配控制器根据协调控制器的指令进行不同的控制策略，计算四个轮毂电机应该提供的驱动转矩ΔT_mlr、ΔT_mlf、ΔT_mrf、ΔT_mrr；并根据协调控制器的指令将四个轮毂电机应该输出的实际输出的转矩分配给四个驱动电机控制器；

所述右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器根据转矩分配控制器的指令控制各自驱动的轮毂驱动电机输出相应转矩，同时监测各自驱动的轮毂驱动电机的执行情况。

一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)车速传感器、转向盘转角传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪实时采集车辆的车速、转向盘转角、油门踏板运动状态、制动踏板运动状态、轮毂驱动电机的运行状态以及车辆横摆角速度，并通过CAN总线传递给协调控制器，协调控制器根据接收到的信息判断车辆的当前运动状态；

(2)EPS控制器根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线、不同的工况计算助力电机应该提供的助力转矩M_{z_EPS}′，转矩分配控制器计算得出不同的工况下四个轮毂驱动电机应该提供的助力转矩，对于不同的工况EPS控制器、转矩分配控制器的控制策略如下：

a.当车辆的当前运动状态为常规转向时：

EPS控制器采用常规助力控制，助力电机提供的助力力矩为：

其中，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，比例系数K_p为＝1.695，积分系数K_i＝3.673，微分系数K_d＝0.26；

转矩分配控制器采取差速控制，保证左前轮角速度ω_lf、右前轮角速度ω_rf、车辆前轴中点处角速度ω_fo、左后轮角速度ω_lr、右后轮角速度ω_rr、车辆等效后轴中点处角速度ω_ro满足ω_lf+ω_rf＝2ω_fo和ω_lr+ω_rr＝2ω_ro；

b.当车辆的当前运动状态为转向制动/驱动工况时：

①若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率小于20％，转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取正向补偿控制；

②若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率大于20％，则触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块；

③若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率大于20％，则触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块；

④若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率小于20％，则转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取反向阻尼控制；

c.当车辆的当前运动状态为紧急避让工况时：

①若陀螺仪检测的当前侧向加速度信号0<a_y<3.92m/s²，则转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取正向补偿控制；

②若陀螺仪检测的当前侧向加速度信号a_y>3.92m/s²，则转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，EPS系统采用反向阻尼控制；

所述EPS系统正向补偿控制时助力电机附加的正向补偿力矩ΔT_mr1为

M_{z_EPS}′＝ΔT_mr1＝-(K_pe_h+K_i∫e_hdt)

其中，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为0.5，积分系数K_i为0.083；

EPS系统反向阻尼控制时助力电机附加的反向阻尼力矩ΔT_m为

其中，K_m为电动机输出轴刚性系数，R_m为电枢绕组电阻，ω_m为助力电机转速；

转矩分配系统采用前、后轮驱动力矩分配控制时，四个轮毂电机的附加转矩分别为：

ΔT_mlr＝ΔT_mrr＝0.5ψ(M_Z-M₀)，ΔT_mlf＝ΔT_mrf＝0.38ψ(M_Z-M₀)

转矩分配系统的左、右轮驱动力矩分配控制时，四个轮毂电机的附加转矩分别为：

ΔT_mlr＝ΔT_mlf＝0.5ψ(M_Z-M₀)，ΔT_mrf＝ΔT_mrr＝0.33ψ(M_Z-M₀)

其中，ΔT_mlr为左后轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mrr为右后轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mlf为左前轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mrf为右前轮毂驱动电机附加转矩，M_Z为总横摆力矩，M₀为初始横摆力矩，ψ为转矩分配系统所占比例系数，转向制动/驱动工况下ψ取值见表1，紧急避让工况下ψ取值见表2；

表1转向制动/驱动工况下转矩分配系统所占比例系数

表2紧急避让工况下转矩分配系统所占比例系数

其中，ψ为转矩分配系统所占比例系数，；

(3)协调控制器根据以下公式对EPS控制器和转矩分配控制器应该提供的助力转矩进行协调：

EPS系统实际输出的转矩T_{EPS_real}＝W₁M_{z_EPS}′，

转矩分配系统实际输出的转矩T_{TD_real}＝W₂M_{z_TD}′，

其中，W₁为EPS系统所对应的相应权重，W₂为转矩分配系统所对应的相应权重，当车辆的当前运动状态为转向制动/驱动工况时W₁＝0.8,W₂＝0.65，当车辆的当前运动状态为紧急避让工况时W₁＝0.75,W₂＝0.9；

四个轮毂电机实际输出的驱动转矩为：

前、后轮驱动力矩分配控制：

左右轮驱动力矩分配控制：

(4)EPS控制器控制助力电机提供助力转矩T_{EPS_real}，转矩分配控制器分别向右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器发出控制指令，进一步控制四个轮毂电机分别提供助力转矩，同时助力电机电枢电流传感器检测助力电机的实时电流，并将其反馈到EPS控制器；驱动电机状态监测模块实时检测各轮毂驱动电机的转矩，并将其反馈到各驱动电机控制器，形成闭环控制。

本发明通过对EPS系统和转矩分配系统进行分层协调控制，针对常规转向与转向制动/驱动工况以及常规行驶与紧急避让工况下，EPS系统和转矩分配系统进行了各自系统权重系数的协调分配，并对EPS系统和转矩分配系统采取不同的控制方法，最终实现分布式驱动车辆在不同工况下的车辆动力学性能最优化。本发明能够有效降低来自于EPS系统和转矩分配系统之间的相互影响，在保证实现整车综合性能最优的基础之上，对EPS系统和转矩分配系统进行分工况协调控制，有效提高分布式驱动汽车的操纵稳定性。

附图说明

图1是基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统框图；

图2是基于分层协调的分布式驱动汽车实车连接示意图；

图3是EPS系统助力特性曲线示意图；

图4是常规转向与转向制动/驱动工况下分层协调控制策略流程图；

图5是常规行驶与紧急避让工况下分层协调控制策略流程图。

附图标记说明如下：

1-右前轮的轮毂驱动电机；2-左前轮的轮毂驱动电机；3-右后轮的轮毂驱动电机；4-左后轮的轮毂驱动电机；5-转向盘；6-转向轴；7-转矩传感器；8-减速机构；9-离合器；10-助力电机；11-齿轮齿条机构；12-油门踏板；13-制动踏板；14-右前轮驱动电机控制器；15-左前轮驱动电机控制器；16-右后轮驱动电机控制器；17-左后轮驱动电机控制器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明提供一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统，包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪、CAN总线；协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器；助力电机以及四个轮毂电机。所述车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和助力电机电枢电流传感器通过CAN总线将车速信号、转向盘转角、转向盘转矩和助力电机电枢电流传递给EPS控制器；所述油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块通过CAN总线将驾驶员的加速/制动意图转化数字信号传递给协调控制器；所述驱动电机状态监测模块用来监测各个驱动电机的转矩和转速信号；所诉陀螺仪安装在车辆内部，陀螺仪底部与车辆底盘保持平行，用来检测车辆横摆角速度；所述CAN总线用来共享各个传感器的数字信号，传递给各个控制器；所述协调控制器用来根据各个传感器信号判断车辆的当前状态，并根据车辆运动状态的不同制定相应的控制策略，对EPS系统和转矩分配系统进行协调匹配，使整车性能达到最优，同时负责监督控制策略执行情况，并根据车辆实时状态对策略进行动态调整；所述EPS控制器用来根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线计算得出当前系统应该提供的助力转矩；所述转矩分配控制器用来根据车辆的当前运动状态，实时给出相应的转矩分配算法，并将各轮应该输出的理想驱动电机转矩分配给四个驱动电机控制器；所述右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器，用来接收转矩分配控制器的指令，控制各自驱动电机输出相应转矩，并同时监测各自驱动电机的执行情况；所述助力电机用来根据EPS控制器输出助力转矩；所述四个轮毂驱动电机，安装在四个车轮内，用来根据各自的驱动电机控制的指令，输出相应的转矩。

如图2所示，分布式驱动汽车主要包括四个轮毂驱动电机作为整车驱动机构，以及采用400V电池作为分布式驱动车辆的动力来源，安装在车辆底部。右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器分别安装在各自车轮的轮毂驱动电机附近，便于数字信号传递。协调控制器与转矩分配控制器安装在车辆底盘中后部，均与CAN总线相连。EPS系统的机械部分主要包括转向盘和转向轴、助力电机、减速结构、离合器和齿轮齿条机构六部分，EPS控制器安装在EPS系统的机械部分的附近，便于数字信号传递，同样与CAN总线相连。EPS控制器根据转矩传感器和车速传感器传递过来的转矩和车速信号，根据助力特性曲线，如图3所示，确定当前车速下最合适的助力转矩。

本发明还提供一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制方法，包括以下步骤：

第一步，车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪实时采集车辆的车速、转向盘转角、转向盘转矩、助力电机电枢电流、油门踏板运动状态、制动踏板运动状态、轮毂驱动电机的运行状态以及车辆横摆角速度，并通过CAN总线传递给协调控制器，协调控制器根据接收到的信息判断车辆的当前运动状态。

(2)EPS控制器根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线、不同的工况计算助力电机应该提供的助力转矩M_{z_EPS}′，转矩分配控制器计算得出不同的工况下四个轮毂驱动电机应该提供的助力转矩，对于不同的工况EPS控制器、转矩分配控制器的控制策略如下：

a.当车辆的当前运动状态为常规转向时：

EPS控制器采用常规助力控制，助力电机提供的助力力矩为：

其中，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，比例系数K_p为＝1.695，积分系数K_i＝3.673，微分系数K_d＝0.26。

转矩分配控制器采取差速控制，即保证左前轮角速度ω_lf、右前轮角速度ω_rf、车辆前轴中点处角速度ω_fo、左后轮角速度ω_lr、右后轮角速度ω_rr、车辆等效后轴中点处角速度ω_ro满足ω_lf+ω_rf＝2ω_fo和ω_lr+ω_rr＝2ω_ro。

b.当车辆的当前运动状态为转向制动/驱动工况时：

①若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率小于20％，转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取正向补偿控制；

②若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率大于20％，则触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块；

③若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率大于20％，则触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块；

④若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率小于20％，则转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取反向阻尼控制。

c.当车辆的当前运动状态为紧急避让工况时：

①若陀螺仪检测的当前侧向加速度信号0<a_y<3.92m/s²，则转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取正向补偿控制；

②若陀螺仪检测的当前侧向加速度信号a_y>3.92m/s²，则转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，EPS系统采用反向阻尼控制。

所述EPS系统正向补偿控制时助力电机附加的正向补偿力矩ΔT_mr1为

M_{z_EPS}′＝ΔT_mr1＝-(K_pe_h+K_i∫e_hdt)

其中，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为0.5，积分系数K_i为0.083；

EPS系统反向阻尼控制时助力电机附加的反向阻尼力矩ΔT_m为

其中，K_m为电动机输出轴刚性系数，R_m为电枢绕组电阻，ω_m为助力电机转速；

转矩分配系统采用前、后轮驱动力矩分配控制时，四个轮毂电机的附加转矩分别为：

ΔT_mlr＝ΔT_mrr＝0.5ψ(M_Z-M₀)，ΔT_mlf＝ΔT_mrf＝0.38ψ(M_Z-M₀)

转矩分配系统的左、右轮驱动力矩分配控制时，四个轮毂电机的附加转矩分别为：

ΔT_mlr＝ΔT_mlf＝0.5ψ(M_Z-M₀)，ΔT_mrf＝ΔT_mrr＝0.33ψ(M_Z-M₀)

其中，ΔT_mlr为左后轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mrr为右后轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mlf为左前轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mrf为右前轮毂驱动电机附加转矩，M_Z为总横摆力矩，M₀为初始横摆力矩，ψ为转矩分配系统所占比例系数，转向制动/驱动工况下ψ取值见表1，紧急避让工况下ψ取值见表2；

表1转向制动/驱动工况下转矩分配系统所占比例系数

表2紧急避让工况下转矩分配系统所占比例系数

其中，ψ为转矩分配系统所占比例系数，

(3)协调控制器根据以下公式对EPS控制器和转矩分配控制器应该提供的助力转矩进行协调：

EPS系统实际输出的转矩T_{EPS_real}＝W₁M_{z_EPS}′，

转矩分配系统实际输出的转矩T_{TD_real}＝W₂M_{z_TD}′，

其中，W₁为EPS系统所对应的相应权重，W₂为转矩分配系统所对应的相应权重，当车辆的当前运动状态为常规转向或转向制动/驱动工况时W₁＝0.8,W₂＝0.65，当车辆的当前运动状态为紧急避让工况时W₁＝0.75,W₂＝0.9；

四个轮毂电机实际输出的驱动转矩为：

前、后轮驱动力矩分配控制：

左右轮驱动力矩分配控制：

(4)EPS控制器控制助力电机提供助力转矩T_{EPS_real}，转矩分配控制器分别向右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器发出控制指令，进一步控制四个轮毂电机分别提供助力转矩，同时助力电机电枢电流传感器检测助力电机的实时电流，并将其反馈到EPS控制器；驱动电机状态监测模块实时检测各轮毂驱动电机的转矩，并将其反馈到各驱动电机控制器，形成闭环控制。

下面对常规转向与转向制动/驱动工况、以及常规行驶与紧急避让工况下分层协调控制方法进行详细介绍。

常规转向与转向制动/驱动工况下分层协调控制方法如图4所示，分布式驱动车辆首先以一定初速度直线行驶，系统开始对转向盘的转角信号进行检测，判断当前转向盘转角δ_sw是否等于零，即判断驾驶员是否有转向的意图，如果转向盘转角δ_sw等于零，即保持直线，系统则继续检测转向盘转角不采取任何指令；当检测到转向盘转角δ_sw不等于零，且保持一定时间，这里设定保持时间大于2s，此时判定驾驶员正在转向过程中，在转向过程中同时对驱动/制动踏板信号进行检测，如果在转向过程中没有驱动/制动踏板信号，则认为车辆当前工况位常规转向工况，转矩分配控制器采取差速控制，保证左前轮和右前轮的转矩，以及左后轮和右后轮转矩保持相等，即同时满足

ω_lf+ω_rf＝2ω_fo

ω_lr+ω_rr＝2ω_ro

其中，ω_lf为左前轮角速度，ω_rf为右前轮角速度，ω_fo为车辆前轴中点处等效角速度，ω_lr为左后轮角速度，ω_rr为右后轮角速度，ω_ro为车辆后轴中点处等效角速度。对于各个轮毂驱动电机而言，可以将角速度用电机转速n来表示，根据公式计算，即

n_lf+n_rf＝2n_fo

n_lr+n_rr＝2n_ro

其中，n_lf为左前轮电机转速n_rf为右前轮电机转速n_lr为左后轮电机转速n_rr为右后轮电机转速n_fo车辆前轴中点处等效转速n_ro车辆后轴中点处等效转速。

同时，EPS控制器提供常规助力控制，

其中T_mr为助力电机助力力矩，e_h为目标助力电机电枢电流和实际助力电机电枢电流的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为1.695，积分系数K_i为3.673，微分系数K_d为0.26。

如果在转向过程中有制动/驱动踏板信号，即判定驾驶员在转向过程中采取制动或驱动操作，此时系统根据陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号进行判断，根据大量仿真试验可知，如果横摆角速度的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，认为此时车辆的状态仍处于稳定状态，同时判断制动或驱动轮的滑移率是否大于20％。

其中，s为滑移率，u_w为车轮中心的速度，与车速等效，r_r0为没有地面制动力时的车轮滚动半径，是已知常量，ω_w为车轮的角速度，可通过轮毂驱动电机的运行状态检测模块检测到的电机转速通过公式ω＝2πn换算求出。

如果大于20％就认为车轮处于打滑的临界状态，此时触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块，防止车轮出现打滑的危险情况，如果小于20％就认为车轮处于纯滚动状态，无需触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块，此时协调控制器使转矩分配控制器采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS控制器采取正向补偿控制，来补偿车辆的侧偏趋势。

M_z＝M₀+M_z′

其中M_Z为总横摆力矩，M₀为初始横摆力矩，M_z′为附加横摆力矩，当前工况下，初始横摆力矩M₀＝0，即M_z＝M_z′。

M_z′＝M_{z_EPS}′+M_{z_TD}′

其中M_{z_EPS}′为EPS系统提供的附加横摆力矩分量，M_{z_TD}′为转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量。

其中ΔF_xrf，ΔF_xlf，ΔF_xrr，ΔF_xlr分别为右前轮、左前轮、右后轮和左后轮纵向附加驱动力，B为车轮轮距。

轮毂驱动电机转矩与车轮纵向力的关系为：

其中ΔT_mij为各个轮毂驱动电机附加转矩，R为车轮半径。根据横摆力矩与纵向力的关系，并带入上式可求得各个轮毂驱动电机附加转矩与转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量的关系：

上式就是右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器控制各自驱动电机输出相应附加转矩的依据。具体而言，此时车辆以向左转向为例，此时前、后轮驱动力矩分配即增加后面两个车轮的纵向驱动力矩，同时降低前面两个车轮的纵向驱动力矩。

EPS系统采取正向补偿控制，

M_{z_EPS}′＝ΔT_mr1＝-(K_pe_h+K_i∫e_hdt)

其中ΔT_mr1为助力电机附加的正向补偿力矩，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数。通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为0.5，积分系数K_i为0.083。

如果横摆角速度的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，认为此时车辆的状态处于危险状态，同时判断制动或驱动轮的滑移率是否大于20％，如果大于20％就认为车轮处于打滑的临界状态，此时触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块，防止车轮出现打滑的危险情况，果小于20％就认为车轮处于纯滚动状态，无需触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块，此时协调控制器使转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，即需要提供较大的附加力矩用来补偿车辆的侧偏趋势；同时对于EPS系统采取反向阻尼控制，即反向增加助力矩，使电动机输出反向转矩，起到阻尼的效果，目的同样是提供较大的附加力矩补偿车辆的侧偏趋势。

转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量为：

其中ΔF_xrf，ΔF_xlf，ΔF_xrr，ΔF_xlr分别为右前轮、左前轮、右后轮和左后轮纵向附加驱动力，B为车轮轮距。

轮毂驱动电机转矩与车轮纵向力的关系为：

其中ΔT_mij为各个轮毂驱动电机附加转矩，R为车轮半径。根据横摆力矩与纵向力的关系，并带入上式可求得各个轮毂驱动电机附加转矩与转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量的关系：

上式就是右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器控制各自驱动电机输出相应附加转矩的依据。具体而言，此时车辆以向左转向为例，此时左、右轮驱动力矩分配即增加左侧两个车轮的纵向驱动力矩，同时降低右侧两个车轮的纵向驱动力矩。

EPS系统采取反向阻尼控制，即反向增加助力矩，使电动机输出反向转矩，起到阻尼的效果，目的同样是提供较大的附加力矩补偿车辆的侧偏趋势。

其中ΔT_m为助力电机附加的反向阻尼力矩，K_m为电动机输出轴刚性系数，R_m为电枢绕组电阻，ω_m为助力电机转速。

常规行驶与紧急避让工况下分层协调控制方法如图5所示，分布式驱动车辆首先以一定初速度直线行驶，系统开始对转向盘的转角信号进行检测，判断当前转向盘转角δ_sw是否等于零，如果检测到转向盘转角δ_sw不为零，并且转矩传感器检测到转矩存在突变阶跃脉冲信号，则认定驾驶员此时突然打转向盘，进入紧急避让工况，此时系统继续根据陀螺仪检测侧向加速度信号，根据大量仿真试验可知，如果侧向加速度信号0<a_y<3.92m/s²，认为此时车辆的状态仍处于稳定状态，此时协调控制器开始对于EPS系统和转矩分配系统进行协调，最终使转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，即只需提供较小的附加力矩用来补偿车辆的侧偏趋势；同时对于EPS系统采取正向补偿控制，即相应减小所提供助力的大小，提供较小的附加助力矩，目的同样是补偿车辆的侧偏趋势。

转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量为：

其中ΔF_xrf，ΔF_xlf，ΔF_xrr，ΔF_xlr分别为右前轮、左前轮、右后轮和左后轮纵向附加驱动力，B为车轮轮距。

轮毂驱动电机转矩与车轮纵向力的关系为：

其中ΔT_mij为各个轮毂驱动电机附加转矩，R为车轮半径。根据横摆力矩与纵向力的关系，并带入上式可求得各个轮毂驱动电机附加转矩与转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量的关系：

上式就是右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器控制各自驱动电机输出相应附加转矩的依据。具体而言，此时车辆以向左转向为例，此时前、后轮驱动力矩分配即增加后面两个车轮的纵向驱动力矩，同时降低前面两个车轮的纵向驱动力矩。

同时对于EPS系统采取正向补偿控制，即相应减小所提供助力的大小，提供较小的附加助力矩，目的同样是补偿车辆的侧偏趋势。

M_{z_EPS}′＝ΔT_mr1＝-(K_pe_h+K_i∫e_hdt)

其中ΔT_mr1为助力电机附加的正向补偿力矩，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数。通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为0.5，积分系数K_i为0.083。

如果侧向加速度信号a_y>3.92m/s²，认为此时车辆的状态处于危险状态，此时协调控制器开始对于EPS系统和转矩分配系统进行协调，最终使转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，即需要提供较大的附加力矩用来补偿车辆的侧偏趋势；同时对于EPS系统采取反向阻尼控制，即反向增加助力矩，使电动机输出反向转矩，起到阻尼的效果，目的同样是提供较大的附加力矩补偿车辆的侧偏趋势。

转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量为：

其中ΔF_xrf，ΔF_xlf，ΔF_xrr，ΔF_xlr分别为右前轮、左前轮、右后轮和左后轮纵向附加驱动力，B为车轮轮距。

轮毂驱动电机转矩与车轮纵向力的关系为：

其中ΔT_mij为各个轮毂驱动电机附加转矩，R为车轮半径。根据横摆力矩与纵向力的关系，并带入上式可求得各个轮毂驱动电机附加转矩与转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量的关系：

上式就是右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器控制各自驱动电机输出相应附加转矩的依据。具体而言，此时车辆以向左转向为例，此时左、右轮驱动力矩分配即增加左侧两个车轮的纵向驱动力矩，同时降低右侧两个车轮的纵向驱动力矩。

同时对于EPS系统采取反向阻尼控制，即反向增加助力矩，使电动机输出反向转矩，起到阻尼的效果，目的同样是提供较大的附加力矩补偿车辆的侧偏趋势。

其中ΔT_m为助力电机附加的反向阻尼力矩，K_m为电动机输出轴刚性系数，R_m为电枢绕组电阻，ω_m为助力电机转速。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制系统，其特征在于，包括CAN总线、分别与CAN总线连接的车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪、协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器，以及助力电机和四个轮毂驱动电机；所述四个轮毂驱动电机分别与右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器电联接，所述助力电机与EPS控制器电联接；

所述车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和助力电机电枢电流传感器分别用于实时测量车辆的车速、转向盘转角、转向盘转矩和助力电机电枢电流，并通过CAN总线传递给EPS控制器和协调控制器；

所述油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块分别用于实时测量油门踏板、制动踏板的运动状态并通过CAN总线传递给协调控制器，以判定驾驶员的加速/制动意图；

所述驱动电机状态监测模块用来监测四个轮毂驱动电机的转矩和转速信号、并通过CAN总线传递给右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器、转矩分配控制器和协调控制器；

所述陀螺仪安装在车辆内部，陀螺仪底部与车辆底盘保持平行，用来检测车辆横摆角速度和侧向加速度，并通过CAN总线传递给协调控制器；

所述协调控制器用来根据各个传感器信号判断车辆的当前状态，并根据车辆运动状态控制EPS控制器、转矩分配控制器采取不同的控制策略，并对EPS控制器和转矩分配控制器输出的各自补偿转矩进行加权调整得到T_{EPS_real}和T_{TD_real}，再向EPS控制器、转矩分配控制器发出控制指令；

所述EPS控制器根据协调控制器的指令进行不同的控制策略，根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线计算得助力电机应该提供的助力转矩M_{z_EPS}′；并根据协调控制器的指令对助力电机发出实际输出的转矩T_{EPS_real}；

所述助力电机用来根据EPS控制器输出助力转矩；

所述转矩分配控制器根据协调控制器的指令进行不同的控制策略，计算四个轮毂电机应该提供的驱动转矩ΔT_mlr、ΔT_mlf、ΔT_mrf、ΔT_mrr；并根据协调控制器的指令将四个轮毂电机应该输出的实际输出的转矩分配给四个驱动电机控制器；

所述右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器根据转矩分配控制器的指令控制各自驱动的轮毂驱动电机输出相应转矩，同时监测各自驱动的轮毂驱动电机的执行情况。

2.一种基于分层协调的分布式驱动汽车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)车速传感器、转向盘转角传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪实时采集车辆的车速、转向盘转角、油门踏板运动状态、制动踏板运动状态、轮毂驱动电机的运行状态以及车辆横摆角速度，并通过CAN总线传递给协调控制器，协调控制器根据接收到的信息判断车辆的当前运动状态；

(2)EPS控制器根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线、不同的工况计算助力电机应该提供的助力转矩M_{z_EPS}′，转矩分配控制器计算得出不同的工况下四个轮毂驱动电机应该提供的助力转矩，对于不同的工况EPS控制器、转矩分配控制器的控制策略如下：

a.当车辆的当前运动状态为常规转向时：

EPS控制器采用常规助力控制，助力电机提供的助力力矩为：

${M_{z\_EPS}}^{\&prime;}=T_{mr}=-(K_p{e}_h+K_i\&Integral;e_{h}dt+K_d{\stackrel{\&CenterDot;}{e}}_h)$

其中，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，比例系数K_p为＝1.695，积分系数K_i＝3.673，微分系数K_d＝0.26；

转矩分配控制器采取差速控制，保证左前轮角速度ω_lf、右前轮角速度ω_rf、车辆前轴中点处角速度ω_fo、左后轮角速度ω_lr、右后轮角速度ω_rr、车辆等效后轴中点处角速度ω_ro满足ω_lf+ω_rf＝2ω_fo和ω_lr+ω_rr＝2ω_ro；

b.当车辆的当前运动状态为转向制动/驱动工况时：

①若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率小于20％，转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取正向补偿控制；

②若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值0<|ω_r|<0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率大于20％，则触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块；

③若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率大于20％，则触发制动防抱死系统/驱动防滑系统模块；

④若陀螺仪采集到的车辆横摆角速度信号的绝对值|ω_r|>0.02rad/s，且制动或驱动轮的滑移率小于20％，则转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取反向阻尼控制；

c.当车辆的当前运动状态为紧急避让工况时：

①若陀螺仪检测的当前侧向加速度信号0<a_y<3.92m/s²，则转矩分配系统采取前、后轮驱动力矩分配控制，EPS系统采取正向补偿控制；

②若陀螺仪检测的当前侧向加速度信号a_y>3.92m/s²，则转矩分配系统采取左、右轮驱动力矩分配控制，EPS系统采用反向阻尼控制；

所述EPS系统正向补偿控制时助力电机附加的正向补偿力矩ΔT_mr1为

M_{z_EPS}′＝ΔT_mr1＝-(K_pe_h+K_i∫e_hdt)

其中，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为0.5，积分系数K_i为0.083；

EPS系统反向阻尼控制时助力电机附加的反向阻尼力矩ΔT_m为

${M_{z\_EPS}}^{\&prime;}={\mathrm{\&Delta;T}}_m=-\frac{{K_m}^2}{R_m}{\mathrm{\&omega;}}_m$

其中，K_m为电动机输出轴刚性系数，R_m为电枢绕组电阻，ω_m为助力电机转速；

转矩分配系统采用前、后轮驱动力矩分配控制时，四个轮毂电机的附加转矩分别为：

ΔT_mlr＝ΔT_mrr＝0.5ψ(M_Z-M₀)，ΔT_mlf＝ΔT_mrf＝0.38ψ(M_Z-M₀)

转矩分配系统的左、右轮驱动力矩分配控制时，四个轮毂电机的附加转矩分别为：

ΔT_mlr＝ΔT_mlf＝0.5ψ(M_Z-M₀)，ΔT_mrf＝ΔT_mrr＝0.33ψ(M_Z-M₀)

其中，ΔT_mlr为左后轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mrr为右后轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mlf为左前轮毂驱动电机附加转矩，ΔT_mrf为右前轮毂驱动电机附加转矩，M_Z为总横摆力矩，M₀为初始横摆力矩，ψ为转矩分配系统所占比例系数，转向制动/驱动工况下ψ取值见表1，紧急避让工况下ψ取值见表2；

表1 转向制动/驱动工况下转矩分配系统所占比例系数

表2 紧急避让工况下转矩分配系统所占比例系数

(3)协调控制器根据以下公式对EPS控制器和转矩分配控制器应该提供的助力转矩进行协调：

EPS系统实际输出的转矩T_{EPS_real}＝W₁M_{z_EPS}′，

转矩分配系统实际输出的转矩T_{TD_real}＝W₂M_{z_TD}′，

其中，W₁为EPS系统所对应的相应权重，W₂为转矩分配系统所对应的相应权重，当车辆的当前运动状态为转向制动/驱动工况时W₁＝0.8,W₂＝0.65，当车辆的当前运动状态为紧急避让工况时W₁＝0.75,W₂＝0.9；

四个轮毂电机实际输出的驱动转矩为：

前、后轮驱动力矩分配控制： $T_{TD\_real}=2W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mlr}=2W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mrr},T_{TD\_real}=\frac{W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mlr}}{0.38}=\frac{W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mrr}}{0.38}$

左右轮驱动力矩分配控制： $T_{TD\_real}=2W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mlr}=2W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mrr},T_{TD\_real}=\frac{W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mlr}}{0.33}=\frac{W_2{\mathrm{\&Delta;T}}_{mrr}}{0.33}$

(4)EPS控制器控制助力电机提供助力转矩T_{EPS_real}，转矩分配控制器分别向右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器发出控制指令，进一步控制四个轮毂电机分别提供助力转矩，同时助力电机电枢电流传感器检测助力电机的实时电流，并将其反馈到EPS控制器；驱动电机状态监测模块实时检测各轮毂驱动电机的转矩，并将其反馈到各驱动电机控制器，形成闭环控制。