CN113320399B - 一种电动客车轮边后驱控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动客车轮边后驱控制系统，包括：后轮轮边驱动系统、整车驱动控制器、车辆状态感知系统，后轮轮边驱动系统包括后轮轮毂、减速机构、轮边电机和电机控制器；两套后轮轮边驱动系统分别设置于电动客车的两个后轮的内侧；车辆状态感知系统包括加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器；所述后轮轮边驱动系统、车辆状态感知系统分别与整车驱动控制器连接。本发明针对电动客车轮边后驱控制设计了应对策略，具体包含了轮边后驱动电控系统的各个方面，涵盖电动轮边后驱车辆正常运行的核心功能，具有功能简单、实用高效、可推广应用的特点。

Description

一种电动客车轮边后驱控制系统

技术领域

本发明涉及电动客车技术领域，特别是涉及一种电动客车轮边后驱控制系统。

背景技术

目前运营的纯电动城市客车多为中央单电机集中驱动,具有不能释放底盘空间、电机重量大,传动效率不高等缺点。随着分布式驱动技术的不断成熟,为应对客户对整车能耗、舒适性、车厢内平地板等要求的不断提升,分布式轮边后驱电动城市客车受到越来越多整车厂青睐。

电动客车轮边后驱控制系统核心在后桥差力差速功能，电动客车行驶工况比较复杂，后左右驱动轮轮速不一致，根据电动客车实车运行状态实时调节后左右驱动轮轮速、扭矩才能保证车辆安全、高效运行。现阶段，针对轮边驱动小型乘用车研究研究较多，电动客车较少，且采用的方法层次差别较大，有复杂的复合参考模型(二自由度模型和三自由度模型切换)车辆稳定性滑膜控制算法，有较为复杂的转矩控制模式下负载转移分配转矩算法，有简单的考虑油门、电机效率，基于滑转率的模糊PI控制算法，各种算法均有性能焦点，且有的算法比较复杂，不太适合客车相对简单的应用工况。基于以上问题，迫切需要开发一种简单、高效的电动客车轮边后驱控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动客车轮边后驱控制系统，针对电动客车轮边后驱控制设计了应对策略，具体包含了轮边后驱动电控系统的各个方面，涵盖电动轮边后驱车辆正常运行的核心功能，具有功能简单、实用高效、可推广应用的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电动客车轮边后驱控制系统，所述系统包括后轮轮边驱动系统、整车驱动控制器、车辆状态感知系统，所述后轮轮边驱动系统包括后轮轮毂、减速机构、轮边电机和电机控制器，所述电机控制器电性连接所述轮边电机，所述轮边电机连接所述减速机构，所述轮边电机把转速和扭矩传输给减速机构进行减速增扭，所述减速机构驱动连接所述后轮轮毂；两套所述后轮轮边驱动系统分别设置于电动客车的两个后轮的内侧；

所述车辆状态感知系统包括加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器，所述车辆横摆角速度传感器设置于电动客车的质心处，用于采集车辆横摆角速度；

所述电机控制器、加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器分别与所述整车驱动控制器连接。

进一步的，所述整车驱动控制器包括车辆状态监控模块、车辆状态估算模块、整车动力学模型模块、期望横摆力矩制定模块、后轮转矩分配模块，所述车辆状态监控模块用于获取所述加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器采集到的数据，并进行信号滤波处理后传输给所述车辆状态估算模块，所述车辆状态估算模块用于估算得出期望总驱动力矩、前轮转角、纵向车速，并将期望总驱动力矩发送给所述后轮转矩分配模块，将前轮转角、纵向车速发送给所述整车动力学模型模块，所述整车动力学模型模块在前轮转角、纵向车速基础上结合车辆外形、质量、轴距计算获得期望横摆角速度、期望质心侧偏角、实际质心侧偏角，后发送给所述期望横摆力矩制定模块；所述期望横摆力矩制定模块结合所述车辆状态监控模块获取到的车辆横摆角速度，通过模糊控制器输出期望横摆力矩，后发送给所述后轮转矩分配模块，所述后轮转矩分配模块用于计算两个后轮的扭矩，所述后轮转矩分配模块与所述电机控制器电性连接。

进一步的，所述期望总驱动力矩以加速、制动踏板信号为输入,根据电机峰值转矩外特性参数与预设关系曲线查表得出；所述前轮转角估算以方向盘转向角信号为输入,根据方向盘转角与前轮转角间的换算关系计算得出；所述纵向车速根据前轮轮速信号以及轮轮胎型号计算得出。

进一步的，所述期望横摆角速度根据二自由度模型推算得到：

式中：ω_d为车辆期望横摆角速度；ν_x为纵向车速；K为稳定性因数；δ为前轮转角；L为轴距。

进一步的，所述期望质心侧偏角设为0，实际质心侧偏角采用估算得到：

β＝tan^-1(btanδ/L)

式中：β为车辆实际质心侧偏角；b为后轴到质心的距离。

进一步的，所述后轮转矩分配模块根据期望总驱动力矩、期望横摆力矩计算连个后轮的扭矩，具体计算公式：

T_L＝T_d/2-M_zdR/w

T_R＝T_d/2+M_zdR/w

式中：T_L、T_R分别为左后轮和右后轮的扭矩；T_d为期望总驱动力矩；M_zd为期望横摆力矩；R为车轮滚动半径；w为轮距。

进一步的，所述减速机构是2档减速器，所述轮边电机是永磁同步电机。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的电动客车轮边后驱控制系统，包括后轮轮边驱动系统、整车驱动控制器、车辆状态感知系统，所述车辆状态感知系统通过设置加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器分别采集加速踏板开度、制动踏板开度、方向盘转角、挡位、前轮轮速、车辆横摆角速度信号，通过车辆状态估算模块估算得出期望总驱动力矩、前轮转角、纵向车速，后发送给整车动力学模型模块，结合车辆外形、质量、轴距计算获得期望横摆角速度、期望质心侧偏角、实际质心侧偏角，后发送给期望横摆力矩制定模块；整车动力学模型模块结合车辆状态监控模块发送实际横摆角速度，通过模糊控制器输出期望横摆力矩，后根据期望总驱动力矩、期望横摆力矩计算两个后轮的扭矩；传输给后轮轮边驱动系统的电机控制器，电机控制器把车辆动力电池直流电转为交流电控制轮边电机转速和扭矩，轮边电机把转速和扭矩传输给减速机构进行减速增扭，最后把减小的转速、增大的扭矩传输给后轮轮毂，带动车轮运行；可见，本发明通过从车辆状态信号获得到最后驱动轮扭矩计算，实现轮边后驱控制，具有结构简单、实用高效的特点，并于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电动客车轮边后驱控制系统的结构框架示意图；

图2为本发明电动客车轮边后驱控制系统的工作原理示意图；

图3为本发明横摆角速度偏差和质心侧偏角偏差的输入语言变量的隶属函数；

图4为本发明输出为期望横摆力矩的输出语言变量的隶属函数；

附图标记信号：1、后轮轮边驱动系统；101、后轮轮毂；102、减速机构；103、轮边电机；104、电机控制器；2、整车驱动控制器；3、车辆状态感知系统；301、加速踏板开度传感器；302、方向盘转角传感器；303、制动踏板开度传感器；304、挡位传感器；305、前轮轮速传感器；306、车辆横摆角速度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电动客车轮边后驱控制系统，针对电动客车轮边后驱控制设计了应对策略，具体包含了轮边后驱动电控系统的各个方面，涵盖电动轮边后驱车辆正常运行的核心功能，具有功能简单、实用高效、可推广应用的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明提供的电动客车轮边后驱控制系统，所述系统包括后轮轮边驱动系统1、整车驱动控制器2、车辆状态感知系统3，所述后轮轮边驱动系统1包括后轮轮毂101、减速机构102、轮边电机103和电机控制器104，所述电机控制器104电性连接所述轮边电机103，所述轮边电机103连接所述减速机构102，所述轮边电机103把转速和扭矩传输给减速机构102进行减速增扭，所述减速机构102驱动连接所述后轮轮毂101；两套所述后轮轮边驱动系统1分别设置于电动客车的两个后轮的内侧；所述减速机构102是2档减速器，所述轮边电机103是永磁同步电机；所述电机控制器104把车辆动力电池直流电转为交流电控制轮边电机转速和扭矩，轮边电机103把转速和扭矩传输给减速机构102进行减速增扭，最后把减小的转速、增大的扭矩传输给后轮轮毂101，带动车轮运行；所述车辆状态感知系统3包括加速踏板开度传感器301、制动踏板开度传感器303、方向盘转角传感器302、挡位传感器304、前轮轮速传感器305、车辆横摆角速度传感器306，所述车辆横摆角速度传感器306设置于电动客车的质心处，用于采集车辆横摆角速度；通过各传感器获得整车加速踏板开度、制动踏板开度、方向盘转角、挡位、前轮轮速、车辆横摆角速度状态信息；前轮轮速传感器305设置有两组分别位于左前轮和后前轮处。所述电机控制器104、加速踏板开度传感器301、制动踏板开度传感器303、方向盘转角传感器302、挡位传感器304、前轮轮速传感器305、车辆横摆角速度传感器306分别与所述整车驱动控制器2连接。

其中，如图2所示，所述整车驱动控制器2包括车辆状态监控模块、车辆状态估算模块、整车动力学模型模块、期望横摆力矩制定模块、后轮转矩分配模块，所述车辆状态监控模块用于获取所述加速踏板开度传感器301、制动踏板开度传感器303、方向盘转角传感器302、挡位传感器304、前轮轮速传感器305、车辆横摆角速度传感器306采集到的数据，并进行信号滤波处理后传输给所述车辆状态估算模块，所述车辆状态估算模块用于估算得出期望总驱动力矩、前轮转角、纵向车速，并将期望总驱动力矩发送给所述后轮转矩分配模块，将前轮转角、纵向车速发送给所述整车动力学模型模块，所述整车动力学模型模块在前轮转角、纵向车速基础上结合车辆外形、质量、轴距计算获得期望横摆角速度、期望质心侧偏角、实际质心侧偏角，后发送给所述期望横摆力矩制定模块；所述期望横摆力矩制定模块结合所述车辆状态监控模块获取到的车辆横摆角速度，通过模糊控制器输出期望横摆力矩，后发送给所述后轮转矩分配模块，所述后轮转矩分配模块用于计算两个后轮的扭矩，所述后轮转矩分配模块与所述电机控制器104电性连接。

所述期望总驱动力矩以加速、制动踏板信号为输入,根据电机峰值转矩外特性参数与预设关系曲线查表得出。具体实现方式为：当加速踏板值为0或制动踏板值>0，此时制动优先，期望总驱动力矩值为0；当加速踏板值>0且制动踏板值0，此时期望总驱动力矩值计算方式：

T_d＝A·P_ACC·T_p

式中：T_d为期望总驱动力矩，A为期望总驱动力矩极计算系数，一般设为是0.8，P_ACC为加速踏板值，T_p为查表获得峰值驱动力矩：

查表获得峰值驱动力矩T_p，具体获得方式，根据驱动电机外特性曲线，设计驱动电机转速和峰值力矩对应表格，输入驱动电机转速得出查表获得峰值驱动力矩。驱动电机转速是驱动电机控制器输出参数。

所述前轮转角估算以方向盘转向角信号为输入,根据方向盘转角与前轮转角间的换算关系计算得出；

所述前轮转角估算中，电动客车方向盘至前轮转向节间存在多个角传动比，分别为：转向机角传动比i_ω1，转向拉杆角传动比i_ω2，中间摇臂传动比i_ω3。转向机角传动比i_ω1固定，通过转向机技术协议获得。转向拉杆角传动比i_ω2用转向节臂长度l₂与转向机摇臂长l₁之比表示。中间摇臂传动比i_ω3，根据车辆结构确定，前悬长的客车会增加中间摇臂，中间摇臂传动比用前拉杆(中间摇臂和转向机摇臂连接拉杆)连接点到摇臂转动中心长度l₄和后拉杆(中间摇臂和转向节臂连接拉杆)连接点到摇臂转动中心长度l₃之比表示。电动客车转向系统总传动比i_ω计算：

前轮转角估算，具体计算方式：

δ＝δ_s·i_ω

式中：δ为前轮转角,δ_s为方向盘转角,i_ω电动客车转向系统总传动比。

所述纵向车速根据前轮轮速信号以及轮轮胎型号计算得出,具体实现方式，纵向车速计算方式：

ν_x＝0.3768·n·R_l/i₁/1000

式中：ν_x为纵向车速,n为驱动电机转速,R_l为轮胎半径,i₁为变速箱传动比。

所述期望横摆角速度根据二自由度模型推算得到：

式中：ω_d为车辆期望横摆角速度；ν_x为纵向车速；K为稳定性因数；δ为前轮转角；L为轴距。

所述期望质心侧偏角设为0，实际质心侧偏角采用估算得到：

β＝tan^-1(btanδ/L)

式中：β为车辆实际质心侧偏角；b为后轴到质心的距离。

所述后轮转矩分配模块根据期望总驱动力矩、期望横摆力矩计算连个后轮的扭矩，具体计算公式：

T_L＝T_d/2-M_zdR/w

T_R＝T_d/2+M_zdR/w

式中：T_L、T_R分别为左后轮和右后轮的扭矩；T_d为期望总驱动力矩；M_zd为期望横摆力矩；R为车轮滚动半径；w为轮距。

其中，期望横摆力矩M_zd通过模糊控制器获得，计算采集到的实际横摆角速r和理想横摆角速度r_d的误差E_γ(E_r＝r-r_d)，以及实际质心侧偏角β与理想质心侧偏角β_d的误差E_β(E_β＝β-β_d)作为模糊控制器的输入，输出为期望横摆力矩M_zd。根据横摆角速度和质心侧偏角实际值的变化，设定其基本论域分别为[-0.12,0.12]和[-5°,5°]，这样就保证横摆角速度能够很好地跟踪其理想值，同时质心侧偏角不超过其稳定范围。输入变量和输出变量的量化论域均取为[-6,6]。根据经验和实际仿真计算，横摆角速度偏差E_r和质心侧偏角偏差E_β的输入语言变量的隶属函数如图3所示，输出为期望横摆力矩M_zd的输出语言变量的隶属函数如图4所示。

根据横摆力矩与横摆角速度的经验关系，同时考虑对质心侧偏角的影响，采用的模糊控制器的控制规则集如表1所示。输入和输出语言变量的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，其中PB表示正大，PM表示正中，PS表示正小，ZE表示零，NS表示负小，NM表示负中，NB表示负大。该表包含了49条模糊控制规则。模糊推理的方式采用if-then的Mamdani极小极大模糊推理系统。控制器解模糊判决方式采用重心法，从而求得模糊控制器的输出变量。

表1模糊控制器的控制规则集

本发明提供的电动客车轮边后驱控制系统，包括后轮轮边驱动系统、整车驱动控制器、车辆状态感知系统，所述车辆状态感知系统通过设置加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器分别采集加速踏板开度、制动踏板开度、方向盘转角、挡位、前轮轮速、车辆横摆角速度信号，通过车辆状态估算模块估算得出期望总驱动力矩、前轮转角、纵向车速，后发送给整车动力学模型模块，结合车辆外形、质量、轴距计算获得期望横摆角速度、期望质心侧偏角、实际质心侧偏角，后发送给期望横摆力矩制定模块；整车动力学模型模块结合车辆状态监控模块发送实际横摆角速度，通过模糊控制器输出期望横摆力矩，后根据期望总驱动力矩、期望横摆力矩计算两个后轮的扭矩；传输给后轮轮边驱动系统的电机控制器，电机控制器把车辆动力电池直流电转为交流电控制轮边电机转速和扭矩，轮边电机把转速和扭矩传输给减速机构进行减速增扭，最后把减小的转速、增大的扭矩传输给后轮轮毂，带动车轮运行；可见，本发明通过从车辆状态信号获得到最后驱动轮扭矩计算，实现轮边后驱控制，具有结构简单、实用高效的特点，并于推广应用。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种电动客车轮边后驱控制系统，其特征在于，包括：后轮轮边驱动系统、整车驱动控制器、车辆状态感知系统，所述后轮轮边驱动系统包括后轮轮毂、减速机构、轮边电机和电机控制器，所述电机控制器电性连接所述轮边电机，所述轮边电机连接所述减速机构，所述轮边电机把转速和扭矩传输给减速机构进行减速增扭，所述减速机构驱动连接所述后轮轮毂；两套所述后轮轮边驱动系统分别设置于电动客车的两个后轮的内侧；

所述车辆状态感知系统包括加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器，所述车辆横摆角速度传感器设置于电动客车的质心处，用于采集车辆横摆角速度；

所述电机控制器、加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器分别与所述整车驱动控制器连接；

所述整车驱动控制器包括车辆状态监控模块、车辆状态估算模块、整车动力学模型模块、期望横摆力矩制定模块、后轮转矩分配模块，所述车辆状态监控模块用于获取所述加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器、方向盘转角传感器、挡位传感器、前轮轮速传感器、车辆横摆角速度传感器采集到的数据，并进行信号滤波处理后传输给所述车辆状态估算模块；所述车辆状态估算模块用于估算得出期望总驱动力矩、前轮转角、纵向车速，并将期望总驱动力矩发送给所述后轮转矩分配模块，将前轮转角、纵向车速发送给所述整车动力学模型模块；所述整车动力学模型模块在前轮转角、纵向车速基础上结合车辆外形、质量、轴距计算获得期望横摆角速度、期望质心侧偏角、实际质心侧偏角，后发送给所述期望横摆力矩制定模块；所述期望横摆力矩制定模块结合所述车辆状态监控模块获取到的车辆横摆角速度，通过模糊控制器输出期望横摆力矩，后发送给所述后轮转矩分配模块；所述后轮转矩分配模块用于计算两个后轮的扭矩，所述后轮转矩分配模块与所述电机控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的电动客车轮边后驱控制系统，其特征在于，所述期望总驱动力矩以加速、制动踏板信号为输入,根据电机峰值转矩外特性参数与预设关系曲线查表得出；所述前轮转角估算以方向盘转向角信号为输入,根据方向盘转角与前轮转角间的换算关系计算得出；所述纵向车速根据前轮轮速信号以及轮轮胎型号计算得出。

3.根据权利要求1所述的电动客车轮边后驱控制系统，其特征在于，所述期望横摆角速度根据二自由度模型推算得到：

式中：ω_d为车辆期望横摆角速度；ν_x为纵向车速；K为稳定性因数；δ为前轮转角；L为轴距。

4.根据权利要求1所述的电动客车轮边后驱控制系统，其特征在于，所述期望质心侧偏角设为0，实际质心侧偏角采用估算得到：

β＝tan^-1(btanδ/L)

式中：β为车辆实际质心侧偏角；b为后轴到质心的距离。

5.根据权利要求1所述的电动客车轮边后驱控制系统，其特征在于，所述后轮转矩分配模块根据期望总驱动力矩、期望横摆力矩计算连个后轮的扭矩，具体计算公式：

T_L＝T_d/2-M_zdR/w

T_R＝T_d/2+M_zdR/w

式中：T_L、T_R分别为左后轮和右后轮的扭矩；T_d为期望总驱动力矩；M_zd为期望横摆力矩；R为车轮滚动半径；w为轮距。

6.根据权利要求1所述的电动客车轮边后驱控制系统，其特征在于，所述减速机构是2档减速器，所述轮边电机是永磁同步电机。

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