CN107161210B - 一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统及方法，该系统包括：左右前轮差动助力转向控制模块：根据参考转向盘力矩和实际转向盘力矩进行闭环控制获取左右前轮转矩；附加横摆力矩计算模块：根据左右前轮转矩计算左右前轮产生的附加横摆力矩；转矩矢量控制附加横摆力矩计算模块：根据整车状态计算整车所需广义横摆力矩；左右后轮转矩分配模块：根据附加横摆力矩和整车所需广义横摆力矩进行分配得到左右后轮转矩；电机控制模块：根据左右前轮转矩、左右后轮转矩控制相应的驱动电机。与现有技术相比，本发明方便实现转向助力功能，在减小驾驶员操纵负担的同时实现改善中低车速转向轻便性和中高车速驾驶员路感，提高汽车操纵性能。

Description

一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车的差动助力转向控制系统及方法，尤其是涉及一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统及方法。

背景技术

汽车的转向性能是汽车行驶过程当中最为重要的性能之一，长期以来深受人们的重视，随着汽车技术的发展，改善驾驶员操纵感受越来越受到关注。汽车转向系统的发现先后经历了机械转向式、液压助力式、电子液压助力式和电动助力式等阶段。但无论是电动助力转向技术还是线控转向技术都需要安装额外的助力电机来完成车辆的转向过程。这对于以内燃机为动力的车辆来说是十分合适的。但是近年来随着电动汽车的发展，分布式驱动电动汽车的出现为汽车动力学控制技术提出了一些新思路。分布式驱动电动汽车将电机直接安装在驱动车轮内或驱动车轮附近，发动机被电池所代替。去除传统动力传动系统后，车辆具有更高的传递效率，结构也更为紧凑。此外，分布式驱动电动汽车的电机可单独施加控制，控制方式更加灵活，因而车辆的主动安全控制更易实现。分布式驱动电动汽车由于驱动轮转矩独立可控，转弯时可人为使左右转向驱动轮的驱动力不相等，该驱动力差值与主销偏移距所产生的力矩使车轮绕其转向主销转动，从而变成一个驱动车轮转向的力矩。这样便可以利用该力矩实现助力转向，并省去在转向柱上的助力电机等电动助力转向模块。然而前人的研究往往忽视了前轴左右电机在满足差动助力需求的同时产生的横摆力矩对车辆横摆运动产生的干扰，四轮分布式驱动的优势也因此未得到充分利用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统，该系统包括：

左右前轮差动助力转向控制模块：该模块根据参考转向盘力矩和实际转向盘力矩进行闭环控制获取左前轮转矩和右前轮转矩；

附加横摆力矩计算模块：该模块根据左前轮转矩和右前轮转矩计算左右前轮产生的附加横摆力矩；

转矩矢量控制附加横摆力矩计算模块：该模块根据整车状态计算整车所需广义横摆力矩；

左右后轮转矩分配模块：该模块根据附加横摆力矩和整车所需广义横摆力矩进行分配得到左后轮转矩和右后轮转矩；

电机控制模块：该模块根据左前轮转矩、右前轮转矩、左后轮转矩和右后轮转矩控制相应的驱动电机。

所述的左右前轮差动助力转向控制模块包括：

实时参数获取子模块：该子模块实时获取转向盘转角θ_sw、整车车速V和实际转向盘力矩T_sw；

参考转向盘力矩计算模块：该子模块根据转向盘转角θ_sw和整车车速V计算获取参考转向盘力矩；

闭环控制子模块：该子模块正输入端连接参考转向盘力矩，闭环控制子模块负反馈端连接实际转向盘力矩T_sw，闭环控制子模块输出左右前轮转矩差ΔT_f；

左右前轮转矩分配子模块：该子模块对预先设定的左右前轮转矩进行分配得到左前轮转矩和右前轮转矩，且使得左前轮转矩和右前轮转矩差值为ΔT_f。

一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取参考转向盘力矩T_req和实际转向盘力矩T_sw；

(2)对T_req和T_sw进行PI控制得到左右前轮转矩差ΔT_f；

(3)根据ΔT_f对预先设定的左右前轮转矩T_f进行分配得到左前轮转矩T₁和右前轮转矩T₂，且使得T₁和T₂差值为ΔT_f；

(4)根据T₁和T₂获取左右前轮产生的附加横摆力矩M_zf；

(5)根据整车状态得到整车所需广义横摆力矩M_zref；

(6)求取后轮所需附加横摆力矩M_zb＝M_zref-M_zf；

(7)根据M_zb对预先设定的左右后轮转矩T_b进行分配得到左后轮转矩T₃和右后轮转矩T₄，且使得T₃和T₄差值为M_zb；

(8)根据T₁、T₂、T₃和T₄分别对左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的驱动电机进行控制。

所述的参考转向盘力矩T_req获取方法为：实时测量转向盘转角θ_sw和整车车速V，根据下式求取对应的参考转向盘力矩T_req：

θ_max＝θ₀·e^-KV，

其中，θ₀为原地转向时的最大转角，K为常系数，T_vmax为整车车速为V时的最大转向盘力矩。

PI控制的控制律为：

ΔT_f＝K_p(e+1/K_i∫edt)，

e＝T_sw-T_req，

K_p为比例增益，K_i为积分增益。

比例增益和积分增益通过下述方式得到：

K_p＝K_p0{1+K_p1[1-exp(-e²)]}，

K_i＝K_i0[K_i1+K_i2·exp(-e²)]，

其中，K_p0、K_p1、K_i0、K_i1和K_i2为常数，e＝T_sw-T_req。

步骤(3)左前轮转矩T₁和右前轮转矩T₂分配方式如下：

T₁＝T_f/2+ΔT_f/2，

T₂＝T_f/2-ΔT_f/2。

步骤(3)还包括对左右前轮转矩T₁和T₂进行限值：

当T₁>T_max，令T₁＝T_max；

当T₂<-T_max，令T₂＝-T_max；

其中，T_max为当前转速下电机的峰值力矩。

步骤(5)具体为：获取转向盘转角θ_sw、整车侧向加速度a_y、整车纵向车速v_x和质心侧偏角β，根据θ_sw、a_y、v_x和β求得M_zref的大小。

步骤(7)左后轮转矩T₃和右后轮转矩T₄分配方式如下：

T₃＝T_b/2+M_zb/2，

T₄＝T_b/2-M_zb/2。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明依据驾驶员喜好制定参考转向盘力矩，并利用左右前轮转矩差产生助力施加到转向系去控制真实转向盘力矩和参考转向盘力矩之间的偏差，从而实现差动助力转向控制，该方法采用容易测量的转向盘力矩信号作为反馈控制变量，对主销定位参数和转向系参数变化的适应能力强，转向盘力矩特性调节容易。

(2)本发明充分利用分布式驱动电动汽车各轮转矩可以精确、独立控制的特点，无需加装转向助力电机或液压助力系统即可实现转向助力功能，前轮按照助力需求分配，后轴抵消前轴差动产生的附加横摆力矩以满足转向助力需求和整车操纵性需求，利用转矩矢量控制，在减小驾驶员操纵负担的同时实现改善中低车速转向轻便性和中高车速驾驶员“路感”，提高汽车操纵性能。

附图说明

图1为差动助力转向控制方法的控制框图；

图2为参考转向盘力矩MAP图；

图3为控制算法K_p参数变化曲线；

图4为控制算法K_i参数变化曲线；

图5为本专利具有饱和作用的PI控制系统结构图；

图6为本专利遇限削弱积分PI控制算法程序框图；

图7为参数K_p对转向盘力矩的影响；

图8为参数K_i对转向盘力矩的影响；

图9为主动回正控制判断规则；

图10为差动助力及转矩矢量联合控制结构框图；

图11为联合控制中驱动转矩分配模块结构框图；

图12为联合控制中转矩矢量控制模块结构框图

图13为双扭线试验结果；

图14为低速回正试验中转向盘转角随时间变化结果；

图15为低速回正试验中横摆角速度及侧向加速度随时间变化结果；

图16为蛇形试验中转向盘转角及转向盘力矩随时间变化结果；

图17为蛇形试验中横摆角速度随时间变化结果。

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。

实施例

一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统，该系统包括：

左右前轮差动助力转向控制模块：该模块根据参考转向盘力矩和实际转向盘力矩进行闭环控制获取左前轮转矩和右前轮转矩；

附加横摆力矩计算模块：该模块根据左前轮转矩和右前轮转矩计算左右前轮产生的附加横摆力矩；

转矩矢量控制附加横摆力矩计算模块：该模块根据整车状态计算整车所需广义横摆力矩；

左右后轮转矩分配模块：该模块根据附加横摆力矩和整车所需广义横摆力矩进行分配得到左后轮转矩和右后轮转矩；

电机控制模块：该模块根据左前轮转矩、右前轮转矩、左后轮转矩和右后轮转矩控制相应的驱动电机。

所述的左右前轮差动助力转向控制模块包括：

实时参数获取子模块：该子模块实时获取转向盘转角θ_sw、整车车速V和实际转向盘力矩T_sw；

参考转向盘力矩计算模块：该子模块根据转向盘转角θ_sw和整车车速V计算获取参考转向盘力矩；

闭环控制子模块：该子模块正输入端连接参考转向盘力矩，闭环控制子模块负反馈端连接实际转向盘力矩T_sw，闭环控制子模块输出左右前轮转矩差ΔT_f；

左右前轮转矩分配子模块：该子模块对预先设定的左右前轮转矩进行分配得到左前轮转矩和右前轮转矩，且使得左前轮转矩和右前轮转矩差值为ΔT_f。

一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取参考转向盘力矩T_req和实际转向盘力矩T_sw；

(2)对T_req和T_sw进行PI控制得到左右前轮转矩差ΔT_f；

(3)根据ΔT_f对预先设定的左右前轮转矩T_f进行分配得到左前轮转矩T₁和右前轮转矩T₂，且使得T₁和T₂差值为ΔT_f；

(4)根据T₁和T₂获取左右前轮产生的附加横摆力矩M_zf；

(5)根据整车状态得到整车所需广义横摆力矩M_zref；

(6)求取后轮所需附加横摆力矩M_zb＝M_zref-M_zf；

(7)根据M_zb对预先设定的左右后轮转矩T_b进行分配得到左后轮转矩T₃和右后轮转矩T₄，且使得T₃和T₄差值为M_zb；

(8)根据T₁、T₂、T₃和T₄分别对左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的驱动电机进行控制。

本发明基于分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法的控制框架如图1所示。依据参考转向盘力矩T_req和转向盘力矩/转角传感器测得的实际转向盘力矩T_sw的差值，采取闭环控制，输出目标左右前轮转矩差，经平均分配后与由驾驶员加速踏板决定的前轮驱动转矩的一半求代数和后作为左右轮轮毂电机的目标驱动转矩，从而直接控制转向盘力矩跟随参考转向盘力矩。

本专利通过转向盘转角θ_sw和整车车速V确定参考转向盘力矩，并基于参考转向盘力矩设计对应的MAP图，进而根据MAP图实时查找对应转向盘转角θ_sw和整车车速V下的参考转向盘力矩，进而实现闭环控制。设计的MAP图如图2所示，具体地，参考转向盘力矩T_req获取方法为：实时测量转向盘转角θ_sw和整车车速V，根据下式求取对应的参考转向盘力矩T_req：

θ_max＝θ₀·e^-KV，

其中，θ₀为原地转向时的最大转角，K为常系数，T_vmax为整车车速为V时的最大转向盘力矩。

对于典型的单位负反馈控制系统，PID控制器表示为：

u＝K_p(e+1/T_i∫edt+T_d·de/dt)，

其中，偏差e为控制偏差，K_p为比例增益。

常规PI控制中，K_p、K_i参数根据对象模型或动态响应曲线进行整定，考虑实际驾驶工况的复杂多变，以及差动助力转向系统中存在的非线性因素，确定参数的PI控制在不同工况下难以达到一致的效果。为进一步提高PI控制器的效果，本专利采用了变参数PI控制器。该控制器通过引入非线性函数根据偏差的大小在线调节PI参数来提高控制性。其结构简单，整定方便，计算量小。

PI控制的控制律为：

ΔT_f＝K_p(e+1/K_i∫edt)，

e＝T_sw-T_req，

K_p为比例增益，K_i为积分增益。

本专利采用Gauss函数为基础构成P、I增益函数的K_p和K_i。如图3所示，K_p的宽度取为1，以保证在较大的范围内具有较大的比例增益；如图4所示，K_i的宽度取为1，在稳态值附近加大积分作用，使系统有较快的响应速度且可以避免积分饱和。

具体地，比例增益和积分增益通过下述方式得到：

K_p＝K_p0{1+K_p1[1-exp(-e²)]}，

K_i＝K_i0[K_i1+K_i2·exp(-e²)]，

其中，K_p0、K_p1、K_i0、K_i1和K_i2为常数，e＝T_sw-T_req，K_p0、K_p1为使比例系数K_p在偏差的绝对值较小时去较小值从而加快响应速度并保证良好的稳定性而设置的控制器参数，K_i0、K_i1、K_i2为使积分系数K_i在偏差绝对值较小时取较大值从而保证稳态无静态误差的同时避免积分饱和带来的超调增大、调节时间延长的问题而设置的控制器参数。

本专利考虑电机输出力矩饱和情况下，具有饱和作用的PI控制系统结构图如图5所示、一种遇限削弱积分的变参数PI控制算法程序框图如图6所示。在计算U(k)时，先判断U(k-1)是否已经超出限制值。若U(k-1)＞u_max，则只累加负偏差；U(k-1)＜u_max，则累加正偏差。

为合理配置参数，提升系统的稳态和瞬态性能，需进行PI参数的基础整定。工况为车速30km/h，在5s时以180°/s转角速率完成180°转向盘转角斜坡输入。先将K_i参数设置为零，改变参数K_p，转向盘力矩变化如图7所示；选定K_p参数后，固定K_p参数不变，改变K_i，转向盘力矩变化如图8所示。

由图7可知，随着K_p值的增加，系统的响应幅值增加，响应速度加快，转向盘力矩跟踪理想转向盘力矩速度增加，稳态误差减小，但稳定性能有所下降，在K_p值为300时，系统稳态时收到扰动的影响导致振荡，故K_p值不能无限制增加。对于不同的闭环控制系统K_p的取值范围不同，超出该限制范围，会使动态质量变坏，引起被控制量振荡甚至导致系统不稳定。由图8可知，在相同K_p条件下，随着K_i的增加，转向盘力矩跟踪稳态误差减小，但随着K_i的增加，系统的响应速度变慢。特别是当误差符号发生改变时，由于存在着较大的积分累积导致最终消除稳态误差的时间变长。在高频输入下会引起系统的响应迟滞。

考虑到差动助力转向系统的操纵性能中，一个非常重要的性能要求就是转向系统的回正性能。对于回正状态的判断是进行主动回正控制的前提，本专利用转向盘力矩、转向盘转角及其角速度制定主动回正控制判断规则，规则流程如图9所示

TH₁、TH₂、TH₃、TH₄是可调的阈值，Count初始值设为0，如果驾驶员的转向力矩小于一个确定的阈值，触发规则就会继续监测转向盘转角的情况，当转向盘转角或者转角的变化率大于设定的阈值，触发规则会继续监测回正控制算法的状态(Flag＝1表示处于回正控制状态，Flag＝0表示未处于回正控制状态。如果Flag＝0，则继续监测所有逻辑语言为真的状态是否超过特定的时间，用Count进行计数，如果上述情况保持时间超过TH₄，则控制系统转为回正控制算法；Flag＝1，主动回正控制算法直接进入控制，这样是为了保证系统不会频繁进入主动回正控制状态或者误操作。如果其中的扭矩信号或者转角信号不满足条件，则Count重新设定为0，主动回正控制算法关闭。

汽车低速行驶时，由于转向系统中摩擦及阻尼的存在，以及轮胎的阻尼效应，会使得转向盘无法准确回正、转向盘转角和横摆角速度有残留现象等情况，使得汽车直线行驶的性能降低。在差动助力转向系统中通过加入主动回正控制策略，来提高汽车的回正性能；当汽车高速行驶时，转向盘在回正的过程中会出现转向盘转角超调，严重时引起汽车的横摆振荡。此时通过采用增加主动阻尼控制，可以有效抑制横摆振荡的情况，因此，主动回正控制应包含回正控制和主动阻尼控制。为了达到这个目的，考虑算法的简单有效性，本专利采用如下的PID控制器：

式中δ₀是转向盘转角的目标控制量，为了使转向盘能够回到中间位置，显然δ₀＝0,因此上式可表达成：

式中K_p、K_i和K_d是控制器增益，u₂是回正时电动机的控制信号，上式的PI部分对转向盘大转角时产生较大的回复助力转矩，即执行相应的回正控制；求导部分是用来产生主动阻尼，它是随着转向盘角速度增加而增加的，这样，不同的回正特性可以通过调整控制器增益来得到。对于不同的工况，应选择不同的K_p、K_i和K_d,已达到最佳的效果。

考虑到回正控制效果与车速密切相关，主动回正控制主要解决在低速时的回正不足以及高速时的回正过度问题，故可以根据车速设置K_p、K_i和K_d参数，在低速时K_p、K_i较大，K_d为0，此时控制器简化为PI控制器，以获得足够的主动回正控制力矩，随着车速的升高，K_p、K_i逐渐变小，而K_d则逐渐变大，在高速时K_d较大以获得合适的系统阻尼，防止系统不稳定，从而采用主动回正力矩和高速阻力力矩相结合的方法实现汽车转向过程的主动回正控制。

步骤(3)左前轮转矩T₁和右前轮转矩T₂分配方式如下：

T₁＝T_f/2+ΔT_f/2，

T₂＝T_f/2-ΔT_f/2。

步骤(3)还包括对左右前轮转矩T₁和T₂进行限值：

当T₁>T_max，令T₁＝T_max；

当T₂<-T_max，令T₂＝-T_max；

其中，T_max为当前转速下电机的峰值力矩。

步骤(5)具体为：获取转向盘转角θ_sw、整车侧向加速度a_y、整车纵向车速v_x和质心侧偏角β，根据θ_sw、a_y、v_x和β求得M_zref的大小。

步骤(7)左后轮转矩T₃和右后轮转矩T₄分配方式如下：

T₃＝T_b/2+M_zb/2，

T₄＝T_b/2-M_zb/2。

考虑到差动助力转向控制在提供助力的同时，会产生对整车的额外横摆力矩。此横摆力矩与横摆运动方向相同，可以提高车辆的横摆角速度响应。为充分发挥分布式驱动电动汽车在改善操纵性的优势，本专利对左右后轮进行转矩矢量控制，进一步提高车辆操纵性的同时使前轮差动助力产生的额外横摆力矩得到有效的控制和利用。

本专利差动助力及转矩矢量联合控制结构如图10所示。

整车控制器的上层分为两部分：差动助力转向模块和转矩矢量控制模块。根据设定的闭环工况，驾驶员模型会输出转向盘转角与驱/制动信号。差动助力转向模块的输入变量为转向盘转角θ_sw、整车纵向车速v_x和实际转向盘力矩T_sw，其输出变量为左右前轮转矩差ΔT_f。转矩矢量控制模块的输入变量为转向盘转角θ_sw、整车侧向加速度a_y、整车纵向车速v_x和质心侧偏角β，其输出变量为整车所需广义横摆力矩M_zref。驱动转矩分配模块的输入变量为左右前轮转矩差ΔT_f、整车所需广义横摆力矩M_zref以及四轮的轮速，输出变量为四个车轮的驱动转矩。

本专利驱动转矩分配模块结构如图11所示。差动助力转向根据实际转向盘力矩与参考转向盘力矩差值计算得到差动转矩，并平均分配到前轴左右轮。同时，通过跟踪理想横摆角速度响应计算得到控制横摆力矩，减去前轮差动助力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

本专利转矩矢量控制模块结构如图12所示。整车控制器结构的上层是操纵性控制，该控制策略的相关输入变量为转向盘转角θ_sw、整车侧向加速度a_y、整车纵向车速v_x和质心侧偏角β。参考横摆角速度由相关输入变量计算得到，附加横摆转矩计算模块通过反馈控制计算广义横摆需求，分配模块将需要的附加驱动力矩平均分配到左右后轮上。

总结而言，本发明分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法具体包括：

基于四轮独立驱动的分布式驱动电动汽车以参考转向盘力矩为控制目标的差动助力转向闭环控制策略，该策略又包含：由车速及转向盘转角确定的参考转向盘力矩；考虑电机输出力矩饱和的遇限削弱积分变参数PI控制算法；根据转向盘力矩、转向盘转角及其角速度制定的主动回正控制规则；满足转向助力需求和整车操纵性需求的转矩分配策略。

以参考转向盘力矩为控制目标的差动助力转向闭环控制策略时依据驾驶员喜好制定参考转向盘力矩，并利用左右前轮转矩差产生助力施加到转向系去控制真实转向盘力矩和参考转向盘力矩之间的偏差。该方法采用容易测量的转向盘力矩信号作为反馈控制变量，对主销定位参数和转向系参数变化的适应能力强，转向盘力矩特性调节容易。

通过转向盘转角与车速确定参考转向盘力矩是应用驾驶模拟器研究转向盘力矩反馈规律，即转向盘转角与转向盘力矩的关系，在同一车速和路面附着条件下，转向盘力矩与转向盘转角近似成正比，转向阻力矩随转角几乎不失真地传到转向盘。

考虑电机输出力矩饱和的遇限削弱积分变参数PI控制算法是考虑在实际的电机转矩控制系统中，控制量实际输出值易受限于被控对象性能。在差动助力转向控制系统中，左右前轮差动转矩输出值受限于电机能力，被限制在一定范围内。若控制量超出上述范围，实际被控对象的控制量不再是计算值，其等价于在系统中串联了一个饱和非线性环节而引起饱和效应。故本发明在差动助力转向系统PI控制器中增加遇限削弱积分的抗饱和控制。

根据转向盘力矩、转向盘转角及其角速度制动的主动回正控制判断规则。对于回正状态的判断是进行主动回正控制的前提，本专利的主动回正控制是针对驾驶员撒手回正过程，所以回正判断模块的作用是判断车辆是否处于自由回正的过程，如果是驾驶员操纵转向盘回正，则主动回正控制不予以激活。

满足转向助力需求和整车操纵性需求的转矩分配策略是通过前轮按照助力需求分配，后轴抵消前轴差动产生的附加横摆力矩以满足转向助力需求和整车操纵性需求的转矩分配策略。

上述控制方法达到在减小驾驶员操纵负担的同时实现改善中低车速转向轻便性和中高车速驾驶员“路感”，提高汽车操纵性能。

本实施例对上述方法进行了试验验证，包括：

(1)转向轻便性试验

(1.1)双扭线试验

本试验为汽车操纵稳定性试验方法中的转向轻便性试验。试验时，驾驶员操纵转向盘使汽车以10±2km/h的车速沿双扭线路径行驶。待车速稳定后，开始记录转向盘转角和作用力矩，并记录行驶车速作为监督参数。汽车沿双扭线绕行一周至记录起始位置，即完成一次试验，全部试验应进行有无助力控制各三次。试验结果如图13所示。图13(a)为无控制时，转向盘力矩实际值和参考值的对比图，图13(b)为采用本发明控制方法时，转向盘力矩实际值和参考值的对比图，图13(c)为无控制时转向盘转角和转向盘力矩关系图，图13(d)为有控制时，4个车轮的车轮转矩变化曲线图，图13(e)为有无控制两种情况下转向盘力矩大小和转向盘力矩平均值大小的对比图，对比可知，差动助力控制可以有效减小驾驶员操纵负担，转向盘力矩峰值由无控制下的7.2Nm减小为3.7Nm，减小幅度达47％。对比参考转向盘力矩曲线可知，差动助力转向控制下，实际转向盘力矩能很好地跟踪转向盘力矩。根据有控制车轮转矩随时间变化曲线可知，最大差动转矩仅为220Nm，表明差动助力控制满足助力需求。

(2)转向回正性能试验

(2.1)低速回正试验

本专利中低速回正试车速为20km/h，侧向加速度稳定后，固定转向盘转角，稳定车速应开始记录。驾驶员突然松开转向盘，至少记录松手后的汽车运动过程。试验结果如图14、图15所示。图14为有无控制时转向盘转角的对比曲线，图14可知，无控制情况下，驾驶员松手后，转向盘无法自动回正到中间位置。经过3s后，残余转向盘转角为110°，从松手到转向盘转角达到稳定时间为2.2s。在差动助力控制下，驾驶员松手后，转向盘以更快的速度回正到中间位置，所需稳定时间为0.8s，残余转向盘角度为10°，残余转向盘转角大幅度降低。图15(a)为有无控制时横摆角速度的对比曲线，图15(b)为有无控制时侧向加速度的对比曲线，由图15可知，有控制时，残余横摆角速度由15deg/s降低到4.5deg/s，残余侧向加速度由1.3m/s²降低到0.6m/s²。以上结果表明，差动助力转向控制可以改善车辆低速回正性能，有利于提高车辆操纵性。

(3)整车操纵性试验

(3.1)蛇形试验

本专利中蛇形试验根据GB/T 6323.1-94进行路径设置。考虑车辆性能，采用12m间隔桩距进行试验，试验车速为30km/h。试验结果如图16、图17所示。

图16(a)为无控制时转向盘转角曲线图，图16(b)为有控制时转向盘转角曲线图，图16(c)为无控制时转向盘力矩角曲线图，图16(d)为有控制时转向盘力矩角曲线图。由图16可知，差动助力转向与转矩矢量联合控制下，完成蛇形试验驾驶员所需输入的转向盘转角减小，转向盘转角平均峰值由246°减小到175°；有控制下，转向盘力矩平均峰值由12.3Nm减小到7.5Nm，由此可见：差动助力转向与转矩矢量联合下车辆的连续过弯能力得到改善，驾驶员的操纵负担明显减轻，车辆的转向轻便性有所提高。

图17(a)为无控制时横摆角速度曲线图，图17(b)为有控制时横摆角速度曲线图。由图17可知，无控制时，车辆横摆角速度无法跟踪参考横摆角速度，在转向盘转角峰值处有较大跟踪误差。但加入差动助力转向与转矩矢量联合控制时，车辆的横摆角速度能较好地跟踪参考值，横摆角速度跟踪平均峰值误差由无控制时11.4deg/s下降至4.2deg/s。在相同的输入下，车辆的横摆角速度增大，即车辆的操纵性得到改善。

Claims (9)

1.一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统，其特征在于，该系统包括：

左右前轮差动助力转向控制模块：该模块根据参考转向盘力矩和实际转向盘力矩进行闭环控制获取左前轮转矩和右前轮转矩；

附加横摆力矩计算模块：该模块根据左前轮转矩和右前轮转矩计算左右前轮产生的附加横摆力矩；

转矩矢量控制附加横摆力矩计算模块：该模块根据整车状态计算整车所需广义横摆力矩；

左右后轮转矩分配模块：该模块根据附加横摆力矩和整车所需广义横摆力矩进行分配得到左后轮转矩和右后轮转矩；

电机控制模块：该模块根据左前轮转矩、右前轮转矩、左后轮转矩和右后轮转矩控制相应的驱动电机；

所述的左右前轮差动助力转向控制模块包括：

实时参数获取子模块：该子模块实时获取转向盘转角θ_sw、整车车速V和实际转向盘力矩T_sw；

参考转向盘力矩计算模块：该子模块根据转向盘转角θ_sw和整车车速V计算获取参考转向盘力矩；

闭环控制子模块：该子模块正输入端连接参考转向盘力矩，闭环控制子模块负反馈端连接实际转向盘力矩T_sw，闭环控制子模块输出左右前轮转矩差ΔT_f；

左右前轮转矩分配子模块：该子模块对预先设定的左右前轮转矩进行分配得到左前轮转矩和右前轮转矩，且使得左前轮转矩和右前轮转矩差值为ΔT_f。

2.一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)获取参考转向盘力矩T_req和实际转向盘力矩T_sw；

(2)对T_req和T_sw进行PI控制得到左右前轮转矩差ΔT_f；

(3)根据ΔT_f对预先设定的左右前轮转矩T_f进行分配得到左前轮转矩T₁和右前轮转矩T₂，且使得T₁和T₂差值为ΔT_f；

(4)根据T₁和T₂获取左右前轮产生的附加横摆力矩M_zf；

(5)根据整车状态得到整车所需广义横摆力矩M_zref；

(6)求取后轮所需附加横摆力矩M_zb＝M_zref-M_zf；

(7)根据M_zb对预先设定的左右后轮转矩T_b进行分配得到左后轮转矩T₃和右后轮转矩T₄，且使得T₃和T₄差值为M_zb；

(8)根据T₁、T₂、T₃和T₄分别对左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的驱动电机进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，所述的参考转向盘力矩T_req获取方法为：实时测量转向盘转角θ_sw和整车车速V，根据下式求取对应的参考转向盘力矩T_req：

θ_max＝θ₀·e^-KV，

其中，θ₀为原地转向时的最大转角，K为常系数，T_vmax为整车车速为V时的最大转向盘力矩。

4.根据权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，PI控制的控制律为：

ΔT_f＝K_p(e+1/K_i∫edt)，

e＝T_sw-T_req，

K_p为比例增益，K_i为积分增益。

5.根据权利要求4所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，比例增益和积分增益通过下述方式得到：

K_p＝K_p0{1+K_p1[1-exp(-e²)]}，

K_i＝K_i0[K_i1+K_i2·exp(-e²)]，

其中，K_p0、K_p1、K_i0、K_i1和K_i2为常数，e＝T_sw-T_req。

6.根据权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，步骤(3)左前轮转矩T₁和右前轮转矩T₂分配方式如下：

T₁＝T_f/2+ΔT_f/2，

T₂＝T_f/2-ΔT_f/2。

7.根据权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，步骤(3)还包括对左右前轮转矩T₁和T₂进行限值：

当T₁>T_max，令T₁＝T_max；

当T₂<-T_max，令T₂＝-T_max；

其中，T_max为当前转速下电机的峰值力矩。

8.根据权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，步骤(5)具体为：获取转向盘转角θ_sw、整车侧向加速度a_y、整车纵向车速v_x和质心侧偏角β，根据θ_sw、a_y、v_x和β求得M_zref的大小。

9.根据权利要求2所述的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制方法，其特征在于，步骤(7)左后轮转矩T₃和右后轮转矩T₄分配方式如下：

T₃＝T_b/2+M_zb/2，

T₄＝T_b/2-M_zb/2。