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原文传递轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统及其控制方法

专利名称：	轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统及其控制方法
摘要：	本发明公开了一种轮毂电机驱动电动汽车差动驱动转向及稳定性的控制方法，通过对运行车辆的相轨迹是否超出稳定域的判断，将处于稳定域内的车辆视为线性模型，对其进行线性模型的差动驱动转向控制；将处于稳定域外的车辆，利用产生的直接横摆力矩对车辆转向进行主动干预，使其从不稳定状态回到稳定状态。本发明采用联合控制，使依靠差动驱动转向的非线性车辆在转向轮允许的转角范围内，在不同附着系数路面上都能够很好地跟踪参考模型的质心侧偏角和横摆角速度，有效地提高整车的稳定性，保证行车的安全性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京林业大学
发明人：	田杰;杨标;丁洁;王群;姚嘉凌
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-19T00:00:00+0800
申请号：	CN201910820810.4
公开号：	CN110466602A
代理机构：	南京灿烂知识产权代理有限公司
代理人：	朱妃
分类号：	B62D6/00(2006.01);B;B62;B62D;B62D6
申请人地址：	210037 江苏省南京市玄武区龙蟠路159号
主权项：	1.一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统，其特征在于，包括：检测模块，用于检测电动汽车的行驶参数，并将行驶参数输入给整车控制器；其中，行驶参数包括方向盘转角信号、加速踏板的踏板位置信号、行驶车速信号、前轮转角信号和后轮转角信号；转向模式选择开关，用于驾驶员人为地选择转向模式，转向模式包括前轮转向和四轮转向，并将所选择的转向模式输入给整车控制器；车速跟踪模块，用于根据加速踏板的踏板位置信号计算得到电动汽车的行驶速度和所需要的前轮驱动力矩，并控制轮毂电机执行驾驶员的行驶车速信号，以及将行驶速度输入给整车控制器；整车控制器，用于接收行驶速度，在所选择的转向模块为前轮转向时，将方向盘转角信号输送给前轮线控转向控制模块，并输出后轮锁止信号给后轮转向锁止模块；以及，在所选择的转向模式为四轮转向时，计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角和输出后轮解除锁止信号给后轮转向锁止模块，其中的理想前后轮转角包括理想前轮转角和理想后轮转角，并将理想前轮转角输送给前轮线控转向控制模块、将理想后轮转角输送给后轮差动转向控制模块；前轮线控转向控制模块，用于根据方向盘转角信号和前轮转角信号或理想前轮转角驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；后轮差动转向控制模块，用于根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，根据该后轮差动力矩驱动后轮轮毂电机进行后轮转向；后轮转向锁止模块，用于根据后轮锁止信号和后轮转角信号驱动转向锁止机构将后轮回正后禁止后轮发生转向，并根据后轮解除锁止信号驱动转向锁止机构解除转向锁止。 2.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统，其特征在于：所述转向锁止机构包括回正电机和对称安装在车架上且结构完全相同的两组转向机构，回正电机与后轮转向锁止模块相连，两组转向机构均与回正电机相连、并分别作用于左后轮和右后轮；所述转向机构包括依次相连的电磁离合器、回正齿轮、锁止拉杆、前束杆、第一转向节臂和第二转向节臂，搭接在锁止拉杆表面并与安装在车架上的电磁铁，均与第一转向节臂一端和第二转向节臂一端相连的转向主销，均安装在车架上的上横臂和下横臂，以及用于检测后轮转角并位于锁止拉杆上的锁止拉杆位移传感器；所述电磁离合器与回正电机相连、并与后轮转向锁止模块相连，所述锁止拉杆通过杆面齿条与回正齿轮相连，所述锁止拉杆和前束杆之间、前束杆和第一转向节臂之间均通过球铰相连，所述转向主销的两端通过球铰分别与上横臂和下横臂相连，所述电磁铁用于通电后产生吸力吸合于锁止拉杆上而使得锁止拉杆锁止于车架上，所述锁止拉杆位移传感器用于实时检测锁止拉杆与车身之间的位移参数并将该位移参数反馈给整车控制器来确定后轮转角。 3.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统，其特征在于：所述前轮转向执行电机通过驱动前轮转向传动件使得前轮转向，所述驱动前轮转向传动件包括依次相连的左前轮转向节臂、左前轮转向横拉杆、齿条、转向齿轮、右前轮转向横拉杆和右前轮转向节臂，所述左前轮转向节臂作用于左前轮，所述右前轮转向节臂作用于右前轮，所述转向齿轮与前轮转向执行电机相连。 4.根据权利要求3所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统，其特征在于：所述检测模块包括用于检测方向盘的扭矩传感器和方向盘转角传感器，用于检测加速踏板的踏板位置传感器，以及用于检测前轮转角并位于齿条上的齿条位移传感器。 5.一种轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，其特征在于，运行在权利要求1至4任意一项所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统中，包括以下步骤： 1)整车控制器获取检测模块采集到的行驶参数和转向模式选择开关输入的驾驶员所选择的转向模式，其中，行驶参数包括方向盘转角信号、加速踏板的踏板位置信号行驶车速信号、前轮转角信号和后轮转角信号； 2)车速跟踪模块根据加速踏板的踏板位置信号计算得到电动汽车的行驶速度和所需要的前轮驱动力矩，并控制轮毂电机执行驾驶员的行驶车速信号，以及将行驶速度输入给整车控制器； 3)车辆行驶中，整车控制器判断驾驶员所选择的转向模式为前轮转向或四轮转向；若转向模式为前轮转向，采用前轮线控转向、后轮转向锁止方式，则执行步骤4)-步骤5)，后返回步骤1)；若转向模式为四轮转向，采用前轮线控转向、后轮差动转向方式，则执行步骤6)-步骤8)，后返回步骤1)； 4)在所选择的转向模块为前轮转向时，整车控制器将方向盘转角信号输送给前轮线控转向控制模块，并输出后轮回正信号给后轮转向锁止模块使得后轮回正后并对后轮转向进行锁止； 5)前轮线控转向控制模块根据方向盘转角信号和前轮转角信号驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；同时，后轮转向锁止模块根据后轮锁止信号和后轮转角信号驱动回转锁止机构将后轮回正后并禁止后轮发生转向； 6)在所选择的转向模式为四轮转向时，整车控制器计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角和输出后轮解除锁止信号给后轮转向锁止模块，其中的理想前后轮转角包括理想前轮转角和理想后轮转角，并将理想前轮转角输送给前轮线控转向控制模块、将理想后轮转角输送给后轮差动转向控制模块； 7)前轮线控转向控制模块根据理想前轮转角驱动前轮转向执行电机进行前轮转向，并向驾驶员提供相应的转向路感，以及将转向路感反馈给整车控制器；同时，后轮转向锁止模块根据根据后轮解除锁止信号驱动回转锁止机构解除转向锁止； 8)后轮差动转向控制模块根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，根据该后轮差动力矩驱动后轮轮毂电机进行后轮转向。 6.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，其特征在于：所述车速跟踪控制器根据加速踏板的踏板位置传感器采集到的信号，查找系统中预先确定的纵向速度和加速踏板位置的关系曲线，从而得到电动汽车的行驶速度。 7.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，其特征在于：所述整车控制器计算获得四轮转向所需要的理想前后轮转角，具体是，整车控制器将采集到的方向盘转角输入给参考模型，以得到理想的横摆角速度和质心侧偏角，并通过采用渐近跟踪控制器控制使得解耦后的线性四轮转向模型的横摆角速度和质心侧偏角跟踪理想的横摆角速度和质心侧偏角，从而获得四轮转向车辆的理想前后轮转角；其中，参考模型为质心侧偏角降幅滤波后的具有中性转向特性的线性二自由度车辆模型。 8.根据权利要求7所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，其特征在于：所述参考模型的状态方程为，设xd＝[γd βd]T，ud＝[δf]，参考模型表示为式中，其中，γd是参考模型的横摆角速度，βd是参考模型的质心侧偏角，m为汽车质量，ux为汽车质心处的纵向速度，δf为前轮转角，lfd是质心到前轴的距离，lrd是质心到后轴的距离，kf为前轮的侧偏刚度，kr为后轮的侧偏刚度，Iz为车辆对Z轴的转动惯量；对质心侧偏角进行降幅滤波器，采用的降幅滤波器传递函数为，其中，η为增益系数，ξ为阻尼系数，ωn为圆频率；通过调整圆频率ωn来调整质心侧偏角的幅值。 9.根据权利要求8所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，其特征在于：所述线性四轮转向模型采用的线性动力学模型为方程中，其中，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离；对线性四轮转向模型进行输入输出解耦，采用的传递函数为其中，引入参数u1、u2来实现横摆角速度γ和质心侧偏角β的解耦，解耦后得到的横摆角速度γ相对于u1的传递函数和质心侧偏角β相对于u2的传递函数分别为G11(s)和G22(s)；则有当且仅当时，横摆角速度和质心侧偏角分别受控制于变量u1和u2，由此可得，其中，a0＝(a12b21-a22b11)(a21b12-a11b22+a11b12-a12b22)，a1＝a21b12b11-a11b22b11+a11b12b21-a12b21b12，a2＝b11b22-b21b12，b0＝(a21b12-a11b22)(a12b21-a22b11)，b1＝a21b12b11-a11b22b11+a12b21b22-a22b11b22，b2＝b22b11，b3＝(a11b12-a12b22)(a21b12-a11b22)，b4＝-a21b212+a11b22b12+a11b12b22-a12b222，b5＝-b12b22，b6＝(-a12b21+a22b11)(a21b11-a11b21)，b7＝-a12b221+a22b11b21-a21b211+a11b11b21，b8＝-b11b21，b9＝(a21b12-a11b22)(a12b21-a22b11)，b10＝a21b12b11-a11b22b11+a12b21b22-a22b11b22，b11＝b22b11；设渐近跟踪控制器的传递函数为GC1(s)，渐近跟踪控制器采用P、PI、PD或PID控制器；对控制方程e(t)＝γd(t)-γ(t)＝γd(t)-GC1(t)G11(t)e(t)进行拉式变换，得设则将其2阶系统的特征多项式dg(s)dc(s)+ng(s)nc(s)＝0化简为d2s2+d1s+d0＝0；其中，d2＝1+b11kd，d1＝b11kp+(-a22b11+a12b21)kd-(a11+a22)， d0＝a11a22-a21a12+kp(-a22b11+a12b21)；根据Routh判定表以及Routh-Hurwitz稳定性判据确定出控制横摆角速度和质心侧偏角的渐近跟踪控制器的参数；其中，Routh判定表为式中 Routh-Hurwitz稳定性判据为2阶系统的特征多项式的系数全为正或全为负。 10.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动电动汽车的分时四轮转向系统的控制方法，其特征在于：所述后轮差动转向控制模块根据理想后轮转角计算得到后轮差动力矩，具体是，建立动力学模型，以理想前后轮转角为输入的二自由度四轮转向车辆作为参考模型，设计滑模变结构控制器得到驱动后轮转向的后轮差动力矩；包括以下步骤： a)不计车轮随动转角，前轮线控转向、后轮差动转向的状态方程为，其中，β为车辆质心侧偏角，γ为车辆横摆角速度，为车辆横摆角加速度，是车辆质心侧偏角速度，m为汽车质量，ux为汽车质心处的纵向速度，lf为前轴到质心的距离，lr为后轴到质心的距离，δf为前轮转角，kf为前轮的侧偏刚度，kr为后轮的侧偏刚度，Iz为车辆对Z轴的转动惯量，dr为后轮轮距，R为轮胎有效半径； b)令状态空间变量x(t)＝[β γ]T，输入为前后轮驱动力矩差即u(t)＝ΔT，将前轮线控转向、后轮差动转向的状态方程变换为其中， c)定义滑模面s＝γ-γd+ξ(β-βd)，其中，ξ为权重系数，γd为参考模型的横摆角速度，βd为参考模型的质心侧偏角；求导可得，式中，其中，为参考模型的横摆角加速度，为参考模型的质心侧偏角速度；由于有界，则其中的为常数；采用带饱和函数的趋近律，得控制器为
所属类别：	发明专利