CN105799503A - 具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，包括：车架；转向电机，其固定在车架上；以及转向托臂，能够绕转向电机的输出轴旋转；转向架，能够随着转向托臂一同旋转；驱动电机，转向立柱，轮毂可旋转的连接转向立柱，弹簧减振器总成，其设置转向托臂和转向立柱之间，用于对转向托臂支撑和减振；导向机构，用于对弹簧减振器总成运动提供导向，本发明采用轮边电机驱动汽车转向并将轮边电机设计成为簧上质量，提高汽车行驶平顺性和动力性，采用轮边电机控制驱动四轮驱动转矩，能够实现在不同车轮间的驱动转矩合理分配。

Description

具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成和控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘模块化结构总成和一种具有四轮轮边电机的电动汽车的四轮转矩控制方法。

背景技术

随着电动汽车设计理念的不断深入以及电力驱动系统的不断进步，工程师们希望电动汽车设计逐步摆脱传统内燃机车辆设计的思维束缚，因此出现了一种以四个电机独立驱动四个车轮的电动汽车底盘结构形式，即四轮独立电驱动底盘。从国内外研究现状来看，四轮独立驱动电动汽车主要采用轮毂电机驱动。由于轮毂电机安装在车轮内部，增加了汽车非簧载质量，使车辆的平顺性和操纵性变差，另外轮毂电机功率和转矩一般相比轮边电机小，汽车动力性不如轮边电机驱动，而采用轮边电机驱动，如果不能合理设计，也会增大非簧载质量，同时从结构上很难实现四轮独立驱动同时进行四轮独立转向。

发明内容

本发明的一个目的是采用轮边电机驱动汽车转向并将轮边电机设计成为簧上质量，提高汽车行驶平顺性和动力性。

本发明的另一个目的是将驱动、悬架和转向系统进行集成，设计出底盘模块化总成，使底盘上的各个部件连接关系和位置更加合理，转向和驱动更加顺畅。

本发明还有一个目的是采用轮边电机控制驱动四轮驱动转矩，能够实现在不同车轮间的驱动转矩合理分配。

本发明提供的技术方案为：

四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成，包括：

车架；

转向电机，其固定在所述车架上；以及

转向托臂，其位于所述车架下面，所述转向托臂连接所述转向电机的输出轴；能够绕所述转向电机的输出轴旋转；

转向架，其固定连接所述转向托臂，能够随着转向托臂一同旋转；

驱动电机，其固定在所述转向架上，为车轮提供旋转动力；

转向立柱，轮毂可旋转的连接所述转向立柱，所述转向立柱具有通孔，所述驱动电机的输出轴穿过所述通孔连接轮毂；

弹簧减振器总成，其设置所述转向托臂和所述转向立柱之间，用于支撑和减振；

导向机构，其平行于所述弹簧减振器总成设置，设置在所述转向托臂和所述转向立柱之间，用于对弹簧减振器总成的运动提供导向。

优选的是，所述车架还包括：

主体框架；以及

上安装板，其固定设置在所述主体框架上，所述转向电机固定安装在所述上安装板上；

下安装板，其固定设置在所述主体框架上，所述上安装板和下安装板形成一个具有通孔的封闭的壳体；

转向轴，其一端穿过所述壳体连接所述转向电机的输出轴；另一端固定在所述转向托臂上；

两个调心轴承，其套设在所述转向轴，并且位于转向轴和所述通孔的侧壁之间，用于适应所述转向电机输出轴和所述转向轴之间的角偏差；

推力球轴承，其设置在所述两个调心轴承之间，用于承受轴向载荷。

优选的是，其特征在于，所述转向架为两个平行三角形框架，所述三角形框架的一端固定在所述转向托臂上，所述三角形框架的位置最低的一边固定所述驱动电机。

优选的是，所述导向机构包括导轨，其顶部固定在所述转向转向托臂底部，所述导轨底部通过直线轴承连接在所述转向立柱上，所述导轨能够相对于所述转向立柱滑动。

优选的是，所述弹簧减震器总成下端通过球铰固定在所述转向立柱上，上端通过减震器吊耳固定在所述转向托臂上。

优选的是，还包括制动机构，其包括：

制动盘，其固定设置在轮毂上，并能够随车轮转动；

制动卡钳，其固定在所述转向立柱上，所述制动卡钳能够夹住制动盘，起到减速或者停车的作用。

优选的是，还包括转向模式控制模块，其连接所述转向电机，用于控制所述转向电机转动角度，能够控制电动汽车实现前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式、斜行模式、原地转向模式和横行模式中的一种。

一种具有四轮轮边电机的电动汽车的四轮转矩控制方法，

步骤一、通过传感器检测前轮转角；计算四个车轮的横摆力矩和在期望车速下的四轮目标驱动转矩；

步骤二、以车轮的工作负荷最小为目标，建立关于车轮的驱动力矩和车轮垂直载荷力矩的目标函数；

步骤三、采用有约束非线性二次规划方法求解四个车轮的驱动转矩，得到各轮驱动转矩优化值；用所述各轮驱动转矩的优化值驱动对应的各个车轮。

优选的是，所述有约束非线性二次规划方法使用的公式为：

$\underset{x}{\min }\frac{1}{2}{x}^{T}Hx+f^{T}x$

s.t.Ax≤bA_eqx＝b_eqLB≤x≤UB

其中，H是二次项系数矩阵和f^T是一次项系数矩阵，A、b为不等式约束系数阵，此处均为零阵；A_eq、b_eq为等式约束系数阵，LB和UB为车轮垂直载荷的下限和上限。

优选的是，所述横摆力矩表示为：

T＝B[F_x1F_x2F_x3F_x4]^T,F_xi≥0

$B=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)& \frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)& -\frac{w}{2}& \frac{w}{2}\end{array}\right]$

其中，T为横摆力矩；矩F_xi为各轮驱动力，i＝1,2,3,4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；w为前后轮距；a为质心到前轴距离；δ_f为前轮转角。所述在期望车速下的四轮目标驱动转矩T_xreq：

T_x1+T_x2+T_x3+T_x4＝T_xreq其中，T_x1、T_x2、T_x3、T_x4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动转矩。

本发明所述的有益效果

1.本发明提供的四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成设计了独立驱动/独立转向模块化结构，实现电动汽车底盘模块化安装，相对于内燃机汽车和一般电动汽车在组装方面大大提高了效率，轮边电机驱动相对于轮毂电机提高了汽车动力性，通过转向架将轮边电机设计成为簧上质量，保证了电动汽车的平顺性和操纵稳定性。

2.本发明采用轮边电机驱动四轮独立转向，能够实现多种转向模式，以适应各种特殊路段的行驶，尤其适用于狭窄路段，或仓库等。

3.本发明采用一种四轮轮边电机驱动四轮独立转向控制方法，采用轮边电机控制驱动四轮驱动转矩，能够实现在不同车轮间的驱动转矩合理分配。

附图说明

图1为本发明所述的四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成的原理图。

图2为本发明所述的四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成的正视图。

图3为本发明所述的本发明所述的四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成的轴测图。

图4为本发明所述的转向安装系统的结构示意图。

图5为本发明所述的导向机构结构示意图。

图6为本发明所述的前轮转向模式示意图。

图7为本发明所述的后轮转向模式示意图。

图8为本发明所述的四轮转向模式示意图。

图9为本发明所述的斜行模式示意图。

图10为本发明所述的横行模式示意图。

图11为本发明所述的原地转向模式示意图。

图12为本发明所述的四轮的转矩控制模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-3所示，本发明提供的四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成，包括：转向电机110、转向架200、转向立柱210、导向机构300、弹簧减震器总成400和车架800。

其中，轮胎130和轮辋140安装在一起，轮辋140和轮毂150通过四颗螺栓连接在一起；

转向电机110通过法兰盘用螺栓连接在车架上，电机输出轴通过法兰盘连接转向架200；

转向托臂610，其位于车架800下面，转向托臂驱动轴连接转向电机110的输出轴，当转向电机110旋转时，能够驱动转向托臂610旋转。

转向架200，其固定连接转向托臂610，设置在车架底部，车轮内侧，能够承受轴向和径向负荷，并防止车架微量变形中转向机构卡死；

如图5所示，转向立柱210，其通过两个轴承过盈安装在轮毂150上；即轮毂150可旋转的连接转向立柱210，转向立柱210包括设置在中心位置的通孔和设置在内部两侧的直线轴承；

弹簧减震器总成400，其设置在转向立柱210和转向架200之间，用于对所述转向托臂支撑和减振；

导向机构300，其平行于弹簧减振器总成设置，设置在所述转向托臂和所述转向立柱之间，用于对弹簧减振器总成运动提供导向，其一端刚性固定在转向架200底部，另一端固定在转向立柱210上；

驱动电机500，其为电动机，设置在转向架200底部，轮毂150内侧，通过减速器连接传动轴520，驱动电机500前端通过螺栓连接在转向架200上，后部通过U型螺杆530固定在转向架后部；驱动电机500的输出轴穿过位于转向立柱中心位置的通孔连接轮毂，为车轮提供旋转动力。

内球笼510，其通过花键与驱动电机500的输出轴配合；其中，传动轴520悬浮安装在所述内球笼510和轮毂150之间。

如图4所示，主体框架；以及转向安装系统包括：

上安装板620，其固定设置在主体框架上，转向电机110固定安装在上安装板620上；

下安装板630，其固定设置在主体框架上，上安装板620和下安装板630形成一个具有通孔的封闭的壳体；

转向轴100，其一端穿过壳体连接转向电机110的输出轴；另一端固定在转向托臂610上；

两个调心轴承640，其套设在转向轴100上，并且位于转向轴100和通孔的侧壁之间，用于适应转向电机110输出轴和转向轴100之间的角偏差；

推力球轴承660，其设置在两个调心轴承之间，用于承受轴向载荷。

其中，转向电机110通过电机安装板112与车架上安装板620连接，车架上安装板620与车架焊接在一起，转向电机110输出轴通过平键113与转向轴100连接，转向轴通过调心轴承640，承重垫片670，推力球轴承660与轴承套650连接，轴承套650通过螺栓与车架下安装板630连接，车架下安装板630与车架焊接。

转向架200为两个平行三角形框架，三角形框架的一端固定在转向托臂610上，三角形框架的位置最低的一边固定驱动电机500。

如图5所示，转向立柱210内设置直线轴承211，用于防止导向机构300卡死，导向机构300，包括导轨310通过导轨固定螺母320与转向架200连接，导轨310能够相对于转向立柱210滑动，弹簧减震器总成400上端通过安装吊耳410固定在转向架上，下端通过固定吊耳420与转向立柱210连接。

在另一实施例中，还包括制动机构，包括：制动盘710，其固定设置在轮毂150上，并能够随车轮转动；

制动卡钳720，其固定在转向立柱210上，制动盘710顶部，制动卡钳720能够夹住制动盘，起到减速或者停车的作用。

在另一实施例中，还包括转向模式控制模块，其连接转向电机110，用于控制转向电机110转动角度，能够控制电动汽车实现前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式、斜行模式、原地转向模式和横行模式中的一种。

实施以四轮轮边电机驱动四轮独立转向电动汽车底盘总成的工作过程为例，作进一步的说明，

首先，当汽车需要进行转向时，角位移传感器采集方向盘转角信息，经控制器进行处理后，使转向电机110转过一定的角度，通过转向安装系统传递扭矩，驱动转向轴100带动转向托臂610和转向架200转动，导向机构300固定在转向架200下方，设置在转向立柱210上，因此转向架200和转向立柱210随转向架200转动，转向立柱210通过轴承过盈安装在轮毂150，车轮随轮毂150摆动转向，转向电机110为独立设置，每个车轮顶部都设置有一个转向电机，因此可以通过控制每个车轮的转向角度，实现了四轮的独立转向，实现多种转向模式，包括：前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式、斜行模式、原地转向模式、横行模式和倒车模式。

如图6所示，前轮转向模式：当汽车需要转弯时，两前轮分别在转向电机驱动下转过不同的角度θ₁、θ₂，两后轮轴线与车身机架成一条直线，理论上希望前轮两轴延长线的交点始终能落在后轮轴的延长线上，这样整个车身就能绕车身转向中心旋转，以满足阿克曼定理，使四个轮子都能与地面形成纯滚动，以减少轮胎的磨损。

如图7所示，后轮转向模式：当汽车需要转弯时，两后轮分别在转向电机驱动下转过不同的角度θ₃、θ₄，两前轮轴线与车身机架成一条直线，理论上希望后轮两轴延长线的交点始终能落在两前轮轮轴的延长线上，这样整个车身就能绕车身转向中心旋转，以满足阿克曼定理，使四个轮子都能与地面形成纯滚动，以减少轮胎的磨损。

如图8所示，四轮转向模式：当汽车需要转弯时，电动汽车四个车轮分别在转向电机驱动下转过不同的角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，理论上希望四个车轮轮轴沿转向侧的延长线能够相交于一点，这样整个车身就能绕车身转向中心旋转，以满足阿克曼定理，使四个轮子都能与地面形成纯滚动，以减少轮胎的磨损。

如图9所示，在另一实施例中，还包括斜行模式，电动汽车四个车轮分别在转向电机驱动下转过相同的角度θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄，汽车沿滚动方向行驶，实现斜行。

如图10所示，在另一实施例中，还包括横行模式，电动汽车四个车轮分别在转向电机驱动下转过相同的角度，即θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝90°，汽车沿滚动方向行驶横向行驶。

如图11所示，在另一实施例中，还包括原地转向模式，当汽车需要转弯时，电动汽车四个车轮分别在转向电机驱动下转过一定的角度，理论上希望调整θ₁＝θ₄＝45°，θ₂＝θ₃＝-45°，四个车轮轮轴沿转向侧的延长线能够相交于一点，这点即为车身转向中心，即车身质心，实现原地转动。

作为进一步的优选，四轮轮边电机驱动对四轮的转矩进行控制，合理的分配四轮的转矩。如图12所示，参考模型根据驾驶驾驶员方向盘转角信号和实际车速输出期望横摆角速度和期望质心侧偏角。最优集成控制器根据期望横摆角速度和实际横摆角速度偏之差、期望质心侧偏角和实际质心侧偏角之差、实际车速和期望车速之差计算出保证汽车稳定行驶的直接横摆力矩值、按照驾驶员期望车速行驶的目标驱动力矩、前轮转角修正值。驱动力矩分配器根据目标驱动力矩、直接横摆力矩对四轮驱动力矩进行控制分配。该控制方法能够实现对四轮驱动力矩的合理分配，提高四轮独立驱动与转向电动汽车操纵稳定性和行驶安全性。

在参考模型中，线性二自由度车辆动力学模型作为参考模型已经在汽车控制系统中进行了广泛应用，但是该参考模型忽略了车辆低速转向时横摆角速度增益过小的情况，实际上驾驶员期望的横摆角速度增益应该是在低速时有较大的横摆角速度增益，而车速增加时横摆角速度增益要减小。因此，对于四轮驱动与转向电动汽车整车控制设计变传动比二自由度参考模型，则期望横摆角速度ω_rd为：

${\mathrm{\ω}}_{rd}=\frac{u}{l+{\mathrm{Ku}}^2}\·\frac{{\mathrm{\θ}}_{sw}}{i_u}=\frac{u}{l+{\mathrm{Ku}}^2}\·\frac{{\mathrm{i\δ}}_f}{i_u}$

$K=\frac{m}{l}(\frac{b}{k_1}-\frac{a}{k_2})$

式中，K为不足转向系数，k₁和k₂分别为前后轮的侧偏刚度，u为车辆质心速度，θ_sw为方向盘转角，δ_f为前轮转角，i为固定传动比，i_u为变传动比，a为前轴和质心的距离；b为后轴和质心的距离，m为车的质量，l是轴距。

由于汽车横摆角速度还受到路面附着条件的限制，其极限值与路面附着系数μ和车速v有关：

$\left|{\mathrm{\ω}}_{rd}\right|\≤0.85\frac{\mathrm{\μ}\·g}{v}$

因此，车辆期望横摆角速度修正为：

${\mathrm{\ω}}_{rd}=\min \left\{\right|\frac{u}{L+{\mathrm{Ku}}^2}\·\frac{{\mathrm{i\δ}}_f}{i_u}|,|0.85\frac{\mathrm{\μ}\·g}{u}\left|\right\}\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\δ}}_f\right)$

sgn(δ_f)为符号函数，根据δ_f返回1，-1和0中的一个值。在实际过程中，为了防止车辆横摆角速度的瞬态响应出现较大的振荡或超调，需对车辆期望横摆角速度进行一阶滤波。为此，最终得到控制器输入的跟踪期望横摆角速度ω_rd为：

${\mathrm{\ω}}_{rd}=\min \left\{\right|\frac{u}{L+{\mathrm{Ku}}^2}\·\frac{{\mathrm{i\δ}}_f}{i_u}|,|0.85\frac{\mathrm{\μ}\·g}{u}\left|\right\}\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\δ}}_f\right)\·\frac{1}{1+\mathrm{\τ}s}$

其中，τ为横摆角速度延迟时间，取值范围为0.15～0.25秒，s为复变数。期望质心侧偏角β_d设计为0。

最优集成控制器采用线性二自由度车辆动力学模型。

二自由度模型动力学方程：

$\left.\begin{array}{c}(k_1+k_2)\mathrm{\β}+\frac{1}{u}({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2){\mathrm{\ω}}_r-k_1{\mathrm{\δ}}_f-m(\stackrel{\·}{v}+{\mathrm{u\ω}}_r)=0\\ ({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2)\mathrm{\β}+\frac{1}{u}(a^2{k}_1+b^2{k}_2){\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{ak}}_1{\mathrm{\δ}}_f-I_z{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=0\end{array}\right\}$

式中：u为车速；v为侧向车速；k₁、k₂分别为汽车的侧偏刚度；a为前轴和质心的距离；b为后轴和质心的距离；β为质心侧偏角；ω_r为横摆角速度；δ_f为前轮转角；I_z为转动惯量；m为车的质量。

线性二自由度模型的对应状态方程形式：

${\stackrel{\·}{x}}_n={\mathrm{Ax}}_n+{\mathrm{Bu}}_n$

式中，

$A=\left[\begin{array}{cc}\frac{(a^2{k}_1+b^2{k}_2)}{{\mathrm{uI}}_Z}& \frac{({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2)}{{\mathrm{uI}}_z}\\ \frac{({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2)}{{\mathrm{mu}}^2}-1& \frac{(k_1+k_2)}{mu}+\frac{\stackrel{\·}{u}}{u}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cc}\frac{-{\mathrm{ak}}_1}{I_z}& \frac{0}{I_Z}\\ \frac{-k_1}{mu}& 0\end{array}\right]$

$x=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_r\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]u=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_f\\ 0\end{array}\right]$

下标n表示时刻；当前时刻为n时刻，则下一时刻为n+1时，增加直接横摆力矩ΔT与前轮主动转向角Δδ_f：

${\stackrel{\·}{x}}_{n+1}={\mathrm{Ax}}_{n+1}+{\mathrm{Bu}}_{n+1}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{(a^2{k}_1+b^2{k}_2)}{{\mathrm{\ω}}_Z}{\mathrm{\ω}}_r+\frac{({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2)}{I_z}\mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{ak}}_1}{I_Z}{\mathrm{\δ}}_f+\frac{\mathrm{\Δ}T}{I_z}$

$A=\left[\begin{array}{cc}\frac{(a^2{k}_1+b^2{k}_2)}{{\mathrm{uI}}_Z}& \frac{({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2)}{{\mathrm{uI}}_z}\\ \frac{({\mathrm{ak}}_1-{\mathrm{bk}}_2)}{{\mathrm{mu}}^2}-1& \frac{(k_1+k_2)}{mu}+\frac{\stackrel{\·}{u}}{u}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cc}\frac{-{\mathrm{ak}}_1}{I_z}& \frac{1}{I_Z}\\ \frac{-k_1}{mu}& 0\end{array}\right]$

n+1时刻和n时刻相减可以得到：

则 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r\\ \mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ω}}_r\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\β}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\δ}}_f\\ \mathrm{\Δ}T\end{array}\right]$

考虑横摆力矩和前轮修正转角的控制系统是一个线性时不变系统，采用线性二次型最优控制进行控制，则性能指标J为：

$J=\frac{1}{2}{x}^T\left(t_f\right)Sx\left(t_f\right)+\frac{1}{2}{\∫}_{t_0}^{t_f}\[{\mathrm{\Δx}}^{T}Q\mathrm{\Δ}x\left(t\right)+{\mathrm{\Δu}}^T\left(t\right)R\mathrm{\Δ}u\left(t\right)\]dt$

Δu(t)＝-K×Δx(t)＝[Δδ_fΔT]

式中，S为半正定对称常数加权矩阵，Q为半正定对称时变加权矩阵，R为正定对称时变加权矩阵，Q、R分别对应状态变量和输入变量的加权矩阵。x(t_f)表示期望输出误差向量，J为性能指标，t₀和t_f表示时间，Δu(t)为控制向量，控制目标就是使J最小。

通过大量反复试验确定Q、R值，得到不同车速下的最优解K值。作为一种优选，加权矩阵Q、R可以采用如下值：

$Q=\left[\begin{array}{cc}19000& 0\\ 0& 5000\end{array}\right]$

$R=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

表1不同车速下的最优解K值

驱动力分配采用有约束非线性二次规划方法。

各轮驱动力F_xi：

F_xi＝T_xi/r_i

T_xi为各轮驱动力矩，r_i为车轮半径；i＝1,2,3,4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。

横摆力矩T可表示为：

T＝B[F_x1F_x2F_x3F_x4]^T,F_xi≥0

其中：

$B=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)& \frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)& -\frac{w}{2}& \frac{w}{2}\end{array}\right]$

由附着椭圆原理可得：

μ_i是路面附着系数，F_zi为车轮垂直载荷，F_yi为车轮侧向力。

控制约束条件：

轮胎工作负荷率：

ρ_i为轮胎负荷率，轮胎负荷率越低，稳定性越好。

考虑到车轮纵向力不可精确控制，因此将轮胎工作负荷率简化为如下公式：

τ_i＝F_xi ²/F_zi ²

定义控制目标函数：

$\begin{array}{cc}\min & J=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{(T_{xi}/F_{zi}r)}^2\end{array}$

上式的物理意义为保证总的轮胎工作负荷率最小，提高车辆稳定性。

控制约束约束条件还包括等式约束：

T_x1+T_x2+T_x3+T_x4＝T_xreq

T_xreq为满足驾驶期望车速的目标驱动力矩。

采用有约束非线性二次规划方法对驱动力矩进行求解得到各轮驱动力矩优化值。有约束非线性二次规划约束函数形式如公式所示：

$\underset{x}{min}\frac{1}{2}{x}^{T}Hx+f^{T}x$

s.t.Ax≤bA_eqx＝b_eqLB≤x≤UB

式中，二次项系数矩阵H和一次项系数矩阵f如下：

H＝2*B^T*B+2*H₁，f＝-2*T*B

式中：

$B=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)& \frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)& -\frac{w}{2}& \frac{w}{2}\end{array}\right]$

$H_1=\left[\begin{array}{cccc}100/F_{x1\_\max }& 0& 0& 0\\ 0& 100/F_{x2\_\max }& 0& 0\\ 0& 0& 100/F_{x3\_\max }& 0\\ 0& 0& 0& 100/F_{x4\_\max }\end{array}\right]$

w是轮距，δ_f是前轮转角，F_{x1_max}、F_{x2_max}、F_{x3_max}、F_{x4_max}左前轮、右前轮、左后轮、右后轮最大驱动力，a是质心到前轴距离；T是横摆力矩。

A_eq、b_eq为等式约束系数阵，A_eq、b_eq的表达式如下：

$A_{eq}=\left[\begin{array}{cccc}\[-\frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)\]/r& \[\frac{w}{2}cos\left({\mathrm{\δ}}_f\right)+a\·sin\left({\mathrm{\δ}}_f\right)\]/r& -\frac{w}{2r}& \frac{w}{2r}\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right],b_{eq}=\left[\begin{array}{c}T\\ T_{xreq}\end{array}\right]$

车轮载荷上下限LB和UB表达式如下：

$LB=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\μF}}_{z1\_\min }r\\ {\mathrm{\μF}}_{z2\_\min }r\\ {\mathrm{\μF}}_{z3\_\min }r\\ {\mathrm{\μF}}_{z4\_\min }r\end{array}\right],UB=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\μF}}_{z1\_\max }r\\ {\mathrm{\μF}}_{z2\_\max }r\\ {\mathrm{\μF}}_{z3\_\max }r\\ {\mathrm{\μF}}_{z4\_\max }r\end{array}\right]$

式中，r是车轮滚动半径，T是横摆力矩，T_req是总的驱动力矩，μ是路面附着系数，F_{z1_min}、F_{z2_min}、F_{z3_min}、F_{z4_min}是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮最小垂直载荷，F_{z1_max}、F_{z2_max}、F_{z3_max}、F_{z4_max}是左前轮、右前轮、左后轮、右后轮最大垂直载荷。

A、b为不等式约束系数阵，此处均为零阵。根据驱动力控制分配目标函数和约束条件，对四轮驱动力矩进行实时优化求解。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，包括：

车架；

转向电机，其固定在所述车架上；以及

转向托臂，其位于所述车架下面，所述转向托臂连接所述转向电机的输出轴；能够绕所述转向电机的输出轴旋转；

转向架，其固定连接所述转向托臂，能够随着转向托臂一同旋转；

驱动电机，其固定在所述转向架上，为车轮提供旋转动力；

转向立柱，轮毂可旋转的连接所述转向立柱，所述转向立柱具有通孔，所述驱动电机的输出轴穿过所述通孔连接轮毂；

弹簧减振器总成，其设置所述转向托臂和所述转向立柱之间，用于支撑和减振；

导向机构，其平行于所述弹簧减振器总成设置，设置在所述转向托臂和所述转向立柱之间，用于对弹簧减振器总成的运动提供导向。

2.根据权利要求1所述具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，所述车架还包括：

主体框架；以及

上安装板，其固定设置在所述主体框架上，所述转向电机固定安装在所述上安装板上；

下安装板，其固定设置在所述主体框架上，所述上安装板和下安装板形成一个具有通孔的封闭的壳体；

转向轴，其一端穿过所述壳体连接所述转向电机的输出轴；另一端固定在所述转向托臂上；

两个调心轴承，其套设在所述转向轴，并且位于转向轴和所述通孔的侧壁之间，用于适应所述转向电机输出轴和所述转向轴之间的角偏差；

推力球轴承，其设置在所述两个调心轴承之间，用于承受轴向载荷。

3.根据权利要求1所述的具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，所述转向架为两个平行三角形框架，所述三角形框架的一端固定在所述转向托臂上，所述三角形框架的位置最低的一边固定所述驱动电机。

4.根据权利要求3所述具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，所述导向机构包括导轨，其顶部固定在所述转向转向托臂底部，所述导轨底部通过直线轴承连接在所述转向立柱上，所述导轨能够相对于所述转向立柱滑动。

5.根据权利要求1或2所述具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，所述弹簧减震器总成下端通过球铰固定在所述转向立柱上，上端通过减震器吊耳固定在所述转向托臂上。

6.根据权利要求1-4中任一项所述具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，还包括制动机构，其包括：

制动盘，其固定设置在轮毂上，并能够随车轮转动；

制动卡钳，其固定在所述转向立柱上，所述制动卡钳能够夹住制动盘，起到减速或者停车的作用。

7.根据权利要求1所述具有四轮轮边电机驱动和四轮独立转向的电动汽车底盘总成，其特征在于，还包括转向模式控制模块，其连接所述转向电机，用于控制所述转向电机转动角度，能够控制电动汽车实现前轮转向模式、后轮转向模式、四轮转向模式、斜行模式、原地转向模式和横行模式中的一种。

8.一种具有四轮轮边电机的电动汽车的四轮转矩控制方法，其特征在于：

步骤一、通过传感器检测前轮转角；计算四个车轮的横摆力矩和在期望车速下的四轮目标驱动转矩；

步骤二、以车轮的工作负荷最小为目标，建立关于车轮的驱动力矩和车轮垂直载荷力矩的目标函数；

步骤三、采用有约束非线性二次规划方法求解四个车轮的驱动转矩，得到各轮驱动转矩优化值；用所述各轮驱动转矩的优化值驱动对应的各个车轮。

9.根据权利要求8所述的四轮转矩控制方法，其特征在于：所述有约束非线性二次规划方法使用的公式为：

$\underset{x}{\min }\frac{1}{2}{x}^{T}Hx+f^{T}x$

s.t.Ax≤bA_eqx＝b_eqLB≤x≤UB

其中，H是二次项系数矩阵和f是一次项系数矩阵，A、b为不等式约束系数阵，此处均为零阵；A_eq、b_eq为等式约束系数阵，LB和UB为车轮驱动力矩的下限和上限。

10.根据权利要求8或9所述的四轮转矩控制方法，其特征在于：所述横摆力矩表示为：

T＝B[F_x1F_x2F_x3F_x4]^T,F_xi≥0

其中，T为横摆力矩；矩F_xi为各轮驱动力，i＝1,2,3,4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮；w为前后轮距；a为质心到前轴距离；δ_f为前轮转角。

所述在期望车速下的四轮目标驱动转矩T_xreq：

T_x1+T_x2+T_x3+T_x4＝T_xreq其中，T_x1、T_x2、T_x3、T_x4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动转矩。