CN106915385A - 一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统及方法，装置包括：检测模块，用于检测行驶参数；线控差动转向控制模块，用于得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩并发出电机控制信号；转向执行模块，用于实现电动汽车的差动转向；方法包括：整车控制器得到电动汽车的行驶速度；线控差动转向控制器根据方向盘的转向角，结合行驶速度，计算得到电动汽车的前轴差动转矩；整车控制器计算得到前轮驱动电机目标转矩；线控差动转向控制器通过计算分别得到左前轮和右前轮的目标输出转矩；电机控制器控制驱动电机和转向执行组件运动，同时控制方向盘回正力矩电机输出力矩。与现有技术相比，本发明具有结构简单以及转向准确等优点。

Description

一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其是涉及一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统及方法。

背景技术

分布式驱动电动汽车是将驱动电机直接安装在驱动轮内或驱动轮附近，具有结构简单、传动路径短、传动效率高等特点。电动机既是汽车的信息单元，又是快速反应的控制执行单元。由于各个电动轮均能独立控制，通过改变单个车轮电机的转矩和转速等参数，可以有效控制每个车轮的动力学状态。

分布式驱动电动汽车在转向时，为了减轻驾驶员动作在转向盘(也可称为方向盘)上的操作力，使用外来动力而产生转向补助力的系统称为转向助力系统。目前，无论是液压转向助力系统、电动转向助力系统还是线控转向系统均需要在转向系中增加助力机构，这使系统结构复杂，成本高。同时助力机构会导致转向系统惯量增加。此外，对于电动助力转向系统，安装于齿轮齿条上方的转向电机会产生噪声和散热等一系列问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，包括：

检测模块，用于检测电动汽车的行驶参数；

线控差动转向控制模块，用于根据检测模块反馈的行驶参数计算电动汽车转向时的前轴差动转矩，并根据前轴差动转矩进行计算，分别得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩并发出电机控制信号；

转向执行模块，用于根据线控差动转向控制模块发出的电机控制信号实现电动汽车的差动转向。

所述检测模块包括：

轮速传感器，与电动汽车的车轮连接，用于测量车轮的轮速；

加速度传感器，与电动汽车连接，用于测量电动汽车的纵向加速度；

方向盘转角传感器，与电动汽车的方向盘连接，用于测量方向盘的转向角；

车轮转角传感器，与电动汽车的转向执行模块连接，用于测量计算车轮的转向角；

拉压力传感器，与电动汽车的转向执行模块连接，用于测量计算车轮的回正力矩。

所述车轮转角传感器包括安装于齿条的位移传感器、安装于小齿轮的小齿轮转角传感器或安装于主销的主销转角传感器。

所述线控差动转向控制模块包括：

整车控制器，用于发出检测命令并接收检测模块传递的电动汽车的行驶参数；

线控差动转向控制器，集成于整车控制器上，用于计算电动汽车转向时的前轴差动转矩，并根据前轴差动转矩进行计算，同时结合电动汽车的车轮实际转向角进行闭环控制，分别得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩；

电机控制器，集成于整车控制器上，用于根据线控差动转向控制器得到的目标输出转矩发出电机控制信号。

所述转向执行模块包括：

驱动电机，与电动汽车的车轮连接，用于驱动车轮运动；

转向执行组件，分别与电动汽车的左前轮和右前轮连接，用于驱动车轮转动；

方向盘回正力矩电机，与方向盘连接，用于实现路感反馈。

所述转向执行组件包括依次连接的横拉杆、齿条和小齿轮，所述横拉杆分别与电动汽车的左前轮和右前轮连接。

一种利用如上所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统实现的线控差动转向方法，所述方法包括下列步骤：

1)线控差动转向控制模块根据轮速传感器测量的轮速信号和加速度传感器测量的纵向加速度信号进行车速估计计算，得到电动汽车的行驶速度；

2)线控差动转向控制模块根据方向盘转角传感器测量的方向盘的转向角，结合步骤1)得到的行驶速度，计算得到电动汽车的前轴差动转矩；

3)线控差动转向控制模块根据整车动力性和安全性计算得到分配给电动汽车的前轮驱动电机目标转矩；

4)线控差动转向控制模块根据步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩，以及步骤2)得到的电动汽车的前轴差动转矩，计算得到左前轮和右前轮驱动电机的目标输出转矩；

5)线控差动转向控制模块根据步骤4)得到的目标输出转矩控制驱动电机和转向执行组件运动，同时结合拉压力传感器测量的回正力矩，控制方向盘回正力矩电机输出力矩。

所述步骤2)具体为：

21)线控差动转向控制模块根据方向盘转角传感器测量的方向盘的转向角，判断方向盘处于转向过程或回正过程，若是转向过程则进入步骤22)，若是回正过程则进入步骤23)；

22)线控差动转向控制模块根据步骤1)得到的行驶速度，查找设定的车速-方向盘转向角-差动转矩图，得到电动汽车的前轴差动转矩；

23)线控差动转向控制模块根据方向盘的转向角与0的差值，通过积分分离PID控制算法进行计算，得到电动汽车的前轴差动转矩。

所述通过计算分别得到左前轮和右前轮的目标输出转矩具体为：

41)将步骤2)得到的电动汽车的前轴差动转矩进行平分，得到平分值；

42)判断目标车轮与转向方向是否相同，若是则进入步骤43)，若否则进入步骤44)；

43)求取步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩与步骤41)得到的平分值的代数差，作为目标车轮的驱动电机的目标输出转矩；

44)求取步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩与步骤41)得到的平分值的代数和，作为目标车轮的驱动电机的目标输出转矩。

所述步骤4)还包括：根据车轮转角传感器测量的车轮的转向角，对得到的目标输出转矩进行闭环控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过线控差动转向控制模块对前轴差动转矩进行计算，从而得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩并发出电机控制信号，从而实现电动汽车的转向，与传统的通过助力机构实现汽车转向的系统相比，去除了转向管柱和转向助力机构等部件，简化了转向结构，降低了成本，同时也消除了助力机构带来的转向系统惯量增加、转向助力电机的振动噪声和散热等问题，同时也增大了车内的空间，提升了车辆的舒适程度。

(2)车轮转角传感器可以为安装于车轮齿条的位移传感器、安装于车轮小齿轮的小齿轮转角传感器或安装于车轮主销的主销转角传感器，测量灵活，可以根据实际情况进行选择。

(3)线控差动转向控制器和电机控制器均集成于整车控制器上，控制方便且节省空间，同时也降低了生产成本。

(4)执行模块中除了驱动电机和转向执行组件以外，还包括方向盘回正力矩电机，使得控制器可以根据拉压力传感器反馈的路面信号，结合驾驶员的理想手力曲线，控制方向盘回正力矩电机从而控制方向盘，给驾驶员良好的路感反馈。

(5)本发明提出的分布式驱动电动汽车线控差动转向方法，通过计算使得电动汽车的方向盘与汽车前轮转角之间的关系摆脱了机械系统的限制而自由设计，不但可以改善汽车转向的力传递特性，也可以任意设计汽车转向的角传递特性，从而提高车辆的转向性能和行驶安全性。

(6)由于本发明提出的方法是基于差向转动而实现，因此可调范围较传统的助力机构相比明显增大，转向系统的响应品质得到显著提升。

(7)在计算电动汽车的前轴差动转矩过程中，首先对方向盘的状态进行预判，从而可以有针对性的计算得到前轴差动转矩，控制准确。

(8)在对驱动电机的目标输出转矩进行计算时，首先通过计算分别得到两个前轮驱动电机的目标输出转矩，同时还根据车轮转角传感器测量的车轮的转向角，对得到的目标输出转矩进行闭环控制，进一步提高了控制精度。

(9)本发明不仅可以在驾驶员施加的手动控制下进行转向，而且可以在安全系统的控制下转向，安全系统通过连续地分析车辆的实际状态并导入必要的校正值来保持车辆功能的稳定性。

(10)本发明提出的系统，既可以应用于有人驾驶汽车，也可以去除掉方向盘总成而改为直接通过控制器进行控制，从而用于无人驾驶汽车，应用范围广，为汽车转向功能提供了新的实现方式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为对电动汽车进行差动转向的控制原理图；

图3为用于无人车时线控差动转向系统的结构示意图；

图4为引入转矩矢量控制的线控差动转向系统的结构示意图；

其中，1为横拉杆，2为齿条，3为小齿轮，4为位移传感器，5为拉压力传感器，6为方向盘回正力矩电机，7为线控差动转向控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，包括：检测模块，用于检测电动汽车的行驶参数；线控差动转向控制模块7，用于根据检测模块反馈的行驶参数计算电动汽车转向时的前轴差动转矩，并根据前轴差动转矩进行计算，分别得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩并发出电机控制信号；转向执行模块，用于根据线控差动转向控制模块7发出的电机控制信号实现电动汽车的差动转向。

其中，检测模块包括：轮速传感器，与电动汽车的车轮连接，用于测量车轮的轮速；加速度传感器，与电动汽车连接，用于测量电动汽车的纵向加速度；方向盘转角传感器，与电动汽车的方向盘连接，用于测量方向盘的转向角；车轮转角传感器，与电动汽车的转向执行模块连接，用于测量计算车轮的转向角；拉压力传感器5，与电动汽车的转向执行模块连接，用于测量计算车轮的回正力矩。车轮转角传感器包括安装于齿条2的位移传感器4、安装于小齿轮3的小齿轮转角传感器或安装于主销的主销转角传感器。线控差动转向控制模块7包括：整车控制器，用于发出检测命令并接收检测模块传递的电动汽车的行驶参数；线控差动转向控制器，集成于整车控制器上，用于计算电动汽车转向时的前轴差动转矩，并根据前轴差动转矩进行计算，同时结合电动汽车的车轮实际转向角进行闭环控制，分别得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩；电机控制器，集成于整车控制器上，用于根据线控差动转向控制器得到的目标输出转矩发出电机控制信号。转向执行模块包括：驱动电机，与电动汽车的车轮连接，用于驱动车轮运动；转向执行组件，分别与电动汽车的左前轮和右前轮连接，用于驱动车轮转动；方向盘回正力矩电机6，与方向盘连接，用于实现路感反馈。转向执行组件包括依次连接的横拉杆1、齿条2和小齿轮3，横拉杆1分别与电动汽车的左前轮和右前轮连接。

根据上述系统，依据如图2所示的原理，即可实现差动转向的控制，具体的原理为：转向轮主销内倾角为α，主销偏移距为a。左右转向轮驱动力F_fl、F_fr对主销的转矩分别为：

T_l＝F_fla cosα

T_r＝F_fra cosα

式中T_l和T_r的作用是分别驱动左右转向轮绕主销转动，这两个力矩方向相反，在有转向梯形存在的情况下，其差值是驱动两转向轮同时转向的转矩即：

T_st＝T_l-T_r＝(F_fl-F_fr)a cosα

传统汽车左右驱动轮的驱动力是由差速器进行分配的，两驱动力大小基本相等，使前轴差动转矩约为零。而对于分布式驱动电动汽车，通过控制左右驱动电机输出的驱动转矩差值控制前轴差动转向力矩T_st，使其产生合适的转向作用。

基于上述系统和原理，可以得到一种分布式驱动电动汽车线控转向方法，具体包括下列步骤：

1)整车控制器根据轮速传感器测量的轮速信号和加速度传感器测量的纵向加速度信号进行车速估计计算，得到电动汽车的行驶速度；

2)线控差动转向控制器根据方向盘转角传感器测量的方向盘的转向角，结合步骤1)得到的行驶速度，计算得到电动汽车的前轴差动转矩：

21)线控差动转向控制器根据方向盘转角传感器测量的方向盘的转向角，判断方向盘处于转向过程或回正过程，若是转向过程则进入步骤22)，若是回正过程则进入步骤23)；

22)线控差动转向控制器根据步骤1)得到的行驶速度，查找设定的车速-方向盘转向角-差动转矩图，得到电动汽车的前轴差动转矩；

23)线控差动转向控制器根据方向盘的转向角与0的差值，通过积分分离PID控制算法进行计算，得到电动汽车的前轴差动转矩；

3)整车控制器根据整车动力性和安全性计算得到分配给电动汽车的前轮驱动电机目标转矩；

4)线控差动转向控制器根据步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩，以及步骤2)得到的电动汽车的前轴差动转矩，通过计算分别得到左前轮和右前轮驱动电机的目标输出转矩：

41)将步骤2)得到的电动汽车的前轴差动转矩进行平分，得到平分值；

42)判断目标车轮与转向方向是否相同，若是则进入步骤43)，若否则进入步骤44)；

43)求取步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩与步骤41)得到的平分值的代数差，作为目标车轮的驱动电机的目标输出转矩；

44)求取步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩与步骤41)得到的平分值的代数和，作为目标车轮的驱动电机的目标输出转矩；

在进行完上述过程后，还可以根据车轮转角传感器测量的车轮的转向角，对得到的目标输出转矩进行闭环控制；

5)电机控制器根据步骤4)得到的目标输出转矩控制驱动电机和转向执行组件运动，同时结合拉压力传感器5测量的回正力矩，控制方向盘回正力矩电机6输出力矩。

该用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统如果应用于无人车时，其系统结构变为如图3所示，该系统在原有的结构基础上去除了方向盘、方向盘转角传感器和方向盘回正力矩电机6，对于方向盘是处于转向过程还是回正过程的判断，改为直接由整车控制器给出，而非根据方向盘转角传感器的测量值来进行判断。

该线控差动转向系统还可以与转矩矢量模块实现对汽车的四个轮子的联合控制，将通过线控差动转向和转矩矢量联合控制得到的需求驱动转矩信号分别发送到四个驱动轮，具体结构如图4所示，差动转向根据驾驶员意图得到差动转矩，并分配到前轴左右轮。同时，通过跟踪理想横摆角速度响应的计算得到控制横摆力矩，减去前轮差动产生的额外横摆力矩得到需要通过后轴产生的整车横摆力矩的大小，并分配到后轴左右轮。

Claims (10)

1.一种用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测电动汽车的行驶参数；

线控差动转向控制模块，用于根据检测模块反馈的行驶参数计算电动汽车转向时的前轴差动转矩，并根据前轴差动转矩进行计算，分别得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩并发出电机控制信号；

转向执行模块，用于根据线控差动转向控制模块发出的电机控制信号实现电动汽车的差动转向。

2.根据权利要求1所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，其特征在于，所述检测模块包括：

轮速传感器，与电动汽车的车轮连接，用于测量车轮的轮速；

加速度传感器，与电动汽车连接，用于测量电动汽车的纵向加速度；

方向盘转角传感器，与电动汽车的方向盘连接，用于测量方向盘的转向角；

车轮转角传感器，与电动汽车的转向执行模块连接，用于测量计算车轮的转向角；

拉压力传感器，与电动汽车的转向执行模块连接，用于测量计算车轮的回正力矩。

3.根据权利要求2所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，其特征在于，所述车轮转角传感器包括安装于齿条的位移传感器、安装于小齿轮的小齿轮转角传感器或安装于主销的主销转角传感器。

4.根据权利要求1所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，其特征在于，所述线控差动转向控制模块包括：

整车控制器，用于发出检测命令并接收检测模块传递的电动汽车的行驶参数；

线控差动转向控制器，集成于整车控制器上，用于计算电动汽车转向时的前轴差动转矩，并根据前轴差动转矩进行计算，同时结合电动汽车的车轮实际转向角进行闭环控制，分别得到前轴左、右驱动电机的目标输出转矩；

电机控制器，集成于整车控制器上，用于根据线控差动转向控制器得到的目标输出转矩发出电机控制信号。

5.根据权利要求1所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，其特征在于，所述转向执行模块包括：

驱动电机，与电动汽车的车轮连接，用于驱动车轮运动；

转向执行组件，分别与电动汽车的左前轮和右前轮连接，用于驱动车轮转动；

方向盘回正力矩电机，与方向盘连接，用于实现路感反馈。

6.根据权利要求5所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统，其特征在于，所述转向执行组件包括依次连接的横拉杆、齿条和小齿轮，所述横拉杆分别与电动汽车的左前轮和右前轮连接。

7.一种利用如权利要求2所述的用于分布式驱动电动汽车的线控差动转向系统实现的线控差动转向方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

1)线控差动转向控制模块根据轮速传感器测量的轮速信号和加速度传感器测量的纵向加速度信号进行车速估计计算，得到电动汽车的行驶速度；

2)线控差动转向控制模块根据方向盘转角传感器测量的方向盘的转向角，结合步骤1)得到的行驶速度，计算得到电动汽车的前轴差动转矩；

3)线控差动转向控制模块根据整车动力性和安全性计算得到分配给电动汽车的前轮驱动电机目标转矩；

4)线控差动转向控制模块根据步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩，以及步骤2)得到的电动汽车的前轴差动转矩，计算得到左前轮和右前轮驱动电机的目标输出转矩；

5)线控差动转向控制模块根据步骤4)得到的目标输出转矩控制驱动电机和转向执行组件运动，同时结合拉压力传感器测量的回正力矩，控制方向盘回正力矩电机输出力矩。

8.根据权利要求7所述的线控差动转向方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

21)线控差动转向控制模块根据方向盘转角传感器测量的方向盘的转向角，判断方向盘处于转向过程或回正过程，若是转向过程则进入步骤22)，若是回正过程则进入步骤23)；

22)线控差动转向控制模块根据步骤1)得到的行驶速度，查找设定的车速-方向盘转向角-差动转矩图，得到电动汽车的前轴差动转矩；

23)线控差动转向控制模块根据方向盘的转向角与0的差值，通过积分分离PID控制算法进行计算，得到电动汽车的前轴差动转矩。

9.根据权利要求7所述的线控差动转向方法，其特征在于，所述通过计算分别得到左前轮和右前轮的目标输出转矩具体为：

41)将步骤2)得到的电动汽车的前轴差动转矩进行平分，得到平分值；

42)判断目标车轮与转向方向是否相同，若是则进入步骤43)，若否则进入步骤44)；

43)求取步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩与步骤41)得到的平分值的代数差，作为目标车轮的驱动电机的目标输出转矩；

44)求取步骤3)得到的前轮驱动电机目标转矩与步骤41)得到的平分值的代数和，作为目标车轮的驱动电机的目标输出转矩。

10.根据权利要求7所述的线控差动转向方法，其特征在于，所述步骤4)还包括：根据车轮转角传感器测量的车轮的转向角，对得到的目标输出转矩进行闭环控制。