CN106741138B - 一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统及其控制方法，其特征在于，包括：转向轴；助力转向电机，包括转子，其连接所述转向轴；电磁离合器，包括能够选择性结合或分离的输入端和输出端，所述输入端连接所述转子；转向器，其与所述输出端固定连接；轮毂电机，其驱动轮毂，用于驱动车轮转动；ECU，其连接轮毂电机、助力转向电机和电磁离合器，并控制输出五种转向模式。本发明的多模式转向系统具有多重工作模式，大大提高了转向系统的可靠性和安全性。

Description

一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统及控制方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域。更具体地说，本发明涉及一种用于电动轮驱动汽车的多模式转向系统及控制方法。
背景技术
电动轮是指将轮毂电机直接集成在车轮中，电机直接驱动车轮，省去了传统汽车的复杂的机械传动机构，使空间布置更加灵活，同时对于四个车轮都可以进行独立控制，便于实现复杂的动力学和稳定性协调控制。
现有的汽车转向系统中，无助力机械转向系统占用空间大，转向操纵费力，现在已经基本被淘汰；其替代产品液压助力转向系统可以很好解决转向轻便性问题，但是其助力特性固化，传动比固定，不能协调转向轻便性和路感之间的矛盾；其继任者电动助力转向系统可以实现随速可调助力大小，确保了高速行驶的路感回馈。但是由于其无法改变传动系统角传动比，故无法从根本上解决转向的“轻与灵”之间的矛盾，难以适应不同车速下对转向灵敏度的不同要求。
线控转向系统取消了转向盘和转向轮的机械连接，通过电子控制可以实现在不同车速下角传动比的变化，解决了转向“轻与灵”的矛盾，大大提高了在不同车速下的转向灵活性和操纵稳定性，但也由于转向盘和转向车轮之间没有机械连接,当系统出现故障时,车辆将无法保证可靠转向,有失控危险。
专利CN 100572165C提出了一种用于转向轮独立驱动的差动助力系统，该系统充分利用了电动轮驱动汽车各车轮可独立控制的特点，利用两转向轮产生的转矩差来实现转向助力作用，替代了助力电机，使转向系统进一步简化。但该系统无法改变角传动比，仍然无法从根本上解决转向“轻与灵”之间的矛盾。
发明内容
本发明目的是提供一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统，ECU控制轮毂电机和转向电机配合输出不同的转矩从而控制转向器进行转向，实现多种转向模式。
本发明还有一个目的是一种电动轮驱动汽车的多模式控制方法，控制电磁离合器的通断，从而实现多种转向模式。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统，包括：
转向轴；
助力转向电机，包括转子，其连接所述转向轴；
电磁离合器，包括能够选择性结合或分离的输入端和输出端，所述输入端连接所述转子；
转向器，其与所述输出端固定连接；
轮毂电机，其驱动轮毂，用于驱动车轮转动；
ECU，其连接轮毂电机、助力转向电机和电磁离合器：
第一模式，电磁离合器断开；ECU控制转向电机形成路感反馈阻力转矩；同时，轮毂电机输出差动力矩，驱动车轮进行转向；
第二模式，电磁离合器结合；助力转向电机形成电机助力转矩；同时，轮毂电机输出差动助力转矩，驾驶员施加转矩与电机助力转矩、差动助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第三模式，所述助力转向电机故障，电磁离合器结合；轮毂电机输出差动助力转矩，驾驶员施加转矩与差动助力转矩叠加驱动车轮进行转向；
第四模式，所述轮毂电机故障，电磁离合器结合，转向电机与转向器连接；助力转向电机形成电机助力转矩，驾驶员施加转矩与电机助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第五模式，所述转向电机和轮毂电机故障，电磁离合器结合；驾驶员施加转矩驱动车轮进行转向。
优选的是，所述转向电机包括：
外壳，其内中空；
定子，其固定在所述外壳内表面上；
定子励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；
转子，其可旋转的支撑在所述中空外壳内；
永磁体，其安装在所述转子上，用于在磁场作用下带动转子转动；
输出轴，其与所述转子花键配合连接。
优选的是，所述电磁离合器还包括：
磁轭，其固定在所述输入端的外周缘上，所述磁轭内开设第一容置空间；
线圈，其布设在所述第一容置空间中，用于通电产生电磁力；以及
衔铁，其套设在所述输入端远离磁轭的一端，所述衔铁在电磁吸引力作用下向磁轭滑动；
多个主动摩擦片，其通过花键配合可滑动设置在所述输入端上；
多个从动摩擦片，其交替设置在所述主动摩擦片之间，并通过花键配合可滑动设置在所述输出端上；
所述输入端设置内花键，所述输出轴设置外花键，所述输入端和输出轴通过花键配合；
所述输出端与转向器花键配合连接；
其中，主动摩擦片和从动摩擦片布设在所述衔铁和磁轭之间，当衔铁在电磁力作用下向磁轭滑动至使主动摩擦片和从动摩擦片压紧时，电磁离合器结合。
优选的是，还包括：
转矩传感器，其用于检测方向盘的转矩；
转角传感器，其用于检测方向盘的转角；
所述转矩传感器和转角传感器集合成传感器模块，所述传感器模块固定在所述转向轴上并与ECU连接。
优选的是，还包括：
转向横拉杆，其通过球头副对称连接在所述转向器两端，用于带动车轮平面转动；
左前轮，其通过转向节连接在转向横拉杆一侧，其内具有固定轮毂电机的容置空间；
右前轮，其通过转向节连接在转向横拉杆另一侧，其内具有固定轮毂电机的容置空间。
本发明的目的还通过一种电动轮驱动汽车多模式转向系统的控制方法来实现，包括以下步骤：
ECU读取转向电机的第一自检信号、轮毂电机的第二自检信号和车速信号；
若第一自检信号异常、第二自检信号正常，ECU执行所述第三模式；
若第一自检信号正常、第二自检信号异常，ECU执行所述第四模式；
若第一自检信号和第二自检信号异常，ECU执行所述第五模式；
若否，当车速信号u不小于第一设定速度uT，ECU执行所述第二模式；
当车速信号u小于第一设定速度uT，ECU执行所述第一模式。
优选的是，所述第一模式为：
ECU读取转向盘转角δh、车速u；控制电磁离合器断电，转向电机与转向器断开；
ECU输出转向转角值δ：
δ＝δh/i
其中，i为ECU根据MAP图计算的角传动比；
ECU输出轮毂电机的差动转向力矩TΔz并分配给两个前轮转矩T1、T2，使前轮转向至转向转角值δ；
其中，TΔz为从车速-前轮输出转角-TΔz脉谱图中读取的差动转向力矩；Tt为前轴应输出的总驱动转矩；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比；TΔZ为差动转向力矩；rw为车轮滚动半径；rσ主销偏置距；
同时，ECU控制转向电机输出制动转矩，给予驾驶员驾驶路感反馈Tf；
其中，m是汽车质量；lr为质心到后轴的距离，l是汽车轴距；σx是车轮主销后倾拖距。
优选的是，所述第二模式为：
ECU读取转向盘转角δh、转向盘转矩Th、车速u、横摆角速度ω及侧向加速度ay；控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接；
ECU从转向助力特性曲线图中读取轮毂电机助力力矩Tz并判断车辆是否失稳：
若车辆失稳，则助力力矩分配系数k＝0，轮毂电机输出转矩差产生反横摆力偶矩维持车辆稳定性；
若车辆稳定，轮毂电机输出差动助力力矩TΔz′；
TΔz′＝kTz
分配给两个前轮转矩T1、T2：
其中，TΔz′为根据MAP图读取的差动转向力矩；Tt为前轴应输出的总驱动转矩；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比；rw为车轮滚动半径；rσ主销偏置距；
同时，ECU输出转向电机的助力力矩Td：
Td＝(1-k)Tz
转向电机助力转矩Td、驾驶员施加转向盘转矩Th以及轮毂电机的差动助力力矩TΔz叠加，驱动转向车轮完成转向动作。
优选的是，所述第三模式为：
ECU读取转向盘转角δh、转向盘转矩Th、车速u、横摆角速度ω及侧向加速度ay；控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接；
ECU从转向助力特性曲线图中读取轮毂电机助力力矩Tz并判断车辆是否失稳：
若车辆失稳，轮毂电机根据稳定性控制系统要求输出转矩差产生反横摆力偶矩维持车辆稳定性；
若车辆稳定，轮毂电机输出差动助力力矩TΔz′；
TΔz′＝Tz
分配给两个前轮转矩T1、T2：
其中，TΔz′为根据MAP图读取的差动转向力矩；Tt为前轴应输出的总驱动转矩；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比；rw为车轮滚动半径；rσ主销偏置距；
驾驶员施加转向盘转矩Th和轮毂电机的差动助力力矩TΔz叠加，驱动转向车轮完成转向动作。
优选的是，所述第四模式为：
ECU读取转向盘转角δh、转向盘转矩Th和车速u；控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接；
ECU从转向助力特性曲线图中读取转向轮毂电机助力力矩Tz，并控制转向电机输出助力力矩Td：
Td＝Tz
转向电机助力转矩Td和驾驶员施加转向盘转矩Th在转向电机的转子上叠加并输出，驱动转向车轮完成转向动作。
优选的是，所述第五模式为：
ECU控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接，驾驶员施加的转向盘转矩Th直接传递至转向器，驱动转向车轮完成转向动作。
本发明至少包括以下有益效果：本发明所述的电动轮驱动汽车单电机线控转向系统及多模式控制方法与传统的线控转向系统相比，不仅可根据车速等因素改变角传动比，从根本上解决了“轻与灵”的矛盾，同时省去了转向执行电机，利用电动轮独立驱动汽车各车轮可独立控制的特点，利用左右前轮产生的转矩差来实现转向执行电机的功能，大大简化了系统结构，同时便于实现整车更加复杂的动力性及稳定性控制。当驾驶员实施危险误操作或处于危险转向工况，电控系统能主动介入对转向实现控制，大大提高了转向安全性。同时，由于有多重工作模式的存在，当转向电机损坏时，系统仍可实现差动助力转向；当两前轮轮毂电机有任意一个损坏或者同时损坏时，系统仍可以实现电动助力转向,在这两种故障情况下，系统依然能保持可靠而又稳定的助力；当转向电机和前轮轮毂电机都损坏时，可恢复机械连接，实现机械转向，这就大大提高了系统的可靠性和安全性，使系统总能完成转向的功能。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的结构组成简图；
图2为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的电磁离合器的全剖视图；
图3为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的右前轮系统结构图；
图4为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法的主流程图；
图5为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式一子流程图；
图6为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式二子流程图；
图7为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式三子流程图；
图8为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式四子流程图；
图9为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式一中的车速-方向盘转角-角传动比脉谱(MAP)图；
图10为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式四中转向助力特性曲线图；
图11为本发明所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统控制方法中工作模式三中差动转向助力转矩特性脉谱(MAP)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。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本发明的一种实现形式，一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统，包括：转向盘100、转向电机200、电磁离合器300、转向执行机构400、中央控制单元(ECU)500。转向盘100输入驾驶员的转向意图，转向轴110的上端通过花键与转向盘100相连，用于输出转向意图。转向电机200包括转子220和输出轴260，所述转子220为转轴结构，其上端花键连接所述转向轴110；输出轴260为转轴结构，其上轴端加工有内花键槽以与转子220花键连接，输出轴260下轴端加工有外花键，通过花键与传动轴套310相连接。转子220下端花键连接所述输出轴260；电磁离合器300包括能够选择性结合或分离的输入端和输出端，所述输入端为传动轴套310、所述输出端为外连接件360，所述传动轴套310花键连接所述输出轴260。转向执行机构400包括转向器410、右前轮轮毂电机440和左前轮轮毂电机460；转向器410为齿轮齿条转向器，包括转向输入小齿轮、齿条、转向器壳体，所述转向器410与所述传动轴套310花键连接，用于控制所述转向执行机构400带动右前轮430和左前轮450偏转；右前轮轮毂电机440和左前轮轮毂电机460分别固定在右前轮430和左前轮450的轮毂里，用于驱动右前轮430和左前轮450偏转；ECU500为整车控制器的一个软件控制子模块，其需与整车其他电子控制系统进行协调控制，其连接右前轮轮毂电机440、左前轮轮毂电机460、转向电机200和电磁离合器300，并控制输出如下模式：
第一模式，ECU500控制电磁离合器300断开，转向电机200与转向器410断开；ECU500控制转向电机200形成路感反馈阻力转矩；同时，ECU500控制轮毂电机输出差动力矩，驱动车轮进行转向；
第二模式，ECU500控制电磁离合器300结合，转向电机200与转向器410连接；ECU500控制转向电机200形成电机助力转矩；同时，ECU500控制轮毂电机输出差动助力转矩，驾驶员施加转矩与电机助力转矩、差动助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第三模式，所述转向电机200故障，ECU500控制电磁离合器300结合，转向电机200与转向器410连接；ECU500控制轮毂电机输出差动助力转矩，驾驶员施加转矩与差动助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第四模式，所述轮毂电机故障，ECU500控制电磁离合器300结合，转向电机200与转向器410连接；ECU500控制转向电机200形成电机助力转矩，驾驶员施加转矩与电机助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第五模式，所述转向电机200和轮毂电机故障，ECU500控制电磁离合器300结合，转向电机200与转向器410连接；驾驶员施加转矩驱动车轮进行转向。
在另一实施例中，如图1所示，所述转向电机200为双端输出型永磁同步电机，包括外壳210、转子220、定子230、定子励磁绕组240、永磁体250、输出轴260：定子230安装在电机外壳10上，永磁体250安装在转子220上，定子230上安装有定子励磁绕组240。转子220上端加工有外花键，而转子220下端加工有外花键，转子220上端通过花键与转向轴110相连接，转子220下端与输出轴260通过花键连接。当定子励磁绕组240通过定子230连接电源，其通电产生磁场，永磁体250在磁场作用下带动转子220转动，从而驱动电机输出动力。输出轴260设置在外壳210的外部，用于连接转向电机200和电磁离合器的传动轴套310。
在另一实施例中，如图2所示，所述电磁离合器300包括传动轴套310、磁轭320、线圈330、滑环340、衔铁350、外连接件360、主动摩擦片370和从动摩擦片380。传动轴套310与磁轭320固定连接，线圈330安装在磁轭320中，衔铁350与传动轴套310为滑动连接，主动摩擦片370与传动轴套310、从动摩擦片380与外连接件360均为花键滑动连接，外连接件360通过花键与所述转向器410连接。电磁离合器300通电时，电流经滑环340传递至电磁离合器300的线圈，线圈330产生电磁吸引力吸引衔铁350将主动摩擦片370及从动摩擦片380轴向压紧，传动轴套310与外连接件360通过压紧的主、从动摩擦片相连接，主、从动件结合，从而使输出轴260与转向器410连接，实现同步转动。当电磁离合器300断电时，电磁线圈330对衔铁350无作用，主动摩擦片370和从动摩擦片380分离，传动轴套310和外连接件360无连接关系，输出轴260与转向器410无连接。
在另一实施例中，如图1所示，本发明的电动轮驱动汽车的多模式转向系统还包括：转矩传感器610，其用于检测方向盘100的转矩；转角传感器620，其用于检测方向盘100的转角；所述转矩传感器610和转角传感器620集合成传感器模块600，所述传感器模块600固定在所述转向轴110上并通过螺栓固定在车身上。传感器模块600与ECU500连接，将测量的转向盘100的转角和转矩信号传输至ECU500。
在另一实施例中，如图1所示，所述转向执行机构400包括转向器410、转向横拉杆420、右前轮430，右前轮轮毂电机440、左前轮450和左前轮轮毂电机460，转向器410为齿轮齿条转向器；转向横拉杆420的作用是拖拽车轮转向节臂使车轮平面转动，转向横拉杆420一端通过球头副连接着齿条的一端，另一端通过球头副连接着转向节臂；右前轮430通过转向节连接在转向横拉杆420的一侧，其内具有固定右前轮轮毂电机440的容置空间；左前轮450通过转向节连接在转向横拉杆420的另一侧，其内具有固定左前轮轮毂电机460的容置空间。
如图3所示，所述的右前轮轮毂电机440为定子在内部，转子在外部结构，转子与右前轮轮毂通过螺栓连接，定子固定在转向节轴上，即轮毂电机转子直接驱动车轮，同时，外转子通过一对圆锥滚子轴承支撑在转向节轴上。同时转向节通过键周向固定在转向节轴上，轴向通过轴肩及螺栓及垫片进行固定。其中，左前轮轮毂电机460结构与右前轮轮毂电机440相同。
在另一实施例中，所述的输出轴260可以是汽车上普遍使用的万向传动轴，也可以是普通刚性轴，具体选用哪种依赖于整车布置决定的转向电机200转子220和转向器410的轴线同轴情况而定，如果同轴线则选择普通刚性轴，如果不同轴线则选择万向传动轴。输出轴260结构形式的不同不构成对本发明的实质发明内容的创新和改进。
ECU500通过线缆连接着转角传感器620和转矩传感器610，同时通过线缆连接着左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440以及转向电机200，同时还连接着电磁离合器300。ECU500接收转向盘转矩传感器610及转向盘转角传感器620传来的信号并与车辆CAN总线通信获得车辆其他状态信号，能够判断并发送控制指令至转向电机200及电磁离合器300以及各左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440，控制电磁离合器300的结合和断开以及左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440和转向电机200可以使系统工作在第一模式至第五模式进行转向。参阅表一，第一模式至第五模式分别为线控转向模式、差动助力转向模式、差动助力与电动助力协同转向模式、电动助力转向模式、机械转向模式。
表一线控转向系统的多种转向模式
本发明还提供一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统的控制方法，如图4所示，包括如下步骤：
ECU500通电完成初始化。
系统开始自检，ECU500向转向电机200及左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440发送检测指令信号。然后，ECU500读取转向电机200的第一自检信号、轮毂电机的第二自检信号和车速信号；
若第一自检信号异常、第二自检信号正常，ECU500执行所述第三模式，工作模式选择完毕；
若第一自检信号正常、第二自检信号异常，ECU500执行所述第四模式，工作模式选择完毕；
若第一自检信号和第二自检信号异常，ECU500执行所述第五模式，ECU500控制电磁离合器300通电恢复转向系统机械连接，且同时发出故障警报。工作模式选择完毕；
若否，当车速信号u不小于第一设定速度uT，ECU500执行所述第二模式，工作模式选择完毕；
当车速信号u小于第一设定速度uT，ECU500执行所述第一模式，工作模式选择完毕。
uT的数值选取应以驾驶员通常关心的路感反馈路况有关，一般中、高车速下驾驶员对路感要求高，低速下驾驶员对转向轻便性要求高，路感要求较低。举例说明，此速度门限可选择为uT＝30km/h。注意，速度不仅限于选择为uT＝30km/h。
在另一实施例中，如图5示出的所述第一模式包括以下步骤：
1.控制电磁离合器300断电。
2.读取转向盘转角δh、车速u。
3.根据转向盘转角δh、车速u从车速-方向盘转角-角传动比脉谱(MAP)图出查出对应的角传动比i。MAP图已事先标定好存储在ECU500中，图9示出了车速-方向盘转角-角传动比脉谱(MAP)图，并将MAP图中网格交叉处的车速和方向盘转角对应的角传动比汇总于表二。
表二车速-方向盘转角-角传动比MAP数据汇总表
4.根据选取的角传动比i及转向盘转角δh计算得到前轮应输出的车轮转向转角值δ计算公式如下：
δ＝δh/i (1)
5.结合车速u及应输出的转角值δ，从车速-前轮输出转角-TΔz脉谱图(MAP)中选取对应的差动转向力矩TΔz，其中，所述车速-前轮输出转角-TΔz脉谱图(MAP)的数据汇总于表三。
表三车速-前轮输出转角-TΔz脉谱图(MAP)的数据汇总表
再根据下式计算左右两前轮轮毂电机输出的转矩差值TΔ：
式中，rw为车轮滚动半径；rσ为主销偏置距；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比。
利用计算得到的左右两前轮轮毂电机输出的转矩差值TΔ通过下式计算得出具体的左前轮轮毂电机460输出转矩T1以及右前轮轮毂电机440输出转矩T2。计算公式如下：
TΔ＝T1-T2 (3)
式中，Tt为前轴应输出的总驱动转矩，公式(4)和公式(5)中的第二项正负号取决于汽车转向方向，如果向右转向，公式(4)为正、公式(5)为负；如果向左转向，则正好相反。
6.根据当前计算得到的车轮转角δ、车速u、选取的角传动比i以及汽车参数计算路感反馈力矩Tf计算公式如下：
其中，m是汽车质量；lr为质心到后轴的距离，l是汽车轴距；σx是车轮主销后倾拖距。
7.发送输出转矩指令至左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440，将路感反馈力矩控制指令至转向电机200，两前轮轮毂电机转矩的差值产生的差动力矩使前轮轮转向至目标转角δ；转向电机产生路感反馈力矩Tf，完成系统转向功能。
在另一实施例中，如图6所示的第二模式包括以下步骤：
1.控制电磁离合器300通电结合。
2.ECU读取转向盘转角δh、转向盘转矩Th、车速u、横摆角速度ω及侧向加速度ay。
3.根据转向盘转矩Th和车速u信号从转向助力特性曲线图中读取相对应的助力力矩Tz，转向助力特性曲线图事先标定好后存储在ECU内存中。
4.根据车速u、横摆角速度ω及侧向加速度ay判断车辆是否失稳。失稳判断依据如下：
|ω-ωd|≤ε (7)
式中，ωd为理想参考横摆角速度，与车速等因素有关，ωd事先已得到并存储在ECU500中的稳定性模块中；ε为失稳判断门限值，本值可进行设置。当|ω-ωd|≤ε时，认为汽车是稳定的；当|ω-ωd|＞ε，认为汽车失稳。
如果失稳，助力力矩分配系数k＝0，左右两侧轮毂电机根据稳定性控制系统要求输出转矩差产生反横摆力偶矩维持车辆稳定性；如果未失稳，结合车速u、横摆角速度ω等参数查表得出助力转矩分配系数k，于是期望的由左右两前轮转矩差对系统产生的差动助力力矩TΔz′按照下式计算得到：
TΔz′＝kTz (8)
5.再根据公式(2)计算得到差动助力力矩TΔ，再根据公式(3)-(5)计算得到了左前轮450的输出力矩T1及右前轮430的输出力矩T2，并计算得到转向电机的助力力矩Td：
Td＝(1-k)Tz (9)
6.发送助力转矩控制指令Td至转向电机200，发送具体的输出力矩指令T1、T2至左前轮毂电机和右前轮轮毂电机，两轮毂电机产生的转矩差值TΔ产生差动助力转矩TΔz′，电机助力转矩Td与驾驶员施加转矩Th以及差动助力转矩TΔz在转向系统上叠加并输出驱动转向车轮完成转向动作。
在另一实施例中，如图7所示的所述第三模式包括以下步骤：
1.控制电磁离合器300通电结合。
2.ECU读取转向盘转角δh、转向盘转矩Th、车速u、横摆角速度ω及侧向加速度ay。
3.根据转向盘转矩Th、车速u从转向助力特性曲线图中读取相对应的差动助力力矩TΔz′。转向助力特性曲线图事先标定好后存储在ECU500内存中，图11示出了转向助力特性曲线图，并将图中特征数据汇总于表四。
表四转向助力特性曲线图数据汇总表
4.根据车速u、横摆角速度ω及侧向加速度ay判断车辆是否失稳。失稳判断依据根据公式(7)进行计算，如果失稳，左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440根据稳定性控制系统要求输出转矩差产生反横摆力偶矩维持车辆稳定性；如果未失稳，TΔz′＝Tz。
5.根据得到的差动助力力矩TΔz，利用公式(2)-(5)计算左前轮轮毂电机460的输出转矩T1和右前轮的轮毂电机16的输出转矩T2。
6.发送转矩控制指令至左前轮轮毂电机460和右前轮轮毂电机440，两电机产生的转矩差值TΔ产生对应的差动助力转矩TΔz。差动助力转矩TΔz与驾驶员所施加的转矩Th在转向系统上叠加驱动转向车轮完成转向动作。
在另一实施例中，如图8所示的所述第四模式包括以下步骤：电动助力转向模式子流程如下：
1.控制电磁离合器300通电结合。
2.读取转向盘转角δh、转向盘转矩Th、车速u信号。
3.根据转向盘转矩Th、车速u从转向助力特性曲线图中读取相对应的助力力矩Tz。转向助力特性曲线图事先标定好后存储在ECU500内存中，图10示出了转向助力特性曲线图，并将图中特征数据汇总于表五。
表五转向助力特性曲线图数据汇总表
4.Td＝Tz。
5.发送助力转矩控制指令Td至转向电机200，转向电机200输出对应的电机助力转矩Td，电机助力转矩Td与驾驶员施加转矩Th在转向电机转子220轴上叠加并输出，完成转向功能。此时，驱动力由后轴两轮毂电机产生，前轴不产生驱动力。
在另一实施例中，所述第五模式即机械转向模式包括以下步骤：
1.控制电磁离合器300通电结合。
2.驾驶员操纵转向盘100，转矩及转角经转向轴110、转向电机转子220轴以及输出轴260直接传递至转向器410，完成转向功能。
由于有多重工作模式的存在，当转向电机损坏时，系统仍可实现差动助力转向；当两前轮轮毂电机有任意一个损坏或者同时损坏时，系统仍可以实现电动助力转向,在这两种故障情况下，系统依然能保持可靠而又稳定的助力；当转向电机和前轮轮毂电机都损坏时，可恢复机械连接，实现机械转向，这就大大提高了系统的可靠性和安全性，使系统总能完成转向的功能。
另外，需要说明的是本发明中所有变量均采用国际标准单位。
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)

1.一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统，其特征在于，包括：
转向轴；
助力转向电机，包括转子，其连接所述转向轴；
电磁离合器，包括能够选择性结合或分离的输入端和输出端，所述输入端连接所述转子；
转向器，其与所述输出端固定连接；
轮毂电机，其驱动轮毂，用于驱动车轮转动；
ECU，其连接轮毂电机、助力转向电机和电磁离合器：
第一模式，电磁离合器断开；ECU控制转向电机形成路感反馈力矩；同时，轮毂电机输出差动力矩，驱动车轮进行转向；
第二模式，电磁离合器结合；助力转向电机形成电机助力转矩；同时，轮毂电机输出差动助力转矩，驾驶员施加转矩与电机助力转矩、差动助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第三模式，所述助力转向电机故障，电磁离合器结合；轮毂电机输出差动助力转矩，驾驶员施加转矩与差动助力转矩叠加驱动车轮进行转向；
第四模式，所述轮毂电机故障，电磁离合器结合，转向电机与转向器连接；助力转向电机形成电机助力转矩，驾驶员施加转矩与电机助力转矩叠加后驱动车轮进行转向；
第五模式，所述转向电机和轮毂电机故障，电磁离合器结合；驾驶员施加转矩驱动车轮进行转向。
2.如权利要求1所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统，其特征在于，所述转向电机包括：
外壳，其内中空；
定子，其固定在所述外壳内表面上；
定子励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；
转子，其可旋转的支撑在所述中空外壳内；
永磁体，其安装在所述转子上，用于在磁场作用下带动转子转动；
输出轴，其与所述转子花键配合连接。
3.如权利要求2所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统，其特征在于，所述电磁离合器还包括：
磁轭，其固定在所述输入端的外周缘上，所述磁轭内开设第一容置空间；
线圈，其布设在所述第一容置空间中，用于通电产生电磁力；以及
衔铁，其套设在所述输入端远离磁轭的一端，所述衔铁在电磁吸引力作用下向磁轭滑动；
多个主动摩擦片，其通过花键配合可滑动设置在所述输入端上；
多个从动摩擦片，其交替设置在所述主动摩擦片之间，并通过花键配合可滑动设置在所述输出端上；
所述输入端设置内花键，所述输出轴设置外花键，所述输入端和输出轴通过花键配合；
所述输出端与转向器花键配合连接；
其中，主动摩擦片和从动摩擦片布设在所述衔铁和磁轭之间，当衔铁在电磁力作用下向磁轭滑动至使主动摩擦片和从动摩擦片压紧时，电磁离合器结合。
4.如权利要求3所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统，其特征在于，还包括：
转矩传感器，其用于检测方向盘的转矩；
转角传感器，其用于检测方向盘的转角；
所述转矩传感器和转角传感器集合成传感器模块，所述传感器模块固定在所述转向轴上并与ECU连接。
5.如权利要求4所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统，其特征在于，还包括：
转向横拉杆，其通过球头副对称连接在所述转向器两端，用于带动车轮平面转动；
左前轮，其通过转向节连接在转向横拉杆一侧，其内具有固定轮毂电机的容置空间；
右前轮，其通过转向节连接在转向横拉杆另一侧，其内具有固定轮毂电机的容置空间。
6.一种电动轮驱动汽车的多模式转向系统的控制方法，包括权利要求1-5中任意一项所述的多模式转向系统，其特征在于，包括：ECU读取转向电机的第一自检信号、轮毂电机的第二自检信号和车速信号；
若第一自检信号异常、第二自检信号正常，ECU执行所述第三模式；
若第一自检信号正常、第二自检信号异常，ECU执行所述第四模式；
若第一自检信号和第二自检信号异常，ECU执行所述第五模式；
若否，当车速信号u不小于第一设定速度uT，ECU执行所述第二模式；
当车速信号u小于第一设定速度uT，ECU执行所述第一模式。
7.如权利要求6所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第一模式为：
ECU读取方向盘转角δh、车速信号u；控制电磁离合器断电，转向电机与转向器断开；
ECU输出转向转角值δ：
δ＝δh/i
其中，i为ECU根据MAP图计算的角传动比；
ECU输出轮毂电机的差动转向力矩TΔz并分配给两个前轮转矩T1、T2，使前轮转向至转向转角值δ；
其中，TΔz为根据MAP图读取的差动转向力矩；Tt为前轴应输出的总驱动转矩；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比；rw为车轮滚动半径；rσ主销偏置距；
同时，ECU控制转向电机输出制动转矩，给予驾驶员驾驶路感反馈力矩Tf；
其中，m是汽车质量；lr为质心到后轴的距离，l是汽车轴距；σx是车轮主销后倾拖距。
8.如权利要求7所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第二模式为：
ECU读取方向盘转角δh、方向盘转矩Th、车速信号u、横摆角速度ω及侧向加速度ay；控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接；
ECU从转向助力特性曲线图中读取轮毂电机助力力矩Tz并判断车辆是否失稳：
若车辆失稳，则助力力矩分配系数k＝0，轮毂电机输出转矩差产生反横摆力偶矩维持车辆稳定性；
若车辆稳定，轮毂电机输出差动助力力矩TΔz′；
TΔz′＝kTz
分配给两个前轮转矩T1、T2：
其中，TΔz为根据MAP图读取的差动转向力矩；Tt为前轴应输出的总驱动转矩；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比；rw为车轮滚动半径；rσ主销偏置距；
同时，ECU输出转向电机的助力力矩Td：
Td＝(1-k)Tz
转向电机助力转矩Td、驾驶员施加方向盘转矩Th以及轮毂电机的差动助力力矩TΔz′叠加，驱动转向车轮完成转向动作。
9.如权利要求8所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第三模式为：
ECU读取方向盘转角δh、方向盘转矩Th、车速信号u、横摆角速度ω及侧向加速度ay；控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接；
ECU从转向助力特性曲线图中读取轮毂电机助力力矩Tz并判断车辆是否失稳：
若车辆失稳，轮毂电机根据稳定性控制系统要求输出转矩差产生反横摆力偶矩维持车辆稳定性；
若车辆稳定，轮毂电机输出差动助力力矩TΔz′；
TΔz′＝Tz
分配给两个前轮转矩T1、T2：
其中，TΔz为根据MAP图读取的差动转向力矩；Tt为前轴应输出的总驱动转矩；it为转向传动机构角传动比；is为转向器角传动比；rw为车轮滚动半径；rσ主销偏置距；
驾驶员施加方向盘转矩Th和轮毂电机的差动助力力矩TΔz′叠加，驱动转向车轮完成转向动作。
10.如权利要求9所述的电动轮驱动汽车的多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第四模式为：
ECU读取方向盘转角δh、方向盘转矩Th和车速信号u；控制电磁离合器通电，转向电机与转向器连接；
ECU从转向助力特性曲线图中读取转向轮毂电机助力力矩Tz，并控制转向电机输出助力力矩Td：
Td＝Tz
转向电机助力转矩Td和驾驶员施加方向盘转矩Th在转向电机的转子上叠加并输出，驱动转向车轮完成转向动作。
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