CN108860296B - 基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统及电动汽车 - Google Patents

基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统及电动汽车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统及电动汽车，系统包括电子差速器、陀螺仪传感器、转向角度传感器、加速踏板传感器、电机驱动器以及电机；陀螺仪传感器用以检测行驶姿态角并输出至电子差速器；转向角传感器用以检测方向盘转动角度并输出至电子差速器；加速踏板传感器用以检测加速踏板行程信号并输出至电子差速器；电子差速器根据行驶姿态角、方向盘转动角度、加速踏板行程信号计算出每个车轮的理论驱动速度以及补偿转速，并获得实际期望转速，将各个车轮的实际期望转速发送给电机驱动器，实现转向角外环控制。本发明通过对转向角度的闭环控制，较好地解决了分布式驱动电动汽车电子差速器目前的问题。

Description

基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统及电动汽车
所属技术领域
本发明涉及一种基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统及电动汽车，主要应用于电动汽车控制领域。
背景技术
电动汽车在节能与环保方面优势巨大，已经成为汽车技术发展的重要方向，分布式驱动电动汽车由于其动力系统简洁高效、空间布置灵活、易于实现底盘系统电子化等优点、是电动汽车立项的通用驱动平台，应用前景广阔。
汽车在转向时，由于外侧轮与内侧轮转弯半径不同，必须以不同的转速运行，传统的汽车动力系统通过机械差速器完成内外轮的差速运行。对于分布式驱动电动汽车而言，由于各个驱动轮之间没有了机械关联，如何实现差速就成为一个重要的问题。目前主流的解决方法是根据阿克曼转向模型，通过汽车平均速度、方向盘转向角等参数，计算出外侧轮与内侧轮的转速值进行控制(轮毂电机驱动式微型电动汽车电子差速控制策略，河北大学学报(自然科学版)2015，Vol.35，No.4)。在此基础上，专利(CN101716952 B电动汽车用电子差速转向控制系统)给出了一种通过对四个驱动轮偏转角确定四个轮之间的转速比进行差速控制的方法。专利(CN10954859 B，基于相对滑转率控制的电子差速系统)给出了一种利用相对滑转率控制的电子差速控制方法。专利(CN103213517 B绕线式异步电机牵引的四轮全驱电动汽车驱动系统及方法)给出了一种异步电机作为动力的分布式四轮驱动电动汽车差速器解决方案。这些电动车差速方案有的采用滑移率控制方案、有的采用驱动轮转矩控制，都能在一定工况下实现分布式驱动电动汽车差动转向的目的。
上述电动汽车差速控制方案大都建立在理想模型下的控制方式，但实际工况是很复杂的，作用于车轮的里除了电机转矩、路面反作用力以外，还有车体与车轮的相互作用力等。由于每一个车轮均可自由运动，路面摩擦力随时变化，当电机转矩超出路面附着力极限时会引起车轮滑转，基于理想模型的差速策略难以解决这类问题(电动轮驱动汽车电子差速控制策略及仿真，吉林大学学报(工学版)，2008，Vol.38，sup)。
发明内容
本发明的目的是针对目前分布式驱动电动汽车电子差速器存在的复杂路面情况下路面附着力与电机转矩平衡时变严重、传统阿克曼模型难以解决各个驱动轮之间差速驱动的问题，提供一种基于转向角闭环的电动汽车差速控制方法，该方法在阿克曼模型的基础上，通过对转向角度的闭环控制，较好的解决了分布式驱动电动汽车电子差速器目前的问题。
本发明实施例提供了一种基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统，包括陀螺仪传感器、转向角度传感器、加速踏板传感器、电子差速器、与四个车轮对应的四个电机驱动器、与所述四个电机驱动器对应的四个电机；其中，所述电子差速器的一端分别连接所述陀螺仪传感器、转向角度传感器、加速踏板传感器；所述电子电子差速器的另一端连接所述四个电机驱动器的一端，所述四个电机驱动器的另一端分别对应连接一个电机；
所述陀螺仪传感器，安装在电动汽车质心位置，其x轴与所述电动汽车行进方向平行，用以检测所述电动汽车前进时的行驶姿态角，并输出至所述电子差速器；
所述转向角传感器，安装在方向盘传动轴上，用以检测方向盘转动角度，并输出至所述电子差速器；
所述加速踏板传感器，用以检测加速踏板行程信号，并输出至所述电子差速器；
所述电子差速器，用于根据所述行驶姿态角、方向盘转动角度、加速踏板行程信号以及预设的计算及补偿策略计算出每个一个车轮的理论驱动速度以及补偿转速，并根据理论驱动速度以及补偿转速获得实际期望转速，将各个车轮的实际期望转速发送给各个电机驱动器，以实现转向角外环控制；
所述电机驱动器，用于根据接收的实际期望转速驱动对应的电机，使得所述电机带动对应的车轮进行旋转。
优选地，所述电子差速器与四个电机驱动器之间通过总线连接，为双向全双工形式，所述电子差速器将工作指令通过总线下传给电机驱动器，所述电机驱动器将实时的工作参数通过总线上传给电子差速器。
优选地，四个电机所驱动的四个车轮之间彼此独立，车轮为独立驱动形式。
优选地，所述电子差速器具体包括：
第一信号处理模块，用于通过公式获得电动汽车在大地坐标系下的转向角/>其中，[q0,q1,q2,q3]为由陀螺仪输出的电动汽车的行驶姿态角φ(pith、roll、yaw)计算出的四元数；
第二信号处理模块，用于通过公式获得驾驶员期望转向角δ；其中，θ为所述转向角传感器输出的方向盘转动角度的模拟信号，且定义θ的范围为-m、+m；电动汽车的结构转向角范围为-n、+n；
差速计算及补偿策略模块，用于根据驾驶员期望转向角δ、驾驶员期望行驶速度V以及车辆实际转向角获得获得每个车轮的实际期望转速，以实现转向角闭环控制。
优选地，所述差速计算及补偿策略模块包括：
理论驱动速度计算单元，用于根据驾驶员期望转向角δ以及驾驶员期望行驶速度V计算出四个车轮的理论驱动速度；
航向角补偿单元，用于根据驾驶员期望转向角δ与车辆实际转向角计算出每一个车轮的补偿转速；
叠加单元，用于将车轮理论驱动速度与对应的车轮的补偿转速进行叠加，获得每个车轮的实际期望转速，以实现转向角闭环控制。优选地，所述电子差速器还包括：
比较模块，用于接收由电机反馈的四个车轮的实际转速，将实际转速与电机的实际期望转速进行比较，获得每个车轮的转速误差，并将转速误差发送至电机驱动器，以使得电机驱动器驱动对应的电机转动，以实现转速闭环控制。
本发明实施例还提供了一种电动汽车，包括上述的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统。
优选地，所述电动汽车为为分布式驱动电动汽车。
本发明实施例的技术关键在于构建了一个转向角外环、电机转速内环的双闭环控制结构，通过将汽车实时的转向角与驾驶员期望的转向角进行比较，比较结果用于修正由阿克曼模型计算得到的转向控制信号，实时补偿了电动汽车差速控制策略与实际复杂路面之间存在的偏差。同时通过电机转速闭环控制，改善了各个驱动车轮转速的精准度。本发明实施例给出的电子差速实现方法提高了分布式驱动电动汽车电子差速系统的动态特性和准确性，减少了汽车行进过程的滑移率和降低了轮胎的磨损情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统的一种原理结构拓扑示意图。
图2为本发明实施例提供的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统的另一种原理结构拓扑示意图。
图3为本发明实施例提供的双环控制原理结构拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参见图1，本发明实施例的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统包括：陀螺仪传感器1、转向角度传感器2、加速踏板传感器3、电子差速器4、与四个车轮相应的4个电机驱动器5(在图1中分别标志为：电机驱动器51、电机驱动器52、电机驱动器53、电机驱动器54)、4个电机6(在图1中分别标记为：电机61、电机62、电机63、电机64)。其中，所述电子差速器4的一端分别连接所述陀螺仪传感器1、转向角度传感器3、加速踏板传感器2；所述电子电子差速器4的另一端连接所述四个电机驱动器5的一端，所述四个电机驱动器5的另一端分别对应连接一个电机6。
在本实施例中，所述陀螺仪传感器1安装在电动汽车的质心位置，其x轴与所述电动汽车行进方向平行，用以检测所述电动汽车前进时的行驶姿态角，并输出至所述电子差速器4。所述转向角传感器3安装在方向盘传动轴上，用以检测方向盘转动角度，并输出至所述电子差速器4。所述加速踏板传感器2，用以检测加速踏板行程信号，并输出至所述电子差速器4。
在本实施例中，所述电子差速器4，用于根据所述行驶姿态角、方向盘转动角度、加速踏板行程信号以及预设的计算及补偿策略计算出每个一个车轮的理论驱动速度以及补偿转速，并根据理论驱动速度以及补偿转速获得实际期望转速，将各个车轮的实际期望转速发送给各个电机驱动器，以实现转向角外环控制。
具体地，如图2所示，所述电子差速器4具体包括：
第一信号处理模块41，用于通过公式获得电动汽车在大地坐标系下的转向角/>其中，[q0,q1,q2,q3]为由陀螺仪输出的电动汽车的行驶姿态角φ(pith、roll、yaw)计算出的四元数。
其中，工作中，陀螺仪传感器1输出电动汽车的行驶姿态角φ(pith、roll、yaw)，使用时需要将其转换到电动汽车大地坐标系(x,y,z)中，本实施例中使用了电动汽车大地坐标系下转向角实际使用时，由陀螺仪传感器1输出的电动汽车的行驶姿态角φ(pith、roll、yaw)接收下来后，所述第一信号处理模块41对行驶姿态角经过卡尔曼滤波后，计算出其相应的四元数[q0,q1,q2,q3]，再根据公式/>即可获得电动汽车在大地坐标系下的转向角/>
第二信号处理模块42，用于通过公式获得驾驶员期望转向角δ；其中，θ为所述转向角传感器输出的方向盘转动角度的模拟信号，且定义θ的范围为-m、+m；电动汽车的结构转向角范围为-n、+n。
其中，工作中，转向角传感器3输出方向盘转动角度的模拟信号θ，它代表了驾驶员期望的转向角，使用这个信号时需要将它与电动汽车实际转向角δ之间进行标定。若定义方向盘转动角θ的范围为-m、+m、电动汽车结构转向角范围δ为-n、+n，通过通过公式获得驾驶员期望转向角δ。
第三信号处理模块43，用于通过公式获得驾驶员期望行驶速度V；其中，α为加速踏板传感器输出的加速踏板行程信号，T0为一个调节周期时间间隔。
其中，加速踏板传感器2输出信号为0～5V的模拟信号，它代表了驾驶员期望的行驶加速度，将该信号定义为加速踏板行程信号α，通过公式可获得用于描述驾驶员期望行驶速度V，式中，T0为一个调节周期时间间隔。
差速计算及补偿策略模块44，用于根据驾驶员期望转向角δ、驾驶员期望行驶速度V以及车辆实际转向角获得获得每个车轮的实际期望转速，以实现转向角闭环控制。
具体地，所述差速计算及补偿策略模块44包括：
理论驱动速度计算单元441，用于根据驾驶员期望转向角δ以及驾驶员期望行驶速度V计算出四个车轮的理论驱动速度；
航向角补偿单元442，用于根据驾驶员期望转向角δ与车辆实际转向角计算出每一个车轮的补偿转速；
叠加单元443，用于将车轮理论驱动速度与对应的车轮的补偿转速进行叠加，获得每个车轮的实际期望转速，以实现转向角闭环控制。
具体地，工作时，理论驱动速度计算单元441根据驾驶员期望转向角δ与期望速度信号V计算出四个车轮的理论驱动速度n1、n2、n3、n4，航向角补偿单元442根据驾驶员期望转向角δ与车辆实际转向角计算出每一个车轮补偿转速Δn1、Δn2、Δn3、Δn4(图中只标出Δn1)。叠加单元443将车轮理论驱动速度n1、n2、n3、n4与车轮补偿在转速Δn1、Δn2、Δn3、Δn4经过叠加，获得了实际期望转速n1+Δn1、n2+Δn2、n3+Δn3、n4+Δn4，实现了转向角闭环控制。
在本实施例中，在得到实际期望转速n1+Δn1、n2+Δn2、n3+Δn3、n4+Δn4后，所述电子差速器4将其发送给对应的各个电机驱动器，各个电机驱动器根据接收的实际期望转速驱动对应的电机，使得所述电机带动对应的车轮进行旋转。
需要说明的是，在本实施例中，所述电子差速器4还包括：
比较模块46，用于接收由电机反馈的四个车轮的实际转速，将实际转速与电机的实际期望转速进行比较，获得每个车轮的转速误差，并将转速误差发送至电机驱动器，以使得电机驱动器驱动对应的电机转动，以实现转速闭环控制。
具体地，在本实施例中，所述电子差速器4与四个电机驱动器之间通过总线连接，为双向全双工形式，所述电子差速器4将工作指令通过总线下传给电机驱动器，所述电机驱动器将实时的工作参数通过总线上传给电子差速器4。
为便于对本发明实施例的理解，下面以电机51为例说明本实施例的工作原理。
代表驾驶员期望车速的驾驶员期望行驶速度V与驾驶员期望转向角δ发送至理论驱动速度计算单元441，所述理论驱动速度计算单元441根据阿克曼转向模型算出电机51的理论驱动速度n1。同时，驾驶员期望转向角δ另一路送往航向角补偿单元442，航向角补偿单元442将转向角δ与汽车实时转向角进行比较，获得转向角误差值Δδ，并根据转向角误差值Δδ计算获得电机51的补偿转速信号Δn1。叠加单元443对补偿转速信号Δn1与电机51的期望转速n1进行叠加，获得经过补偿后的电机51实际期望转速n1+Δn1，这一过程实现了转向角外环控制。
比较模块46接收由电机51反馈的车轮的实际转速n′1，将电机51的实际转速n′1与电机51的实际期望转速n1+Δn1进行比较，获得转速误差e(n1)，e(n1)进一步送往电机驱动器51，进而驱动电机51转动，这一过程实现了速度内环闭环。
综上所述，本发明实施例提供的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统，其技术关键在于构建了一个转向角外环、电机转速内环的双闭环控制结构，通过将汽车实时的转向角与驾驶员期望的转向角进行比较，比较结果用于修正由阿克曼模型计算得到的转向控制信号，实时补偿了电动汽车差速控制策略与实际复杂路面之间存在的偏差。同时通过电机转速闭环控制，改善了各个驱动车轮转速的精准度。本发明实施例给出的电子差速实现方法提高了分布式驱动电动汽车电子差速系统的动态特性和准确性，减少了汽车行进过程的滑移率和降低了轮胎的磨损情况。
本发明实施例还提供了一种电动汽车，所述电动汽车包括如上述任一实施例所述的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统。
其中，特别地，所述电动汽车为为分布式驱动电动汽车，其四个电机所驱动的四个车轮之间彼此独立，没有机械关联。
需说明的是，以上所描述的装置或者模块实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统，其特征在于，包括陀螺仪传感器、转向角度传感器、加速踏板传感器、电子差速器、与四个车轮对应的四个电机驱动器、与所述四个电机驱动器对应的四个电机；其中，所述电子差速器的一端分别连接所述陀螺仪传感器、转向角度传感器、加速踏板传感器；所述电子差速器的另一端连接所述四个电机驱动器的一端，所述四个电机驱动器的另一端分别对应连接一个电机；
所述陀螺仪传感器，安装在电动汽车质心位置，其x轴与所述电动汽车行进方向平行，用以检测所述电动汽车前进时的行驶姿态角，并输出至所述电子差速器；
所述转向角度传感器，安装在方向盘传动轴上，用以检测方向盘转动角度，并输出至所述电子差速器；
所述加速踏板传感器，用以检测加速踏板行程信号，并输出至所述电子差速器；
所述电子差速器，用于根据所述行驶姿态角、方向盘转动角度、加速踏板行程信号以及预设的计算及补偿策略计算出每个一个车轮的理论驱动速度以及补偿转速，并根据理论驱动速度以及补偿转速获得实际期望转速，将各个车轮的实际期望转速发送给各个电机驱动器，以实现转向角外环控制；其中，所述电子差速器包括差速计算及补偿策略模块以及比较模块：
所述差速计算及补偿策略模块，用于根据驾驶员期望转向角、驾驶员期望行驶速度/>以及车辆实际转向角/>获得每个车轮的实际期望转速，以实现转向角闭环控制；所述差速计算及补偿策略模块包括：理论驱动速度计算单元，用于根据驾驶员期望转向角/>以及驾驶员期望行驶速度/>计算出四个车轮的理论驱动速度；航向角补偿单元，用于根据驾驶员期望转向角/>与车辆实际转向角/>计算出每一个车轮的补偿转速；叠加单元，用于将车轮理论驱动速度与对应的车轮的补偿转速进行叠加，获得每个车轮的实际期望转速，以实现转向角闭环控制；
所述比较模块，用于接收由电机反馈的四个车轮的实际转速，并将实际转速与电机的实际期望转速进行比较，获得每个车轮的转速误差，并将转速误差发送至电机驱动器，以使得电机驱动器驱动对应的电机转动，以实现速度内环闭环；
所述电机驱动器，用于根据接收的实际期望转速驱动对应的电机，使得所述电机带动对应的车轮进行旋转。
2.根据权利要求1所述的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统，其特征在于，所述电子差速器与四个电机驱动器之间通过总线连接，为双向全双工形式，所述电子差速器将工作指令通过总线下传给电机驱动器，所述电机驱动器将实时的工作参数通过总线上传给电子差速器。
3.根据权利要求1所述的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统，其特征在于：四个电机所驱动的四个车轮之间彼此独立，车轮为独立驱动形式。
4.根据权利要求1所述的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统，其特征在于，所述电子差速器还包括：
第一信号处理模块，用于通过公式获得电动汽车在大地坐标系下的转向角/>，其中，[/>]为由陀螺仪输出的电动汽车的行驶姿态角/>（pith、roll、yaw）计算出的四元数；
第二信号处理模块，用于通过公式获得驾驶员期望转向角/>；其中，/>为所述转向角度传感器输出的方向盘转动角度的模拟信号，且定义/>的范围为-m、+m；电动汽车的结构转向角范围为-n、+n；
第三信号处理模块，用于通过公式获得驾驶员期望行驶速度V；其中，/>为加速踏板传感器输出的加速踏板行程信号，/>为一个调节周期时间间隔。
5.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的基于转向角闭环的电动汽车电子差速控制系统。
6.根据权利要求5所述的电动汽车，其特征在于，所述电动汽车为为分布式驱动电动汽车。
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