CN101574979B - 基于滑移率控制的电动车差速转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于滑移率控制的电动车差速转向控制方法，该方法包括如下步骤：(1)根据轮速传感器测得电动车后轮轮速、驱动电机实际输出力矩，以及车辆的侧向速度；(2)通过两自由度转向模型计算出电动车辆的侧向速度和横摆角速度，再算出四个车轮的侧偏角，从而算出四个车轮的转速；用专门算法实现对轮毂电动车辆的电子差速转向的控制。本发明将转矩分配计算和车轮的滑移率相结合，使得所设计的电子差速转向机构具有差速的同时，还具有差速锁的效果，并具有降速增扭的功能，大大提高了电动车辆行驶通过性和转向性能；在功能上不仅能达到了机械差速器的作用，而且提高了传动效率，减少了机械系统的复杂度。

Description

基于滑移率控制的电动车差速转向控制方法

技术领域

本发明涉及电动车辆差速转向控制技术，尤其是涉及一种基于滑移率控制的电子差速转向系统来实现对轮毂电动车辆的电子差速转向控制的方法。

背景技术

随着日益严重的大气污染和能源危机，传统交通工具的可持续发展日趋严峻，电动车辆是解决上述问题的有效途径。然而电动车辆的优点不仅局限于此，从结构和控制的角度而言，电动车辆还具有普通燃油汽车无法比拟的优势。按照动力传动系统的结构，电动车辆有两种驱动方式：一种是在原有发动机汽车的基础上改装的，即用一个电机代替发动机的集中驱动方式，这种结构与传统燃油汽车类似，动力由电机输出再沿变速器、传动轴、差速器、半轴传递给车轮，并驱动车辆行驶。但传动机构复杂，易产生振动、在开发过程中不能预测噪声等问题；另一种是根据电动车辆本身的特点而研制的分布式驱动方式，即电机通过减速装置或者直接安装在车轮内，驱动车轮前进。这种结构可去掉复杂的变速装置、机械差速器、半轴等传动系统部件，不仅简化了底盘结构，而且降低了整车质量、易维护且成本低、提高了传动效率和可靠性，延长了电机使用寿命。

采用轮毂电机驱动，可以减小单个电机尺寸，使整车质量分布更加合理，并降低了整车底板的高度。由于上述第一种驱动方式采用机械差速，其研发成本高、周期长，无法适应瞬息万变的市场需求。根据电动车辆的特点，并针对其特殊的变载荷使用环境，将转速进行电子差速控制的方法被广泛采用，但目前大都仅限于基于Ackerman——Jeantand电动车辆转向模型的电子差速算法研究，而基于此种模型算法用于电动车辆两轮差速转向控制，将使转速误差大，转向不平稳。因此，电动车辆差速转向控制是提高转向控制品质，改善车辆行驶平稳性的关键。

车辆转向机构是重要的总成之一，其性能的优劣直接影响着车辆的转向机动性和传动效率。因此对性能优良的转向机构的研究一直是车辆工程领域的重要研究课题。当电动车辆两后轮驱动电动车辆转向行驶时，由于同轴的左右后轮转速不同，导致两车轮滑移率发生变化，再由于车轮垂直载荷的转移，共同造成了左右后轮所受到的转动阻力的不同，在电动车辆高速行驶的时候对电动车辆的稳定性影响很大。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种有着良好的转向操作性能和平稳性的基于滑移率的电动车差速转向控制方法。

本发明的目的是这样实现的：一种基于滑移率的电动车差速转向控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据轮速传感器测得电动车后轮轮速、驱动电机实际输出力矩，以及车辆的侧向速度；

(2)通过两自由度转向模型计算出电动车辆的侧向速度和横摆角速度，再算出四个车轮的侧偏角，从而算出四个车轮的转速；实现对轮毂电动车辆的电子差速转向的控制算法包括：

车体的受力和力矩的平衡方程分别为：

$m(\frac{\∂v}{\∂t}+u{w}_r)=Y_1+Y_2+Y_3+Y_4$

$J_z\frac{\∂w_r}{\∂t}=a(Y_1+Y_2)-b(Y_3+Y_4)-B(X_1+X_3)/2+B(X_2+X_4)/2$

其中X_i＝F_xicosδ_i-F_yisinδ_i，Y_i＝F_xisinδ_i+F_yicosδ_i(i＝1，2，3，4)；

a_i为各车轮的侧偏角；式中，vv为电动车辆的侧向速度(m/s)，u为电动车辆的纵向速度，w_r为电动车辆的横摆角速度(rad/s)，J_z为电动车辆绕Z轴的转动惯量(kgm²)，a为前轴距(m)，b为后轴距，B为内外车轮轮距；

车轮侧偏角：各个车轮的侧偏角为

${\mathrm{\α}}_1=-{\mathrm{\δ}}_f+\frac{v+a{w}_r}{u};$ ${\mathrm{\α}}_2=-{\mathrm{\δ}}_f+\frac{v+a{w}_r}{u};$ ${\mathrm{\α}}_3=-{\mathrm{\δ}}_r+\frac{v-b{w}_r}{u};$ ${\mathrm{\α}}_4=-{\mathrm{\δ}}_r+\frac{v-b{w}_r}{u};$

以上各式中假设|u|＞＞Bw_r/2。

车轮转速：车轮中心平行于车轮平面的速度分量为

$u_1=\sqrt{{(u-B{w}_r/2)}^2+{(v+a{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_1;$ $u_2=\sqrt{{(u+B{w}_r/2)}^2+{(v+a{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_2$

$u_3=\sqrt{{(u-B{w}_r/2)}^2+{(v-b{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_3;$ $u_4=\sqrt{{(u+B{w}_r/2)}^2+{(v-b{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_4$

车轮的法向载荷：车在转向时，由于有离心力作用，造成车轮法向载荷改变；离心力为

β为质心侧偏角，β＝arctan(v/u)，V为车体速度，

则车轮法向载荷为

式中，L为电动车辆的轮距，h为质心高度；

采用前轮控制转向，后轮驱动的形式；设该车在前轮转向角为

，后轮转向角δ_r＝0时左转弯，左右驱动轮实际滑移率差为Δλ_x＝λ₃-λ₄，在车轮特性的线性区域内，偏转率以

来估算；由转向的偏转运动决定的左右驱动轮的滑移率差为

其中K₁为控制增益；通过调节K₁可得到所需的偏转运动；

以

分别表征左右驱动轮在给定转向条件下的目标滑移率；对应于左转弯工况，

由系统根据路面条件确定；

由此，可得为： ${\mathrm{\λ}}_4^{*}={\mathrm{\λ}}_3^{*}-\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}^{*}}_x;$

根据所确定的每个驱动轮的目标滑移率，分别设计基于滑移率控制的开关变结构控制器，其控制函数分别为：T₃＝K_L sgn(D_L)，T₄＝K_R sgn(D_R)，其中

K_LK_R分别为控制增益。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明是将转向时的转矩分配计算和车轮滑移率的控制相结合，其实现的基本功能是：已知电动车辆行驶的速度和与方向盘操作对应的前轮转向角输入量，通过两自由度转向模型计算出电动车辆的侧向速度和横摆角速度，再算出四个车轮的侧偏角，从而算出四个车轮的转速，应用其算法即可实现对轮毂电动车辆的电子差速转向的控制。本发明考虑了电动车辆转向时离心力对车轮的影响，对系统进行了动态分析；不仅分析了电动车辆转向时的滚动状态，而且还分析了滑动对附着力系数的影响，使用此算法不仅可以适用于车轮低速运转，还可以适用于车轮高速运转。它将转矩分配计算和车轮的滑移率相结合，使得所设计的电子差速转向机构具有差速的同时，还具有差速锁的效果，并具有降速增扭的功能，大大提高了电动车辆行驶通过性和转向性能；在功能上不仅能达到了机械差速器的作用，而且提高了传动效率，减少了机械系统的复杂度。

本发明改变了传统的机械差速控制和已有的基于Ackerman——Jeantand汽车转向模型的电子差速控制算法，实现了电动车辆转向操作性能和平稳性。仿真和实验结果均表明，采用此算法对轮毂电动车辆两后轮差速转向进行控制，样车运行过程稳定，路径跟踪可靠，控制性能良好。

附图说明

图1是附着系数与滑移率关系图。

图2是驱动轮滚动受力图。

图3是两自由度电动车辆转向模型图。

图4是本发明基于滑移率的电动车差速转向控制方法的算法框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种基于滑移率的电动车差速转向控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据轮速传感器测得电动车后轮轮速、驱动电机实际输出力矩，以及车辆的侧向速度；

(2)通过两自由度转向模型计算出电动车辆的侧向速度和横摆角速度，再算出四个车轮的侧偏角，从而算出四个车轮的转速；用以下算法实现对轮毂电动车辆的电子差速转向的控制。

两自由度电动车辆转向模型的电子差速算法包括：速度、侧偏角计算模型；两个后轮法向载荷计算模型；电动车辆行驶动力学模型以及车轮转速控制模型。本发明考虑了电动车辆转向时离心力对车轮的影响，对系统进行了动态分析；不仅分析了电动车辆转向时的滚动状态，而且还分析了滑动对附着力数的影响，使此算法不仅可以适用于低速运转，还可以适用于高速运转；它将转矩分配计算和车轮的滑移率相结合，使得电子差速转向在功能上达到了机械差速器的作用，但又具有提高传动效率，减少机械系统的复杂度等，更加便于车辆的保养和维修。

车轮特性：定义附着力系数Q为地面对车轮的极限反作用力一即附着力

与驱动轮法向反作用力F_z的比值：

并定义车轮滑移率：

其中u_w为车轮中心的速度，w_w为车轮角速。试验显示附着力系数与车轮滑移率将具有图1所示的关系。车轮运动过程中，通常不是纯粹的滚动，而是边滚边滑或完全的滑动，滑移率便是该过程中滑动成分的量化。峰值附着力系数一般出现在λ＝0.15～0.2，当滑移率增加，附着力系数将有所下降。决定附着力系数大小的主要因素有道路材料、路况、车轮结构与材料、轮胎花纹以及车速等。另外，不同路面条件下峰值附着力系数对应的滑移率有很大差异。

考虑车轮特性的车轮滚动方程：对于后轮驱动的电动车辆，电机转矩T_t，作用到后驱动轮上，T_t克服滚动阻力偶矩和地面切向反作用力矩使车轮转动。如图2所示，则可得：

式中J_w为车轮转动惯量；F_x为驱动轮地面切向反作用力；T_f为滚动阻力偶距。

车轮的侧偏特性：车轮的侧偏特性主要指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系。为简化分析，仅考虑侧偏力一侧偏角特性。由于橡胶车轮具有弹性，受到地面侧向反作用力时其行驶方向将与车轮平面形成一个夹角，即侧偏角，以α表示：这种现象称为车轮侧偏，而相应的地面侧向反作用力称为侧偏力，以F_y来表示。试验证明，侧偏角不超过5度时F_y与α近似成线性关系，可表示为F_y＝Cα，式中，C为侧偏刚度(N/rad)，影响侧偏特性的因素很多，除车轮本身结构、形式、尺寸、气压等参数外，垂直载荷的变化也有极大影响。垂直载荷增加，侧偏刚度增加；但载荷过大时侧偏刚度反而有所下降。在车轮同时作用有纵向力时，侧偏特性会受到严重影响。一定侧偏角下，驱/制动力增加，侧偏力有所降低；驱/制动力很大时，侧偏力将显著降低，甚至出现“附着力已被纵向力耗尽”的现象。

转向行驶动力学模型：为了简化，在分析电动车辆操纵稳定性的时候，忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为电动车辆车厢只作平行于地面的平面运动，即电动车辆沿Z轴的位移，绕Y轴的俯仰角与绕X轴的侧倾角均为零。另外，电动车辆沿X轴的前进速度u视为不变。此外，不考虑地面切向力对车轮侧偏特性的影响，忽略左、右车轮由于载荷的变化而引起车轮特性的变化以及车轮回正力矩的作用，不考虑空气动阻力的作用。因此，电动车辆的车身只有沿Y轴的侧向运动和绕Z轴的横摆运动两个自由度。如图3所示。

车辆转向动力学方程：转向行驶的电动车辆是由驾驶员、车辆和行驶环境组成的复杂系统。决定其曲线行驶的关键因素有：驾驶员对转向前轮的操作，车速、车体的结构和参数，车轮和路面的结构与性能参数，外界环境对车体的作用力等。

电动车辆的空间运动主要表征为六自由度的运动系统，即有前、后、左、右、上、下的平动和绕三个垂直轴线的转动状态。现定义前进方向为纵向，则相应地可称之为纵向(X轴)、侧向(Y轴)、垂直方向(Z轴)的平动和侧倾(绕X轴)、俯仰(绕Y轴)、横摆(绕Z轴)的转动。对转向行驶的分析，一般集中于研究其侧向、横摆运动。本发明从最一般的高性能车辆的横向运动工况出发，提取了两自由度电动车辆转向分析模型，如图3所示。车体的受力和力矩的平衡方程分别为：

$m(\frac{\∂v}{\∂t}+u{w}_r)=Y_1+Y_2+Y_3+Y_4$

$J_z\frac{\∂w_r}{\∂t}=a(Y_1+Y_2)-b(Y_3+Y_4)-B(X_1+X_3)/2+B(X_2+X_4)/2$

其中X_i＝F_xicosδ_i-F_yisinδ_i，Y_i＝F_xisinδ_i+F_yicosδ_i(i＝1，2，3，4)；

a_i为各车轮的侧偏角。式中，v为电动车辆的侧向速度(m/s)，u为电动车辆的纵向速度，w_r为电动车辆的横摆角速度(rad/s)，J_z为电动车辆绕Z轴的转动惯量(kgm²)，a为前轴距(m)，b为后轴距，B为内外车轮轮距。

车轮侧偏角：各个车轮的侧偏角为

以上各式中假设|u|＞＞Bw_r/2。

车轮转速：车轮中心平行于车轮平面的速度分量为

$u_1=\sqrt{{(u-B{w}_r/2)}^2+{(v+a{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_1;$ $u_2=\sqrt{{(u+B{w}_r/2)}^2+{(v+a{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_2$

$u_3=\sqrt{{(u-B{w}_r/2)}^2+{(v-b{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_3;$ $u_4=\sqrt{{(u+B{w}_r/2)}^2+{(v-b{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_4$

车轮的法向载荷：车在转向时，由于有离心力作用，造成车轮法向载荷改变。离心力为

β为质心侧偏角，β＝arctan(v/u)，V为车体速度，

则车轮法向载荷为

式中，L为电动车辆的轮距，h为质心高度。

控制技术方案：采用前轮控制转向，后轮驱动的形式。设该车在前轮转向角为

，后轮转向角δ_r＝0时左转弯，左右驱动轮实际滑移率差为Δλ_x＝λ₃-λ₄，在车轮特性的线性区域内，偏转率可以用

来估算。所以，由转向的偏转运动决定的左右驱动轮的滑移率差为

其中K₁为控制增益。通过调节K₁可得到所需的偏转运动。

以

分别表征左右驱动轮在给定转向条件下的目标滑移率。对应于左转弯工况，

由系统根据路面条件确定。由此，可得为：

根据所确定的每个驱动轮的目标滑移率，分别设计基于滑移率控制的开关变结构控制器，其控制函数分别为：T₃＝K_Lsgn(D_L)，T₄＝K_R sgn(D_R)，其中

K_L K_R分别为控制增益。本发明构造的电子差速算法系统框图如附图4所示。在转向运动中，这一电子差速系统算法对左右驱动轮输入不同的转矩，确保了驾驶更安全与平稳，并有利于延长轮胎的使用寿命，且能得到更良好的转向性能和更快的响应特性。

本发明是结合轮毂电动车辆设计项目，运用两自由度电动车辆转向模型，而提出的一种基于滑移率控制的电子差速转向算法；给出了两后轮驱动方式的电动车辆转向模型，并且建立起速度、侧偏角计算模型；两后轮垂直负荷计算模型；电动车辆行驶动力学模型以及车轮转速控制模型。在此基础上，研究了电动车辆转向时的离心力以及转向时电动车辆两后轮垂直负荷的变化对电动车辆车轮的影响；形成了以电动车辆行驶速度和方向盘操作对应的前轮转向角为输入，参考路况和估算的偏转率，算出每个车轮在转向时的目标滑移率，应用对左右驱动轮独立地分配转矩的电子差速算法，对基于滑移率控制的电子差速转向算法进行了可靠性评估，最后给出了实例计算结果；解决了现有的基于Ackerman——Jeantand汽车转向模型的电子差速算法所带来的电动车辆滑移率较大、转向不平稳以及车轮转速误差较大等缺点。

Claims (2)

1.基于滑移率控制的电动车差速转向控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据轮速传感器测得电动车后轮轮速、驱动电机实际输出力矩，以及车辆的方向盘的转角；

(2)通过两自由度转向模型计算出电动车辆的侧向速度和横摆角速度，再算出四个车轮的侧偏角，从而算出四个车轮的转速；实现对轮毂电动车辆的电子差速转向的控制算法包括：

车体的受力和力矩的计算，其中车体受力和力矩的平衡方程分别为：

$m(\frac{\∂v}{\∂t}+u{w}_r)=Y_1+Y_2+Y_3+Y_4$

$J_z\frac{\∂w_r}{\∂t}=a(Y_1+Y_2)-b(Y_3+Y_4)-B(X_1+X_3)/2+B(X_2+X_4)/2$

其中X_i＝F_xicosδ_i-F_yisinδ_i，Y_i＝F_xisinδ_i+F_yicosδ_i(i＝1，2，3，4)；

a_i为各车轮的侧偏角；δ_i为各车轮的输入转向角；式中，v为电动车辆的侧向速度，其单位为m/s，u为电动车辆的纵向速度，w_r为电动车辆的横摆角速度其单位为rad/s，c_i为各个轮胎的侧偏刚度，其单位为N/rad，

为各个轮胎的附着系数，N_i为各个车轮的法向载荷，F_xi为切线反作用力，F_yi为各个轮胎的侧偏力，m为电动车质量，J_z为电动车辆绕Z轴的转动惯量，其单位为kgm²，a为前轴距，其单位为m，b为后轴距，B为内外车轮轮距；

车轮侧偏角的计算，其中各个车轮的侧偏角计算方程为

${\mathrm{\α}}_1=-{\mathrm{\δ}}_f+\frac{v+a{w}_r}{u};$ ${\mathrm{\α}}_2=-{\mathrm{\δ}}_f+\frac{v+a{w}_r}{u};$ ${\mathrm{\α}}_3=-{\mathrm{\δ}}_r+\frac{v-b{w}_r}{u};$ ${\mathrm{\α}}_4=-{\mathrm{\δ}}_r+\frac{v-b{w}_r}{u};$

以上各式中假设|u|＞＞Bw_r/2；式中δ_f为前轮转向角，δ_r为后轮转向角；

车轮转速的计算，其中车轮中心平行于车轮平面的速度分量计算方程为

$u_1=\sqrt{{(u-B{w}_r/2)}^2+{(v+a{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_1;$ $u_2=\sqrt{{(u+B{w}_r/2)}^2+{(v+a{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_2$

$u_3=\sqrt{{(u-B{w}_r/2)}^2+{(v-b{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_3;$ $u_4=\sqrt{{(u+B{w}_r/2)}^2+{(v-b{w}_r)}^2}\cos {\mathrm{\α}}_4$

式中u₁，u₂，u₃，u₄分别为四个车轮的速度；

车轮的法向载荷的计算：车在转向时，由于有离心力作用，造成车轮法向载荷改变；其中，离心力

β为质心侧偏角，β＝arctan(v/u)，V为车体速度，

则车轮法向载荷计算方程为

式中，L为电动车辆的轮距，h为质心高度；

采用前轮控制转向，后轮驱动的形式；设该车在前轮转向角为

，后轮转向角δ_r＝0时左转弯，左右驱动轮实际滑移率差为Δλ_x＝λ₃-λ₄，在车轮特性的线性区域内，偏转率以

来估算；由转向的偏转运动决定的左右驱动轮的滑移率差为

其中K₁为控制增益；通过调节K₁可得到所需的偏转运动；

以

分别表征左右驱动轮在给定转向条件下的目标滑移率；对应于左转弯工况，

由系统根据路面条件确定；

由此，可得

为： ${\mathrm{\λ}}_4^{*}={\mathrm{\λ}}_3^{*}-\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\λ}}^{*}}_x;$

根据所确定的每个驱动轮的目标滑移率，分别设计基于滑移率控制的开关变结构控制器，其控制函数分别为：T₃＝K_Lsgn(D_L)，T₄＝K_R sgn(D_R)，再将转矩T3和T4分别输入到左右驱动轮中；其中

K_LK_R分别为控制增益。

2.根据权利要求1所述的基于滑移率的电动车差速转向控制方法，其特征在于，所述两自由度转向模型的电子差速算法包括：车轮转速的计算模型、车轮侧偏角的计算模型；车轮法向载荷的计算模型；电动车辆行驶动力学模型以及车轮转速控制模型；所述电动车辆行驶动力学模型为车体受力和力矩的计算模型，所述车轮转速控制模型包括车轮转速的计算模型和车体受力和力矩的计算模型；应用对左右驱动轮独立地分配转矩的电子差速算法，对基于滑移率控制的电子差速转向算法进行计算并输出控制两个后轮。

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