CN109515512B - 用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统，包括：信息检测模块，用于检测车辆的各种状态信息；控制器，用于根据检测到的车辆各种状态信息，进行转向模式的判别，包括线控转向模式与线控差动转向模式，决策出各电机所需的目标转矩，并发送出相应的电机控制信号；转向执行模块，用于根据电机控制信号作出相应的转矩响应，以驱动转向机构运动，实现电动汽车的差动转向。本发明还公开了一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法。本发明以前轴左右轮轮毂电机为转向动力源，去除了转向机械连接与转向助力装置等，简化了转向系统结构，增大了车内可用空间，更易于系统的集成，降低了成本。

Description

用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法

技术领域

本发明涉及汽车转向系统及其控制方法技术领域，尤其是一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法。

背景技术

轮式独立驱动电动汽车是将轮毂电机直接安装在各个车轮上，去除了汽车传动系统，具有各轮转矩独立可控可测，且转矩响应迅速精确的独特优势。因此，能够及时地根据需要改变单个车轮上的转矩输出，有效地改善车辆的操纵性、稳定性和安全性。

轮式独立驱动电动汽车现有的转向系统大都是通过在传统机械转向系统的基础上加装转向助力装置来辅助驾驶员进行转向操作，如现有的液压助力转向系统、电动助力转向系统。这也就导致其转向系统结构复杂，不易集成布置，成本高等一系列问题。同时，作为一种全新概念的线控转向系统，其是通过切断转向机械连接加装转向电机线控实现转向操作，结构简单，容易集成，但其可靠性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简化了转向系统结构，增大了车内可用空间，更易于系统的集成，降低了成本的用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立简化的等效齿条动力学模型，分析转向齿条位移与前轴差动转矩之间的关系；

(2)设计线控差动转向非线性控制器：首先，将采集到的驾驶员方向盘转角信号经一传动比转化为期望齿条位移，以转向齿条位移为反馈控制量来间接地实现左右两转向轮各自的转角跟踪；其次，将得到的期望齿条位移信号输入到线控差动转向非线性控制器，根据期望齿条位移的值以及实时反馈的车辆实际齿条位移、侧向加速度、横摆角速度、车速以及轮速，计算出目标前轴差动转矩；

(3)进行车辆的差动转向控制：将计算出的目标前轴差动转矩输入到转矩分配控制器，转矩分配控制器依照转矩分配控制规则将目标前轴差动转矩分配给前轴左右转向轮，前轴左右转向轮轮毂电机作出相应的转矩响应，形成前轴左右转矩差，驱动转向机构运动，实现车辆差动转向控制；

所述步骤(1)中建立的简化的等效齿条动力学模型为：

其中，m_ref为等效齿条质量，且m_ref＝m_r+2m_tie+2J_uk/i_rk ²，m_r为齿条质量，m_tie为左右转向横拉杆质量，J_uk为非簧载质量绕左右主销的转动惯量，i_rk为左右传动机构传动比；B_r为齿条阻尼；x_r为齿条位移；F_m为转向电机输出力矩经齿轮作用在齿条上的力；a_y为车辆的侧向加速度,F_f为摩擦力；M_z1、M_z2分别为作用于左、右转向轮的回正力矩；T₁、T₂分别为左、右转向轮的驱动转矩；F_y1、F_y2分别为作用于左、右转向轮的侧向力；F_z1、F_z2分别为作用于左、右转向轮的垂向力；d为主销横向偏移距；d₀为主销纵向偏移距；

为主销内倾角；τ为主销后倾角；δ_1,2为左右转向轮转角；r_w为车轮半径，令ΔT＝T₂-T₁，为前轴左右转向轮转矩差；

一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统，包括：

信息检测模块，用于检测车辆的各种状态信息；

控制器，用于根据检测到的车辆各种状态信息，进行转向模式的判别，包括线控转向模式与线控差动转向模式，决策出各电机所需的目标转矩，并发送出相应的电机控制信号；

转向执行模块，用于根据电机控制信号作出相应的转矩响应，以驱动转向机构运动，实现电动汽车的差动转向；

所述信息检测模块包括：

方向盘转角/矩传感器，与方向盘转向管柱相连，用于检测驾驶员转动的方向盘转角及转动方向盘时的输入转矩；

齿条位移传感器，安装在转向齿条上，用于检测实际转向齿条位移；

电机霍尔传感器，安装在电机内部，充当轮速传感器以测量各轮速度；

横摆角速度传感器，安装在车上，用于测量车辆的横摆角速度；

加速度传感器，安装在车上，用以测量车辆的横纵向加速度；

所述控制器包括：

整车控制器，集成整车驱动控制器、转向模式控制器、线控转向控制器、线控差动转向非线性控制器以及转矩分配控制器，用于计算决策出各电机相应的目标转矩；

电机控制器，用于根据输入的目标转矩，输出相应的电机控制信号；

所述转向执行模块包括：

轮毂电机，安装在车轮里，用于驱动车轮及转向机构运动；

转向执行组件，包括左右横拉杆和转向齿条，其中左右横拉杆分别与前轴左右转向轮相连；转向执行组件用于连接前轴左右转向轮，驱动两前轮同步转向；

所述整车控制器包括：

整车驱动控制器，用于接收信息检测模块采集到的纵向加速度、轮速及踏板信息，对车辆纵向车速进行估计，计算出实现驾驶员期望车速所需的总的驱动转矩；

转向模式控制器，用于接收信息检测模块采集到状态信息，判断线控转向系统是否失效，若失效则切换至线控差动转向模式；

线控转向控制器，用于在线控转向模式下通过控制转向电机驱动转向机构运动，实现车辆转向；

线控差动转向非线性控制器，用于接收信息检测模块采集到的轮速、加速度及横摆角速度等信息，计算出电动汽车转向时所需的前轴差动转矩，使得车辆实际转向角跟随期望值；

转矩分配控制器，用于将总的驱动转矩与汽车转向所需的前轴差动转矩按制定的分配方案分配给四个轮毂电机，得到各轮的目标输出转矩。

所述步骤(2)中设计线控差动转向非线性控制器具体包括以下环节：

2a)稳态控制环节

其中，u_s为稳态控制环节设计得到的稳态控制律；

2b)在所述2a)设计环节的基础上进行参考动态前馈控制设计环节：

令u＝ΔT＝u_s+u_f，得到：

其中，u_f为参考动态前馈控制律，x_r ^*为期望齿条位移；

2c)在所述2a)设计环节的基础上再进行跟踪误差反馈控制设计环节：

令u＝ΔT＝u_s+u_f+u_e，得到：

其中，u_e为跟踪误差反馈控制律，e为转向齿条位移跟踪偏差，e₁表示转向齿条位移跟踪偏差的微分，X表示转向齿条位移跟踪偏差的积分，k₀，k₁，k₂均为偏差控制律调节参数，这里取k₀<0，k₁<0，且k₂>γ，γ为大于零的一个常数；

综合以上2a)、2b)、2c)环节，线控差动转向非线性控制器的整体控制律如下：

u＝ΔT＝u_s+u_f+u_e

其中，

所述步骤(3)中线控差动转向非线性控制器进行车辆的差动转向控制具体为：将计算出的总的驱动转矩与目标前轴差动转矩分配给各个电机，其转矩分配控制规则为：

当T₂<T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT<2T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT≥2T_max时，两前轴电机均达到峰值，则有，

式中，T₁，T₂，T₃，T₄分别为汽车左前、右前、左后、右后车轮需求转矩，T_d为总驱动转矩，T_max为电机峰值转矩，ΔT为前轴左右转向轮转矩差。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，与传统的转向系统相比，本发明以前轴左右轮轮毂电机为转向动力源，去除了转向机械连接与转向助力装置等，简化了转向系统结构，增大了车内可用空间，更易于系统的集成，降低了成本；第二，本发明以转向齿条位移为间接反馈控制量，经三步法算法流程(稳态控制-前馈控制-误差反馈控制)计算决策出目标前轴差动转矩，经转矩分配控制器得到各轮所需的目标转矩，最后发出电机控制信号，控制电机作出相应的转矩响应，从而驱动转向机构运动，驱使实际齿条位移跟随期望值，实现车辆的线控差动转向控制；所设计的三步法非线性控制器具有标准清晰的结构，每一步都实现不同的控制目标，便于实际工程应用；所设计的转矩分配控制器按照维持驾驶员驾驶需求以及电机转矩限幅约束的原则进行平均分配，分配方案简洁易懂；第三，控制器均集成于整车控制器上，控制方便，节省空间，降低了成本；第四，使电动汽车摆脱了方向盘转角与前轮转角之间的机械限制，可以实现自由设计汽车转向的角传递特性，从而改善汽车的转向性能与行驶安全性。

附图说明

图1为线控差动转向系统架构示意图；

图2为线控差动转向系统简化模型；

图3为线控差动转向控制系统框图；

图4为方向盘转角三角输入工况下车速结果图；

图5为方向盘转角三角输入工况下横摆角速度结果图；

图6为方向盘转角三角输入工况下运动轨迹结果图；

图7为方向盘转角三角输入工况下各轮转矩结果图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统，包括：

信息检测模块，用于检测车辆的各种状态信息；

控制器，用于根据检测到的车辆各种状态信息，进行转向模式的判别，包括线控转向模式与线控差动转向模式，决策出各电机所需的目标转矩，并发送出相应的电机控制信号；

转向执行模块，用于根据电机控制信号作出相应的转矩响应，以驱动转向机构运动，实现电动汽车的差动转向。

所述信息检测模块包括：

方向盘转角/矩传感器，与方向盘转向管柱相连，用于检测驾驶员转动的方向盘转角及转动方向盘时的输入转矩；

齿条位移传感器，安装在转向齿条上，用于检测实际转向齿条位移；

电机霍尔传感器，安装在电机内部，充当轮速传感器以测量各轮速度；

横摆角速度传感器，安装在车上，用于测量车辆的横摆角速度；

加速度传感器，安装在车上，用以测量车辆的横纵向加速度。

所述控制器包括：

整车控制器，集成整车驱动控制器、转向模式控制器、线控转向控制器、线控差动转向非线性控制器以及转矩分配控制器，用于计算决策出各电机相应的目标转矩；

电机控制器，用于根据输入的目标转矩，输出相应的电机控制信号。

所述转向执行模块包括：

轮毂电机，安装在车轮里，用于驱动车轮及转向机构运动；

转向执行组件，包括左右横拉杆和转向齿条，其中左右横拉杆分别与前轴左右转向轮相连；转向执行组件用于连接前轴左右转向轮，驱动两前轮同步转向。

所述整车控制器包括：

整车驱动控制器，用于接收信息检测模块采集到的纵向加速度、轮速及踏板信息，对车辆纵向车速进行估计，计算出实现驾驶员期望车速所需的总的驱动转矩；

转向模式控制器，用于接收信息检测模块采集到状态信息，判断线控转向系统是否失效，若失效则切换至线控差动转向模式；

线控转向控制器，用于在线控转向模式下通过控制转向电机驱动转向机构运动，实现车辆转向；

线控差动转向非线性控制器，用于接收信息检测模块采集到的轮速、加速度及横摆角速度等信息，计算出电动汽车转向时所需的前轴差动转矩，使得车辆实际转向角跟随期望值；

转矩分配控制器，用于将总的驱动转矩与汽车转向所需的前轴差动转矩按制定的分配方案分配给四个轮毂电机，得到各轮的目标输出转矩。

当驾驶员进行转向操作时，若转向模式控制器根据采集到的车辆状态信息判断出线控转向系统失效，则将转向模式切换成线控差动转向模式，此时线控差动转向系统开始工作，以确保车辆正常转向：整车驱动控制器根据采集到的汽车纵向加速度、轮速及踏板信号，先对车辆纵向车速进行估计，再计算出满足驾驶员纵向动力要求所需的总的驱动转矩；线控差动转向非线性控制器根据采集到的方向盘转角信号解析出实际驾驶员转向意图，即期望齿条位移，接着以转向齿条位移为间接反馈控制量，根据采集到的实际齿条位移、侧向加速度、横摆角速度、车速以及轮速等信号，计算决策出目标前轴差动转矩；转矩分配控制器接收上述计算得到的总的需求驱动转矩与目标前轴差动转矩，经分配算法得到最终各轮目标转矩；电机控制器接收来自转矩分配控制器的各轮目标输出转矩，调制出相应的电机控制信号，驱动电机输出目标转矩值，驱动转向执行模块运动，实现车辆转向。

图1中，ω_r为横摆角速度，ω_i为各轮转速，δ_sw为方向盘转角，M_r为路感电机转矩信号，M_z为转向电机转矩信号。

本控制方法包括下列顺序的步骤：

(1)如图2所示，建立简化的等效齿条动力学模型，分析转向齿条位移与前轴差动转矩之间的关系；

(2)设计线控差动转向非线性控制器：首先，将采集到的驾驶员方向盘转角信号经一传动比转化为期望齿条位移，以转向齿条位移为反馈控制量来间接地实现左右两转向轮各自的转角跟踪；其次，将得到的期望齿条位移信号输入到线控差动转向非线性控制器，根据期望齿条位移的值以及实时反馈的车辆实际齿条位移、侧向加速度、横摆角速度、车速以及轮速，计算出目标前轴差动转矩；

(3)进行车辆的差动转向控制：将计算出的目标前轴差动转矩输入到转矩分配控制器，转矩分配控制器依照转矩分配控制规则将目标前轴差动转矩分配给前轴左右转向轮，前轴左右转向轮轮毂电机作出相应的转矩响应，形成前轴左右转矩差，驱动转向机构运动，实现车辆差动转向控制。

所述步骤(1)中建立的简化的等效齿条动力学模型为：

其中，m_ref为等效齿条质量，且m_ref＝m_r+2m_tie+2J_uk/i_rk ²，m_r为齿条质量，m_tie为左右转向横拉杆质量，J_uk为非簧载质量绕左右主销的转动惯量，i_rk为左右传动机构传动比；B_r为齿条阻尼；x_r为齿条位移；F_m为转向电机输出力矩经齿轮作用在齿条上的力；a_y为车辆的侧向加速度,F_f为摩擦力；M_z1、M_z2分别为作用于左、右转向轮的回正力矩；T₁、T₂分别为左、右转向轮的驱动转矩；F_y1、F_y2分别为作用于左、右转向轮的侧向力；F_z1、F_z2分别为作用于左、右转向轮的垂向力；d为主销横向偏移距；d₀为主销纵向偏移距；

为主销内倾角；τ为主销后倾角；δ_1,2为左右转向轮转角；r_w为车轮半径，令ΔT＝T₂-T₁，为前轴左右转向轮转矩差。

所述步骤(2)中设计线控差动转向非线性控制器具体包括以下环节：

2a)稳态控制环节

其中，u_s为稳态控制环节设计得到的稳态控制律；

2b)在所述2a)设计环节的基础上进行参考动态前馈控制设计环节：

令u＝ΔT＝u_s+u_f，得到：

其中，u_f为参考动态前馈控制律，x_r ^*为期望齿条位移；

2c)在所述2a)设计环节的基础上再进行跟踪误差反馈控制设计环节：

令u＝ΔT＝u_s+u_f+u_e，得到：

其中，u_e为跟踪误差反馈控制律，e为转向齿条位移跟踪偏差，e₁表示转向齿条位移跟踪偏差的微分，X表示转向齿条位移跟踪偏差的积分，k₀，k₁，k₂均为偏差控制律调节参数，这里取k₀<0，k₁<0，且k₂>γ，γ为大于零的一个常数；

综合以上2a)、2b)、2c)环节，线控差动转向非线性控制器的整体控制律如下：

u＝ΔT＝u_s+u_f+u_e

其中，

所述步骤(3)中线控差动转向非线性控制器进行车辆的差动转向控制具体为：将计算出的总的驱动转矩与目标前轴差动转矩分配给各个电机，其转矩分配控制规则为：

当T₂<T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT<2T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT≥2T_max时，两前轴电机均达到峰值，则有，

式中，T₁，T₂，T₃，T₄分别为汽车左前、右前、左后、右后车轮需求转矩，T_d为总驱动转矩，T_max为电机峰值转矩，ΔT为前轴左右转向轮转矩差。

以下结合图2对本发明进行进一步的说明。

步骤一、如图2对转向系统进行简化，建立简化的等效齿条动力学模型，用于分析转向齿条位移与前轴差动转矩之间的关系，考虑等效齿条的受力情况，得到其动力学方程为：

其中，m_ref为等效齿条质量，且m_ref＝m_r+2m_tie+2J_uk/i_rk ²，m_r为齿条质量，m_tie为左右转向横拉杆质量，J_uk为非簧载质量绕左右主销的转动惯量，i_rk为左右传动机构传动比；B_r为齿条阻尼；x_r为齿条位移；F_m为转向电机输出力矩经齿轮作用在齿条上的力，且本申请中F_m＝0，即线控转向系统失效，转向电机不工作，无力矩输出；M_kp为绕主销力矩；a_y为车辆的侧向加速度,F_f为摩擦力，在控制律设计时视为扰动量；

当主销内倾角

以及主销后倾角τ较小时，可以得到左右两轮绕主销力矩之和为：

式中，M_z1,2为作用于左右转向轮的回正力矩；F_x1,2为作用于左右转向轮的纵向力；F_y1,2为作用于左右转向轮的侧向力；F_z1,2为作用于左右转向轮的垂向力；d为主销横向偏移距；d₀为主销纵向偏移距；

为主销内倾角；τ为主销后倾角；δ_1,2为左右转向轮转角；

将式(1)与式(2)整理可得：

对式(3)进行分析容易得到：当转向电机不工作无转矩输出，即F_m＝0时，方程中只有左右转向轮驱动转矩T₁、T₂是可控的。因此，可以通过控制左右转向驱动轮转矩差ΔT＝T₂-T₁,控制转向齿条运动，进而实现车辆转向；

等效齿条动力学方程(3)中的F_y1,2为作用于左右转向轮的轮胎侧向力，M_z1,2为作用于左右转向轮的轮胎回正力矩，F_z1,2为作用于左右转向轮的垂向力，因此本发明将轮胎的非线性考虑到控制系统的设计之中。根据刷子轮胎模型的描述，可知轮胎侧偏力及轮胎回正力矩可以表示为：

式中，μ为路面附着系数，F_z为轮胎垂直载荷，ρ_y＝θ_ytanα，θ_y＝2c_pl²/(3μF_z)，c_p＝C_f/(2l)，α_sl＝tan^-1(1/θ_y),α为轮胎侧偏角，l为轮胎一半的接触长度，C_f为轮胎侧偏刚度；

考虑车辆的轴荷转移，轮胎的垂直载荷可以表示为：

式中，m为整车质量，b为质心到后轴的距离，L为轴距，h_g为质心高度，B为轮距，a_x为纵向加速度，a_y为侧向加速度；

左右转向轮的轮胎侧偏角可以表示为：

式中，α_1,2为左右转向轮侧偏角，δ_1,2为左右转向轮转角，v_1,2为左右转向轮处侧向速度，u_1,2为左右转向轮处纵向速度，v为质心处侧向速度，u为质心处纵向速度，ω为横摆角速度。

步骤二、线控差动转向非线性控制器设计：基于步骤一建立的简化等效齿条动力学模型，设计三步法非线性控制器。首先，将采集到的驾驶员方向盘转角信号经一传动比转化为期望齿条位移，以转向齿条位移为反馈控制量来间接地实现左右两转向轮各自的转角跟踪；其次，将得到的期望齿条位移信号输入到线控差动转向非线性控制器，根据期望齿条位移的值以及实时反馈的车辆实际齿条位移、侧向加速度、横摆角速度、车速以及轮速等，运用三步法算法流程(稳态控制-前馈控制-误差反馈控制)计算决策出目标前轴差动转矩；

上述步骤二中的线控差动转向非线性控制器设计包括以下环节：

1)、稳态控制环节

在实际工程应用中，常为得到系统快速响应而标定一种系统在各种稳态情况下对应的输入输出值构成的map表，并以此map表作系统的控制器，属于一种类稳态控制。基于步骤一所建立的简化等效齿条动力学方程式(3)，令

系统控制输入变量u＝u_s＝ΔT，代入公式(3)可得稳态控制律：

2)、参考动态前馈控制环节

对于一个复杂的非线性系统来说，仅仅通过稳态控制很难满足其控制要求，需要外加修正环节来对系统进行一定程度的矫正。因此，在稳态控制环节的基础上，有必要加入参考动态前馈控制环节，以满足系统控制要求。现令系统控制输入为：u＝u_s+u_f＝ΔT，

令

代入式(5)，可得参考动态前馈控制律：

3)、跟踪误差反馈控制环节

以上环节分别设计出了系统稳态控制律及参考动态前馈控制律，但均没有将系统在建模过程中忽略掉的因素和外部干扰等带来的模型误差及控制偏移考虑到控制系统中来，且整个控制系统仍然属于开环控制。为了实现系统跟踪控制，减小不确定因素的影响，提高系统鲁棒性，现针对系统跟随误差设计反馈控制律。令系统控制输入为：u＝u_s+u_f+u_e，代入公式(3)再与式(4)及式(6)整理可得：

定义跟踪误差：e＝x_r ^*-x_r，代入式(7)可得：

整理得：

定义

则有：

现以e₁作为线性子系统的虚拟控制，且选择PI为虚拟控制律：

e₁ ^*＝k₀X+k₁e (11)

其中，X＝∫ed_t，令ε＝e₁ ^*-e₁，则有：

根据劳斯稳定性标准，当k₀<0，k₁<0时，该线性子系统渐进稳定。

此外，由于一个稳定的线性系统是输入-状态稳定的(ISS)，所以式(12)相对于输入ε是输入-状态稳定的(ISS)。那么也就存在α>0，γ>0和一个ISS-Lyapunov函数V₁(X,e)满足：

最后，通过Lyapunov直接法得到反馈控制律u_e，使得齿条位移x_r跟随x_r ^*。定义：

则有：

令

则有：

对于整个误差系统，定义：

V＝V₁+V₂ (17)

则有：

因此，当k₂>γ时，整个误差系统是渐进稳定的。

最终，可得系统跟踪误差反馈控制律：

4)、控制律

由式(4)、式(6)与式(19)可得整体的控制律为：

u＝u_s+u_f+u_e

其中，

所设计的三步法非线性控制器结构简洁清晰，第一步为稳态控制，第二步为参考动态前馈控制，第三步为误差反馈控制,三步都有清晰的设计目的，并且步骤之间相互关联，各步的顺序不能颠倒。通过对上述三步的输出相加即可得到三步法的控制量。

步骤三：基于步骤二设计的线控差动转向非线性控制器进行车辆的差动转向控制：将计算决策出的目标前轴差动转矩输入到转矩分配控制器，转矩分配控制器依照设计的分配原则将目标前轴差动转矩分配给前轴左右转向轮，前轴左右转向轮轮毂电机作出相应的转矩响应，形成前轴左右转矩差，驱动转向机构运动，实现车辆差动转向控制；

上述转矩分配控制器的具体分配方案如下：

以驾驶员期望驱动转矩与目标差动转矩为控制器输入，综合考虑驾驶员的动力性需求以及轮毂电机的最大工作能力，得到，

当T₂<T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT<2T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT≥2T_max时，两前轴电机均达到峰值，这是一种极限情况，

式中，T₁，T₂，T₃，T₄分别为汽车左前、右前、左后、右后车轮需求转矩，T_d为总驱动转矩，T_max为电机峰值转。

图3中线控差动转向非线性控制器根据采集到的驾驶员方向盘转角以及其他各种车辆状态信息，决策出目标差动转矩，并经转矩分配控制器分配给各个车轮，以实现车辆差动转向；

图4可以看出该工况下由于转矩分配中考虑到车辆的纵向动力学要求，所以有无差动转向的介入对车速的影响很小；

图5可以看出该工况下差动转向的介入使得车辆的横摆角速度增大；

图6可以看出该工况下线控差动转向能够实现车辆正常转向，且由于横摆角速度的增大，使得车辆转向半径变小，运动轨迹变化；

图7可以看出该工况下各轮转矩的分配情况，前轴左右转向轮根据控制策略产生转矩差，以驱动车辆差动转向。

综上所述，本发明以前轴左右轮轮毂电机为转向动力源，去除了转向机械连接与转向助力装置等，简化了转向系统结构，增大了车内可用空间，更易于系统的集成，降低了成本。

Claims (2)

1.一种用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立简化的等效齿条动力学模型，分析转向齿条位移与前轴差动转矩之间的关系；

(2)设计线控差动转向非线性控制器：首先，将采集到的驾驶员方向盘转角信号经一传动比转化为期望齿条位移，以转向齿条位移为反馈控制量来间接地实现左右两转向轮各自的转角跟踪；其次，将得到的期望齿条位移信号输入到线控差动转向非线性控制器，根据期望齿条位移的值以及实时反馈的车辆实际齿条位移、侧向加速度、横摆角速度、车速以及轮速，计算出目标前轴差动转矩；

(3)进行车辆的差动转向控制：将计算出的目标前轴差动转矩输入到转矩分配控制器，转矩分配控制器依照转矩分配控制规则将目标前轴差动转矩分配给前轴左右转向轮，前轴左右转向轮轮毂电机作出相应的转矩响应，形成前轴左右转矩差，驱动转向机构运动，实现车辆差动转向控制；

所述步骤(1)中建立的简化的等效齿条动力学模型为：

其中，m_ref为等效齿条质量，且m_ref＝m_r+2m_tie+2J_uk/i_rk ²，m_r为齿条质量，m_tie为左右转向横拉杆质量，J_uk为非簧载质量绕左右主销的转动惯量，i_rk为左右传动机构传动比；B_r为齿条阻尼；x_r为齿条位移；F_m为转向电机输出力矩经齿轮作用在齿条上的力；a_y为车辆的侧向加速度,F_f为摩擦力；M_z1、M_z2分别为作用于左、右转向轮的回正力矩；T₁、T₂分别为左、右转向轮的驱动转矩；F_y1、F_y2分别为作用于左、右转向轮的侧向力；F_z1、F_z2分别为作用于左、右转向轮的垂向力；d为主销横向偏移距；d₀为主销纵向偏移距；

为主销内倾角；τ为主销后倾角；δ_1,2为左右转向轮转角；r_w为车轮半径，令ΔT＝T₂-T₁，为前轴左右转向轮转矩差；

所述用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统包括：

信息检测模块，用于检测车辆的各种状态信息；

控制器，用于根据检测到的车辆各种状态信息，进行转向模式的判别，包括线控转向模式与线控差动转向模式，决策出各电机所需的目标转矩，并发送出相应的电机控制信号；

转向执行模块，用于根据电机控制信号作出相应的转矩响应，以驱动转向机构运动，实现电动汽车的差动转向；

所述信息检测模块包括：

方向盘转角/矩传感器，与方向盘转向管柱相连，用于检测驾驶员转动的方向盘转角及转动方向盘时的输入转矩；

齿条位移传感器，安装在转向齿条上，用于检测实际转向齿条位移；

电机霍尔传感器，安装在电机内部，充当轮速传感器以测量各轮速度；

横摆角速度传感器，安装在车上，用于测量车辆的横摆角速度；

加速度传感器，安装在车上，用以测量车辆的横纵向加速度；

所述控制器包括：

整车控制器，集成整车驱动控制器、转向模式控制器、线控转向控制器、线控差动转向非线性控制器以及转矩分配控制器，用于计算决策出各电机相应的目标转矩；

电机控制器，用于根据输入的目标转矩，输出相应的电机控制信号；

所述转向执行模块包括：

轮毂电机，安装在车轮里，用于驱动车轮及转向机构运动；

转向执行组件，包括左右横拉杆和转向齿条，其中左右横拉杆分别与前轴左右转向轮相连；转向执行组件用于连接前轴左右转向轮，驱动两前轮同步转向；

所述整车控制器包括：

整车驱动控制器，用于接收信息检测模块采集到的纵向加速度、轮速及踏板信息，对车辆纵向车速进行估计，计算出实现驾驶员期望车速所需的总的驱动转矩；

转向模式控制器，用于接收信息检测模块采集到状态信息，判断线控转向系统是否失效，若失效则切换至线控差动转向模式；

线控转向控制器，用于在线控转向模式下通过控制转向电机驱动转向机构运动，实现车辆转向；

线控差动转向非线性控制器，用于接收信息检测模块采集到的轮速、加速度及横摆角速度等信息，计算出电动汽车转向时所需的前轴差动转矩，使得车辆实际转向角跟随期望值；

转矩分配控制器，用于将总的驱动转矩与汽车转向所需的前轴差动转矩按制定的分配方案分配给四个轮毂电机，得到各轮的目标输出转矩；

所述步骤(2)中设计线控差动转向非线性控制器具体包括以下环节：

2a)稳态控制环节

其中，u_s为稳态控制环节设计得到的稳态控制律；

2b)在所述2a)设计环节的基础上进行参考动态前馈控制设计环节：

令u＝ΔT＝u_s+u_f，得到：

其中，u_f为参考动态前馈控制律，x_r ^*为期望齿条位移；

2c)在所述2a)设计环节的基础上再进行跟踪误差反馈控制设计环节：

令u＝ΔT＝u_s+u_f+u_e，得到：

其中，u_e为跟踪误差反馈控制律，e为转向齿条位移跟踪偏差，e₁表示转向齿条位移跟踪偏差的微分，X表示转向齿条位移跟踪偏差的积分，k₀，k₁，k₂均为偏差控制律调节参数，这里取k₀<0，k₁<0，且k₂>γ，γ为大于零的一个常数；

综合以上2a)、2b)、2c)环节，线控差动转向非线性控制器的整体控制律如下：

u＝ΔT＝u_s+u_f+u_e

其中，

2.根据权利要求1所述的用于轮式独立驱动车辆的线控差动转向系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中线控差动转向非线性控制器进行车辆的差动转向控制具体为：将计算出的总的驱动转矩与目标前轴差动转矩分配给各个电机，其转矩分配控制规则为：

当T₂<T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT<2T_max时，则有，

当T₂≥T_max且ΔT≥2T_max时，两前轴电机均达到峰值，则有，

式中，T₁，T₂，T₃，T₄分别为汽车左前、右前、左后、右后车轮需求转矩，T_d为总驱动转矩，T_max为电机峰值转矩，ΔT为前轴左右转向轮转矩差。

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