一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种分布式驱动电动汽车电子差速控制系统。本系统包括加速踏板、方向盘、车速估计器、信号预处理器、电子差速控制器、电机控制器、轮速传感器、驱动电机。本系统的信号预处理器根据车辆结构参数和加速踏板行程、方向盘转角、车速估计器估计的车速计算期望驱动转矩、临界车速。电子差速控制器根据期望驱动转矩、临界车速、车轮轮速信号，基于多模式电子差速控制策略向电机控制器发送转矩控制目标信号，由电机控制器对驱动电机进行直接转矩控制，实现四个车轮的转矩协调控制。本发明专利技术公开的多模式电子差速控制系统具有控制策略简单、适合车速范围宽的优点，能保证车辆转向行驶时车轮与地面间保持纯滚动状态，避免轮胎过快磨损。

A multi-mode electronic differential speed control system for distributed drive electric vehicles

The invention relates to a distributed drive electronic differential speed control system for electric vehicles. The system includes acceleration pedal, steering wheel, speed estimator, signal pre processor, electronic differential controller, motor controller, wheel speed sensor and drive motor. The signal pre processor calculates the expected driving torque and critical speed according to the vehicle structure parameters, the acceleration pedal travel, the steering wheel angle and the speed estimated by the vehicle speed estimator. Electronic differential controller according to the driving torque, critical speed, expectations of wheel speed signal based on multi mode control strategy of electronic differential speed control signal to the motor controller sends the torque of driving motor for direct torque controlled by the motor controller, realize the coordinated control of torque of the four wheels. The invention discloses a multi-mode electronic differential control system has the advantages of simple control strategy, suitable for a wide range of speed, can ensure the vehicle steering wheel and the ground keeps rolling state, avoid excessive tire wear.

【技术实现步骤摘要】
一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统
本专利技术涉及一种电动汽车动力学控制系统，尤其涉及一种分布式驱动电动汽车的转向动力学控制系统。
技术介绍
节能、环保和安全已成为现代汽车发展的主题，为了解决汽车保有量增加所带来的能源危机和环境污染，新能源汽车的研发成为各国研究的焦点之一。纯电动汽车是全部由电能驱动电机作为动力系统的汽车，因其零排放、结构简单、效率高、技术相对成熟的优点，已成为新能源汽车的重要发展形式。如果电动汽车采用四轮独立驱动形式，不仅可以省略传统汽车所需的机械传动装置，使驱动系统和整车结构简洁、紧凑，提高传动效率而降低能源消耗，而且每个车轮通过电机独立驱动，能够实现快速驱动力和制动力的控制，增强行驶稳定性和通过性。鉴于以上原因，分布式驱动电动汽车是电动汽车研究领域的热点之一。分布式驱动电动汽车包括电机安装于轮毂的轮毂电机驱动电动汽车，以及电机安装于车身，通过驱动轴连接轮毂的轮边电机驱动电动汽车。由于分布式驱动电动汽车没有机械式差速器，而每个车轮能独立产生驱动转矩，不协调的驱动转矩可能会导致轮胎过快磨损和车辆横向失稳。如何有效地实现车辆转向时的差速控制，是分布式驱动电动汽车研究的重点和难点。目前关于差速控制的方案主要包括两个方面：一是设计具有自适应差速功能的特殊电机驱动系统；二是应用各种电子差速控制策略实时调节电机转速或转矩。具有自适应差速功能的驱动电机由一个定子和两个转子组成，其差速原理与机械式差速器类似。该类型电机通过控制两个转子的相对转速，获得由两个转子转速相加或相减的最终转速。由于两个转子的输出转矩和旋转方向相反，因此需安装其他机械装置实现换向和减速，使得差速控制系统的算法和结构变得复杂，难以充分发挥分布式驱动电动汽车车轮独立驱动的优势。另一种方案是将同轴两个电机的驱动电路串联在一起，在车辆转向时自动调整内外侧车轮转速，不需要专门的差速控制单元。在此基础上，还可借助控制器实现变工况和变路况下的差速控制。但这种将电机串联的差速控制方案的原理同样类似于机械式差速器，内外侧车轮输出转矩相同，而且要求两个电机性能一致，转向时的路面阻力一致，且无侧滑。这些条件在车辆实际行驶过程中很难保证。更重要的是，如果内外侧车轮输出转矩一致，则无法通过调整内外侧车轮转矩实现助力转向和横向稳定性控制。电子差速控制的实质是对同轴内外侧两个车轮的转速进行控制，避免内侧车轮因拖滑而过快磨损。常用方法中，基于阿克曼转向模型的电子差速控制方法需要计算4个车轮的目标转速，然后通过电机转速控制方法实现电子差速控制。但是，基于阿克曼转向模型的电子差速控制方法没有考虑轮胎的纵向滑移率，只能在低速时有效。而且这种控制方法限制了运动自由度，如果行驶过程中出现控制误差，易产生车轮滑转的不稳定现象。因此，基于转矩的差速控制成为研究重点。基于转矩的控制策略不会对两侧驱动轮的运动自由度产生限制，车辆转向时对于外界环境复杂性所导致的矛盾不再突出，有利于对车轮纵向滑移率进行控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能适应车速范围宽和复杂行驶工况的分布式驱动电动汽车电子差速控制系统，该系统利用简单的控制系统结构，采取多模式控制策略实现4个驱动电机的转矩控制，避免轮胎纵向滑转，减小轮胎磨损。本专利技术为分布式驱动电动汽车差速控制提供一种结构简单、适应车速范围宽、控制实时性高的技术方案。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是提供了一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统，该系统包括加速踏板、方向盘、车速估计器、信号预处理器、电子差速控制器、电机控制器、轮速传感器、驱动电机，其特征在于：分布式驱动电动汽车的4个车轮由4个独立的驱动电机直接驱动；4个驱动电机分别与4个电机控制器相连并受其控制；信号预处理器接收加速踏板的行程信号、方向盘的转角信号，以及来自于车速估计器的车速信号，计算出期望驱动转矩和临界车速；电子差速控制器接收信号预处理器的期望驱动转矩、临界车速，以及4个轮速传感器的车轮轮速信号，根据转向行驶工况计算每个车轮的驱动转矩；电子差速控制器与4个电机控制器相连；电子差速控制器向4个电机控制器发送转矩控制目标信号。进一步地，信号预处理器计算期望驱动转矩和临界车速的公式为Td=Rw(Fair+Fw+Fa+Fi)Vc=0.5sqrt(g/hs/sinδ)tw其中Td为期望驱动转矩，用于克服行驶阻力和实现车辆加速和爬坡，Fair为空气阻力，Fw为车轮滚动阻力，Fa为加速阻力，Fi为爬坡阻力，Vc为临界车速，sqrt()为求算术平方根的函数，tw为车辆轮距，g为重力加速度，hs为车辆重心高度，δ为前轮转角，等于方向盘转角乘以转向系统传动比isw。进一步地，电子差速控制器采用的多模式电子差速控制策略为1）模式1，当车速小于临界车速Vc时，车辆通过前轴两轮驱动，前轴承担车辆的期望驱动转矩，需要输出的驱动转矩Tm_f为Tm_f=Td分配给前轴内外侧车轮的驱动转矩分别为Tin_f=Tm_f/2-△TfTout_f=Tm_f/2+△Tf其中Tin_f和Tout_f分别表示前轴内外侧车轮的驱动转矩，后轴内外侧车轮不输出驱动转矩；△Tf为前轴内外侧车轮的驱动转矩差，计算公式为△Tf=Tm_f(1-KT_f)/(1+KT_f)其中KT_f为前轴内外侧车轮的驱动转矩比，计算公式为KT_f=(0.5lrtwg/hs-v2sinδ)/(0.5lrtwg/hs+v2sinδ)其中v为车速，lr为车辆质心到后轴的距离；2）模式2，当车辆采用模式1进行电子差速控制时，如果外侧车轮发生纵向滑转，车辆驱动模式由两轮驱动模式切换至四轮驱动模式；四轮驱动模式下，前后轴的驱动转矩采用等值分配法，前后轴需要输出的驱动转矩Tm_f和Tm_r为Tm_f=Tm_r=Td/2前轴内外侧车轮的驱动转矩分配方法如模式1；分配给后轴内外侧车轮的驱动转矩分别为Tin_r=Tm_r/2-△TrTout_r=Tm_r/2+△Tr其中Tin_r和Tout_r分别表示后轴内外侧车轮的驱动转矩；后轴内外侧车轮的转矩差和转矩比的计算公式分别为△Tr=Tm_r(1-KT_r)/(1+KT_r)KT_r=(0.5lftwg/hs-v2sinδ)/(0.5lftwg/hs+v2sinδ)其中lf为车辆质心到前轴的距离；3）模式3，当车速大于临界车速Vc时，由对角线上的外侧前轮和内侧后轮驱动车辆行驶，且每个车轮输出的转矩为期望驱动转矩的一半，即Tin_r=Tout_f=Td/2模式3时，对角线上的内侧前轮和外侧后轮不输出转矩。进一步地，本专利技术还提出一种分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统制进行差速控制的方法，其特征在于：首先，信号预处理器根据加速踏板的行程信号和方向盘的转角信号，结合车速估计器估计的车速，计算出期望驱动转矩和临界车速；然后，电子差速控制器根据车速、期望驱动转矩和4个轮速传感器的轮速信号，参考临界车速确定差速控制模式和计算4个车轮的驱动转矩，并将驱动转矩作为目标转矩信号输出给电机控制器；最后，电机控制器根据目标转矩信号，对与之相连的驱动电机采用直接转矩控制方法进行电机驱动控制。本专利技术具有以下优点：（1）参考临界车速的多模式电子差速控制策略，适合行驶工况广、车速范围宽；（2）基于转矩的控制目标，不会对本文档来自技高网...

【技术保护点】
分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统包括加速踏板、方向盘、车速估计器、信号预处理器、电子差速控制器、电机控制器、轮速传感器、驱动电机，其特征在于：分布式驱动电动汽车的4个车轮由4个独立的驱动电机（81，82，83，84）直接驱动；4个驱动电机（81，82，83，84）分别与4个电机控制器（61，62，63，64）相连并受其控制；信号预处理器（40）接收加速踏板（10）的行程信号、方向盘（20）的转角信号，以及来自于车速估计器（30）的车速信号，计算出期望驱动转矩和临界车速；电子差速控制器（50）接收信号预处理器（40）的期望驱动转矩、临界车速，以及4个轮速传感器（71、72、73、74）的车轮轮速信号，根据转向行驶工况计算每个车轮的驱动转矩；电子差速控制器（50）与4个电机控制器（61，62，63，64）相连；电子差速控制器（50）向4个电机控制器（61，62，63，64）发送转矩控制目标信号。

【技术特征摘要】
1.分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统包括加速踏板、方向盘、车速估计器、信号预处理器、电子差速控制器、电机控制器、轮速传感器、驱动电机，其特征在于：分布式驱动电动汽车的4个车轮由4个独立的驱动电机（81，82，83，84）直接驱动；4个驱动电机（81，82，83，84）分别与4个电机控制器（61，62，63，64）相连并受其控制；信号预处理器（40）接收加速踏板（10）的行程信号、方向盘（20）的转角信号，以及来自于车速估计器（30）的车速信号，计算出期望驱动转矩和临界车速；电子差速控制器（50）接收信号预处理器（40）的期望驱动转矩、临界车速，以及4个轮速传感器（71、72、73、74）的车轮轮速信号，根据转向行驶工况计算每个车轮的驱动转矩；电子差速控制器（50）与4个电机控制器（61，62，63，64）相连；电子差速控制器（50）向4个电机控制器（61，62，63，64）发送转矩控制目标信号。2.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统，其特征在于：信号预处理器（40）计算期望驱动转矩和临界车速的公式为Td=Rw(Fair+Fw+Fa+Fi)Vc=0.5sqrt(g/hs/sinδ)tw其中Td为期望驱动转矩，用于克服行驶阻力和实现车辆加速和爬坡，Fair为空气阻力，Fw为车轮滚动阻力，Fa为加速阻力，Fi为爬坡阻力，Vc为临界车速，sqrt()为求算术平方根的函数，tw为车辆轮距，g为重力加速度，hs为车辆重心高度，δ为前轮转角，等于方向盘转角乘以转向系统传动比isw。3.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车多模式电子差速控制系统，其特征在于：电子差速控制器（50）采用的多模式电子差速控制策略为1）模式1，当车速小于临界车速Vc时，车辆通过前轴两轮驱动，前轴承担车辆的期望驱动转矩，需要输出的驱动转矩Tm_f为Tm_f=Td分配给前轴内外侧车轮的驱动转矩分别为Tin_f=Tm_f/2-△TfTout_f=Tm_f/2+△Tf其中Tin_f和To...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志勇，王东涛，黄彩霞，尹来容，吴刚，张健，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43