CN106926901B - 数控四驱电动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控四驱电动控制系统，包括：转向角度编码器、速度给定编码器、五个伺服驱动器、五个交流伺服电机、工控机，转向角度编码器用于采集车辆转向角度和转向速度；速度给定编码器用于采集车辆的目标行驶速度；工控机用于根据接收转向角度和转向速度信号和目标行驶速度信号确定输出五路脉冲信号发送至对应的五个伺服驱动器；五个伺服驱动器分别控制五个交流伺服电机的运转；五个交流伺服电机有四个给车辆的四个轮毂提供动力和一个给转向助力提供动力；车辆行驶中四个轮毂始终有动力输出，直线行驶时四轮毂同步运转，转向行驶时根据转向轨迹四轮毂进行速度插补。本发明保证车辆行驶顺畅，提高了车辆行驶的安全性。

Description

数控四驱电动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及四驱车控制技术领域，尤其涉及一种数控四驱电动控制系统及方法。

背景技术

电动车不仅符合国家规定的节能环保的发展趋势，而且大大方便了短途交通，最主要是通过对能源和环境的节省和保护，在国民经济中起着重要的作用。

电动车分为交流电动车和直流电动车。通常说的电动车是以电池作为能量来源，通过控制器、电机等部件，将电能转化为机械能运动，以控制电流、电压的大小改变速度的车辆。

然而，目前四驱车辆在高速行驶时不能将差速锁锁止，在转弯时不能实现四轮插补运行。

发明内容

本发明提供一种数控四驱电动控制系统及方法，以克服上述技术问题。

本发明一种数控四驱电动控制系统，包括：

转向角度编码器、速度给定编码器、五个伺服驱动器、五个交流伺服电机、工控机，所述五个交流伺服电机包括四个给轮毂提供动力的交流伺服电机和一个给转向助力提供动力的交流伺服电机，

所述五个伺服驱动器包括四个控制所述四个给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器和一个控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器；

所述转向角度编码器用于采集车辆转向角度和转向速度，并将所述转向角度和转向速度信号发送至所述工控机；

所述速度给定编码器用于采集车辆的目标行驶速度，并将所述车辆目标行驶速度信号发送至所述工控机；

所述工控机用于根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定输出五路脉冲信号发送至所述五个伺服驱动器，四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器分别接收由所述工控机输出的四路脉冲信号，并根据所述四路脉冲信号控制所述给四个轮毂提供动力的交流伺服电机为四个轮毂提供对应转向轨迹各自不同的转速；一个控制给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器接收由所述工控机输出的一路脉冲信号，并根据所述一路脉冲信号控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的运行。

进一步地，所述工控机具体用于：

当车辆执行右转弯时，根据公式

p1＝nxy (1)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

或者，当车辆执行左转弯时，根据公式

p2＝nxy (6)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

其中，L为车辆的轴距，d1为车辆的轮距，α为转向角度编码器采集的前轴外转向轮的角度，β为前轴内转向轮的角度，r1为前轴外转向轮的转弯半径，r2为前轴内转向轮的转弯半径，d2为后轴内侧轮的转弯半径，p1为控制左前轮转速的脉冲信号，p2为控制右前轮转速的脉冲信号，p3为控制左后轮转速的脉冲信号，p4为控制右后轮转速的脉冲信号，p5为控制转向轮的转向速度和角度的脉冲信号，工控机采集到转向编码器的输入信号，经运算后输出，n为速度给定编码器输出的数字信号，x为速度信号转换后的脉冲信号，y为脉冲频率调整系数，0<y≤1。

本发明还提供一种数控四驱电动控制方法，包括：

转向角度编码器采集车辆转向角度和转向速度，速度给定编码器采集车辆目标行驶速度，并将所述转向角度和转向速信号和所述目标行驶速度信号发送至工控机；

所述工控机根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定五路脉冲信号给所述五个伺服驱动器，由五个伺服驱动器控制所述五个交流伺服电机的运转；

四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器分别接收由所述工控机输出的四路脉冲信号，并根据所述四路脉冲信号控制所述给四个轮毂提供动力的交流伺服电机为四个轮毂提供对应转向轨迹各自不同的转速；一个控制给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器接收由所述工控机输出的一路脉冲信号，并根据所述一路脉冲信号控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的运行。

进一步地，所述工控机根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定五路脉冲信号给所述五个伺服驱动器，由五个伺服驱动器控制所述五个交流伺服电机的运转，包括：

当车辆执行右转弯时，根据公式

p1＝nxy (1)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

或者，当车辆执行左转弯时，根据公式

p2＝nxy (6)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

其中，L为车辆的轴距，d1为车辆的轮距，α为转向角度编码器采集的前轴外转向轮的角度，β为前轴内转向轮的角度，r1为前轴外转向轮的转弯半径，r2为前轴内转向轮的转弯半径，d2为后轴内侧轮的转弯半径，p1为控制左前轮转速的脉冲信号，p2为控制右前轮转速的脉冲信号，p3为控制左后轮转速的脉冲信号，p4为控制右后轮转速的脉冲信号，p5为控制转向轮的转向速度和角度的脉冲信号，工控机采集到转向编码器的输入信号，经运算后输出，n为速度给定编码器输出的数字信号，x为速度信号转换后的脉冲信号，y为脉冲频率调整系数，0<y≤1。

本发明数控四驱电动控制系统中四个交流伺服电机为四个轮毂提供动力，一个交流伺服电机给转向助力装置提供动力，保证车辆在行驶中四个轮毂始终有动力输出。实现了车辆在直线行驶时四个轮毂的速度保持同步。在转弯时可根据转弯的角度通过插补运算分配给4个轮毂不同的转速，使四个轮毂的速度根据四个轮的转向轨迹进行插补，保证车辆行驶顺畅，提高了车辆行驶的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明数控四驱电动控制系统结构示意图；

图2对本发明数控四驱电动控制系统连接线路示意图；

图3为本发明工控机输出脉冲信号示意图；

图4为本发明数控四驱电动车的行驶轨迹示意图；

图5为本发明数控四驱电动控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明数控四驱电动控制系统结构示意图，如图1所示，本实施例的系统可以包括：

转向角度编码器101、速度给定编码器102、工控机103、五个交流伺服电机和对应控制所述五个交流伺服电机的五个伺服驱动器，所述五个交流伺服电机包括给左前轮毂动力的交流伺服电机104、给右前轮毂动力的交流伺服电机105、给左后轮毂动力的交流伺服电机106、给右后轮毂动力的交流伺服电机107和给转向助力的交流伺服电机108，所述五个伺服驱动器包括左前轮伺服驱动器109、右前轮伺服驱动器110、左后轮伺服驱动器111、右后轮伺服驱动器112和转向伺服驱动器113；

如图2所示，所述转向角度编码器用于采集车辆转向角度和转向速度，并将所述转向角度和转向速度信号发送至所述工控机；

所述速度给定编码器用于采集车辆目标行驶速度，并将所述目标行驶速度信号发送至所述工控机；

所述工控机用于根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定输出五路脉冲信号发送至所述五个伺服驱动器，四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器分别接收由所述工控机输出的四路脉冲信号，并根据所述四路脉冲信号控制所述给四个轮毂提供动力的交流伺服电机为四个轮毂提供对应转向轨迹各自不同的转速；一个控制给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器接收由所述工控机输出的一路脉冲信号，并根据所述一路脉冲信号控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的运行。

具体而言，系统中工控机用于控制车辆整体运行。左前轮交流伺服电机为左前轮提供动力，反馈元件是增量值编码器。右前轮交流伺服电机为右前轮提供动力，反馈元件是增量值编码器。左后轮交流伺服电机为左后轮提供动力，反馈元件是增量值编码器。右后轮交流伺服电机为右后轮提供动力，反馈元件是增量值编码器。转向轮交流伺服电机为转向助力装置提供转向动力，反馈元件是绝对值编码器。左前轮伺服驱动器控制左前轮交流伺服电机的运转。右前轮伺服驱动器控制右前轮交流伺服电机的运转。转向轮伺服驱动器控制转向轮交流伺服电机的运转。右后轮伺服驱动器控制右后轮交流伺服电机的运转。左后轮伺服驱动器控制左后轮交流伺服电机的运转。转向角度编码器是绝对值旋转编码器，与方向盘114连动，给工控机提供转向角度和转向速度的数字量，并时刻记忆方向盘的当前位置。速度给定编码器是增量值旋转编码器，给工控机提供车辆目标行驶速度。速度给定编码器与踏板通过机械连接，踏板踩的越深要求车辆的行驶速度就越快。电池115给系统提供电能。

工控机采集驾驶员对车辆的操控信息，通过运算输出给各个伺服驱动器脉冲信号，伺服驱动器按照该脉冲信号去控制对应的交流伺服电机的运转。交流伺服电机的编码器采集电机的速度和位置信息反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据反馈信息调整输出的电压和频率，使交流伺服电机按控制指令运转。本实施例工控机采用分体式的，触摸屏安装在中控台上，可显示车速、当前电量、里程、转向角度、GPS导航、定速巡航等车辆行驶时的必要信息。显示车辆故障时的报警信息。通过密码可进入数控系统的参数调整画面对车辆进行维修调试。

工控机输出五路脉冲信号，其中一路控制转向轮伺服电机的回转速度和回转角度，即控制速度和位置。转向角度编码与方向盘通过机械连接，方向盘同时也和转向助力装置连接，驾驶员操作方向盘，转向编码器输出转向角度和转向速度的数字信号给工控机，工控机根据采集的转向角度编码器的数字信号，换算出对应的转向角度(方向盘的回转角度和前轮毂的转向角度是不同的)，再通过运算输出指令信号给对应的伺服驱动器，伺服驱动器按输入指令控制对应的转向轮交流伺服电机的运转。当车辆在快速行驶急转弯时，工控机输出给转向伺服驱动器的脉冲频率变低，使转向加速度变慢，由于方向盘同时也和转向机构连接，因此让驾驶员感到方向盘发紧，转向角度大时还要降低车辆的行驶速度。行驶速度慢时，可根据方向盘的转向速度输出对应的脉冲频率，让驾驶员感到方向盘很灵活。综合车辆的行驶状态工控机输出转向所需的脉冲频率和脉冲数量，使转向轮交流伺服电机按指定的速度旋转到所需的角度。防止快速行驶时急转弯，提高车辆行驶的稳定性。上述功能可实现随速可变助力转向。改变电子齿轮比还可实现可变转向比功能。

其余4路脉冲信号分别控制车辆的4个轮毂的转速。工控机采集驾驶员提供的速度给定编码器和转向角度编码器的数字信号，通过运算输出4路脉冲信号发送至对应的伺服驱动器，伺服驱动器按输入指令控制对应轮毂的交流伺服电机的运转。在直线行驶时四个轮毂的速度保持同步，在转弯时四个轮毂的速度根据四个轮的转向轨迹进行插补。

本实施例中4个轮毂交流伺服电机的参数如下：额定输出功率：5.5kw，额定转速：1500r/min，额定扭矩：35.0N·m，瞬时最大扭矩：87.6N·m，额定电流：42.1A，瞬时最大电流：110A，总功率为22kw；供给4个轮毂的额定扭矩为140N·m；最大扭矩为350.4N·m。可轻松的带动重量为1500kg左右的车辆行驶。4个轮毂的交流伺服电机对应驱动器的容量为6.0kw，输入电源DC200V。转向轮交流伺服电机的参数如下：额定输出功率：850w，额定转速：1500r/min，额定扭矩：5.39N·m，瞬时最大扭矩：13.8N·m，额定电流：7.1A，瞬时最大电流：17A，转向轮交流伺服电机对应驱动器的容量为1.0kw，输入电源DC200V。电池组：输出电压DC200V，容量根据车辆的内部空间和自身的重量而定。

如图3所示，单位时间内输出的脉冲信号的数量即脉冲频率，用于控制伺服电机的转速，频率越高交流伺服电机的转速就越快，转速与频率成正比。脉冲的数量用于控制交流伺服电机的回转位置。

车辆的转向动力由转向轮伺服电机提供，转向机构采用转向梯形结构。

当车辆转弯时，根据行驶的速度和方向盘的回转角度y值会有变化，当行驶速度过快时回转方向盘，y值变小，此时y值与车辆的转弯角度成反比。当车辆的行驶速度小于等于规定值(如10km/h)时,y＝1。y值与车辆的自身参数有关，具体根据车辆规格而定。避免车辆在高速行驶时急转弯，提高车身的稳定性。

如图4所示，转弯时的速度以r1对应的圆弧轨迹上的车轮转速为基准计算其余3个轮毂的转速。根据下列公式计算系统中五个伺服驱动器所需的脉冲信号：

当车辆执行右转弯时，控制四个轮毂的脉冲信号为：

p1＝nxy (7)

当车辆执行左转弯时，控制四个轮毂的脉冲信号为：

p2＝nxy (12)

当α＝0时，车辆直线行驶。p1＝p2＝p3＝p4。当α≠0时，车辆转弯行驶。

其中，L为车辆的轴距(已知量)，d1为车辆的轮距(已知量)，α为转向角度编码器采集的前轴外转向轮的角度，β为前轴内转向轮的角度，r1为前轴外转向轮的转弯半径，r2为前轴内转向轮的转弯半径，d2为后轴内侧轮的转弯半径，p1为控制左前轮转速的脉冲信号，p2为控制右前轮转速的脉冲信号，p3为控制左后轮转速的脉冲信号，p4为控制右后轮转速的脉冲信号，p5为控制转向轮的转向速度和角度的脉冲信号，工控机采集到转向编码器的输入信号，经运算后输出，n为速度给定编码器输出的数字信号，x为速度信号转换后的脉冲信号，由工控机处理，y为脉冲频率调整系数，用于提高车身稳定性，0<y≤1，其中，当车辆直线行驶时，y＝1。车辆直线行驶时：4轮同步，车辆转弯行驶时：4轮插补。

当车辆需要向前行驶时工控机输出CW方向脉冲信号，当车辆需要向后行驶时工控机输出CCW方向脉冲信号。本实施例的车辆的选择轮胎规格为195/60R16。轮辋直径为16英寸，换算为毫米为16×25.4＝406.4(mm)，轮辋的半径为：406.4÷2＝203.2(mm)，轮胎的断面高度为：195×0.6＝117(mm)，轮毂的半径为：203.2+117＝320.2(mm)。由于车身的重量，轮毂与地面接触时轮毂的半径小于320.2mm，取305mm。车轮转一周车辆的移动距离为：2πR＝2×3.14×305＝1915.4(mm)，换算为米为：1.915(m)，交流伺服电机的额定转速：1500r/min，每分钟车辆的行驶距离为：1500×1.915＝2872.5(m)≈2873m，车辆每小时行驶的公里数为：2873×60÷1000＝172.38(km/h)，交流伺服电机的转速在0～1500r/min的区间是可调整的，因此车辆的行驶速度可控在120公里/小时以下，满足安全行驶条件。

图5为本发明数控四驱电动控制方法流程图，如图5所示，本实施例方法，包括：

步骤101、转向角度编码器采集车辆转向角度和转向速度，速度给定编码器采集车辆目标行驶速度，并将所述转向角度和转向速信号和所述目标行驶速度信号发送至工控机；

步骤102、所述工控机根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定五路脉冲信号给所述五个伺服驱动器，由五个伺服驱动器控制所述五个交流伺服电机的运转；

步骤103、四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器分别接收由所述工控机输出的四路脉冲信号，并根据所述四路脉冲信号控制所述给四个轮毂提供动力的交流伺服电机为四个轮毂提供对应转向轨迹各自不同的转速；一个控制给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器接收由所述工控机输出的一路脉冲信号，并根据所述一路脉冲信号控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的运行。

本实施例的方法与图1所示的系统工作原理相同，此处不再赘述。

本发明的有益效果：

1、采用交流伺服电机替代了燃油发动机，使二氧化碳的排放为0，能达到保护环境的目的，节省能源。伺服电机高效率提高了电池的续航能力；

2、采用全数字伺服控制系统，四个交流伺服电机分别给乘用车的四个轮毂提供动力，车辆直线行驶时四轮同步，车辆转弯行驶时四轮速度插补；一个伺服电机给转向助力装置提供动力，使车辆的转向角度更加精准。

3、引入了工控机，加强了系统的网络功能，结合数控系统的精确控制使无人驾驶更容易实现；

4、数控四驱电动伺服乘用车的四个轮毂上均有独立的动力，节省了车辆的动力传递机构。车辆在满足全时四驱的基础上，还可省去前桥限滑差速器/差速锁、中央差速器、后桥限滑差速器/差速锁。应用到SUV的车型上，对车辆的越野能力和脱困能力都有很大的提升。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种数控四驱电动控制系统，其特征在于，包括：

转向角度编码器、速度给定编码器、五个伺服驱动器、五个交流伺服电机、工控机，所述五个交流伺服电机包括四个给轮毂提供动力的交流伺服电机和一个给转向助力提供动力的交流伺服电机，

所述五个伺服驱动器包括四个控制所述四个给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器和一个控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器；

所述转向角度编码器用于采集车辆转向角度和转向速度，并将所述转向角度和转向速度信号发送至所述工控机；

所述速度给定编码器用于采集车辆的目标行驶速度，并将所述车辆目标行驶速度信号发送至所述工控机；

所述工控机用于根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定输出五路脉冲信号发送至所述五个伺服驱动器，所述四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器分别接收由所述工控机输出的四路脉冲信号，并根据所述四路脉冲信号控制所述给四个轮毂提供动力的交流伺服电机为四个轮毂提供对应转向轨迹各自不同的转速；所述一个控制给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器接收由所述工控机输出的一路脉冲信号，并根据所述一路脉冲信号控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的运行。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工控机具体用于：

当车辆执行右转弯时，根据公式

p1＝nxy (1)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

或者，当车辆执行左转弯时，根据公式

p2＝nxy (6)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

其中，L为车辆的轴距，d1为车辆的轮距，α为转向角度编码器采集的前轴外转向轮的角度，β为前轴内转向轮的角度，r1为前轴外转向轮的转弯半径，r2为前轴内转向轮的转弯半径，d2为后轴内侧轮的转弯半径，p1为控制左前轮转速的脉冲信号，p2为控制右前轮转速的脉冲信号，p3为控制左后轮转速的脉冲信号，p4为控制右后轮转速的脉冲信号，工控机采集到转向编码器的输入信号，经运算后输出，n为速度给定编码器输出的数字信号，x为速度信号转换后的脉冲信号，y为脉冲频率调整系数，0<y≤1。

3.一种数控四驱电动控制方法，其特征在于，包括：

转向角度编码器采集车辆转向角度和转向速度，速度给定编码器采集车辆目标行驶速度，并将所述转向角度和转向速信号和所述目标行驶速度信号发送至工控机；

所述工控机根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定五路脉冲信号五个伺服驱动器，由所述五个伺服驱动器控制所述五个交流伺服电机的运转；

四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器分别接收由所述工控机输出的四路脉冲信号，并根据所述四路脉冲信号控制所述给四个轮毂提供动力的交流伺服电机为四个轮毂提供对应转向轨迹各自不同的转速；一个控制给转向助力提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器接收由所述工控机输出的一路脉冲信号，并根据所述一路脉冲信号控制所述给转向助力提供动力的交流伺服电机的运行。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工控机根据所述转向角度和转向速度信号和所述目标行驶速度信号确定五路脉冲信号给所述五个伺服驱动器，由五个伺服驱动器控制所述五个交流伺服电机的运转，包括：

当车辆执行右转弯时，根据公式

p1＝nxy (1)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

或者，当车辆执行左转弯时，根据公式

p2＝nxy (6)

计算四个控制给轮毂提供动力的交流伺服电机的伺服驱动器所需的脉冲信号；

其中，L为车辆的轴距，d1为车辆的轮距，α为转向角度编码器采集的前轴外转向轮的角度，β为前轴内转向轮的角度，r1为前轴外转向轮的转弯半径，r2为前轴内转向轮的转弯半径，d2为后轴内侧轮的转弯半径，p1为控制左前轮转速的脉冲信号，p2为控制右前轮转速的脉冲信号，p3为控制左后轮转速的脉冲信号，p4为控制右后轮转速的脉冲信号，工控机采集到转向编码器的输入信号，经运算后输出，n为速度给定编码器输出的数字信号，x为速度信号转换后的脉冲信号，y为脉冲频率调整系数，0<y≤1。