一種用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統及方法與流程
2023-08-12 15:20:46
本發明涉及汽車控制領域，尤其是涉及一種用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統及方法。
背景技術：
分布式驅動電動汽車是將驅動電機直接安裝在驅動輪內或驅動輪附近，具有結構簡單、傳動路徑短、傳動效率高等特點。電動機既是汽車的信息單元，又是快速反應的控制執行單元。由於各個電動輪均能獨立控制，通過改變單個車輪電機的轉矩和轉速等參數，可以有效控制每個車輪的動力學狀態。
分布式驅動電動汽車在轉向時，為了減輕駕駛員動作在轉向盤(也可稱為方向盤)上的操作力，使用外來動力而產生轉向補助力的系統稱為轉向助力系統。目前，無論是液壓轉向助力系統、電動轉向助力系統還是線控轉向系統均需要在轉向系中增加助力機構，這使系統結構複雜，成本高。同時助力機構會導致轉向系統慣量增加。此外，對於電動助力轉向系統，安裝於齒輪齒條上方的轉向電機會產生噪聲和散熱等一系列問題。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述問題提供一種用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統及方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統，包括：
檢測模塊，用於檢測電動汽車的行駛參數；
線控差動轉向控制模塊，用於根據檢測模塊反饋的行駛參數計算電動汽車轉向時的前軸差動轉矩，並根據前軸差動轉矩進行計算，分別得到前軸左、右驅動電機的目標輸出轉矩並發出電機控制信號；
轉向執行模塊，用於根據線控差動轉向控制模塊發出的電機控制信號實現電動汽車的差動轉向。
所述檢測模塊包括：
輪速傳感器，與電動汽車的車輪連接，用於測量車輪的輪速；
加速度傳感器，與電動汽車連接，用於測量電動汽車的縱向加速度；
方向盤轉角傳感器，與電動汽車的方向盤連接，用於測量方向盤的轉向角；
車輪轉角傳感器，與電動汽車的轉向執行模塊連接，用於測量計算車輪的轉向角；
拉壓力傳感器，與電動汽車的轉向執行模塊連接，用於測量計算車輪的回正力矩。
所述車輪轉角傳感器包括安裝於齒條的位移傳感器、安裝於小齒輪的小齒輪轉角傳感器或安裝於主銷的主銷轉角傳感器。
所述線控差動轉向控制模塊包括：
整車控制器，用於發出檢測命令並接收檢測模塊傳遞的電動汽車的行駛參數；
線控差動轉向控制器，集成於整車控制器上，用於計算電動汽車轉向時的前軸差動轉矩，並根據前軸差動轉矩進行計算，同時結合電動汽車的車輪實際轉向角進行閉環控制，分別得到前軸左、右驅動電機的目標輸出轉矩；
電機控制器，集成於整車控制器上，用於根據線控差動轉向控制器得到的目標輸出轉矩發出電機控制信號。
所述轉向執行模塊包括：
驅動電機，與電動汽車的車輪連接，用於驅動車輪運動；
轉向執行組件，分別與電動汽車的左前輪和右前輪連接，用於驅動車輪轉動；
方向盤迴正力矩電機，與方向盤連接，用於實現路感反饋。
所述轉向執行組件包括依次連接的橫拉杆、齒條和小齒輪，所述橫拉杆分別與電動汽車的左前輪和右前輪連接。
一種利用如上所述的用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統實現的線控差動轉向方法，所述方法包括下列步驟：
1)線控差動轉向控制模塊根據輪速傳感器測量的輪速信號和加速度傳感器測量的縱向加速度信號進行車速估計計算，得到電動汽車的行駛速度；
2)線控差動轉向控制模塊根據方向盤轉角傳感器測量的方向盤的轉向角，結合步驟1)得到的行駛速度，計算得到電動汽車的前軸差動轉矩；
3)線控差動轉向控制模塊根據整車動力性和安全性計算得到分配給電動汽車的前輪驅動電機目標轉矩；
4)線控差動轉向控制模塊根據步驟3)得到的前輪驅動電機目標轉矩，以及步驟2)得到的電動汽車的前軸差動轉矩，計算得到左前輪和右前輪驅動電機的目標輸出轉矩；
5)線控差動轉向控制模塊根據步驟4)得到的目標輸出轉矩控制驅動電機和轉向執行組件運動，同時結合拉壓力傳感器測量的回正力矩，控制方向盤迴正力矩電機輸出力矩。
所述步驟2)具體為：
21)線控差動轉向控制模塊根據方向盤轉角傳感器測量的方向盤的轉向角，判斷方向盤處於轉向過程或回正過程，若是轉向過程則進入步驟22)，若是回正過程則進入步驟23)；
22)線控差動轉向控制模塊根據步驟1)得到的行駛速度，查找設定的車速-方向盤轉向角-差動轉矩圖，得到電動汽車的前軸差動轉矩；
23)線控差動轉向控制模塊根據方向盤的轉向角與0的差值，通過積分分離pid控制算法進行計算，得到電動汽車的前軸差動轉矩。
所述通過計算分別得到左前輪和右前輪的目標輸出轉矩具體為：
41)將步驟2)得到的電動汽車的前軸差動轉矩進行平分，得到平分值；
42)判斷目標車輪與轉向方向是否相同，若是則進入步驟43)，若否則進入步驟44)；
43)求取步驟3)得到的前輪驅動電機目標轉矩與步驟41)得到的平分值的代數差，作為目標車輪的驅動電機的目標輸出轉矩；
44)求取步驟3)得到的前輪驅動電機目標轉矩與步驟41)得到的平分值的代數和，作為目標車輪的驅動電機的目標輸出轉矩。
所述步驟4)還包括：根據車輪轉角傳感器測量的車輪的轉向角，對得到的目標輸出轉矩進行閉環控制。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)通過線控差動轉向控制模塊對前軸差動轉矩進行計算，從而得到前軸左、右驅動電機的目標輸出轉矩並發出電機控制信號，從而實現電動汽車的轉向，與傳統的通過助力機構實現汽車轉向的系統相比，去除了轉向管柱和轉向助力機構等部件，簡化了轉向結構，降低了成本，同時也消除了助力機構帶來的轉向系統慣量增加、轉向助力電機的振動噪聲和散熱等問題，同時也增大了車內的空間，提升了車輛的舒適程度。
(2)車輪轉角傳感器可以為安裝於車輪齒條的位移傳感器、安裝於車輪小齒輪的小齒輪轉角傳感器或安裝於車輪主銷的主銷轉角傳感器，測量靈活，可以根據實際情況進行選擇。
(3)線控差動轉向控制器和電機控制器均集成於整車控制器上，控制方便且節省空間，同時也降低了生產成本。
(4)執行模塊中除了驅動電機和轉向執行組件以外，還包括方向盤迴正力矩電機，使得控制器可以根據拉壓力傳感器反饋的路面信號，結合駕駛員的理想手力曲線，控制方向盤迴正力矩電機從而控制方向盤，給駕駛員良好的路感反饋。
(5)本發明提出的分布式驅動電動汽車線控差動轉向方法，通過計算使得電動汽車的方向盤與汽車前輪轉角之間的關係擺脫了機械系統的限制而自由設計，不但可以改善汽車轉向的力傳遞特性，也可以任意設計汽車轉向的角傳遞特性，從而提高車輛的轉向性能和行駛安全性。
(6)由於本發明提出的方法是基於差向轉動而實現，因此可調範圍較傳統的助力機構相比明顯增大，轉向系統的響應品質得到顯著提升。
(7)在計算電動汽車的前軸差動轉矩過程中，首先對方向盤的狀態進行預判，從而可以有針對性的計算得到前軸差動轉矩，控制準確。
(8)在對驅動電機的目標輸出轉矩進行計算時，首先通過計算分別得到兩個前輪驅動電機的目標輸出轉矩，同時還根據車輪轉角傳感器測量的車輪的轉向角，對得到的目標輸出轉矩進行閉環控制，進一步提高了控制精度。
(9)本發明不僅可以在駕駛員施加的手動控制下進行轉向，而且可以在安全系統的控制下轉向，安全系統通過連續地分析車輛的實際狀態並導入必要的校正值來保持車輛功能的穩定性。
(10)本發明提出的系統，既可以應用於有人駕駛汽車，也可以去除掉方向盤總成而改為直接通過控制器進行控制，從而用於無人駕駛汽車，應用範圍廣，為汽車轉向功能提供了新的實現方式。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為對電動汽車進行差動轉向的控制原理圖；
圖3為用於無人車時線控差動轉向系統的結構示意圖；
圖4為引入轉矩矢量控制的線控差動轉向系統的結構示意圖；
其中，1為橫拉杆，2為齒條，3為小齒輪，4為位移傳感器，5為拉壓力傳感器，6為方向盤迴正力矩電機，7為線控差動轉向控制模塊。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示，本實施例提供了一種用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統，包括：檢測模塊，用於檢測電動汽車的行駛參數；線控差動轉向控制模塊7，用於根據檢測模塊反饋的行駛參數計算電動汽車轉向時的前軸差動轉矩，並根據前軸差動轉矩進行計算，分別得到前軸左、右驅動電機的目標輸出轉矩並發出電機控制信號；轉向執行模塊，用於根據線控差動轉向控制模塊7發出的電機控制信號實現電動汽車的差動轉向。
其中，檢測模塊包括：輪速傳感器，與電動汽車的車輪連接，用於測量車輪的輪速；加速度傳感器，與電動汽車連接，用於測量電動汽車的縱向加速度；方向盤轉角傳感器，與電動汽車的方向盤連接，用於測量方向盤的轉向角；車輪轉角傳感器，與電動汽車的轉向執行模塊連接，用於測量計算車輪的轉向角；拉壓力傳感器5，與電動汽車的轉向執行模塊連接，用於測量計算車輪的回正力矩。車輪轉角傳感器包括安裝於齒條2的位移傳感器4、安裝於小齒輪3的小齒輪轉角傳感器或安裝於主銷的主銷轉角傳感器。線控差動轉向控制模塊7包括：整車控制器，用於發出檢測命令並接收檢測模塊傳遞的電動汽車的行駛參數；線控差動轉向控制器，集成於整車控制器上，用於計算電動汽車轉向時的前軸差動轉矩，並根據前軸差動轉矩進行計算，同時結合電動汽車的車輪實際轉向角進行閉環控制，分別得到前軸左、右驅動電機的目標輸出轉矩；電機控制器，集成於整車控制器上，用於根據線控差動轉向控制器得到的目標輸出轉矩發出電機控制信號。轉向執行模塊包括：驅動電機，與電動汽車的車輪連接，用於驅動車輪運動；轉向執行組件，分別與電動汽車的左前輪和右前輪連接，用於驅動車輪轉動；方向盤迴正力矩電機6，與方向盤連接，用於實現路感反饋。轉向執行組件包括依次連接的橫拉杆1、齒條2和小齒輪3，橫拉杆1分別與電動汽車的左前輪和右前輪連接。
根據上述系統，依據如圖2所示的原理，即可實現差動轉向的控制，具體的原理為：轉向輪主銷內傾角為α，主銷偏移距為a。左右轉向輪驅動力ffl、ffr對主銷的轉矩分別為：
tl＝fflacosα
tr＝ffracosα
式中tl和tr的作用是分別驅動左右轉向輪繞主銷轉動，這兩個力矩方向相反，在有轉向梯形存在的情況下，其差值是驅動兩轉向輪同時轉向的轉矩即：
tst＝tl-tr＝(ffl-ffr)acosα
傳統汽車左右驅動輪的驅動力是由差速器進行分配的，兩驅動力大小基本相等，使前軸差動轉矩約為零。而對於分布式驅動電動汽車，通過控制左右驅動電機輸出的驅動轉矩差值控制前軸差動轉向力矩tst，使其產生合適的轉向作用。
基於上述系統和原理，可以得到一種分布式驅動電動汽車線控轉向方法，具體包括下列步驟：
1)整車控制器根據輪速傳感器測量的輪速信號和加速度傳感器測量的縱向加速度信號進行車速估計計算，得到電動汽車的行駛速度；
2)線控差動轉向控制器根據方向盤轉角傳感器測量的方向盤的轉向角，結合步驟1)得到的行駛速度，計算得到電動汽車的前軸差動轉矩：
21)線控差動轉向控制器根據方向盤轉角傳感器測量的方向盤的轉向角，判斷方向盤處於轉向過程或回正過程，若是轉向過程則進入步驟22)，若是回正過程則進入步驟23)；
22)線控差動轉向控制器根據步驟1)得到的行駛速度，查找設定的車速-方向盤轉向角-差動轉矩圖，得到電動汽車的前軸差動轉矩；
23)線控差動轉向控制器根據方向盤的轉向角與0的差值，通過積分分離pid控制算法進行計算，得到電動汽車的前軸差動轉矩；
3)整車控制器根據整車動力性和安全性計算得到分配給電動汽車的前輪驅動電機目標轉矩；
4)線控差動轉向控制器根據步驟3)得到的前輪驅動電機目標轉矩，以及步驟2)得到的電動汽車的前軸差動轉矩，通過計算分別得到左前輪和右前輪驅動電機的目標輸出轉矩：
41)將步驟2)得到的電動汽車的前軸差動轉矩進行平分，得到平分值；
42)判斷目標車輪與轉向方向是否相同，若是則進入步驟43)，若否則進入步驟44)；
43)求取步驟3)得到的前輪驅動電機目標轉矩與步驟41)得到的平分值的代數差，作為目標車輪的驅動電機的目標輸出轉矩；
44)求取步驟3)得到的前輪驅動電機目標轉矩與步驟41)得到的平分值的代數和，作為目標車輪的驅動電機的目標輸出轉矩；
在進行完上述過程後，還可以根據車輪轉角傳感器測量的車輪的轉向角，對得到的目標輸出轉矩進行閉環控制；
5)電機控制器根據步驟4)得到的目標輸出轉矩控制驅動電機和轉向執行組件運動，同時結合拉壓力傳感器5測量的回正力矩，控制方向盤迴正力矩電機6輸出力矩。
該用於分布式驅動電動汽車的線控差動轉向系統如果應用於無人車時，其系統結構變為如圖3所示，該系統在原有的結構基礎上去除了方向盤、方向盤轉角傳感器和方向盤迴正力矩電機6，對於方向盤是處於轉向過程還是回正過程的判斷，改為直接由整車控制器給出，而非根據方向盤轉角傳感器的測量值來進行判斷。
該線控差動轉向系統還可以與轉矩矢量模塊實現對汽車的四個輪子的聯合控制，將通過線控差動轉向和轉矩矢量聯合控制得到的需求驅動轉矩信號分別發送到四個驅動輪，具體結構如圖4所示，差動轉向根據駕駛員意圖得到差動轉矩，並分配到前軸左右輪。同時，通過跟蹤理想橫擺角速度響應的計算得到控制橫擺力矩，減去前輪差動產生的額外橫擺力矩得到需要通過後軸產生的整車橫擺力矩的大小，並分配到後軸左右輪。