CN112026777A - 一种车辆复合转向系统及其模式切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆复合转向系统及其模式切换控制方法，方法包括：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系，求解理想横摆角速度；建立复合转向系统与整车动力学模型；根据理想横摆角速度及复合转向系统与整车动力学模型设计各转向模式下转向系统的控制方法。本发明结合线控转向系统与差动转向系统优势，通过设计理想横摆角速度并对其进行跟踪，提高车辆横摆稳定性。

Description

一种车辆复合转向系统及其模式切换控制方法

技术领域

本发明属于车辆转向系统技术领域，具体指一种车辆复合转向系统及其模式切换控制方法。

背景技术

汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘，通过转向器传递到转向车轮来实现的。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，还可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新；但是由于线控转向系统取消了转向管柱与转向器之间的机械连接，仅通过传感器信号、电机控制信号控制，机械结构的取消导致系统的可靠性降低，传感器失效、控制器故障和电机故障均会导致整个转向系统的失效，影响汽车行驶安全性。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种车辆复合转向系统及其模式切换控制方法，以解决现有技术中线控转向系统的转向动力不足、可靠性差的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种车辆复合转向系统，包括：线控转向系统和差动转向系统；其中，

线控转向系统包括：方向盘、扭矩传感器、路感电机、减速机构、离合器、助力电机、转向控制单元、车速传感器、横摆角速度传感器和齿轮齿条转向器；所述方向盘连接转向柱的一端；所述扭矩传感器安装在转向柱上，用于获取驾驶员转动方向盘时的转矩；所述转向电机通过离合器、减速机构安装在齿轮齿条转向器上，用于提供转向力矩；

差动转向系统包括：前轴、左前轮及轮毂电机、右前轮及轮毂电机、电机控制单元、左后轮及轮毂电机、右后轮及轮毂电机和后轴；

所述齿轮齿条转向器安装在前轴上；

所述转向控制单元分别与助力电机、车速传感器、横摆角速度传感器及电机控制单元电气相连，通过转向控制单元发送电流信号控制助力电机和电机控制单元；

所述电机控制单元分别左前轮轮毂电机及转矩传感器、右前轮轮毂电机及转矩传感器、左后轮轮毂电机及转矩传感器、右后轮轮毂电机及转矩传感器电气相连，并通过转向控制单元发送电流信号控制各轮毂电机运行；

所述左前轮及轮毂电机与右前轮及轮毂电机安装在前轴上；

所述左后轮及轮毂电机与右后轮及轮毂电机安装在后轴上。

进一步地，所述转向控制单元采集方向盘转角及转矩信号、轮毂电机转矩信号、质心侧偏角信号、车速信号、横摆角速度信号，来判断转向模式，计算所需电机控制力矩。

进一步地，所述电机控制单元通过转矩传感器采集实时转矩信号及转向控制单元发送的所需电机控制力矩信号，调节电机电流控制电机转矩。

本发明的一种车辆复合转向系统的模式切换控制方法，步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系，求解理想横摆角速度；

步骤2)：建立复合转向系统与整车动力学模型；

步骤3)：根据理想横摆角速度及复合转向系统与整车动力学模型设计各转向模式下转向系统的控制方法。

进一步地，所述步骤1)具体包括：车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，转向控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，

a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数，范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.37 1/s；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距，m为整车质量。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

复合转向系统动力学模型表示为：

式中，J_s为转向系统等效转动惯量；B_s为转向系统等效刚度；T_m为转向电机转向力矩；G_m为转向电机减速比；n₁为转向系统传动比；d为轮胎拖距；α_f为前轮侧偏角；T_fl为左前轮轮毂电机转矩；T_fr为右前轮轮毂电机转矩；R_w为前轮滚动半径；δ_f为前轮转角；

整车动力学模型表示为：

式中，β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；I_z为整车绕z轴的转动惯量；T_rl为左后轮轮毂电机转矩；T_rr为右后轮轮毂电机转矩；

前轮侧偏角α_f表示为：

复合转向系统与整车动力学模型表示为：

进一步地，所述步骤3)中的转向模式具体包括：线控转向模式、线控转向+前轮差动转向模式、四轮差动转向模式；

31)当方向盘转角<＝90度且车速>＝30km/h，为低转向负荷，采用线控转向模式；

32)当方向盘转角>90度或车速<30km/h，为高转向负荷，采用线控转向+前轮差动转向模式；

33)当线控转向系统转向电机出现故障，采用四轮差动转向模式。

进一步地，所述步骤3)具体包括：采用滑模控制算法设计复合转向系统控制器，对于如下线性系统：

式中，x为线性系统状态变量；A、B₁、B₂、C均为状态空间矩阵；y为线性系统量测输出；ω为线性系统干扰输入；u为线性系统控制输入；

设计滑模反馈控制器如下：

式中，y^*＝γ^*；S＝K₁(y^*-y)；K₁为滑模面系数；ρ为控制增益；

对于复合转向系统，

y＝γ，

C＝[0，0，0，1]‘

当复合转向系统工作在在线控转向时，u＝T_m，ω＝[T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T，

当复合转向系统工作在线控转向+前轮差动转向模式时，u＝[T_m,T_fl,T_fr]^T，ω＝[T_rl，T_rr]^T，

当复合转向系统工作在四轮差动转向模式时，u＝[T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T，ω＝[T_m]^T，

本发明的有益效果：

本发明结合线控转向系统与差动转向系统优势，通过设计理想横摆角速度并对其进行跟踪，提高车辆横摆稳定性。同时，本发明能够在单一转向系统出现动力不足或者故障的时候，通过复合系统的冗余特性，设定合理的模式切换规则，通过模式切换使得处在动力不足或者故障下的转向系统能够快速改变控制策略，适应故障情况，达到良好的控制效果。

本发明的方法简单，为解决汽车转向系统控制拓宽了研究思路。

附图说明

图1绘示本发明系统的原理图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种车辆复合转向系统，包括：线控转向系统和差动转向系统；其中，

线控转向系统包括：方向盘1、扭矩传感器2、路感电机3、减速机构4、离合器5、助力电机6、转向控制单元7、车速传感器8、横摆角速度传感器9和齿轮齿条转向器10；所述方向盘1连接转向柱3的一端；所述扭矩传感器2安装在转向柱3上，用于获取驾驶员转动方向盘时的转矩；所述转向电机6通过离合器5、减速机构4安装在齿轮齿条转向器10上，用于提供转向力矩；

差动转向系统包括：前轴11、左前轮及轮毂电机12、右前轮及轮毂电机13、电机控制单元14、左后轮及轮毂电机15、右后轮及轮毂电机16和后轴17；

所述齿轮齿条转向器10安装在前轴11上；

所述转向控制单元7分别与助力电机6、车速传感器8、横摆角速度传感器9及电机控制单元14电气相连，通过转向控制单元7发送电流信号控制助力电机6和电机控制单元14；转向控制单元采集方向盘转角及转矩信号、轮毂电机转矩信号、质心侧偏角信号、车速信号、横摆角速度信号，来判断转向模式，计算所需电机控制力矩；

所述电机控制单元14分别左前轮轮毂电机12及转矩传感器18、右前轮轮毂电机13及转矩传感器19、左后轮轮毂电机15及转矩传感器20、右后轮轮毂电机16及转矩传感器21电气相连，并通过转向控制单元7发送电流信号控制各轮毂电机运行；电机控制单元通过转矩传感器采集实时转矩信号及转向控制单元发送的所需电机控制力矩信号，调节电机电流控制电机转矩；

所述左前轮及轮毂电机12与右前轮及轮毂电机13安装在前轴11上；

所述左后轮及轮毂电机15与右后轮及轮毂电机16安装在后轴17上。

本发明的一种车辆复合转向系统的模式切换控制方法，基于上述系统，步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系，求解理想横摆角速度；

车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，转向控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，

a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数，范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.37 1/s；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距，m为整车质量。

步骤2)：建立复合转向系统与整车动力学模型；

复合转向系统动力学模型表示为：

式中，J_s为转向系统等效转动惯量；B_s为转向系统等效刚度；T_m为转向电机转向力矩；G_m为转向电机减速比；n₁为转向系统传动比；d为轮胎拖距；α_f为前轮侧偏角；T_fl为左前轮轮毂电机转矩；T_fr为右前轮轮毂电机转矩；R_w为前轮滚动半径；δ_f为前轮转角；

整车动力学模型表示为：

式中，β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；I_z为整车绕z轴的转动惯量；T_rl为左后轮轮毂电机转矩；T_rr为右后轮轮毂电机转矩；

前轮侧偏角α_f表示为：

复合转向系统与整车动力学模型表示为：

步骤3)：根据理想横摆角速度及复合转向系统与整车动力学模型设计各转向模式下转向系统的控制方法；

转向模式具体包括：线控转向模式、线控转向+前轮差动转向模式、四轮差动转向模式；

31)当方向盘转角<＝90度且车速>＝30km/h，为低转向负荷，采用线控转向模式；

32)当方向盘转角>90度或车速<30km/h，为高转向负荷，采用线控转向+前轮差动转向模式；

33)当线控转向系统转向电机出现故障，采用四轮差动转向模式。

所述步骤3)具体包括：采用滑模控制算法设计复合转向系统控制器，对于如下线性系统：

式中，x为线性系统状态变量；A、B₁、B₂、C均为状态空间矩阵；y为线性系统量测输出；ω为线性系统干扰输入；u为线性系统控制输入；

设计滑模反馈控制器如下：

式中，y^*＝γ^*；S＝K₁(y^*-y)；K₁为滑模面系数；ρ为控制增益；

对于复合转向系统，

y＝γ，

C＝[0，0，0，1]；

当复合转向系统工作在在线控转向时，u＝T_m，ω＝[T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T，

当复合转向系统工作在线控转向+前轮差动转向模式时，u＝[T_m,T_fl,T_fr]^T，ω＝[T_rl,T_rr]^T，

当复合转向系统工作在四轮差动转向模式时，u＝[T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T，ω＝[T_m]^T，

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种车辆复合转向系统，其特征在于，包括：线控转向系统和差动转向系统；

线控转向系统包括：方向盘(1)、扭矩传感器(2)、路感电机(3)、减速机构(4)、离合器(5)、助力电机(6)、转向控制单元(7)、车速传感器(8)、横摆角速度传感器(9)和齿轮齿条转向器(10)；所述方向盘(1)连接转向柱(3)的一端；所述扭矩传感器(2)安装在转向柱(3)上，用于获取驾驶员转动方向盘时的转矩；所述转向电机(6)通过离合器(5)、减速机构(4)安装在齿轮齿条转向器(10)上，用于提供转向力矩；

差动转向系统包括：前轴(11)、左前轮及轮毂电机(12)、右前轮及轮毂电机(13)、电机控制单元(14)、左后轮及轮毂电机(15)、右后轮及轮毂电机(16)和后轴(17)；

所述齿轮齿条转向器(10)安装在前轴(11)上；

所述转向控制单元(7)分别与助力电机(6)、车速传感器(8)、横摆角速度传感器(9)及电机控制单元(14)电气相连，通过转向控制单元(7)发送电流信号控制助力电机(6)和电机控制单元(14)；

所述电机控制单元(14)分别左前轮轮毂电机(12)及转矩传感器(18)、右前轮轮毂电机(13)及转矩传感器(19)、左后轮轮毂电机(15)及转矩传感器(20)、右后轮轮毂电机(16)及转矩传感器(21)电气相连，并通过转向控制单元(7)发送电流信号控制各轮毂电机运行；

所述左前轮及轮毂电机(12)与右前轮及轮毂电机(13)安装在前轴(11)上；

所述左后轮及轮毂电机(15)与右后轮及轮毂电机(16)安装在后轴(17)上。

2.根据权利要求1所述的车辆复合转向系统，其特征在于，所述转向控制单元采集方向盘转角及转矩信号、轮毂电机转矩信号、质心侧偏角信号、车速信号、横摆角速度信号，来判断转向模式，计算所需电机控制力矩。

3.根据权利要求1所述的车辆复合转向系统，其特征在于，所述电机控制单元通过转矩传感器采集实时转矩信号及转向控制单元发送的所需电机控制力矩信号，调节电机电流控制电机转矩。

4.一种车辆复合转向系统的模式切换控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系，求解理想横摆角速度；

步骤2)：建立复合转向系统与整车动力学模型；

步骤3)：根据理想横摆角速度及复合转向系统与整车动力学模型设计各转向模式下转向系统的控制方法。

5.根据权利要求4所述的车辆复合转向系统的模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，转向控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，

a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数，范围可根据驾驶员喜好选取，该范围为0.12-0.37 1/s；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距，m为整车质量。

6.根据权利要求4所述的车辆复合转向系统的模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

复合转向系统动力学模型表示为：

式中，J_s为转向系统等效转动惯量；B_s为转向系统等效刚度；T_m为转向电机转向力矩；G_m为转向电机减速比；n₁为转向系统传动比；d为轮胎拖距；α_f为前轮侧偏角；T_fl为左前轮轮毂电机转矩；T_fr为右前轮轮毂电机转矩；R_w为前轮滚动半径；δ_f为前轮转角；

整车动力学模型表示为：

式中，β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；I_z为整车绕z轴的转动惯量；T_rl为左后轮轮毂电机转矩；T_rr为右后轮轮毂电机转矩；

前轮侧偏角α_f表示为：

复合转向系统与整车动力学模型表示为：

7.根据权利要求4所述的车辆复合转向系统的模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的转向模式具体包括：线控转向模式、线控转向+前轮差动转向模式、四轮差动转向模式；

31)当方向盘转角<＝90度且车速>＝30km/h，为低转向负荷，采用线控转向模式；

32)当方向盘转角>90度或车速<30km/h，为高转向负荷，采用线控转向+前轮差动转向模式；

33)当线控转向系统转向电机出现故障，采用四轮差动转向模式。

8.根据权利要求4所述的车辆复合转向系统的模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：采用滑模控制算法设计复合转向系统控制器，对于如下线性系统：

式中，x为线性系统状态变量；A、B₁、B₂、C均为状态空间矩阵；y为线性系统量测输出；ω为线性系统干扰输入；u为线性系统控制输入；

设计滑模反馈控制器如下：

式中，y^*＝γ^*；S＝K₁(y^*-y)；K₁为滑模面系数；ρ为控制增益；

对于复合转向系统，

y＝γ，

C＝[0,0,0,1]；

当复合转向系统工作在在线控转向时，u＝T_m，ω＝[T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T，

当复合转向系统工作在线控转向+前轮差动转向模式时，u＝[T_m,T_fl,T_fr]^T，ω＝[T_rl,T_rr]^T，

当复合转向系统工作在四轮差动转向模式时，u＝[T_fl,T_fr,T_rl,T_rr]^T，ω＝[T_m]^T，

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