CN110316247A - 一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，包括：汽车转向时，将采集到的方向盘转矩T_hw与设定的助力转矩T_zl进行对比确定助力模式，进行转矩分配，具体如下：当T_hw＞T_zl时，对汽车的行驶车速V与最高车速V_max进行判断，当V＞V_max时，则进入阻尼控制模式，阻尼控制电流为：当T_hw＜T_zl时，对汽车方向盘转角方向sgn(V)与方向盘的角速度方向sgn(ω)进行判断：当sgn(V)＝sgn(ω)时，则汽车正在转向，进入基本助力控制模式，当sgn(V)≠sgn(ω)时，则汽车方向盘正在回正，进入回正模式，回正控制电流为：I_HZ＝k_p·(θ_co‑θ_c)+k_i∫(θ_co‑θ_c)dt，式中：I_HZ为控制电流，θ_c0＝0为理想转向盘转角，θ_c0实际为方向盘转角，k_i、k_p为积分和比例系数；通过监测汽车在行驶过程中的方向盘转矩和车速，控制助力电机电流提高汽车行驶的转向稳定性。

Description

一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动 助力系统的联合控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，属于汽车助力领域。

背景技术

实现差动助力转向是四轮独立驱动电动汽车的一大优势。自汽车发明以来，国内外学者们对于汽车转向系统，都在寻找一个“轻便”与“灵敏”同时兼顾的控制方法。对于装有电动助力转向系统(英文缩写：EPS)的四轮独立驱动电动汽车而言，转向系统最基础的要求是低速转向轻便，高速转向稳定且有一定的路感。通过研究表明，如果以转向轻便做为前提，那汽车在高速行驶时就会出现“过于灵敏”的想象，超调现象严重，驾驶员无法感受“路感”，汽车“发飘”驾驶体验极差。由于无法获得良好的路感，驾驶员对车况无法全面了解，无法判断汽车稳定性，从而容易导致危险车况发生。与电动助力转向系统与差动助力转向的基本要求一样，都是在低速下提高转向轻便性，高速下使转向更加稳定且兼顾一定的路感；但两者的工作原理不同，差动助力转向是通过对内外侧驱动轮施加不同的驱动力矩使汽车进行转向，EPS和差动助力转向可以叠加控制，共同改变汽车的转向稳定性。

发明内容

本发明设计开发了一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，通过监测汽车在行驶过程中的方向盘转矩和车速，控制助力电机电流，使汽车进入不同的助力模式，提高汽车行驶轻便性和转向稳定性。

本发明提供的技术方案为：

一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，包括：

汽车转向时，将采集到的方向盘转矩T_hw与设定的助力电机的助力转矩T_zl进行对比，

当T_hw＜T_zl时，对汽车的行驶车速V与最高车速V_max进行判断，

当V＞V_max时，则进入阻尼控制模式，阻尼控制电流为：

当T_hw＞T_zl时，对汽车的方向盘转角方向sgn(V)与方向盘的角速度方向sgn(ω)进行判断：

当sgn(V)＝sgn(ω)时，则汽车正在转向，进入基本助力控制模式，基本控制电流为：

当sgn(V)≠sgn(ω)时，则汽车方向盘正在回正，进入回正模式，回正控制电流为：

其中，所述方向盘转角θ＞15°，K_v为电动势常数，R_m为电枢电阻，θ_m为助力电机转速，T_d为输入轴扭矩传感器检测的扭矩，K₁和K₂为折线型助力增益梯度，T₀为需要进行助力控制时初始转矩，T₁折线型助力特性曲线转折点时的转矩，T_max为电动助力转向系统提供最大助力时，转向盘的输入力矩，I_max为助力电机的最大电流。

优选的是，所述方向盘转矩T_hw的经验计算公式为：

其中，M_V为方向盘垂直转向阻力矩，M_L为方向盘侧向转向阻力矩，sgn(V)为车速的方向，M_r为方向盘原地转向阻力矩，n_s为转向系统传动比，η₊为转向系统的效率，G为转向助力系数。

优选的是，当进入所述阻尼模式时，所述最高车速V_max＝80km/h。

优选的是，所述助力电机稳定工作时的状态方程为：

其中，R_m为助力电机的电枢电阻，L_m为助力电机的电枢电感，I_m为助力电机的电枢电流，K_m为助力电机的转动刚度系数，J_m为助力电机的转动惯量，r_P为小齿轮分度圆半径。

优选的是，所述驱动电机在满足汽车行驶时最高车速时功率的经验公式为：

其中，m为汽车质量，g为重力加速度，f_r为滚动阻力系数，C_D为风阻系数；A为迎风面积，u_max为汽车行驶时的最大车速。

优选的是，所述驱动电机在满足汽车最大爬坡度时功率的经验公式为：

其中，α_max为最大爬坡度，u_a为爬坡速度。

优选的是，所述驱动电机的最高转n_max速满足经验公式：

其中，r_w为车轮滚动半径。

本发明所述的有益效果：本发明提供的联合控制方法，通过在汽车行驶过程中，监测汽车在行驶过程中的转向盘转矩和车速，控制助力电机电流，在不同方向盘转矩和汽车转速情况下对方向盘进行助力，并将力矩实时分配给相应的驱动电机，克服汽车助力转向中轻便性与路感之间的矛盾，使四轮独立驱动电动汽车转向时，低速下转向更加快捷轻便，高速下转向更加稳定且保持一定的路感，提高汽车行驶的转向稳定性

附图说明

图1为本发明所述的PID控制策略图。

图2为本发明所述的电动汽车助力转向系统控制策略图。

图3直线型助力特性曲线。

图4为折线型助力特性曲线。

图5为曲线型助力特性曲线。

图6为本发明所述的差动助力转向控制策略图。

图7为本发明所述的低速行驶条件下进行差动助力与未进行差动助力的汽车最大转弯半径对比图。

图8为本发明所述的告诉行驶条件下进行差动助力与未进行差动助力的汽车最大转弯半径对比图。

图9为本发明所述的差动助力系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-9所示，本发明提供一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，通过监测汽车在行驶过程中的方向盘转矩和车速，控制助力电机电流，在不同方向盘转矩和汽车车速情况下对方向盘进行助力，使汽车转向轻便快捷，提高汽车行驶的转向稳定性。

在汽车行驶过程中，当汽车转向时，扭矩传感器检测到扭矩信号，将方向盘扭矩信号与系统开始助力时的方向盘输入转矩相对比，如果转向盘扭矩小，判断车速是否大于最高车速，如果是，则选择阻尼控制模式(进入阻尼控制模式时的最高车速为80km/h)。如果否，则EPS不提供助力；如果转向盘扭矩大，判断方向盘转角方向与方向盘转角的角速度方向是否一致，如果方向一致则说明此时汽车正在进行转向操作，方向盘转角为正且正在增大，则选择基本助力控制模式；如果方向盘转角的角速度为零，而转向盘转角大于零，证明方向盘保持一定角度不再变化(该现象称为保舵状态)，则也应该选择基本助力控制模式。如果方向盘转角方向与方向盘转角的角速度方向不一致，则说明方向盘正在转正，方向盘转角正逐渐减小，则选择回正控制模式。根据车速和转向盘转矩信号，结合差动助力特性曲线图，获得当前方向盘扭矩和当前车速下的差动力矩，然后根据方向盘转角方向和方向盘转角的角速度方向判断是否应该加减左走两侧轮毂电机的输出转矩。同电动助力转向系统一样，差动助力转向控制也有“稳定”和“灵敏”的矛盾，为解决该问题，规定方向盘转角小于15度时，控制策略不起作用。

具体如下：

汽车转向时，将采集到的方向盘转矩T_hw与设定的助力转矩T_zl进行对比，当T_hw＜T_zl时，对汽车的行驶车速V与最高车速V_max进行判断，

当V＞V_max时，则进入阻尼控制模式，阻尼控制电流为：

当T_hw＞T_zl时，对汽车的方向盘转角方向sgn(V)与方向盘的角速度方向sgn(ω)进行判断：

当sgn(V)＝sgn(ω)时，则汽车正在转向，进入基本助力控制模式，基本控制电流为：

当sgn(V)≠sgn(ω)时，则汽车方向盘正在回正，进入回正模式，回正控制电流为：

I_HZ＝k_p·(θ_co-θ_c)+k_i∫(θ_co-θ_c)dt

式中：I_HZ为控制电流，θ_c0＝0为理想转向盘转角，θ_c0实际为方向盘转角，k_i、k_p为积分和比例系数。

其中，所述方向盘转角θ＞15°，K_v为电动势常数，R_m为电枢电阻，θ_m为助力电机转速，T_d为输入轴扭矩传感器检测的扭矩，K₁和K₂为折线型助力增益梯度，T₀为需要进行助力控制时初始转矩，T₁折线型助力特性曲线转折点时的转矩，T_max为电动助力转向系统提供最大助力时，转向盘的输入力矩，I_max为助力电机的最大电流。

如图2所示，电动助力转向系统控制策略确定为：基本助力控制、回正控制、阻尼控制和补偿控制。EPS控制系统根据车辆传感器信号决定是否驱动助力电机，助力电机输出转矩根据方向盘转角角度以及转角角速度确定方向，根据转向阻力矩以及驾驶员输入转向盘转矩、汽车车速确定助力转矩大小，从而协助驾驶员完成汽车转向。

基本助力控制时，选用折线型助力特性曲线，折线型助力特性曲线具有分段线性。该助力特性可以用以下函数关系来表示：

式中，T_d为输入轴扭矩传感器检测的扭矩，K₁和K₂为折线型助力增益梯度，T₀为需要进行助力控制时初始转矩，T₁折线型助力特性曲线转折点时的转矩，T_max为电动助力转向系统提供最大助力时，转向盘的输入力矩，I_max为助力电机的最大电流。

回正控制时，传统机械式转向系统在安装电动助力转向系统后，机构中原本就存在的摩擦、弹性和间隙进一步增加。如果转向机构本身提供的回正力矩不足以抵消掉转向阻力矩时，转向盘转动角度就不能自动归零，此时存在残余汽车转角，汽车偏离预定航线，因此需要EPS系统修正方向盘转角。由此可见，回正力矩的控制和汽车行驶车速有关，回正控制事关汽车安全可靠性及操作舒适性。低速时助力电机产生与转向盘旋转角度方向相反的助力力矩，使转向盘转角快速恢复到零，减小转向盘残留角，高速时使回正时间缩短以及减小转向盘摆阵避免回正超调现象。

回正控制表达式为：

I_HZ＝k_p·(θ_co-θ_c)+k_i∫(θ_co-θ_c)dt，

式中：I_HZ为控制电流，θ_c0＝0为理想转向盘转角，θ_c0实际为方向盘转角，k_i、k_p为积分和比例系数。

阻尼控制时，汽车在高速行驶状态下，转向前轮在路面冲击影响下容易发生摆振现象，通过转向系的传播就会引起方向盘的抖动，这种现象会影响高速状态下的操作路感、安全可靠性、舒适性以及操纵稳定性。为解决以上问题，在电动助力转向系统的控制模式中，加入了阻尼控制，其目的是高速状态下提高汽车转向稳定性，能够返回准确的路感，保证驾驶员有良好的驾驶手感。摆振现象不仅受路面冲击影响，还和速度有关，车速越高，前轮产生的摆振和传递到方向盘的抖动越厉害。通常阻尼控制由汽车车速和EPS助力电机转速来确定。电动汽车在高速行驶状态下为减小转向盘的抖动以及获得一定的路感，可以将助力电机短路，此时EPS系统不在工作，助力电机此时产生与方向盘转角相反的电磁阻力矩来抑制前轮摆振传递到方向盘的抖动，增加稳定性提升路感，不致有发飘的感觉。用以上方法可以达到阻尼控制的目的。

助力电机电压方程：

式中，U_d为电机端电压；L_m为电枢电感(数值小，可忽略不计)；I_m为电枢电流；R_m为电枢电阻；θ_m为电动机转速；K_v为反电动势常数。

忽略电枢电感，则：

电磁转矩方程：

T_m＝K_tI_m

以上两式联立得：

当电源短路时，U_d＝0，由上式得：

此时，阻尼控制的电流为：

补偿控制时，车辆低速转弯工况下，补偿控制使车辆拥有比一般车辆更小的转弯半径，增加转弯行驶车辆左右侧车轮驱动电机的驱动力矩，使车辆增加过度转向的特性，具有更小的转弯半径，更灵活的操纵特性；车辆高速转弯工况下，补偿控制使车辆拥有比一般车辆更大的转弯半径，减少转弯行驶车辆左右侧车轮驱动电机的驱动力矩，使车辆具有一定程度的不足转向的特性，增加行驶的稳定性(一般规定车辆在30km/h以下行驶为低速工况，大于80km/h行驶为高速工况)。汽车本身的转向系统就存在无法精确计算的非线性不确定因素，当安装EPS系统后，还会增加助力电机、减速装置以及传感器等多种零部件，针对非线性干扰状况，采用惯性补偿、阻尼补偿、摩擦补偿进行补偿。通过补偿控制策略，可以使EPS系统更加精确。

(1)惯性补偿

式中，I_J惯性补偿电流，θ_m为电机的转速，K_J为惯性补偿系数，与车速有关。

(2)阻尼补偿

式中，I_D阻尼补偿电流，K_D为阻尼补偿系数，与车速有关。

(3)摩擦补偿

式中，I_F为摩擦补偿电流，K_F为摩擦补偿系数，与车速有关。

绘制差动助力转向特性曲线，如图4-6为直线型助力特性曲线所示，曲线可分为三个区，当0＜T_d＜T₀时，助力电机不工作，EPS系统不提供助力，当T₀＜T_d＜T_max时，数值呈现线性变化趋势，转向盘扭矩越大，助力电机提供的助力越大，此为助力变化区，当T_d＞T_max时，助力固定在某一值，此为助力常值区。

图5为折线型助力特性曲线，相对于直线型助力特性曲线来说，折线型助力特性曲线具有分段线性。图6为曲线型助力特性曲线，相对于直线型助力特性曲线和直线型助力特性曲线来说，曲线型助力特性曲线呈现非线变化规律。

在本发明中，作为一种优选，选用折线型助力曲线。

因为差动助力转向助力曲线的规律是：差动助力力矩|ΔT|随方向盘扭矩|T_sw|的增大而增大，|ΔT|随车速V的增大而减小，因此，采用折线型助力曲线。

如图7所示为差动助力转向控制策略。根据车速和转向盘转矩信号，结合差动助力特性曲线图，获得当前方向盘扭矩和当前车速下的差动力矩，然后根据方向盘转角方向和方向盘转角的角速度方向判断是否应该加减左走两侧轮毂电机的输出转矩。同电动助力转向系统一样，差动助力转向控制也有“稳定”和“灵敏”的矛盾，为解决该问题，规定方向盘转角小于15度时，控制策略不起作用。

转向阻力矩可分成两种，一种是转向系统内部阻力矩；另一部分是转向系统外部阻力矩，即地面和转向轮相互作用产生的阻力矩。

转向系统内部阻力矩可忽略不计。

原地转向力矩半经验公式：

式中，M_r为原地转向阻力矩；f为轮胎和路面间的滑动摩擦系数；F_zf为前轮载荷；p为胎压。

行车转向阻力矩：

F_x、F_y、F_z为分别为轮胎的纵向、侧向、垂直方向作用力，τ、σ、γ分别为主销后倾角、内倾角、外倾角，n_r为轮胎拖距，n_k为主销拖距，r_σ为轮胎转向滚动半径，n_σ为车轮的中心主销内移变化量，n_τ为车轮主销后倾距，r为车轮半径。

(1)纵向转向阻力矩

加速时：

M_T＝(F_x1-F_r1)·n_σ

减速时：

M_T＝(F_x1-F_r1)·r_σ

式中：M_T为纵向转向阻力矩，F_x1、F_r1为左右车轮产生的纵向力，r_σ为轮胎转向滚动半径，n_σ为车轮的中心主销内移变化量。

一般情况下，F_x1和F_r1大致相等，所以纵向转向阻力矩可以表示为零。

(2)垂直转向阻力矩

式中：M_V为垂直转向阻力矩，、F_z为轮胎垂直方向作用力，σ为主销内倾角。

(3)侧向转向阻力矩

M_L＝F_Y(n_r·cosτ)+F_y·(n_k·cosτ)

式中：M_L为侧向转向阻力矩，F_y为轮胎的侧向作用力，τ为主销外倾角，n_r为轮胎拖距，n_k为主销拖距。

得到转向盘力矩：

式中，T_hw为转向盘力矩，n_s为转向系统传动比，η₊为转向系统的效率，G为转向助力系数，sgn(V)表示车速的方向。

转向系统动力学方程

方向盘及转向输入轴方程：

转向输出轴方程：

齿条平衡方程:

电动机方程：

转向小齿轮转角：

θ_e＝x_r/r_p

检测转矩：

T_sen＝k_c(θ_c-θ_e)

电机输出转矩：

T_a＝K_m(θ_m-Gθ_e)

式中：θ_c为转向角度传感器测得的转向输入轴转角，θ_m为助力电机转角，，x_r为齿条位移，T_d为扭矩传感器测得的转向输入轴转矩，T_m为作用在小齿轮上的力矩，F_r为等效在齿条上的阻力，T_a为电磁转矩。

其余参数为：k_c为传感器扭杆刚度，J_c为转向盘转动惯量，b_c为转向轴阻尼系数，J_cl为下转向柱转动惯量，b_cl为下转向柱阻尼系数，K_m为电机转动刚度系数，J_m为电机转动惯量，C_m为电机阻尼系数，m_r为齿条质量，b_r为齿条阻尼系数，G为减速器减速比，r_p为小齿轮半径。

助力电机电压方程：

电机转矩方程：

电机反电动势方程：

电磁转矩方程：

T_m＝K_tI_m

助力力矩方程：

其中，L_m为电感，I_m为电流，R_m为电枢电阻，E为反电动势，U_d为端电压，K_V为反电动势系数，K_t为电动转矩系数。

直流电机通过脉宽调制(PWM)驱动电机，其传递函数可表示为：

式中，K_PWM为脉宽调制器的放大系数，等于1；U_a为脉宽调制器的控制电压，由目标电流I_ref和电机检测电流I_sen的误差经控制器调节得到；T为脉宽调制的开关周期，1/20000s。

电机稳定工作时：

取状态变量:输出变量为：u＝[U_d x_r]^T，输出：

y＝[T_a I_m θ_m]^T，

可得助力电机状态方程：

仿真试验

(1)低速试验。

试验工况：车速10km/h，方向盘转角45度，路面附着系数0.85。

从图5可以看出，装有EPS和差动助力的汽车最大转弯半径比未装有EPS和差动助力的汽车小5.7m。实验结果表明，具有差动助力转向功能的电动汽车具有更小的转弯半径，且在低速转弯工况下的控制效果较好。

(2)高速试验。

试验工况：车速80km/h，方向盘转角45度，路面附着系数0.85。

从图6可以看出，装有EPS和差动助力的汽车最大转弯半径比未装有EPS和差动助力的汽车小6.3m。实验结果表明，具有差动助力转向功能的电动汽车具有更小的转弯半径，且在高速转弯工况下的控制效果良好。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，包括：

当方向盘转角θ＞15°时，将方向盘转矩T_hw与设定的助力转矩T_zl进行对比，确定助力模式，进行转矩分配，所述助力模式包括：

当T_hw＞T_zl时，且

V＞V_max时，进入阻尼控制模式，阻尼控制电流为：

当T_hw＜T_zl，sgn(V)＝sgn(ω)时，进入基本助力控制模式，基本控制电流为：

sgn(V)≠sgn(ω)时，进入回正控制模式，回正控制电流为：

I_HZ＝k_p·(θ_co-θ_c)+k_i∫(θ_co-θ_c)dt

式中：I_HZ为控制电流，θ_c0＝0为理想转向盘转角，θ_c0实际为方向盘转角，k_i、k_p为积分和比例系数；

其中，V为汽车的行驶车速，V_max为汽车行驶的最高车速，K_v为电动势常数，R_m为电枢电阻，θ_m为助力电机转速，sgn(V)为汽车的方向盘转角方向，sgn(ω)为方向盘的角速度方向；

T_d为输入轴扭矩传感器检测的扭矩，K₁和K₂为折线型助力增益梯度，T₀为需要进行助力控制时初始转矩，T₁折线型助力特性曲线转折点时的转矩，T_max为电动助力转向系统提供最大助力时，转向盘的输入力矩，I_max为助力电机的最大电流。

2.根据权利要求1所述的用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，所述方向盘转矩T_hw的经验计算公式为：

其中，M_V为方向盘垂直转向阻力矩，M_L为方向盘侧向转向阻力矩，sgn(V)为车速的方向，M_r为方向盘原地转向阻力矩，n_s为转向系统传动比，η₊为转向系统的效率，G为转向助力系数。

3.根据权利要求2所述的用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，当进入所述阻尼模式时，所述最高车速V_max＝80km/h。

4.根据权利要求3所述的用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，所述助力模式通过助力电机进行助力控制，所述助力电机稳定工作时的状态方程为：

其中，R_m为助力电机的电枢电阻，L_m为助力电机的电枢电感，I_m为助力电机的电枢电流，K_m为助力电机的转动刚度系数，J_m为助力电机的转动惯量，r_P为小齿轮分度圆半径。

5.根据权利要求1所述的用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，所述四轮独立驱动电动汽车通过驱动电机进行驱动行驶，所述驱动电机在满足汽车行驶时最高车速时功率的经验公式为：

其中，m为汽车质量，g为重力加速度，f_r为滚动阻力系数，C_D为风阻系数；A为迎风面积，u_max为汽车行驶时的最大车速。

6.根据权利要求5所述的用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，所述驱动电机在满足汽车最大爬坡度时的功率满足经验公式为：

其中，α_max为最大爬坡度，u_a为爬坡速度。

7.根据权利要求6所述的用于四轮独立驱动电动汽车的电动助力转向系统与差动助力系统的联合控制方法，其特征在于，所述驱动电机的最高转速n_max满足经验公式：

其中，r_w为车轮滚动半径。