CN107813869A

CN107813869A - 一种用于分布式驱动电动汽车的复合eps控制系统及方法

Info

Publication number: CN107813869A
Application number: CN201710850840.0A
Authority: CN
Inventors: 崔纪明; 赵景波; 王响
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-03-20

Abstract

本发明提供一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法，复合EPS控制系统包括转向盘、输入轴、扭矩与转角传感器、转向轮助力电机、离合与减速机构、转向输出轴、转向齿轮、齿条、转向拉杆、转向轮、ECU、后轮转角传感器、转向电机、蜗轮蜗杆、后轮转向齿轮、后轮转向齿条、后轮转向拉杆、后轮。本发明用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法，使得四轮独立驱动电动汽车在发挥EPS优势的同时兼有四轮转向车辆的良好操纵稳定性，具有主动安全、环保节能、可靠性高、驱动传动链短、传动高效、结构紧凑的优点。

Description

一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车转向控制技术领域，具体涉及一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法。

背景技术

伴随汽车产销量不断创新，能源短缺和环境污染问题也日益严峻，为应对当今全球性能源与环境的双重压力，研发节能、环保、安全、高效的新能源车辆及其核心的零部件系统已然成为各国政府和汽车工业界所必须解决的棘手问题。电动助力转向系统(Electric Power Steering System,简称EPS)为一种直接由电机提供辅助转向助力力矩的动力转向系统，结合最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术，显著改善车辆的静态性能和动态性能，并提高驾驶过程中的轻便性和安全性，此外也更加节能与环保。传统动力转向HPS或EHPS需要发动机作为转向动力来源，而且传统动力转向HPS或EHPS在主动安全性、环保节能、电子集成控制、可靠性、结构紧凑性等方面的存在缺陷。

专利(CN201110164173.3)，一种适用于纯电动汽车的EPS转向助力方法及系统给出一种适用于纯电动汽车的EPS助力方法，其首先把转速脉冲转换为CAN总线信号，然后通过一个信号转换模块将车速信号转换为EPS转向助力控制装置所需要的车速变频脉冲模拟信号和转矩信号，EPS控制装置依据车速变频脉冲信号和转矩信号控制EPS电机精准提供转向助力；专利(CN103112491A)，用于电动汽车的电动助力转向控制系统、装置及其方法保护了一种用于电动汽车电动助力转向的控制系统原理和相关机械结构与控制方法；专利(CN201110108953.6)，电动汽车电动助力转向系统及其转向助力方法保护了电动汽车电动助力转向系统的组成部分及其相互连接关系，同时说明了不同工况下的系统控制方法。上述专利针对电动汽车电动助力转向系统的结构组成和控制方法进行了保护，但对于分布式驱动电动汽车的EPS提高主动安全性、环保节能、电子集成控制、可靠性、结构紧凑性能以及分布式驱动电动汽车后轮转向控制并未提出相应的方案与系统控制方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的主要为了解决传统动力转向HPS或EHPS在主动安全性、环保节能、电子集成控制、可靠性、结构紧凑性等方面的存在缺陷问题，本发明提供一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法，使得四轮独立驱动电动汽车在具有EPS优势的同时兼有四轮转向车辆的良好操纵稳定性，实现分布式驱动与EPS的良好匹配与协调，完成不同工况下的理想转向目标。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统，包括转向盘、转向输入轴、扭矩与转角传感器、转向轮助力电机、离合与减速机构、转向输出轴、转向齿轮、齿条、转向拉杆、转向轮、ECU、后轮转角传感器、转向电机、蜗轮蜗杆、后轮转向齿轮、后轮转向齿条、后轮转向拉杆、后轮，所述转向盘、转向输入轴、扭矩与转角传感器、离合与减速机构、转向输出轴、转向齿轮、齿条、转向拉杆、转向轮依次机械连接，转向轮助力电机经由传动轴与离合减速机构机械连接；所述转向电机、蜗轮蜗杆、后轮转向齿轮、后轮转向齿条、后轮转向拉杆、后轮依次机械连接；所述ECU与转向轮助力电机、后轮转角传感器、转向电机以电气方式连接。

进一步地，所述ECU还与CAN总线电气连接。

进一步地，所述ECU包括故障自检模块、上电模块、报警模块、信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块，所述上电模块分别与故障自检模块、报警模块、信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块相连，用于其他模块供电；所述故障自检模块，用于对系统初始化及运行中的故障进行检测；所述报警模块对自检后的故障进行报警提示，保证转向安全；所述信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块依次连接；所述信号输入处理模块用于接收车速信号、转角信号、转矩信号、后轮转角信号及故障信号，并经运算处理后发送至ECU；所述复合EPS控制模块，为整个系统的中央控制模块，实现信号的处理；所述功率驱动模块根据中央控制系统的指令，驱动前后转向助力电机，完成转向功能。

进一步地，所述复合EPS控制模块以PWM信号形式向功率驱动模块发送驱动控制指令。

一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制方法，包括以下步骤：

S1、系统初始化，并进行故障检测，没有故障执行步骤S2；

S2、检测车辆是否运行，若不运行，则停止，否则执行步骤S3；

S3、触发复合EPS控制系统，实时检测车速信号、转角信号、转矩信号、后轮转角信号，并进行处理；

S4、根据步骤S3处理后的信号由复合EPS控制系统判断转向工况，并结合助力特性和后轮转向协同控制，输出目标转向电机电流；

S5、系统将前后转角电机目标电流与传感器反馈实际电流的差值经PID运算后得到脉宽调制信号PWM信号的占空比，继而发送至功率驱动模块，完成转向助力电机的助力及后轮的转向。

进一步地，所述步骤S1若出现故障，则进入故障容错，由系统软件及硬件冗余处理，让电动汽车只进行前轮机械转向。

进一步地，所述步骤S4中后轮转向协同控制为实现闭环控制以及协调EPS控制，人车系统、ECU、转向系统、转向后轮依次连接，转向后轮通过传感器将后轮转角反馈至人车系统和ECU。

(三)有益效果

本发明的有益效果：一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法，在完成EPS功能的基础上，复合后轮线控转向，实现区别于传统四轮转向的电动汽车四轮转向，对转向半径、原地转向轻便性、低速转向轻便性、高速转向轻便性、典型行驶工况功能均有改善，提升分布式电动汽车的操纵稳定性；具有主动安全、环保节能、可靠性高、驱动传动链短、传动高效、结构紧凑的优点。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为分布式驱动电动汽车复合EPS系统原理图；

图2为复合EPS系统控制流程图；

图3为ECU硬件原理框图；

图4为后轮线控转向控制系统原理框图；

相关元件符号说明：1转向盘、2转向输入轴、3扭矩与转角传感器、4转向轮助力电机、5离合与减速机构、6转向输出轴、7转向齿轮、8齿条、9转向拉杆、10转向轮、11ECU、12后轮转角传感器、13转向电机、14蜗轮蜗杆、15后轮转向齿轮、16后轮转向齿条、17后轮转向拉杆、18后轮。

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作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。

结合图1，一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统，包括转向盘1、转向输入轴2、扭矩与转角传感器3、转向轮助力电机4、离合与减速机构5、转向输出轴6、转向齿轮7、齿条8、转向拉杆9、转向轮10、ECU 11、后轮转角传感器12、转向电机13、蜗轮蜗杆14、后轮转向齿轮15、后轮转向齿条16、后轮转向拉杆17、后轮18。转向盘1、转向输入轴2、扭矩与转角传感器3、离合与减速机构5、转向输出轴6、转向齿轮7、齿条8、转向拉杆9、转向轮10依次机械连接，转向轮助力电机4经由传动轴与离合减速机构5机械连接。对于后轮转向控制，转向电机13、蜗轮蜗杆14、后轮转向齿轮15、后轮转向齿条16、后轮转向拉杆17、后轮18依次机械连接，ECU 11与转向轮助力电机4、后轮转角传感器12、转向电机13以电气方式连接。因需要实时故障检测与信息交换，ECU 11还与CAN总线电气连接。

结合图2硬件原理框图，ECU包括故障自检模块、上电模块、报警模块、信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块。上电模块分别与故障自检模块、报警模块、信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块相连，用于其他模块供电；故障自检模块，用于对系统初始化及运行中的故障进行检测；报警模块对自检后的故障进行报警提示，保证转向安全。信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块依次连接；信号输入处理模块用于接收车速信号、转角信号、转矩信号、后轮转角信号及故障信号，并经运算处理后发送至ECU；复合EPS控制模块，为整个系统的中央控制模块，实现信号的处理；功率驱动模块根据中央控制系统的指令，驱动前后转向助力电机，完成转向功能。复合EPS控制模块可以以PWM信号形式向功率驱动模块发送驱动控制指令。

结合图3复合EPS系统控制流程图，一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制方法，包括以下步骤：

S1、系统初始化，并进行故障检测，若出现故障，则进入故障容错，由系统软件及硬件冗余处理，让电动汽车只进行前轮机械转向，否者执行步骤S2；

S2、检测车辆是否运行，若不运行，则停止，否则执行步骤S3；在初始化后，经故障检测无故障，且电动汽车处于运行工况下，才会触发复合EPS控制系统；

S3、实时检测车速信号、转角信号、转矩信号、后轮转角信号，并进行处理；

S4、根据步骤S3处理后的信号由复合EPS系统判断转向工况，并结合助力特性和后轮转向协同算法，输出目标转向电机电流；结合图4后轮线控转向控制系统原理框图，后轮线控转向控制系统包括，人车系统、ECU、转向系统、转向后轮，人车系统、ECU、转向系统、转向后轮依次连接，后轮转向协同控制为实现闭环控制以及协调EPS控制，转向后轮通过传感器将后轮转角反馈至人车系统和ECU；

本发明的电动助力转向系统(转向前轮)由电子控制单元ECU、转矩传感器、角度传感器、电动机、转向盘及助力减速机构等组成。EPS的转向轴由与扭杆相连的输入轴和输出轴组成,输出轴通过传动机构带动横向拉杆使车轮转向,输出轴除了通过扭杆与输入轴相连外,还经过减速机构、离合器与助力电机相连。独立驱动的后轮转向SBW(Steer-by-wire)系统组成部分：一组连接转向盘的转向角传感器，转向盘反馈执行器，电子控制单元(与电动助力转向为同一电子控制单元ECU)，一组基于齿轮齿条的后轮转向机构以及车轮转角传感器。电子控制单元ECU读取转向盘转角传感器信号，协调EPS控制系统，发送指令给后轮转向执行器(转向电机)实现后轮转向，完成各种工况下的四轮转向特性。

当驾驶员转动方向盘时,电动助力转向系统开始工作,转向柱上的扭矩和角度传感器把方向盘的输入信号转向力矩和旋转角度,以电压信号的形式送至ECU；与此同时ECU读取汽车的车速信号以及车辆驱动电机的转速信号；ECU根据转向力矩大小和方向、电动机转速、车速、方向盘转角、方向盘转速等信号,判断是否需要助力以及助力的大小和方向，包含后轮线控转向助力的大小及方向。若需要助力,则依据预先设计的助力特性曲线计算出必要的前轮助力力矩和后轮转角电机的转矩与方向,并按照一定的控制策略和算法,输出相应的控制信号给驱动电路,由驱动电路提供相应的电流给助力电机和后轮转向电机,前轮助力电机输出的转矩,由减速机构放大后再传送给转向轴起助力转向的作用,从而完成转向助力的功能；后轮转向电机转矩经蜗轮蜗杆机构齿轮齿条机构完成后轮的转向。若出现故障或车速超出设定值则控制助力电机停止输出,系统不提供助力,同时,离合器切断,以避免机械转向系统受电机惯性的影响,系统转为人工手动转向，后轮转角传感器也具有反馈系统有无故障的功能。由于电子控制单元ECU可以采集车速、方向盘的转矩和前后转角信号,所以提供的助力大小可以根据控制策略调整,这给设计性能优良的电动助力转向系统提供了可能，完成低速与高速不同工况下转向要求，改善操纵稳定性。

综上所述，本发明实施例，用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统及方法，在完成EPS功能的基础上，复合后轮线控转向，实现区别于传统四轮转向的电动汽车四轮转向，对转向半径、原地转向轻便性、低速转向轻便性、高速转向轻便性、典型行驶工况(蛇形、移线)功能均有改善，提升分布式电动汽车的操纵稳定性；具有主动安全、环保节能、可靠性高、驱动传动链短、传动高效、结构紧凑的优点。

以上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精神和范围。

Claims

1.一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统，其特征在于：包括转向盘、转向输入轴、扭矩与转角传感器、转向轮助力电机、离合与减速机构、转向输出轴、转向齿轮、齿条、转向拉杆、转向轮、ECU、后轮转角传感器、转向电机、蜗轮蜗杆、后轮转向齿轮、后轮转向齿条、后轮转向拉杆、后轮，所述转向盘、转向输入轴、扭矩与转角传感器、离合与减速机构、转向输出轴、转向齿轮、齿条、转向拉杆、转向轮依次机械连接，转向轮助力电机经由传动轴与离合减速机构机械连接；所述转向电机、蜗轮蜗杆、后轮转向齿轮、后轮转向齿条、后轮转向拉杆、后轮依次机械连接；所述ECU与转向轮助力电机、后轮转角传感器、转向电机以电气方式连接。

2.如权利要求1所述的一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统，其特征在于，所述ECU还与CAN总线电气连接。

3.如权利要求1所述的一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统，其特征在于，所述ECU包括故障自检模块、上电模块、报警模块、信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块，所述上电模块分别与故障自检模块、报警模块、信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块相连，用于其他模块供电；所述故障自检模块，用于对系统初始化及运行中的故障进行检测；所述报警模块对自检后的故障进行报警提示，保证转向安全；所述信号输入处理模块、复合EPS控制模块、功率驱动模块依次连接；所述信号输入处理模块用于接收车速信号、转角信号、转矩信号、后轮转角信号及故障信号，并经运算处理后发送至ECU；所述复合EPS控制模块，为整个系统的中央控制模块，实现信号的处理；所述功率驱动模块根据中央控制系统的指令，驱动前后转向助力电机，完成转向功能。

4.如权利要求3所述的一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制系统，其特征在于，所述复合EPS控制模块以PWM信号形式向功率驱动模块发送驱动控制指令。

5.一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统初始化，并进行故障检测，没有故障执行步骤S2；

6.如权利要求5所述的一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制方法，其特征在于，所述步骤S1若出现故障，则进入故障容错，由系统软件及硬件冗余处理，让电动汽车只进行前轮机械转向。

7.如权利要求5所述的一种用于分布式驱动电动汽车的复合EPS控制方法，其特征在于，所述步骤S4中后轮转向协同控制为实现闭环控制以及协调EPS控制，人车系统、ECU、转向系统、转向后轮依次连接，转向后轮通过传感器将后轮转角反馈至人车系统和ECU。