CN110077459B - 一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统及方法，用于实现分布式驱动电动汽车的电动助力转向，本发明系统包括实测传感器单元、电动助力转向单元、力矩补偿计算模块和转向助力电机，本发明根据获取的助力转矩初值和转向助力补偿力矩值计算转向助力转矩终值，并施加转向助力补偿力矩值至转向管柱，控制转向管柱转向。与现有技术相比，本发明具有消除转矩矢量控制(TVC)对方向盘的干扰、提高车辆的操纵稳定性和安全性等优点。

Description

一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统及方法
技术领域
本发明涉及分布式驱动电动汽车的电动助力技术领域，尤其是涉及一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统及方法。
背景技术
分布式驱动电动汽车相比于集中电机驱动的电动汽车，可以通过四轮转矩矢量控制(TVC)更容易实现对横摆力矩、纵向力矩的控制，从而更易于实现诸如牵引力控制、车身稳定性控制等底盘主动安全控制，进而提高整车的操纵稳定性及行驶安全性。但单一的底盘电控系统只能改善其控制目标功能所涉及的车辆性能，当多种底盘电控系统同时存在时，则可能会造成各个电控子系统在独自执行时相互干扰，从而导致控制性能的下降，甚至恶化整车的操纵稳定性以及行驶安全性。
电动助力转向与转矩矢量控制在期望驾驶特性方面存在冲突，即TVC介入后会干扰驾驶员正常操纵方向盘，且存在二者对于驾驶员转向与回正意图的期望驾驶员特性冲突的问题，然而目前现有的电动助力转向策略无法避免上述问题，因此，针对带有TVC功能的四轮分布式驱动电动汽车，有必要设计一种考虑TVC与电动助力转向系统间的耦合作用，削弱TVC介入对于方向盘力矩的影响的电动助力转向控制系统。
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电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，用于实现分布式驱动电动汽车的电动助力转向，该系统包括：
实测传感器单元：用于采集车速值、方向盘的手力矩值、方向盘转角大小、方向盘的转速及前轮轮速和轮毂电机转矩值；
电动助力转向单元：用于根据实测传感器单元采集的数据获取方向盘助力转向力矩初值；
力矩补偿计算模块：用于根据转矩矢量控制的输出量和转向力矩初值计算转向助力补偿力矩值；
转向助力电机：用于根据助力转矩初值和转向助力补偿力矩值计算转向助力转矩终值，并施加转向助力补偿力矩值至转向管柱，控制转向管柱转向。
优选地，所述的实测传感器单元包括用于测量车速的车速传感器、用于测量驾驶员施加于方向盘的手力矩的力矩传感器、用于测量方向盘转角的转角传感器及用于获取前轮轮速和轮毂电机转矩大小的前轮驱动电机，车速传感器、力矩传感器和转角传感器分别连接电动助力转向单元，转角传感器连接力矩补偿计算模块，前轮驱动电机连接力矩补偿计算模块。
转向助力补偿力矩值Tm-TVC的计算式为：
Figure GDA0003151972840000021
式中，G为蜗轮蜗杆减速比，Tc-TVC为施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值。
施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值Tc-TVC的表达式为：
Figure GDA0003151972840000022
其中，RP为转向器小齿轮半径，θrl和θrr分别为左右转向横拉杆与齿条之间的锐角夹角，θs为方向盘转角，lal(θs)和lar(θs)分别为左、右轮主销到各自车轮纵向平面的距离，lcl(θs)和lcr(θs)分别为左、右轮主销到各自转向横拉杆的距离，Fxl和Fxr分别为左、右车轮的纵向力，表达式为：
Figure GDA0003151972840000023
式中：Tmxl,r为左右车轮驱动力矩，Jωl,r为车轮等效转动惯量，ωl,r为左右车轮角速度，Rtl,r为车轮滚动半径。
左、右轮主销到各自车轮纵向平面的距离lal(θs)和lar(θs)，左、右轮主销到各自转向横拉杆的距离lcl(θs)和lcr(θs)均随着方向盘转角的变化而变化，lal(θs)、lar(θs)、lcl(θs)和lcr(θs)的值通过Adams前悬建模得到的与转角变化的关系曲线查表获取。
一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
S1：实时采集驾驶员施加在方向盘的手力矩以及整车的车速v；
S2：将采集的数据输入至电动助力转向单元，计算方向盘助力转向力矩初值；
S3：将采集到的方向盘转角输入至力矩补偿计算模块，查表获取lal(θs)、lar(θs)、lcl(θs)和lcr(θs)的值；
S4：通过轮毂驱动电机采集当前时刻前轮左右车轮驱动力矩Tmxl,r、车轮转速ωl,r，并将其输入至力矩补偿计算模块，获取助力转向力矩补偿值；
S5：将助力转向力矩初值与助力转向力矩补偿值相加，输入至转向助力电机，转向助力电机控制转向管柱实现助力转向功能。
与现有技术相比，本发明考虑了四轮分布式驱动电动汽车转矩矢量控制与电动助力转向的耦合作用关系，通过力矩补偿项消除了TVC对方向盘的干扰，使驾驶员更准确地操纵方向盘，更为精确地实现驾驶意图，提高了车辆的操纵稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明转矩矢量控制策略相协调的电动助力转向控制系统的结构框图；
图2为各相关量随方向盘转角的变化关系图，其中，图2(a)为方向盘转角输入的变化图，图2(b)为左轮主销到其车轮纵向平面的距离随方向盘转角的变化图，图2(c)为左轮主销到其转向横拉杆的距离随方向盘转角的变化图，图2(d)为齿条与转向横拉杆之间的锐角夹角随方向盘转角的变化图；
图3为助力转向力矩初值、车速、方向盘转矩之间的关系图。
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。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。
本发明涉及一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，包括转向助力电机1、实测传感器单元、电动助力转向单元2和力矩补偿计算模块3。实测传感器单元连接电动助力转向单元2和力矩补偿计算模块3，电动助力转向单元2用于计算助力转矩初值大小，力矩补偿计算模块3用于根据转矩矢量控制的输出量和转向力矩初值计算转向助力补偿力矩值，助力电机1连接电动助力转向单元2和力矩补偿计算模块3，转向助力电机1连接转向管柱，助力电机1根据助力转矩的初值和补偿值计算转向助力转矩终值并施加于转向管柱。
实测传感器单元包括用于测量车速的车速传感器4、用于测量驾驶员施加于方向盘的手力矩的力矩传感器5、用于测量方向盘转角的转角传感器6、用于获取前轮轮速和轮毂电机转矩大小的前轮驱动电机7，车速传感器4、力矩传感器5和转角传感器6连接至电动助力转向单元2，转角传感器6还连接力矩补偿计算模块3，前轮驱动电机7连接力矩补偿计算模块3。前轮驱动电机7包括左前轮电机和右前轮电机，左前轮电机和右前轮电机将左前轮和右前轮的转矩、转速信息提供至力矩补偿计算模块3。
力矩补偿计算模块3的计算内容包括：
计算施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值，该补偿值的具体公式如下：
Figure GDA0003151972840000041
其中，Tc-TVC为施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值，RP为转向器小齿轮半径；θrl和θrr分别为左右转向横拉杆与齿条之间的锐角夹角；θs为方向盘转角；lal(θs)和lar(θs)分别为左、右轮主销到各自车轮纵向平面的距离；lcl(θs)和lcr(θs)分别为左、右轮主销到各自转向横拉杆的距离。转向过程中，lal(θs)、lar(θs)、lcl(θs)和lcr(θs)均随着方向盘转角的变化而变化，各值通过Adams前悬建模得到的与转角变化的关系曲线查表得到，在某车型上通过建模获得的曲线关系如图2所示。
Fxl和Fxr为左、右车轮的纵向力，具体地，Fx的表达式为：
Figure GDA0003151972840000042
上式中，Tmxl,r为左右车轮驱动力矩；Jωl,r为车轮等效转动惯量；ωl,r为左右车轮角速度；Rtl,r为车轮滚动半径。
根据计算得到的施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值Tc-TVC，并可求得转向助力电机的输出补偿力矩Tm-TVC为：
Figure GDA0003151972840000051
式中，G为蜗轮蜗杆减速比。
转向过程中左、右轮主销到车轮纵向平面的距离lal(θs)和lar(θs)以及左、右轮主销到转向横拉杆的距离；lcl(θs)和lcr(θs)均随着方向盘转角的变化而变化，该值通过Adams前悬建模得到的与转角变化的关系曲线查表得到。
本发明还涉及一种用于分布式驱动电动汽车的电动助力转向与分布式驱动一体化控制方法，该方法基于上述用于分布式驱动电动汽车的电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，具体包括如下步骤：
步骤一、实时采集方向盘的转速、驾驶员施加在方向盘的力矩以及整车的车速v；
步骤二、将采集的数据输入至电动助力转向模块，获取方向盘电动助力转向力矩初值；一般的，该初值可根据车速、方向盘转矩的关系表确定，助力转向力矩初值、车速、方向盘转矩之间的关系如图3所示，助力转向力矩初值与车速呈反比，与方向盘转矩呈正比。
步骤三、将采集到的方向盘转角输入至力矩补偿计算模块，查表得到lal(θs)、lar(θs)、lcl(θs)和lcr(θs)；
步骤四、通过轮毂驱动电机采集当前时刻前轮左右车轮驱动力矩Tmxl,r、车轮转速ωl,r，并将其输入至力矩补偿计算模块，计算得到助力转向力矩补偿值；
步骤五、将助力转向力矩初值与助力转向力矩补偿值相加，输入至转向助力电机，转向助力电机控制转向管柱实现助力转向功能。
本发明考虑了四轮分布式驱动电动汽车转矩矢量控制与电动助力转向的耦合作用关系，通过力矩补偿项消除了TVC对方向盘的干扰，使驾驶员更准确地操纵方向盘，更为精确地实现驾驶意图，提高了车辆的操纵稳定性和安全性。
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工作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 (5)

1.一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，用于实现分布式驱动电动汽车的电动助力转向，其特征在于，该系统包括：
实测传感器单元：用于采集车速值、方向盘的手力矩值、方向盘转角大小、方向盘的转速及前轮轮速和轮毂电机转矩值；
电动助力转向单元：用于根据实测传感器单元采集的数据获取方向盘助力转向力矩初值；
力矩补偿计算模块：用于根据转矩矢量控制的输出量和转向力矩初值计算转向助力补偿力矩值；
转向助力电机：用于根据助力转矩初值和转向助力补偿力矩值计算转向助力转矩终值，并施加转向助力补偿力矩值至转向管柱，控制转向管柱转向；
所述的实测传感器单元包括用于测量车速的车速传感器、用于测量驾驶员施加于方向盘的手力矩的力矩传感器、用于测量方向盘转角的转角传感器及用于获取前轮轮速和轮毂电机转矩大小的前轮驱动电机，车速传感器、力矩传感器和转角传感器分别连接电动助力转向单元，转角传感器连接力矩补偿计算模块，前轮驱动电机连接力矩补偿计算模块；
转向助力补偿力矩值Tm-TVC的计算式为：
Figure FDA0003151972830000011
式中，G为蜗轮蜗杆减速比，Tc-TVC为施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值。
2.根据权利要求1所述的一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，其特征在于，施加在转向管柱上的转矩矢量控制干扰力矩补偿值Tc-TVC的表达式为：
Figure FDA0003151972830000012
其中，RP为转向器小齿轮半径，θrl和θrr分别为左右转向横拉杆与齿条之间的锐角夹角，θs为方向盘转角，lal(θs)和lar(θs)分别为左、右轮主销到各自车轮纵向平面的距离，lcl(θs)和lcr(θs)分别为左、右轮主销到各自转向横拉杆的距离，Fxl和Fxr分别为左、右车轮的纵向力。
3.根据权利要求2所述的一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，其特征在于，左、右车轮的纵向力Fxl和Fxr的表达式为：
Figure FDA0003151972830000021
式中：Tmxl,r为左右车轮驱动力矩，Jωl,r为车轮等效转动惯量，ωl,r为左右车轮角速度，Rtl,r为车轮滚动半径。
4.根据权利要求2所述的一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统，其特征在于，左、右轮主销到各自车轮纵向平面的距离lal(θs)和lar(θs)，左、右轮主销到各自转向横拉杆的距离lcl(θs)和lcr(θs)均随着方向盘转角的变化而变化，lal(θs)、lar(θs)、lcl(θs)和lcr(θs)的值通过Adams前悬建模得到的与转角变化的关系曲线查表获取。
5.一种应用权利要求4所述的一种电动助力转向与分布式驱动一体化控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)实时采集驾驶员施加在方向盘的手力矩以及整车的车速v；
2)将采集的数据输入至电动助力转向单元，计算方向盘助力转向力矩初值；
3)将采集到的方向盘转角输入至力矩补偿计算模块，查表获取lal(θs)、lar(θs)、lcl(θs)和lcr(θs)的值；
4)通过轮毂驱动电机采集当前时刻前轮左右车轮驱动力矩Tmxl,r、车轮转速ωl,r，并将其输入至力矩补偿计算模块，获取助力转向力矩补偿值；
5)将助力转向力矩初值与助力转向力矩补偿值相加，输入至转向助力电机，转向助力电机控制转向管柱实现助力转向功能。
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