CN108163044A - 四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统及方法，控制方法包括：整车控制器根据驾驶员的方向盘手力需求，确定差动助力参考曲线；电动助力转向模块根据测得的方向盘转角数据，得到助力力矩指令，发送给EPS(Electronic Power Steering，电动助力转向系统)；差动助力转向模块根据测得数据，利用差动助力参考曲线得到电动汽车的前轴差动转矩；根据测得的车辆实际横摆角速度、方向盘转角和车速数据，得到参考横摆角速度，进而得到附加横摆力矩；整车控制器利用前轴差动转矩和附加横摆力矩得到四轮驱动电机目标输出转矩。与现有技术相比，本发明具有满足驾驶员的个性化需求、提升车辆行驶安全性和减小驾驶员操纵负担等优点。

Description

四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其是涉及一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统及方法。

背景技术

四轮独立驱动电动汽车是将四个驱动电机分别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电机，当助力电机失效或助力系统通讯故障时，驾驶员会明显感受到转向困难。对于线控转向系统，实现冗余控制不可或缺，但目前的解决方案硬件结构颇为繁杂。此外，对于四轮独立驱动电动汽车，还会产生差动助力转向曲线如何制定、差动助力转向与操纵性改善控制协调时四轮转矩分配等一系列问题。

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四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，所述的方法包括以下步骤：

S1、整车控制器根据驾驶员的方向盘手力需求，确定差动助力参考曲线；

S2、电动助力转向模块根据测得的方向盘转角和车速数据，得到助力力矩指令，发送给EPS助力电机；

S3、差动助力转向模块根据测得的方向盘转矩和车速数据，利用差动助力参考曲线得到电动汽车的前轴差动转矩；

S4、根据测得的车辆实际横摆角速度、方向盘转角和车速数据，得到参考横摆角速度，并计算得到附加横摆力矩；

S5、整车控制器利用前轴差动转矩和附加横摆力矩计算得到四轮驱动电机的目标输出转矩。

优选地，所述的步骤S1中的差动助力参考曲线的三个坐标轴分别为差动力矩值、转向盘力矩和车速，差动助力参考曲线的助力特性表达式为：

其中，|△T_f|为前轴差动助力转矩，K(V)为车速感应系数，|M_sw|为方向盘转矩，|M_sw,0|为开始助力时的方向盘转矩，|M_sw,max|为达到最大助力力矩时的方向盘转矩，|T_f|_max,v表示车速为v时提供的最大前轴差动力矩。

优选地，所述的步骤S2中的电动助力转向模块和步骤S3中的差动助力转向模块共同构成转向冗余控制模块。

优选地，所述的步骤S1中整车控制器根据驾驶员的方向盘手力需求，确定多种模式下的差动助力参考曲线，即调整相同转向盘力矩和车速下的前轴差动转矩值。

优选地，所述的步骤S4具体为：

S401、根据驾驶员输入的方向盘转角和纵向车速得到中性转向时横摆角速度作为车辆理想参考横摆角速度；

S402、采用抗积分饱和算法使车辆的横摆角速度与车辆理想参考横摆角速度趋于一致，得到附加横摆力矩。

优选地，所述的步骤S5具体为：

S501、将前轮右电机转矩加上二分之一前轴差动转矩得到前轴右电机输出转矩，将前轮左电机转矩减去二分之一前轴差动转矩得到前轴左电机输出转矩；

S502、将附加横摆力矩减去前轴差动直接横摆力矩得到后轴所需横摆力矩；

S503、将后轮右电机转矩加上后轴所需横摆力矩对应的电机转矩得到后轴右电机最终输出转矩，将后轮左电机转矩减去后轴所需横摆力矩对应的电机转矩得到后轴左电机最终输出转矩。

一种采用上述任一项所述的四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与控制方法的控制系统，该控制系统包括：

转向冗余控制模块，用于根据驾驶员手力需求调整前轴差动转矩并在EPS电机失效时进行转向助力；

操纵性改善控制模块，用于实时跟踪车辆理想参考横摆角速度，得到需求附加横摆力矩；

转矩分配模块，利用转向冗余控制模块得到的前轴差动转矩和操纵性改善控制模块得到的附加横摆力矩，输出电动汽车四轮驱动电机的目标转矩。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)驾驶员可以根据自己的驾驶喜好，选择合适的方向盘手力模式，包括轻便、正常、运动等多种模式体验，相应调整差动助力参考曲线，充分体现以人为本的汽车设计理念，满足不同驾驶员的个性化需求；

(2)当转向助力电机失效时或者转向助力系统通讯故障时，保证驾驶员能够正常转向，避免因电动助力转向故障导致的转向困难问题，差动助力转向的加入使得转向具备冗余功能，提升了车辆行驶的操纵性、安全性、可靠性；

(3)转向冗余控制模块不仅可应用于转向助力系统，而且可应用于替代线控转向系统的冗余结构，实现线控转向车辆的冗余控制功能，对于线控转向系统而言，实现冗余控制无需再使用两组完整硬件，差动转向可以实现冗余控制，大大地简化了线控转向系统的结构；

(4)差动助力转向控制算法能显著减小转向盘转矩，也能在一定程度上减小转向盘转角，有效地减小了驾驶员操纵负担，同时，差动助力随车速的增加而减小，有效地保证了驾驶员的路感信息；

(5)操纵性改善控制明显提高了整车横摆角速度响应，有效地抑制了车辆的加速不足转向特性，显著地改善了四轮独立驱动电动汽车的操纵性能；

(6)通过合理分配四轮的驱、制动电机转矩，有效地协调了差动助力转向控制和操纵性改善控制控制算法，在减小驾驶员负担的同时提升了车辆的横摆角速度响应，从而有效地改善了整车的操纵性能；

(7)由于本发明提出的方法是基于四轮独立驱动电动汽车现有的传感器配置，因此在实现上述功能的同时不必额外增加硬件，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的系统框架示意图；

图2为差动助力转向的助力参考曲线图；

图3为操纵性改善控制算法结构框图；

图4为线性二自由度车辆模型示意图；

图5为模拟EPS故障情况下有无差动助力转向实车试验效果对比图；

其中，1为差动助力转向模块(DDAS)，2为电动助力转向模块(EPS)，3为操纵性改善控制模块(HIC)，4为四轮转矩分配控制模块。

具体实施方式

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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种用于四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统，包括：转向冗余控制模块，用于实现驾驶员对方向盘手力的个性化需求且在EPS(Electronic Power Steering，电动助力转向系统)电机失效时完成转向助力功能；操纵性改善控制模块3，用于跟踪车辆理想的参考横摆角速度，改善车辆操纵稳定性；四轮转矩分配控制模块4，用于实现转向冗余控制模块与操纵性改善控制模块间功能协调。

其中，转向冗余控制模块包括：差动助力转向模块1(DDAS，Differential DriveAssisted Steering)，根据当前车辆的方向盘转矩、车速信息产生需求的前轴差动转矩；电动助力转向模块2(EPS)，根据当前车辆的方向盘转角信息、车速信息产生EPS助力电机的助力转矩指令，作用于转向系统。所述转向冗余控制模块不仅可应用于转向助力系统，而且可应用于替代线控转向系统的冗余结构，实现线控转向车辆的冗余控制功能。

基于上述系统，设计得到一种用于四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，具体包括下列步骤：

1)整车控制器根据驾驶员需求的方向盘手力需求，确定差动助力参考曲线；

2)差动助力转向根据当前方向盘转矩传感器测量得到的方向盘转矩和根据整车信息估计得到的车速，结合步骤1)得到的差动助力参考曲线，查表得到电动汽车的前轴差动转矩；

3)电动助力转向根据当前方向盘转角传感器测量得到的方向盘转角和根据整车信息，给EPS助力电机发送相应的助力力矩指令；

4)操纵性改善控制根据当前车辆实际横摆角速度、方向盘转角、车速等信息，利用参考模型得到参考横摆角速度，从而计算得到所需的附加横摆力矩；；

5)整车控制器根据步骤2)得到的前轴差动转矩，以及步骤4)得到的电动汽车的附加横摆力矩，结合驾驶员加减速意图，通过计算分别得到四轮驱动电机各自的目标输出转矩；

如图2所示，本实施例提供了一种用于四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统中差动助力转向正常模式下的差动助力参考曲线。其具体实施步骤如下：

整车控制器根据驾驶员需求的方向盘手力需求，确定差动助力参考曲线。与传统的电动助力转向不同，差动助力参考曲线利用前轴差动助力转矩来描述：

△T_f＝T_fr-T_fl

其中，T_fl、T_fr分别为左前轮、右前轮电机转矩。

差动助力特性曲线表示的是差动助力转矩与驾驶员输入的方向盘转矩、车速之间的静态关系。本文借鉴电动助力转向特性曲线的制定方法，选择较为优越的二次曲线型助力曲线作为差动助力转向特性曲线的形式，其制定原则具体如下：

(a).在一定的车速下，前轴差动助力转矩|△T_f|随方向盘转矩|M_sw|的增大而增大，达到最大助力转矩时方向盘输入转矩为7N·m，在方向盘转矩小于|M_sw,0|＝1N·m时，前轴差动助力转矩为零，具体的助力特性表达式为：

其中，|△T_f|为前轴差动助力转矩，K(V)为车速感应系数，|M_sw|为方向盘转矩，|M_sw,0|为开始助力时的方向盘转矩，|M_sw,max|为达到最大助力力矩时的方向盘转矩，|T_f|_max,v表示车速为v时提供的最大前轴差动力矩。

(b).提供最大转向助力的前轴差动转矩|△T_f|_max,0＝K(V₀)应由原地转向时的最大阻力矩通过下式求得：

其中：由于车辆质量较大导致原地转向助力较大，因此|M_sw,max|稍大取7N·m。

式中：f，轮胎与路面间的滑动摩擦因数；

G_f，转向轴负荷，G_f＝m_f×9.8，N；

P，轮胎气压，Pa；

r_σ，主销偏移距，m；

r_w，车轮滚动半径，m；

T_PK，原地转向的最大阻力矩；

a，主销内倾角，rad；

i_sw，转向传动比；

|△T_f|_max,0，原地转向时提供的最大前轴差动助力力矩；

(c).随着车速的增加，前轴差动助力转矩|△T_f|逐渐降低，以保证驾驶员获得良好的路感。

(d).确定几组典型车速下的助力特性曲线后，其余车速则进行线性差值获取。

如图3所示，本实施例提供了一种用于四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制系统中操纵性改善控制模块的算法框架。以参考模型给出的理想车辆响应为基准，根据当前驾驶者操作输入以及车辆的实际响应，计算出使实际车辆跟随理想响应所需要的广义横摆力矩，从而实现对车辆动态性能的闭环控制。其具体的实施步骤如下：

i).参考模型，采用二自由度线性单轨车辆模型如图4所示，根据驾驶员输入的方向盘转角δ_s和纵向车速v_x计算中性转向时横摆角速度作为车辆参考横摆角速度γ_d。

ii).运动跟踪控制，采用抗积分饱和算法使车辆的横摆响应γ与理想的横摆响应γ_d趋于一致，计算得到所需的附加横摆力矩M_zref。

抗积分饱和算法原理，其控制率设计如下：

其中，ε为跟踪误差，K_u、k_u、θ_u均为正常数，u为系统的受控输出。

iii).电机转矩分配模块根据驾驶员意图(油门踏板开度/制动踏板信号)、附加横摆力矩需求M_zref、前轴差动转矩力矩△T_f需求计算分配给四轮电机的转矩值。

所述步骤1)的二自由度线性单轨车辆模型忽略了车辆的悬架系统，只考虑整车侧向及横摆运动，轮胎侧向力与侧偏角成正比，在小侧向加速度情况下这种简化处理基本是有效的。从转向特性与车辆操纵稳定性的关系来说，具有中性转向特性的车辆对驾驶员来说操纵较为容易，因为中性转向的车辆横摆角速度增益与车速呈线性关系，在一定的前轮转角输入下转向半径不随车速变化，从而能使驾驶员得到转向角输入与车辆转向能力之间明确对应的关系，所以选取中性转向特性作为参考模型。

所述步骤3)的四轮转矩分配具体为：

31)根据车辆油门踏板、制动踏板信息确定驾驶员加减速意图，解析得到各轮电机转矩；

32)在步骤31)得到的各轮电机转矩基础上，将前轮右、左电机转矩分别加减前轴差动转矩的一半，作为前轴右、左电机最终输出的转矩；

33)将需求附加横摆力矩与由前轴差动产生的直接横摆力矩求差，得到后轴需要产生的横摆力矩；

34)在步骤31)得到的各轮电机转矩基础上，将后轮右、左电机转矩分别加减后轴需求横摆力矩所对应的电机转矩量，作为后轴电机右、左电机最终输出的转矩。

图5为20km/h双移线工况下，关掉EPS(模拟EPS故障时)的有无差动助力转向实车试验效果对比，实验结果数据表明在EPS故障时，差动助力转向能较好地替代EPS实现转向助力功能，避免了因EPS故障导致的转向极度沉重问题，保障了车辆的良好驾驶体验。

所述步骤2)的差动助力转向工作情景具体为：

当EPS电机正常工作时，方向盘转矩较小，前轴差动转矩因此也较小，由差动助力转向和电动助力转向共同满足驾驶员需求的方向盘手力；

当EPS电机失效或EPS系统故障时，方向盘转矩会明显增大，前轴差动转矩因此也会增大，从而由差动助力转向单独完成助力功能，避免了因EPS故障出现的方向盘手力明显增大，驾驶员转向困难问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1、整车控制器根据驾驶员的方向盘手力需求，确定差动助力参考曲线；

S2、电动助力转向模块根据测得的方向盘转角和车速数据，得到助力力矩指令，发送给EPS助力电机；

S3、差动助力转向模块根据测得的方向盘转矩和车速数据，利用差动助力参考曲线得到电动汽车的前轴差动转矩；

S4、根据测得的车辆实际横摆角速度、方向盘转角和车速数据，得到参考横摆角速度，并计算得到附加横摆力矩；

S5、整车控制器利用前轴差动转矩和附加横摆力矩计算得到四轮驱动电机的目标输出转矩。

2.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中的差动助力参考曲线的三个坐标轴分别为差动力矩值、转向盘力矩和车速，差动助力参考曲线的助力特性表达式为：

其中，|△T_f|为前轴差动助力转矩，K(V)为车速感应系数，|M_sw|为方向盘转矩，|M_sw,0|为开始助力时的方向盘转矩，|M_sw,max|为达到最大助力力矩时的方向盘转矩，|T_f|_max,v表示车速为v时提供的最大前轴差动力矩。

3.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中的电动助力转向模块和步骤S3中的差动助力转向模块共同构成转向冗余控制模块。

4.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中整车控制器根据驾驶员的方向盘手力需求，确定多种模式下的差动助力参考曲线，即调整相同转向盘力矩和车速下的前轴差动转矩值。

5.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，其特征在于，所述的步骤S4具体为：

S401、根据驾驶员输入的方向盘转角和纵向车速得到中性转向时横摆角速度作为车辆理想参考横摆角速度；

S402、采用抗积分饱和算法使车辆的横摆角速度与车辆理想参考横摆角速度趋于一致，得到附加横摆力矩。

6.根据权利要求1所述的一种四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法，其特征在于，所述的步骤S5具体为：

S501、将前轮右电机转矩加上二分之一前轴差动转矩得到前轴右电机输出转矩，将前轮左电机转矩减去二分之一前轴差动转矩得到前轴左电机输出转矩；

S502、将附加横摆力矩减去前轴差动直接横摆力矩得到后轴所需横摆力矩；

S503、将后轮右电机转矩加上后轴所需横摆力矩对应的电机转矩得到后轴右电机最终输出转矩，将后轮左电机转矩减去后轴所需横摆力矩对应的电机转矩得到后轴左电机最终输出转矩。

7.一种采用权利要求1～6任一项所述的四轮独立驱动电动汽车的转向冗余与集成控制方法的控制系统，其特征在于，该控制系统包括：

转向冗余控制模块，用于根据驾驶员手力需求调整前轴差动转矩并在EPS电机失效时进行转向助力；

操纵性改善控制模块，用于实时跟踪车辆理想参考横摆角速度，得到需求附加横摆力矩；

转矩分配模块，利用转向冗余控制模块得到的前轴差动转矩和操纵性改善控制模块得到的附加横摆力矩，输出电动汽车四轮驱动电机的目标转矩。