CN105966263A - 一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法，路感控制器以理想驱动转矩差信号、方向盘转矩信号、来自车载传感器的横摆角速度信号、轮毂电机反馈的转矩差信号为输入信号，计算并输出转向轮轮毂电机控制电流差信号，电流分配模块根据该电流差信号、来自转矩传感器的方向盘转角信号以及轮毂电机反馈的电流信号计算输出左、右轮毂电机控制电流信号，使转向轮轮毂电机产生驱动转矩差，实现了差动转向助力。该路感控制方法能够根据电动轮汽车运行工况调整转向轮轮毂电机转矩差的大小实现差动转向助力，改善驾驶员路感，提高电动轮汽车的操纵稳定性。

Description

一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法

技术领域

本发明涉及汽车转向系统领域，特别是涉及一种轮毂电机驱动的电动轮汽车使用的差动转向系统。

背景技术

轮毂电机将电动机、传动系和制动器集成为一体，其体积小，比功率大。轮毂电机驱动的汽车各个车轮的驱动转矩均可独立控制。由于轮毂电机中集成了传动系，所以电动轮驱动汽车上取消了传统的离合器、变速器、传动轴、差速器、等速万向节和半轴等部件，使汽车底盘结构简化，提高了传动的效率，降低了整车质量。

路感是指汽车行驶过程中驾驶员通过方向盘反馈得到的转向阻力矩，这个力矩包含了整车及轮胎的运动和受力状态信息，对驾驶员掌握汽车运动状态和行驶环境状况有重要的作用。只有反馈良好的路感才能使驾驶员在驾驶电动轮汽车时做到心中有数，保证行驶时的安全性与稳定性。

目前，对轮毂电机驱动的汽车的研究主要集中在轮毂电机驱动技术上，而对差动转向系统及其路感控制技术的研究还很少。吉林大学靳立强，王军年等研究了旨在降低转向盘手力和辅助转向轮回正的左右前轮转矩分配控制策略，并采用后轮差动实现车辆横摆校正，但其采用的控制方法未能考虑传感器噪声、路面干扰以及模型不确定性等因素，导致控制结果鲁棒性及转向路感较差。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法，通过向轮轮毂电机产生驱动转矩差实现差动转向助力并改善驾驶员路感。

技术方案：一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法，首先，理想驱动转矩差特性模块根据来自转矩传感器的方向盘转矩信号和来自车速传感器的车速信号确定转向轮理想驱动转矩差；然后，将所述理想驱动转矩差、方向盘转矩信号、来自车载传感器的横摆角速度信号、转向轮轮毂电机实际的转矩差信号作为输入信号输入到路感控制器，所述路感控制器输出转向轮轮毂电机控制电流差信号；最后，电流分配模块根据所述转向轮轮毂电机控制电流差信号、来自转矩传感器的方向盘转角信号以及转向轮轮毂电机反馈的电流信号计算输出转向轮轮毂电机控制电流信号，使转向轮轮毂电机产生驱动转矩差，实现差动转向助力。

作为本发明的优选方案，所述路感控制器采用H₂/H_∞控制，设控制器的传递函数矩阵为K(s)；

系统状态变量θ_s为方向盘转角，x_r为齿轮齿条转向器齿条位移，ω_r为横摆角速度，β为质心侧偏角；

扰动输入w＝[T_h n_s F_δ ΔT^*]^T，T_h为驾驶员输入的方向盘转矩，n_s为转矩传感器噪声，F_δ为路面干扰，ΔT^*为转向轮理想驱动转矩差；

控制输入u＝Δi，Δi为转向轮轮毂电机控制电流差信号；

量测输出y＝[T_s ω_r ΔT]^T，T_s为来自转矩传感器的方向盘转矩，ΔT为实际的转矩差；

系统状态空间描述为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=Ax+B_{1}w+B_{2}u\\ y=C_{y}x+D_{y1}w+D_{y2}u\end{array}\right.$

其中，

$B_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{J_h}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{M_r}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\end{array}\right],$

$C_y=\left[\begin{array}{cccccc}{K}_s& 0& -\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right],D_{y1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],D_{y2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{{\mathrm{dK}}_a}{r_w}\end{array}\right];$

其中，J_h为方向盘转动惯量，B_h为转向轴粘性阻尼系数，K_s为转矩传感器扭杆刚性系数，n为转向传动比，d为转向轮的主销横向偏移距，r_w为车轮滚动半径,r_p为转向器齿轮半径,K_a轮毂电机的转矩系数,M_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量质量，B_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量阻尼系数，K_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量刚度,a、b分别为电动车前、后轴到质心的距离，C_f、C_r分别为电动车前、后轮轮胎刚度，I_z为车辆垂直转动惯量，v为车速，m为整车质量；

对于H₂/H_∞控制，设z₂＝[e₁]为H₂评价指标，e₁＝W₁(ΔT-ΔT^*)；设z_∞＝[e₂ e₃]^T为H_∞评价指标，e₂＝W₂(T_s-K_fF_δ)，e₃＝W₃(ω_r)；其中，W₁、W₂、W₃为对应的加权函数：

$W_i=c_i\frac{b_{i}s+1}{a_{i}s+1}$

式中，i＝1,2,3，a_i、b_i、c_i为对应的系数，s为拉普拉斯算子；K_f为路感系数；

通过所述加权函数对所述系统状态空间的系统矩阵进行扩围，得到广义受控系统状态空间：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\tilde{x}}=\tilde{A}\tilde{x}+{\tilde{B}}_{1}w+{\tilde{B}}_{2}u\\ z_{\mathrm{\∞}}={\tilde{C}}_{\mathrm{\∞}}\tilde{x}+{\tilde{D}}_{\mathrm{\∞}1}w+{\tilde{D}}_{\mathrm{\∞}2}u\\ z_2={\tilde{C}}_2\tilde{x}+{\tilde{D}}_{21}w+{\tilde{D}}_{22}u\\ y={\tilde{C}}_y\tilde{x}+{\tilde{D}}_{y1}w+{\tilde{D}}_{y2}u\end{array}\right.$

其中，广义受控系统的状态变量w₁、w₂、w₃为新引入的状态变量；

$\tilde{A}=\left[\begin{array}{ccccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ -\frac{K_s}{J_h}& -\frac{B_h}{J_h}& \frac{K_s}{J_h{r}_p}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{K_s}{M_r{r}_p}& 0& -\frac{K_r}{M_r}& -\frac{B_r}{M_r}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{{\mathrm{aC}}_f}{I_z{\mathrm{nr}}_p}& 0& \frac{a^2{C}_f+b^2{C}_r}{I_{z}v}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{Iz}& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{C_f}{{\mathrm{mvnr}}_p}& 0& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{{\mathrm{mv}}^2}-1& \frac{C_f+C_r}{mv}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_1}& 0& 0\\ c_2(1-\frac{b_2}{a_2})K_s& 0& -c_2(1-\frac{b_2}{a_2})\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& c_3(1-\frac{b_3}{a_3})& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_3}\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\tilde{B}}_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{J_h}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{M_r}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -c_1(1-\frac{b_1}{a_1})\\ 0& 0& -c_2(1-\frac{b_2}{a_2})K_f& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{B}}_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\\ c_1(1-\frac{b_1}{a_1})\frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\end{array}\right]\end{array}$

${\tilde{C}}_{\mathrm{\∞}}=\left[\begin{array}{ccccccccc}\frac{b_2{c}_2}{a_2}{K}_s& 0& -\frac{b_2{c}_2}{a_2}\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{a_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& \frac{b_3{c}_3}{a_3}& 0& 0& 0& \frac{1}{a_3}\end{array}\right]$

${\tilde{C}}_2=\left[\begin{array}{ccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{a_1}& 0& 0\end{array}\right]$

${\tilde{C}}_y=\left[\begin{array}{ccccccccc}{K}_s& 0& -\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{\mathrm{\∞}1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -\frac{b_2{c}_2}{a_2}{K}_f& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{\mathrm{\∞}2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{21}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -\frac{b_1{c}_1}{a_1}\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{22}=\[0\]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{y1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{y2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{{\mathrm{dK}}_a}{r_w}\end{array}\right]\end{array}$

所述广义受控系统与控制器所组成的闭环系统表示为：

$\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\∞}}\\ z_2\\ y\end{array}\right]=P\left(s\right)\left[\begin{array}{c}w\\ u\end{array}\right]$

u＝K(s)y

其中，P(s)为广义受控系统的传递函数矩阵；

$P\left(s\right)=\left[\begin{array}{ccc}\tilde{A}& {\tilde{B}}_1& {\tilde{B}}_2\\ {\tilde{C}}_{\mathrm{\∞}}& {\tilde{D}}_{\mathrm{\∞}1}& {\tilde{D}}_{\mathrm{\∞}2}\\ {\tilde{C}}_2& {\tilde{D}}_{21}& {\tilde{D}}_{22}\\ {\tilde{C}}_y& {\tilde{D}}_{y1}& {\tilde{D}}_{y2}\end{array}\right]$

由w到z的闭环传递函数阵为：

$T_{zi\mathrm{\ω}}=({\tilde{C}}_i+{\tilde{D}}_{i2}K){(sI-\tilde{A}-{\tilde{B}}_{2}K)}^{-1}{\tilde{B}}_1+{\tilde{D}}_{i1},i=\mathrm{\∞},2$

其中，I为单位矩阵；

对于所述P(s)，控制器传递函数矩阵K(s)使得闭环系统稳定，且满足||T_z∞w||_∞≤γ₁和min||T_z2w||₂≤γ₂；其中，γ₁、γ₂为初选设计值，且满足γ₂≥γ₁；

令

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{1\min }=\min \[{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\∞}i}\left|\right|\left|T_{z\mathrm{\∞}w}\right|{|}_{\mathrm{\∞}}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\∞}i}\]\\ {\mathrm{\γ}}_{2\min }=\min \[{\mathrm{\γ}}_{2i}\left|\min \right|\left|T_{z2\mathrm{\ω}}\right|{|}_2\≤{\mathrm{\γ}}_{2i}\]\end{array}\right.,i=1,2,\mathrm{...},100$

其中，γ_∞i为在[0.9γ₁,γ₁]范围内所选取的1第i个设计值，γ_2i为在[0.9γ₂,γ₂]范围内所选取的第i个设计值，γ_1min,γ_2min即为最终设计值。

有益效果：本发明中的理想驱动转矩差特性模块根据来自转矩传感器的方向盘转矩信号和来自车速传感器的车速信号确定转向轮理想驱动转矩差，路感控制器以该理想驱动转矩差信号、方向盘转矩信号、来自车载传感器的横摆角速度信号、轮毂电机反馈的转矩差信号为输入信号，计算并输出转向轮轮毂电机控制电流差信号，电流分配模块根据该电流差信号、来自转矩传感器的方向盘转角信号以及轮毂电机反馈的电流信号计算输出左、右轮毂电机控制电流信号，使转向轮轮毂电机产生驱动转矩差，实现了差动转向助力。

附图说明

图1是本发明轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向系统的结构示意图；

图2是本发明轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向系统路感控制原理图；

图3是本发明广义受控系统与控制器所组成的闭环系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，电动轮汽车差动转向系统包括方向盘1、转矩传感器2、转向柱3、齿轮齿条转向器4、左右轮毂电机5、左右转向轮6、以及电子控制单元ECU 7。电动轮汽车差动转向系统保留了传统转向系的机械联接，驾驶员输入的方向盘转矩经方向盘1、转向柱3、齿轮齿条转向器4作用于转向轮6。电动轮汽车差动转向系统转向轮6的轮毂电机5输出的驱动转矩可精确控制，转向时，控制左右轮毂电机5输出大小不一的驱动转矩，左右驱动转矩差可等效为作用于齿轮齿条转向器4上的助力转矩，与驾驶员输入的方向盘转矩一起驱动汽车实现转向。一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法，如图2所示，包括如下步骤：

首先，ECU 7中的理想驱动转矩差特性模块14根据来自转矩传感器2的方向盘转矩信号10和来自车速传感器的车速信号8确定转向轮理想驱动转矩差ΔT^*17；理想驱动转矩差特性曲线一般有直线型、折线型及二次曲线型三种，在确定几组典型车速下的理想驱动转矩差特性曲线后，其余车速下的特性曲线通过线性插值的方法获得。然后，将理想驱动转矩差ΔT^*17、方向盘转矩信号10、来自车载传感器的横摆角速度信号19、转向轮轮毂电机实际的转矩差信号26作为输入信号输入到路感控制器15，路感控制器15输出转向轮轮毂电机控制电流差信号19。最后，电流分配模块16根据转向轮轮毂电机控制电流差信号Δi 19、来自转矩传感器2的方向盘转角信号θ_s 11以及转向轮轮毂电机反馈的电流信号i₁ 22、i₂ 23计算输出转向轮轮毂电机控制电流信号i_c1 20、i_c2 21，使转向轮轮毂电机产生驱动转矩差，实现差动转向助力。转向轮轮毂电机控制电流信号计算公式为：

当θ_s>0时(以向左转向为正)，

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{c1}=i_1-K\mathrm{\Δ}i\\ i_{c2}=i_2+(1-K)\mathrm{\Δ}i\end{array}\right.$

当θ_s<0时，

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{c1}=i_1+K\mathrm{\&Delta;}i\\ i_{c2}=i_2-(1-K)\mathrm{\&Delta;}i\end{array}\right.$

其中，L为左右转向轮轮距，a为前轴到整车质心的距离。

路感控制器15采用H₂/H_∞控制，设控制器的传递函数矩阵为K(s)。

系统状态变量θ_s为方向盘转角，x_r为齿轮齿条转向器齿条位移，ω_r为横摆角速度，β为质心侧偏角。

扰动输入w＝[T_h n_s F_δ ΔT^*]^T，T_h为驾驶员输入的方向盘转矩，n_s为转矩传感器噪声，F_δ为路面干扰，ΔT^*为转向轮理想驱动转矩差。

控制输入u＝Δi，Δi为转向轮轮毂电机控制电流差信号。

量测输出y＝[T_s ω_r ΔT]^T，T_s为来自转矩传感器的方向盘转矩，ΔT为实际的转矩差。

系统状态空间描述为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{x}=Ax+B_{1}w+B_{2}u\\ y=C_{y}x+D_{y1}w+D_{y2}u\end{array}\right.$

其中，

$B_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{J_h}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{M_r}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\end{array}\right],$

$C_y=\left[\begin{array}{cccccc}{K}_s& 0& -\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right],D_{y1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],D_{y2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{{\mathrm{dK}}_a}{r_w}\end{array}\right];$

其中，J_h为方向盘转动惯量，B_h为转向轴粘性阻尼系数，K_s为转矩传感器扭杆刚性系数，n为转向传动比，d为转向轮的主销横向偏移距，r_w为车轮滚动半径,r_p为转向器齿轮半径,K_a轮毂电机的转矩系数,M_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量质量，B_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量阻尼系数，K_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量刚度,a、b分别为电动车前、后轴到质心的距离，C_f、C_r分别为电动车前、后轮轮胎刚度，I_z为车辆垂直转动惯量，v为车速，m为整车质量。

对于H₂/H_∞控制，设z₂＝[e₁]为H₂评价指标，e₁＝W₁(ΔT-ΔT^*)；设z_∞＝[e₂ e₃]^T为H_∞评价指标，e₂＝W₂(T_s-K_fF_δ)，e₃＝W₃(ω_r)；其中，W₁、W₂、W₃为对应的加权函数：

$W_i=c_i\frac{b_{i}s+1}{a_{i}s+1}$

式中，i＝1,2,3，a_i、b_i、c_i为对应的系数，s为拉普拉斯算子；K_f为路感系数；

通过加权函数对系统状态空间的系统矩阵进行扩围，得到广义受控系统状态空间：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\tilde{x}}=\tilde{A}\tilde{x}+{\tilde{B}}_{1}w+{\tilde{B}}_{2}u\\ z_{\mathrm{\&infin;}}={\tilde{C}}_{\mathrm{\&infin;}}\tilde{x}+{\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}1}w+{\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}2}u\\ z_2={\tilde{C}}_2\tilde{x}+{\tilde{D}}_{21}w+{\tilde{D}}_{22}u\\ y={\tilde{C}}_y\tilde{x}+{\tilde{D}}_{y1}w+{\tilde{D}}_{y2}u\end{array}\right.$

其中，广义受控系统的状态变量w₁、w₂、w₃为新引入的状态变量；

$\tilde{A}=\left[\begin{array}{ccccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ -\frac{K_s}{J_h}& -\frac{B_h}{J_h}& \frac{K_s}{J_h{r}_p}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{K_s}{M_r{r}_p}& 0& -\frac{K_r}{M_r}& -\frac{B_r}{M_r}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{{\mathrm{aC}}_f}{I_z{\mathrm{nr}}_p}& 0& \frac{a^2{C}_f+b^2{C}_r}{I_{z}v}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{Iz}& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{C_f}{{\mathrm{mvnr}}_p}& 0& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{{\mathrm{mv}}^2}-1& \frac{C_f+C_r}{mv}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_1}& 0& 0\\ c_2(1-\frac{b_2}{a_2})K_s& 0& -c_2(1-\frac{b_2}{a_2})\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& c_3(1-\frac{b_3}{a_3})& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_3}\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\tilde{B}}_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{J_h}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{M_r}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -c_1(1-\frac{b_1}{a_1})\\ 0& 0& -c_2(1-\frac{b_2}{a_2})K_f& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{B}}_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\\ c_1(1-\frac{b_1}{a_1})\frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\end{array}\right]\end{array}$

${\tilde{C}}_{\mathrm{\&infin;}}=\left[\begin{array}{ccccccccc}\frac{b_2{c}_2}{a_2}{K}_s& 0& -\frac{b_2{c}_2}{a_2}\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{a_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& \frac{b_3{c}_3}{a_3}& 0& 0& 0& \frac{1}{a_3}\end{array}\right]$

${\tilde{C}}_2=\left[\begin{array}{ccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{a_1}& 0& 0\end{array}\right]$

${\tilde{C}}_y=\left[\begin{array}{ccccccccc}{K}_s& 0& -\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -\frac{b_2{c}_2}{a_2}{K}_f& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{21}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -\frac{b_1{c}_1}{a_1}\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{22}=\&lsqb;0\&rsqb;\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{y1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{y2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{{\mathrm{dK}}_a}{r_w}\end{array}\right]\end{array}$

广义受控系统与控制器所组成的闭环系统如图3所示，表示为：

$\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\&infin;}}\\ z_2\\ y\end{array}\right]=P\left(s\right)\left[\begin{array}{c}w\\ u\end{array}\right]$

u＝K(s)y

其中，P(s)为广义受控系统的传递函数矩阵；

$P\left(s\right)=\left[\begin{array}{ccc}\tilde{A}& {\tilde{B}}_1& {\tilde{B}}_2\\ {\tilde{C}}_{\mathrm{\&infin;}}& {\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}1}& {\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}2}\\ {\tilde{C}}_2& {\tilde{D}}_{21}& {\tilde{D}}_{22}\\ {\tilde{C}}_y& {\tilde{D}}_{y1}& {\tilde{D}}_{y2}\end{array}\right]$

由w到z的闭环传递函数阵为：

$T_{zi\mathrm{\&omega;}}=({\tilde{C}}_i+{\tilde{D}}_{i2}K){(sI-\tilde{A}-{\tilde{B}}_{2}K)}^{-1}{\tilde{B}}_1+{\tilde{D}}_{i1},i=\mathrm{\&infin;},2$

其中，I为单位矩阵；

对于所述P(s)，控制器传递函数矩阵K(s)使得闭环系统稳定，且满足||T_z∞w||_∞≤γ₁和min||T_z2w||₂≤γ₂；其中，γ₁、γ₂为初选设计值，且满足γ₂≥γ₁；

令

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&gamma;}}_{1\min }=\min \&lsqb;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{\&infin;}i}\left|\right|\left|T_{z\mathrm{\&infin;}w}\right|{|}_{\mathrm{\&infin;}}\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{\&infin;}i}\&rsqb;\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{2\min }=\min \&lsqb;{\mathrm{\&gamma;}}_{2i}\left|\min \right|\left|T_{z2\mathrm{\&omega;}}\right|{|}_2\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{2i}\&rsqb;\end{array}\right.,i=1,2,\mathrm{...},100$

其中，γ_∞i为在[0.9γ₁,γ₁]范围内所选取的1第i个设计值，γ_2i为在[0.9γ₂,γ₂]范围内所选取的第i个设计值，γ_1min,γ_2min即为最终设计值。

上述实施例中的差动转向系统保留了方向盘与前轮之间的机械连接，所以路面阻力和转向系产生的转向阻力可以直接反馈到方向盘。转向路感的好坏直接影响整车的操纵稳定性，良好的转向路感可以概括为：低速时转向轻便，高速时转向沉稳，即应满足低速时转向力矩小，保证驾驶员操纵轻便灵活，随着车速的提高，转向力矩应增大，保证高速时行车安全。本发明中的路感控制方法，在低速时助力大，使转向力矩小，保证转向轻便灵活，随着车速的增加助力逐渐减小，使转向力矩增大，转向沉稳，保证行车安全。同时，该路感控制方法采用的鲁棒控制能有效抑制干扰，如：系统不确定性、传感器噪声、路面干扰，具有良好的鲁棒性。因此，本发明的路感控制方法可以实现轮毂电机驱动汽车差动助力转向，改善驾驶员路感，提高电动轮汽车的操纵稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法，其特征在于：首先，理想驱动转矩差特性模块(14)根据来自转矩传感器(2)的方向盘转矩信号(10)和来自车速传感器的车速信号(8)确定转向轮理想驱动转矩差(17)；然后，将所述理想驱动转矩差(17)、方向盘转矩信号(10)、来自车载传感器的横摆角速度信号(19)、转向轮轮毂电机实际的转矩差信号(26)作为输入信号输入到路感控制器(15)，所述路感控制器(15)输出转向轮轮毂电机控制电流差信号(19)；最后，电流分配模块(16)根据所述转向轮轮毂电机控制电流差信号(19)、来自转矩传感器(2)的方向盘转角信号(11)以及转向轮轮毂电机反馈的电流信号(22，23)计算输出转向轮轮毂电机控制电流信号(20，21)，使转向轮轮毂电机产生驱动转矩差，实现差动转向助力。

2.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动的电动轮汽车差动转向路感控制方法，其特征在于：所述路感控制器(15)采用H₂/H_∞控制，设控制器的传递函数矩阵为K(s)；

系统状态变量θ_s为方向盘转角，x_r为齿轮齿条转向器齿条位移，ω_r为横摆角速度，β为质心侧偏角；

扰动输入w＝[T_h n_s F_δ ΔT^*]^T，T_h为驾驶员输入的方向盘转矩，n_s为转矩传感器噪声，F_δ为路面干扰，ΔT^*为转向轮理想驱动转矩差；

控制输入u＝Δi，Δi为转向轮轮毂电机控制电流差信号；

量测输出y＝[T_s ω_r ΔT]^T，T_s为来自转矩传感器的方向盘转矩，ΔT为实际的转矩差；

系统状态空间描述为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{x}=Ax+B_{1}w+B_{2}u\\ y=C_{y}x+D_{y1}w+D_{y2}u\end{array}\right.$

其中，

$B_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{J_h}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{M_r}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\end{array}\right],$

$C_y=\left[\begin{array}{cccccc}{K}_s& 0& -\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right],D_{y1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],D_{y2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{{\mathrm{dK}}_a}{r_w}\end{array}\right];$

其中，J_h为方向盘转动惯量，B_h为转向轴粘性阻尼系数，K_s为转矩传感器扭杆刚性系数，n为转向传动比，d为转向轮的主销横向偏移距，r_w为车轮滚动半径,r_p为转向器齿轮半径,K_a轮毂电机的转矩系数,M_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量质量，B_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量阻尼系数，K_r为齿轮齿条转向器中齿轮齿条的当量刚度,a、b分别为电动车前、后轴到质心的距离，C_f、C_r分别为电动车前、后轮轮胎刚度，I_z为车辆垂直转动惯量，v为车速，m为整车质量；

对于H₂/H_∞控制，设z₂＝[e₁]为H₂评价指标，e₁＝W₁(ΔT-ΔT^*)；设z_∞＝[e₂ e₃]^T为H_∞评价指标，e₂＝W₂(T_s-K_fF_δ)，e₃＝W₃(ω_r)；其中，W₁、W₂、W₃为对应的加权函数：

$W_i=c_i\frac{b_{i}s+1}{a_{i}s+1}$

式中，i＝1,2,3，a_i、b_i、c_i为对应的系数，s为拉普拉斯算子；K_f为路感系数；

通过所述加权函数对所述系统状态空间的系统矩阵进行扩围，得到广义受控系统状态空间：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\tilde{x}}=\tilde{A}\tilde{x}+{\tilde{B}}_{1}w+{\tilde{B}}_{2}u\\ z_{\mathrm{\&infin;}}={\tilde{C}}_{\mathrm{\&infin;}}\tilde{x}+{\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}1}w+{\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}2}u\\ z_2={\tilde{C}}_2\tilde{x}+{\tilde{D}}_{21}w+{\tilde{D}}_{22}u\\ y={\tilde{C}}_y\tilde{x}+{\tilde{D}}_{y1}w+{\tilde{D}}_{y2}u\end{array}\right.$

其中，广义受控系统的状态变量w₁、w₂、w₃为新引入的状态变量；

$\tilde{A}=\left[\begin{array}{ccccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ -\frac{K_s}{J_h}& -\frac{B_h}{J_h}& \frac{K_s}{J_h{r}_p}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{K_s}{M_r{r}_p}& 0& -\frac{K_r}{M_r}& -\frac{B_r}{M_r}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{{\mathrm{aC}}_f}{I_z{\mathrm{nr}}_p}& 0& \frac{a^2{C}_f+b^2{C}_r}{I_{z}v}& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{I_z}& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{C_f}{{\mathrm{mvnr}}_p}& 0& \frac{{\mathrm{aC}}_f-{\mathrm{bC}}_r}{{\mathrm{mv}}^2}-1& \frac{C_f+C_r}{mv}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_1}& 0& 0\\ c_2(1-\frac{b_2}{a_2})K_s& 0& -c_2(1-\frac{b_2}{a_2})\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& c_3(1-\frac{b_3}{a_3})& 0& 0& 0& -\frac{1}{a_3}\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\tilde{B}}_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{J_h}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{M_r}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -c_1(1-\frac{b_1}{a_1})\\ 0& 0& -c_2(1-\frac{b_2}{a_2})K_f& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{B}}_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\\ c_1(1-\frac{b_1}{a_1})\frac{2{\mathrm{dK}}_a}{M_r{r}_p{\mathrm{nr}}_w}\\ 0\\ 0\end{array}\right]\end{array}$

${\tilde{C}}_{\mathrm{\&infin;}}=\left[\begin{array}{ccccccccc}\frac{b_2{c}_2}{a_2}{K}_s& 0& -\frac{b_2{c}_2}{a_2}\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{a_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& \frac{b_3{c}_3}{a_3}& 0& 0& 0& \frac{1}{a_3}\end{array}\right]$

${\tilde{C}}_2=\left[\begin{array}{ccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{a_1}& 0& 0\end{array}\right]$

${\tilde{C}}_y=\left[\begin{array}{ccccccccc}{K}_s& 0& -\frac{K_s}{r_p}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -\frac{b_2{c}_2}{a_2}{K}_f& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{21}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& -\frac{b_1{c}_1}{a_1}\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{22}=\&lsqb;0\&rsqb;\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\tilde{D}}_{y1}=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]& {\tilde{D}}_{y2}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{{\mathrm{dK}}_a}{r_w}\end{array}\right]\end{array}$

所述广义受控系统与控制器所组成的闭环系统表示为：

$\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\&infin;}}\\ z_2\\ y\end{array}\right]=P\left(s\right)\left[\begin{array}{c}w\\ u\end{array}\right]$

u＝K(s)y

其中，P(s)为广义受控系统的传递函数矩阵；

$P\left(s\right)=\left[\begin{array}{ccc}\tilde{A}& {\tilde{B}}_1& {\tilde{B}}_2\\ {\tilde{C}}_{\mathrm{\&infin;}}& {\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}1}& {\tilde{D}}_{\mathrm{\&infin;}2}\\ {\tilde{C}}_2& {\tilde{D}}_{21}& {\tilde{D}}_{22}\\ {\tilde{C}}_y& {\tilde{D}}_{y1}& {\tilde{D}}_{y2}\end{array}\right]$

由w到z的闭环传递函数阵为：

$T_{zi\mathrm{\&omega;}}=({\tilde{C}}_i+{\tilde{D}}_{i2}K){(sI-\tilde{A}-{\tilde{B}}_{2}K)}^{-1}{\tilde{B}}_1+{\tilde{D}}_{i1},i=\mathrm{\&infin;},2$

其中，I为单位矩阵；

对于所述P(s)，控制器传递函数矩阵K(s)使得闭环系统稳定，且满足和其中，γ₁、γ₂为初选设计值，且满足γ₂≥γ₁；

令

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&gamma;}}_{1\min }=\min \&lsqb;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{\&infin;}i}\left|\right|\left|T_{z\mathrm{\&infin;}w}\right|{|}_{\mathrm{\&infin;}}\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{\&infin;}i}\&rsqb;\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{2\min }=\min \&lsqb;{\mathrm{\&gamma;}}_{2i}\left|\min \right|\left|T_{z2\mathrm{\&omega;}}\right|{|}_2\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{2i}\&rsqb;\end{array}\right.,i=1,2,\mathrm{...},100$

其中，γ_∞i为在[0.9γ₁,γ₁]范围内所选取的1第i个设计值，γ_2i为在[0.9γ₂,γ₂]范围内所选取的第i个设计值，γ_1min,γ_2min即为最终设计值。