CN110834547A - 一种自卸车后轮电子差速控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自卸车后轮电子差速控制方法，包括：建立包含纵向、侧向、横摆运动的三自由度整车动力学模型，计算出车辆转弯时轮胎纵向力和侧向力大小，以及计算出轮胎滑移率；在车辆转弯时，通过转速传感器获得左、右前轮的转速，计算左、右后轮绕转向中心的线速度，进而得到左、右后轮需要的电机转速；通过向电机控制器发出指令，理的分配每个电机的输出转矩，调节电机的转速，从而调整车轮转速；将分配计算结果和车轮滑移率控制相结合，反馈到电子差速器，电子差速器最终分配给电机合适的转矩，达到车辆转向的稳定性。本发明无需要改变电机结构，即可实现电机差速控制，原理简单，实现成本低。

Description

一种自卸车后轮电子差速控制方法

技术领域

本发明涉及自卸车，尤其是一种自卸车后轮电子差速控制方法。

背景技术

传统机械传动自卸车在桥采用机械差速器完成转弯过程中左右轮差速控制。随着经济的发展，电动轮自卸车以高可靠性、低维护成本在矿山运输中占据的地位越来越高。因为电动轮自卸车每个驱动轮带有一个独立驱动电机，每个驱动轮都能独立提供驱动力,可以按需要独立分配功率,因此不再需要机械差速齿轮，既消除了传动中的机械磨损，提高了传动效率,又具有较小的体积和最轻的重量，所以在电动轮传动应用方面有着独特的优势。其差速功能主要由软件完成,即代之为电子差速控制。电子差速完全摆脱了传统自卸车从机械角度设计进差速器的路线，其研究内容对比机械差速器有本质上的飞跃和进步。

电子差速是基于各种控制理论并根据设计控制策略设计控制器控制左右两个驱动轮驱动电机，从而实现电动汽车差速转向的方法。电子差速技术的研究主要有两个方面。一是通过整车控制器调节各驱动电机的转矩和转速来实现；二是通过改变电机结构来实现，目前的驱动电机主要有双转子轴向磁通电机、反相双转子电机和复合多相双转子电机。以上方法使驱动系统结构复杂，不能充分发挥电动轮驱动的优势，同时各车轮驱动力难以实现独立控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自卸车后轮电子差速控制方法，不需要改变电机结构，原理简单，实现成本低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种自卸车后轮电子差速控制方法，

建立包含纵向、侧向、横摆运动的三自由度整车动力学模型，计算出车辆转弯时轮胎纵向力和侧向力大小，以及计算出轮胎滑移率；

在车辆转弯时，通过转速传感器获得左、右前轮的转速，计算左、右后轮绕转向中心的线速度，进而得到左、右后轮需要的电机转速；

通过向电机控制器发出指令，理的分配每个电机的输出转矩，调节电机的转速，从而调整车轮转速；

将分配计算结果和车轮滑移率控制相结合，反馈到电子差速器，电子差速器最终分配给电机合适的转矩，达到车辆转向的稳定性。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

1、本发明无需要改变电机结构，即可实现电机差速控制，原理简单，实现成本低；

2、取消方向盘下方的角度传感器，只采用前轮两侧的速度传感器就可以得出车辆的转弯半径，计算误差小、精度高；

3、本发明适用于所有两轴刚性自卸车差速原理控制，具有普遍性。

附图说明

图1为整车动力学系统模型。

图2为汽车转向示意图。

图3为滑转率和附着力的关系图。

图4为电子差速模型。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

一种自卸车后轮电子差速控制方法，当车辆转向时，车轮以不同的速度旋转。在车辆转弯时，每个车轮驶过的距离不相等，即内侧车轮比外侧车轮驶过的距离要短，因为车速等于车辆行驶的距离除以通过这段距离所花费的时间，所以行驶距离短的车轮转动的速度就慢，所以必须对后驱动轮进行差速控制。

电子差速是基于各种控制理论并根据设计控制策略设计控制器控制左右两个驱动轮驱动电机，从而实现电动汽车差速转向的方法。

一、整车动力学分析：

当电动轮车低速转向行驶时，各轮胎侧偏角很小可忽略，Ackermann&Jeantand转向模型广泛用于车辆低速驱动策略的研究。该分析模型的假设条件为：(1)车体为刚性；(2)车轮作纯滚动，即不考虑已发生滑移、滑转和轮胎离开地面的运行状态；(3)轮胎侧向变形和侧向力成正比(不考虑轮胎材质与结构上的非线性和因垂直载荷不同造成的轮胎侧向弹性系数的变化)。

如图1所示，整车动力学模型，选取纵向、侧向和横摆三个自由度，建立整车动力学模型，其方程如下：

式中，m为整车质量；v_x和v_y分别为整车纵向速度和侧向速度；v为车速，且

F_xfl和F_yfl分别表示左前轮所受的纵向力和侧向力，F_xfr和F_yfr分别表示右前轮所受的纵向力和侧向力，F_xrl和F_yrl分别表示左后轮所受的纵向力和侧向力，F_xrr和F_yrr F_yrl分别表示右后轮所受的纵向力和侧向力；δ_in、δ_out分别为内外轮转向角；f为滚动阻力系数；g为重力加速度；α为道路坡度角；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；l_f，l_r分别表示汽车质心到前后轴的距离；CG为整车质心；d_f，d_r分别为前后轴轮距；I_z为车辆绕z轴的转动惯量；β为车身侧偏角；γ为横摆角速度。

二、车轮动力学方程

车轮受力方程如下：

式中，T_m为单个电机的转矩；T_r为每个车轮的阻力矩，且T_r＝F_tr；J_m为折算到电机的转动惯量；ω_m为电机转速；

当车轮转向行驶时，向心加速度会使整车轴荷发生转移，进而对轮胎滑移率产生影响，向心力：

F_c＝mv(γ+β)(5)

前后轮胎的垂直载荷为：

式中，h为质心高度；

轮胎侧偏角计算如下：

式中，车身侧偏角

轮胎纵向力和侧向力可分别用下两式计算：

F_xi＝μ_xiN_i (13)

F_yi＝-c_iα_i (14)

式中，i分别代表左前轮fl、右前轮fr、左后轮rl、右后轮rr；

C₁ C₂ C₃分别为地面相关的系数；

轮胎滑移率：

其中，s_i是车辆四个车轮的实际滑移率，w_wi是四个车轮实际转速；v是车辆的质心速度，r是车轮的半径。

轮胎纵向力和侧向力用来判断车辆转向过程车辆状态，当车辆打滑时，根据侧向力大小，系统会判断出路面状况，结合滑移率，电子差速将会参与到车辆转向电机转矩的输出。

三、电子差速系统

对于直线行驶的汽车而言，在水平良好路面上不需要差速，只需要平均分配各个车轮的驱动力矩。由于道路情况不同，汽车不可能总是直线行驶，当车辆转向时，则绕一定的圆心做圆周运动，前后及左右车轮相对同一转向中心转过的距离并不相等，欲使车轮实现无滑移的平稳转向，外侧车轮转速必须大于内侧车轮转速，前轮转速必须大于后轮转速。

如图2所示，车辆转向时，定义车辆绕旋转中心O的转速为ω，各车轮满足：

式中，v₁，v₂分别为左前、右前车轮的线速度；v为后轴中点的线速度；

主销中心距K＝d_f-2e；轴距L＝l_f+l_r；

由以上关系式可得出：

由上两式可解出tanδ，v跟左、右前轮线速度v₁和v₂的关系式：

tanδ＝f(v₁,v₂) (22)

v＝g(v₁,v₂) (23)

再根据式(16)，得到左、右后轮的线速度v_l和v_r，

这样就可以确定后轮线速度v_l和v_r随前轮线速度v₁和v₂的变化关系。因此，当转向时，参考左右前轮的转速，计算左右后轮绕转向中心的线速度，进而得到左右后轮需要的电机转速，通过向电机控制器发出指令，调节电机的转速，从而调整车轮转速，合理的分配每个电机的输出转矩，实现车轮的纯滚动转向行驶。

如图3所示，汽车在驱动中，滑转率具有重要的位置，滑转率和附着力有关系。可以看到滑转率处于A点时，汽车具有最大附着系数。因此，基于滑移率的转向控制本质思想是将车轮的实际滑移率控制在最佳滑移率点A或其相邻，以获取路面提供的附着力极限值。因此该应用的意义在于，不良路面(冰、雪、积水、不平路面、非对称路面)情况下，车轮按照目标转矩转弯，由于路面附着力小，会造成车轮转矩过大，车轮打滑，空转甚至整车不正常的旋转，降低车辆的操纵稳定性。通过该策略，当车辆系统检测到车轮打滑或空转时，系统会根据车辆动力学方程纵向力和侧向力判断车辆不稳定状态，差速器会减少左右电机输出扭矩，用来控制车轮的滑移率在Sm附近，从而使轮胎的实际附着力获取当前路面附着力的极限值。由于车轮的转速与路面状况、车轮滑移率以及车轮转角均有关系，因此，电子差速器控制系统应全面考虑以上因素的影响，将转矩分配和车轮滑移率结合考虑，考虑车轮转向时的轴荷转移，分别以滑移率为控制目标，调节每个电机的输出转矩。

总的来说，如图4所示，本发明自卸车后轮电子差速控制方法，如下：

建立包含纵向、侧向、横摆运动的三自由度整车动力学模型，计算出车辆转弯时轮胎纵向力和侧向力大小，以及计算出轮胎滑移率；

在车辆转弯时，通过转速传感器获得左、右前轮的转速，计算左、右后轮绕转向中心的线速度，进而得到左、右后轮需要的电机转速；

通过向电机控制器发出指令，理的分配每个电机的输出转矩，调节电机的转速，从而调整车轮转速；

将分配计算结果和车轮滑移率控制相结合，反馈到电子差速器，电子差速器最终分配给电机合适的转矩，达到车辆转向的稳定性。

Claims (5)

1.一种自卸车后轮电子差速控制方法，其特征在于：

建立包含纵向、侧向、横摆运动的三自由度整车动力学模型，计算出车辆转弯时轮胎纵向力和侧向力大小，以及计算出轮胎滑移率；

在车辆转弯时，通过转速传感器获得左、右前轮的转速，计算左、右后轮绕转向中心的线速度，进而得到左、右后轮需要的电机转速；

通过向电机控制器发出指令，理的分配每个电机的输出转矩，调节电机的转速，从而调整车轮转速；

将分配计算结果和车轮滑移率控制相结合，反馈到电子差速器，电子差速器最终分配给电机合适的转矩，达到车辆转向的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种自卸车后轮电子差速控制方法，其特征在于：所述整车动力学模型方程：

式中，m为整车质量；v_x和v_y分别为整车纵向速度和侧向速度；v为车速，且

F_xfl和F_yfl分别表示左前轮所受的纵向力和侧向力，F_xfr和F_yfr分别表示右前轮所受的纵向力和侧向力，F_xrl和F_yrl分别表示左后轮所受的纵向力和侧向力，F_xrr和F_yrr F_yrl分别表示右后轮所受的纵向力和侧向力；δ_in、δ_out分别为内外轮转向角；f为滚动阻力系数；g为重力加速度；α为道路坡度角；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；l_f，l_r分别表示汽车质心到前后轴的距离；CG为整车质心；d_f，d_r分别为前后轴轮距；I_z为车辆绕z轴的转动惯量；β为车身侧偏角；γ为横摆角速度。

3.根据权利要求1所述的一种自卸车后轮电子差速控制方法，其特征在于：车轮受力方程如下：

式中，T_m为单个电机的转矩；T_r为每个车轮的阻力矩，且T_r＝F_tr；J_m为折算到电机的转动惯量；ω_m为电机转速；

当车轮转向行驶时，向心加速度会使整车轴荷发生转移，进而对轮胎滑移率产生影响，向心力：

F_c＝mv(γ+β) (5)

前后轮胎的垂直载荷为：

式中，h为质心高度；

轮胎侧偏角计算如下：

式中，车身侧偏角

轮胎纵向力和侧向力可分别用下两式计算：

F_xi＝μ_xiN_i (13)

F_yi＝-c_iα_i (14)

式中，i分别代表左前轮fl、右前轮fr、左后轮rl、右后轮rr；

C₁ C₂ C₃分别为地面相关的系数；

轮胎滑移率：

其中，s_i是车辆四个车轮的实际滑移率，w_wi是四个车轮实际转速；v是车辆的质心速度，r是车轮的半径。

4.根据权利要求1所述的一种自卸车后轮电子差速控制方法，其特征在于：车辆转向时，定义车辆绕旋转中心O的转速为ω，各车轮满足：

式中，v₁，v₂分别为左前、右前车轮的线速度；v为后轴中点的线速度；

主销中心距K＝d_f-2e；轴距L＝l_f+l_r；

由以上关系式可得出：

由上两式可解出tanδ，v跟左、右前轮线速度v₁和v₂的关系式：

tanδ＝f(v₁,v₂) (22)

v＝g(v₁,v₂) (23)

再根据式(16)，得到左、右后轮的线速度v_l和v_r，

5.根据权利要求1所述的一种自卸车后轮电子差速控制方法，其特征在于：所述车辆为两轴刚性自卸车。

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