CN102975631B - 四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，其特征在于：该系统包括驾驶员操纵机构、差速机构、四套牵引电机及其控制系统、轴饱和检测机构和轴饱和补偿机构；驾驶员操纵机构一方面连接至差速机构，另一方面连接至轴饱和补偿机构；差速机构连接至四套牵引电机及其控制系统，其中四套牵引电机及其控制系统中的四套牵引电机分别驱动四个车轮，四套牵引电机及其控制系统连接至轴饱和检测机构，轴饱和检测机构连接到轴饱和补偿机构，轴饱和补偿机构连接回差速机构。本发明很好的解决了以往的控制方法中所存在问题，其效果明显，利于推广应用。
Description
技术领域
本发明公开了一种四轮全驱电动汽车在某个电机的牵引力达到极限，造成车轮驱动轴牵引力饱和（简称轴饱和）时行驶姿态控制系统及控制方法。
背景技术
四轮独立驱动是电动汽车创新性的结构，这种结构将对未来电动汽车的设计具有重大影响。四轮牵引电机的转矩独立控制能力为汽车性能的提高提供了前所未有的空间，采用四轮独立驱动的电动汽车转向时不再需要机械差速器，而是通过控制左、右轮牵引电机，使轮胎纵向力产生差值，进而生成转向力矩，实现精确的转向控制，与传统的差速控制相比，能够更加有效地提升汽车的操纵能力及稳定性。
但是在车辆行驶过程中，由于四轮独立驱动，多电机驱动系统受电机及传动部件特性差异、系统非线性、路况崎岖等影响，会引起四轮动态失衡，导致车辆跑偏甚至发生甩尾失控。
四轮牵引电机的协同控制是提高车辆稳定性的重要手段。差速控制根据车辆的行驶状态，采用自适应电子差速控制算法调节转向时内外轮的速度差，实现车辆精确的转向操纵；但由于四轮牵引电机控制系统相对独立，当任一牵引电机控制系统出现较大动态偏差时，车辆操纵稳定性难以保证。
车辆姿态参数控制目前是控制车辆稳定的重要方法，它通过控制四轮电机的牵引力，产生车辆所需的惯性横摆力矩动态调整行驶姿态；该方案能够有效地提升车辆稳定性，但是在某些极限行驶状态下，单个或多个电机无法按操控指令提供所需的驱动力，四轮驱动力不平衡导致车辆稳定性及操纵准确性下降。
发明内容
发明目的：本发明提供一种四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统及控制方法，其目的是解决以下问题：当车辆牵引需求超过牵引电机可能提供的最大转矩形成轴饱和现象时车辆无法进行有效果的安全控制的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，其特征在于：该系统包括驾驶员操纵机构、差速机构、四套牵引电机及其控制系统、轴饱和检测机构和轴饱和补偿机构；驾驶员操纵机构一方面连接至差速机构，另一方面连接至轴饱和补偿机构；差速机构连接至四套牵引电机及其控制系统，其中四套牵引电机及其控制系统中的四套牵引电机分别驱动四个车轮，四套牵引电机及其控制系统连接至轴饱和检测机构，轴饱和检测机构连接到轴饱和补偿机构，轴饱和补偿机构连接回差速机构。
四套牵引电机及其控制系统分别为左前轮牵引电机及其控制系统、右前轮牵引电机及其控制系统、左后轮牵引电机及其控制系统和右后轮牵引电机及其控制系统；左前轮牵引电机及其控制系统、右前轮牵引电机及其控制系统、左后轮牵引电机及其控制系统和右后轮牵引电机及其控制系统分别与差速机构和轴饱和检测机构连接；每套牵引电机及其控制系统均包括牵引电机和控制系统，差速机构连接控制系统，控制系统连接牵引电机，控制系统连接至轴饱和检测机构，牵引电机连接至相应的车轮。
轴饱和检测机构由左前轮转矩观测器、左后轮转矩观测器、右前轮转矩观测器、右后轮转矩观测器和加权平均计算单元构成；左前轮转矩观测器、左后轮转矩观测器、右前轮转矩观测器和右后轮转矩观测器均连接至加权平均计算单元；左前轮转矩观测器连接左前轮牵引电机及其控制系统，左后轮转矩观测器连接左后轮牵引电机及其控制系统，右前轮转矩观测器连接右前轮牵引电机及其控制系统，右后轮转矩观测器连接右后轮牵引电机及其控制系统。
轴饱和补偿机构由补偿控制器和模拟电机模型和数值转化单元构成；差速机构与补偿控制器连接，补偿控制器一方面与轴饱和检测机构连接，另一方面与模拟电机模型连接，模拟电机模型连接数值转化单元，数值转化单元与差速机构和连接，轴饱和补偿机构的补偿控制器与驾驶员操纵机构连接。
利用上述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统所实施的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：利用车轮牵引电机的电压、电流值检测电磁转矩信息，当路面与某个轮胎相互作用力过大，将产生轴饱和时，车轮牵引电机的电磁转矩Te会随之增加，此时，利用轴饱和检测机构中的四个转矩观测器动态观测四个车轮牵引电机的电磁转矩，由轴饱和补偿机构生成补偿值，调节差速机构的车速给定，通过差速机构同时调整四轮转矩，将任意轮产生的动态扰动平均分配至四个车轮牵引电机，进行多电机的动态协同控制，实时纠正驾驶路径，提高车辆的操纵稳定性，控制车辆的姿态。
本发明的具体方法如下：
①、差速计算：根据驾驶员操纵机构给出的车速和转向角两个驾驶指令，利用差速机构计算出左前、左后、右前和右后四个牵引电机各自的转速给定，，，；
②、利用四轮电机牵引控制系统，采用直接转矩控制算法控制四轮牵引电机的转速，使其分别跟踪各自的给定，，，；
③、轴饱和检测: 利用左前轮转矩观测器、左后轮转矩观测器、右前轮转矩观测器和右后轮转矩观测器分别观测出四轮牵引电机的转矩值Te1，Te2，Te3，Te4，这四个转矩观测值可表征出四个车轮的轴饱和情况，
再利用加权平均计算单元进行加权平均后，再乘一个平衡参数计算出补偿值Tf；
④、利用轴饱和补偿控制器引入四轮加权平均负荷Tf，通过模拟电机模型将某个引起轴饱和的过大转矩扰动通过差速机构平均补偿到四轮电机驱动系统中，平衡四个牵引电机的动态偏差，实现四轮牵引电机的动态协同控制，补偿值的整定靠数值转化单元的系数来调节。
优点及效果：本发明提供一种四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统及控制方法。车辆行驶过程中，当四轮牵引电机中的某一个由于牵引力需求超过电机可能提供的最大转矩，就会形成轴饱和现象，造成四轮转矩失衡，车辆姿态偏离驾驶指令。
本发明针对四轮全驱电动汽车电机独立驱动的特点，将任一牵引电机过大的动态扰动平均到四轮电机驱动系统，动态平衡了四轮转速误差，避免车辆行驶轨迹大幅偏离驾驶指令，提高车辆对行驶指令的跟踪能力。
附图说明：
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明的轴饱和检测机构示意框图；
图3为本发明的轴饱和补偿机构示意框图。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明涉及一种四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，该系统包括驾驶员操纵机构1、差速机构2、四套牵引电机及其控制系统、轴饱和检测机构7和轴饱和补偿机构8；驾驶员操纵机构1一方面连接至差速机构2，另一方面连接至轴饱和补偿机构8；差速机构2连接至四套牵引电机及其控制系统，其中四套牵引电机及其控制系统中的四套牵引电机分别驱动四个车轮，四套牵引电机及其控制系统连接至轴饱和检测机构7，轴饱和检测机构7连接到轴饱和补偿机构8，轴饱和补偿机构8连接回差速机构2。
四套牵引电机及其控制系统分别为左前轮牵引电机及其控制系统3、右前轮牵引电机及其控制系统4、左后轮牵引电机及其控制系统5和右后轮牵引电机及其控制系统6；左前轮牵引电机及其控制系统3、右前轮牵引电机及其控制系统4、左后轮牵引电机及其控制系统5和右后轮牵引电机及其控制系统6分别与差速机构2和轴饱和检测机构7连接；每套牵引电机及其控制系统均包括牵引电机和控制系统，差速机构2连接控制系统，控制系统连接牵引电机，控制系统连接至轴饱和检测机构7，牵引电机连接至相应的车轮。
如图2所示，轴饱和检测机构7由左前轮转矩观测器9、左后轮转矩观测器10、右前轮转矩观测器11、右后轮转矩观测器12和加权平均计算单元13构成；左前轮转矩观测器9、左后轮转矩观测器10、右前轮转矩观测器11和右后轮转矩观测器12均连接至加权平均计算单元13；左前轮转矩观测器9连接左前轮牵引电机及其控制系统3，左后轮转矩观测器10连接左后轮牵引电机及其控制系统5，右前轮转矩观测器11连接右前轮牵引电机及其控制系统4，右后轮转矩观测器12连接右后轮牵引电机及其控制系统6。
如图3所示，轴饱和补偿机构8由补偿控制器14和模拟电机模型15和数值转化单元16构成；差速机构2与补偿控制器14连接，补偿控制器14一方面与轴饱和检测机构7连接，另一方面与模拟电机模型15连接，模拟电机模型15连接数值转化单元16，数值转化单元16与差速机构2和连接，轴饱和补偿机构8的补偿控制器14与驾驶员操纵机构1连接。。
另外，本申请还提供一种利用上述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统所实施的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制方法，在车辆行驶过程中，四轮牵引电机中的某一个由于牵引力需求超过电机可能提供的最大转矩而形成轴饱和现象，该轮实际转矩低于要求值，造成该轮转速不足，进而产生四轮转矩失衡，车辆姿态偏离驾驶指令。
该四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制方法的步骤如下：利用车轮牵引电机的电压、电流值检测电磁转矩信息，当路面与某个轮胎作用产生的负载过大，将产生轴饱和时，车轮牵引电机的电磁转矩Te会随之增加，此时，利用轴饱和检测机构7中的四个转矩观测器动态观测四个车轮牵引电机的电磁转矩，生成补偿值调节差速机构2的车速给定，同时调整四轮转矩，将任意轮产生的动态扰动进行平均分配至四个车轮牵引电机，进行多电机的动态协同控制，实时纠正驾驶路径，提高车辆的操纵稳定性，控制车辆的姿态。
具体的说该方法步骤如下：
①、差速计算：根据驾驶员操纵机构1给出的车速和转向角两个驾驶指令，利用差速机构2计算出左前、左后、右前和右后四个牵引电机各自的转速给定，，，；
②、利用四轮电机牵引控制系统采用直接转矩控制算法控制四轮牵引电机的转速，使其分别跟踪各自的给定，，，；
③、轴饱和检测: 利用左前轮转矩观测器9、左后轮转矩观测器10、右前轮转矩观测器11和右后轮转矩观测器12分别观测出四轮牵引电机的转矩值Te1，Te2，Te3，Te4，这四个转矩观测值可表征出四个车轮的轴饱和情况，
再利用加权平均计算单元13进行加权平均后，再乘一个平衡参数计算出补偿值Tf；
④、利用轴饱和补偿控制器14引入四轮加权平均负荷Tf，通过模拟电机模型15将某个引起轴饱和的过大转矩扰动通过差速机构2平均补偿到四轮电机驱动系统中，平衡四个牵引电机的动态偏差，实现四轮牵引电机的动态协同控制，补偿值的整定靠数值转化单元16的系数来调节。
本发明很好的解决了以往的控制方法中所存在问题，其效果明显，利于推广应用。
Claims (6)
1.一种四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，其特征在于：该系统包括驾驶员操纵机构(1)、差速机构(2)、四套牵引电机及其控制系统、轴饱和检测机构(7)和轴饱和补偿机构(8)；驾驶员操纵机构(1)一方面连接至差速机构(2)，另一方面连接至轴饱和补偿机构(8)；差速机构(2)连接至四套牵引电机及其控制系统，其中四套牵引电机及其控制系统中的四套牵引电机分别驱动四个车轮，四套牵引电机及其控制系统连接至轴饱和检测机构(7)，轴饱和检测机构(7)连接到轴饱和补偿机构(8)，轴饱和补偿机构(8)连接回差速机构(2)。
2.根据权利要求1所述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，其特征在于：四套牵引电机及其控制系统分别为左前轮牵引电机及其控制系统(3)、右前轮牵引电机及其控制系统(4)、左后轮牵引电机及其控制系统(5)和右后轮牵引电机及其控制系统(6)；左前轮牵引电机及其控制系统(3)、右前轮牵引电机及其控制系统(4)、左后轮牵引电机及其控制系统(5)和右后轮牵引电机及其控制系统(6)分别与差速机构(2)和轴饱和检测机构(7)连接；每套牵引电机及其控制系统均包括牵引电机和控制系统，差速机构(2)连接控制系统，控制系统连接牵引电机，控制系统连接至轴饱和检测机构(7)，牵引电机连接至相应的车轮。
3.根据权利要求2所述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，其特征在于：轴饱和检测机构(7)由左前轮转矩观测器(9)、左后轮转矩观测器(10)、右前轮转矩观测器(11)、右后轮转矩观测器(12)和加权平均计算单元(13)构成；左前轮转矩观测器(9)、左后轮转矩观测器(10)、右前轮转矩观测器(11)和右后轮转矩观测器(12)均连接至加权平均计算单元(13)；左前轮转矩观测器(9)连接左前轮牵引电机及其控制系统(3)，左后轮转矩观测器(10)连接左后轮牵引电机及其控制系统(5)，右前轮转矩观测器(11)连接右前轮牵引电机及其控制系统(4)，右后轮转矩观测器(12)连接右后轮牵引电机及其控制系统(6)。
4.根据权利要求1所述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统，其特征在于：轴饱和补偿机构(8)由补偿控制器(14)和模拟电机模型(15)和数值转化单元(16)构成；差速机构(2)与补偿控制器(14)连接，补偿控制器(14)一方面与轴饱和检测机构(7)连接，另一方面与模拟电机模型(15)连接，模拟电机模型(15)连接数值转化单元(16)，数值转化单元(16)与差速机构(2)连接，轴饱和补偿机构(8)的补偿控制器(14)与驾驶员操纵机构(1)连接。
5.利用权利要求4所述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制系统所实施的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：利用车轮牵引电机的电压、电流值检测电磁转矩信息，当路面与某个轮胎相互作用力过大，将产生轴饱和时，车轮牵引电机的电磁转矩Te会随之增加，此时，利用轴饱和检测机构(7)中的四个转矩观测器动态观测四个车轮牵引电机的电磁转矩，由轴饱和补偿机构生成补偿值，调节差速机构(2)的车速给定，通过差速机构同时调整四轮转矩，将任意轮产生的动态扰动平均分配至四个车轮牵引电机，进行多电机的动态协同控制，实时纠正驾驶路径，提高车辆的操纵稳定性，控制车辆的姿态。
6.根据权利要求5所述的四轮全驱电动汽车轴饱和补偿姿态控制方法，其特征在于：具体方法如下：
①、差速计算：根据驾驶员操纵机构(1)给出的车速和转向角两个驾驶指令，利用差速机构(2)计算出左前、左后、右前和右后四个牵引电机各自的转速给定
②、利用四轮电机牵引控制系统，采用直接转矩控制算法控制四轮牵引电机的转速，使其分别跟踪各自的给定
③、轴饱和检测:利用左前轮转矩观测器(9)、左后轮转矩观测器(10)、右前轮转矩观测器(11)和右后轮转矩观测器(12)分别观测出四轮牵引电机的转矩值Te1，Te2，Te3，Te4，这四个转矩观测值可表征出四个车轮的轴饱和情况，再利用加权平均计算单元(13)进行加权平均后，再乘一个平衡参数计算出补偿值Tf；
④、利用轴饱和补偿控制器(14)引入四轮加权平均负荷Tf，通过模拟电机模型(15)将某个引起轴饱和的过大转矩扰动通过差速机构(2)平均补偿到四轮电机驱动系统中，平衡四个牵引电机的动态偏差，实现四轮牵引电机的动态协同控制，补偿值的整定靠数值转化单元(16)的系数来调节。
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