一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法，属于车辆线控转向系统技术领域。该方法包括如下步骤：（1）建立整车模型和双电机线控转向系统模型；（2）根据步骤（1）建立的模型，推导车辆两个转向电机的总需求转矩和转速公式；（3）建立双电机总消耗功率模型和总损耗功率模型，基于电机效率模型，结合功率损耗分析研究转矩分配问题；（4）在双电机转矩转速和优化变量取值范围的约束条件下，建立双电机线控转向系统多目标能量优化模型；（5）根据双电机线控转向系统多目标能量优化模型，采用模拟退火算法根据电机map图优化出最优转矩分配系数，使得电机总功率最低。本发明专利技术提高系统的总体能量利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法
本专利技术涉及一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法，属于车辆线控转向系统

技术介绍
随着车辆智能化程度越来越高，车辆上各模块逐渐趋于线控化设计，其中线控转向是当前人们研究的一个热点。在线控转向系统中，转向电机是转向的唯一来源，目前线控转向系统大多只有一套转向执行电机，一旦其出现故障，电子系统的安全可靠性很难保证，因此，为了预防单转向执行电机失效引起系统失效的问题，双电机结构被引入线控转向系统。另外，冗余电机的引入虽然保证了转向电机的容错性，但也会改变转向系统的能耗。当转向系统配备单一电机时，能量消耗仅受转向条件的影响。然而，主电机和辅助电机的双电机结构为能量优化提供了条件，其中能量消耗会受到功率分配和外部转向条件的影响。通过主辅电机之间的功率分配，双电机可以根据在不同的转向负荷情况下，选择在最佳工作点上工作。虽然转向电机的能耗不如驱动电机，但考虑到转向是频繁的驱动行为，机械连接的缺失使转向电机独立承担转向负荷，持续的转向行为也会导致很高的转向能耗。在考虑电机正常转向条件下的工作状态时，研究人员忽略了能耗变化引起的双电机协调问题，这在国内外都很少被提及，如何减少双电机线控转向系统的能耗是一个值得研究的问题。现有的双电机线控转向系统能量优化方法，通常根据双电机的总需求转矩和转速建立约束条件，以双电机的输出功率为优化目标，对转矩分配系数进行优化。例如，中国专利申请号为CN201910962540.0中公开了一种在总需求转矩和转速下，以双电机总效率最大为优化目标，从而实现电机间能量优化分配的线控双电机耦合转向系统的能量优化方法；中国专利申请号为CN202010372060.1中公开了一种采用粒子群算法，以双电机总消耗功率最小为优化目标，从而实现电机间能量优化分配的双电机耦合驱动线控转向系统及其能量优化方法；但是上述双电机能量优化方法的优化目标比较单一，只考虑了电机工作时的输出功率，没有考虑电机实际工作中损耗功率的影响，优化出的结果准确性有待加强。
技术实现思路
针对于上述
技术介绍
中涉及的缺陷，本专利技术提出了一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法，以克服现有技术中存在的转向系统可靠安全性低、能量优化目标单一、能量利用率低的问题。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种双电机线控转向系统，包括方向盘模块、转向执行模块、ECU模块、信号采集模块、变传动比模块、车辆理想状态计算模块、需求转矩转速计算模块以及转矩分配系数优化模块，其中：所述方向盘模块和转向执行模块分别与信号采集模块连接，信号采集模块分别与变传动比模块和车辆理想状态计算模块连接，变传动比模块和车辆理想状态计算模块分别与需求转矩转速计算模块连接，需求转矩转速计算模块、转矩分配系数优化模块和ECU模块顺序连接；所述信号采集模块将获取的转向盘转角信号、转向盘转角微分信号、车速信号进行滤波降噪，并将其传递给变传动比模块；所述变传动比模块根据信号采集模块传递来的信号计算出车辆的变传动比信号，并将其传递给需求转矩转速计算模块；所述车辆理想状态计算模块根据信号采集模块传递来的信号计算出车辆的理想横摆角速度和理想质心侧偏角，并将其传递给需求转矩转速计算模块；所述需求转矩转速计算模块根据变传动比模块和车辆理想状态计算模块传来的变传动比信号、理想横摆角速度和理想质心侧偏角计算出两个转向电机的需求转速和两者的需求总转矩，并将其传递给转矩分配系数优化模块；所述转矩分配系数优化模块根据需求转矩转速计算模块传来的两个转向电机的需求转速和总需求转矩信号，采用模拟退火算法对转矩分配系数进行优化，并将得到的最优转矩分配系数传递给ECU控制模块；所述ECU控制模块根据转矩分配系数优化模块传来的最优转矩分配系数信号控制两个转向电机输出相应大小的转矩，从而将输出的转矩经齿轮齿条转向器、转向横拉杆共同驱动车轮完成车辆转向。一种双电机线控转向系统的多目标能量优化方法，包括步骤如下：(1)建立整车模型和双电机线控转向系统模型，包括信号采集模块、变传动比模块和车辆理想状态计算模块；(2)根据步骤(1)建立的模型，推导车辆两个转向电机的总需求转矩和转速公式；(3)建立双电机总消耗功率模型和总损耗功率模型，基于电机效率模型，结合功率损耗分析研究转矩分配问题；(4)在双电机转矩转速和优化变量取值范围的约束条件下，建立双电机线控转向系统多目标能量优化模型；(5)根据双电机线控转向系统多目标能量优化模型，采用模拟退火算法根据电机外特性曲线图优化出最优转矩分配系数，使得电机总功率最低。所述步骤(1)中所述整车模型和双电机线控转向系统模型如下：步骤1.1),构建双电机线控转向系统，包括采集单元、方向盘模块和转向执行模块；步骤1.2),在车辆行驶过程中，通过采集单元实时采集方向盘转角信号θsw，实际横摆角速度信号ωr，实际质心侧偏角β，车速u，转向电机的转矩信号和转向电机的转速信号；步骤1.3),以车辆质心为原点，建立车辆的二自由度模型；步骤1.4),根据整车二自由度模型，计算车辆进入稳态时的理想横摆角速度和质心侧偏角：式中，ωr*为理想横摆角速度，β*为理想质心侧偏角；m为整车质量；k1,k2分别为前后轮胎的侧偏刚度；a,b为质心到前后轴的距离；δf为前轮转角；步骤1.5),建立线控转向变传动比模型：式中，i为转向系统传动比；Ks为横摆角速度增益，是一个0.12-0.371/s的参数，L是轴距，Ku是稳定性因数；建立转向阻力矩模型：式中，Tmax为车辆的原地阻力矩；Tmmax为电机的最大输出转矩；Z为转向轴上的载荷；P为轮胎的气体压力；f为轮胎和地面的滑动摩擦因素；η为减速器的效率；G1,G2分别为电机减速器和转向器的传动比。所述步骤(2)中所述推导两个转向电机的总需求转矩和转速公式如下：步骤2.1),根据理想横摆角速度、质心侧偏角、变传动比模型推导车辆转向的总需求转矩Treq：式中，tp,tm是轮胎拖距和主销偏移量；δf为前轮转角。步骤2.2),根据转向盘转速信号计算两个转向电机的需求转速：ω＝ωswG1式中，ω为转向电机的需求转速，ωsw为转向盘转速。步骤(3)所述建立双电机总消耗功率模型和总损耗功率模型的具体过程包括以下步骤，以下将两个电机称之为主电机和辅电机：步骤3.1),定义转矩分配系数k为：Treq＝Tm1+Tm2其中，Tm1是主电机的输出转矩，Tm2是辅电机的输出转矩，Treq是双电机的总需求转矩；步骤3.2),建立双电机总消耗功率模型：式中，ωm1和ωm2是主辅电机的转速；η1(Tm1,ωm1)是输出转矩为Tm1、转速为ωm1时主电机的效率，η2(Tm2,ωm2)是输出转矩为Tm2、转速为ωm2时辅电机的效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双电机线控转向系统，其特征在于，包括方向盘模块、转向执行模块、ECU模块、信号采集模块、变传动比模块、车辆理想状态计算模块、需求转矩转速计算模块以及转矩分配系数优化模块，其中：所述方向盘模块和转向执行模块分别与信号采集模块连接，信号采集模块分别与变传动比模块和车辆理想状态计算模块连接，变传动比模块和车辆理想状态计算模块分别与需求转矩转速计算模块连接，需求转矩转速计算模块、转矩分配系数优化模块和ECU模块顺序连接；/n所述信号采集模块将获取的转向盘转角信号、转向盘转角微分信号、车速信号进行滤波降噪，并将其传递给变传动比模块；/n所述变传动比模块根据信号采集模块传递来的信号计算出车辆的变传动比信号，并将其传递给需求转矩转速计算模块；/n所述车辆理想状态计算模块根据信号采集模块传递来的信号计算出车辆的理想横摆角速度和理想质心侧偏角，并将其传递给需求转矩转速计算模块；/n所述需求转矩转速计算模块根据变传动比模块和车辆理想状态计算模块传来的变传动比信号、理想横摆角速度和理想质心侧偏角计算出两个转向电机的需求转速和两者的需求总转矩，并将其传递给转矩分配系数优化模块；/n所述转矩分配系数优化模块根据需求转矩转速计算模块传来的两个转向电机的需求转速和总需求转矩信号，采用模拟退火算法对转矩分配系数进行优化，并将得到的最优转矩分配系数传递给ECU控制模块；/n所述ECU控制模块根据转矩分配系数优化模块传来的最优转矩分配系数信号控制两个转向电机输出相应大小的转矩，从而将输出的转矩经齿轮齿条转向器、转向横拉杆共同驱动车轮完成车辆转向。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双电机线控转向系统，其特征在于，包括方向盘模块、转向执行模块、ECU模块、信号采集模块、变传动比模块、车辆理想状态计算模块、需求转矩转速计算模块以及转矩分配系数优化模块，其中：所述方向盘模块和转向执行模块分别与信号采集模块连接，信号采集模块分别与变传动比模块和车辆理想状态计算模块连接，变传动比模块和车辆理想状态计算模块分别与需求转矩转速计算模块连接，需求转矩转速计算模块、转矩分配系数优化模块和ECU模块顺序连接；
所述信号采集模块将获取的转向盘转角信号、转向盘转角微分信号、车速信号进行滤波降噪，并将其传递给变传动比模块；
所述变传动比模块根据信号采集模块传递来的信号计算出车辆的变传动比信号，并将其传递给需求转矩转速计算模块；
所述车辆理想状态计算模块根据信号采集模块传递来的信号计算出车辆的理想横摆角速度和理想质心侧偏角，并将其传递给需求转矩转速计算模块；
所述需求转矩转速计算模块根据变传动比模块和车辆理想状态计算模块传来的变传动比信号、理想横摆角速度和理想质心侧偏角计算出两个转向电机的需求转速和两者的需求总转矩，并将其传递给转矩分配系数优化模块；
所述转矩分配系数优化模块根据需求转矩转速计算模块传来的两个转向电机的需求转速和总需求转矩信号，采用模拟退火算法对转矩分配系数进行优化，并将得到的最优转矩分配系数传递给ECU控制模块；
所述ECU控制模块根据转矩分配系数优化模块传来的最优转矩分配系数信号控制两个转向电机输出相应大小的转矩，从而将输出的转矩经齿轮齿条转向器、转向横拉杆共同驱动车轮完成车辆转向。


2.根据权利要求1所述的一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)建立整车模型和双电机线控转向系统模型，包括信号采集模块、变传动比模块和车辆理想状态计算模块；
(2)根据步骤(1)建立的模型，推导车辆两个转向电机的总需求转矩和转速公式；
(3)建立双电机总消耗功率模型和总损耗功率模型，基于电机效率模型，结合功率损耗分析研究转矩分配问题；
(4)在双电机转矩转速和优化变量取值范围的约束条件下，建立双电机线控转向系统多目标能量优化模型；
(5)根据双电机线控转向系统多目标能量优化模型，采用模拟退火算法根据电机外特性曲线图优化出最优转矩分配系数，使得电机总功率最低。


3.根据权利要求2所述的一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述整车模型和双电机线控转向系统模型如下：
步骤1.1),构建双电机线控转向系统，包括采集单元、方向盘模块和转向执行模块；
步骤1.2),在车辆行驶过程中，通过采集单元实时采集方向盘转角信号θsw，实际横摆角速度信号ωr，实际质心侧偏角β，车速u，转向电机的转矩信号和转向电机的转速信号；
步骤1.3),以车辆质心为原点，建立车辆的二自由度模型；
步骤1.4),根据整车二自由度模型，计算车辆进入稳态时的理想横摆角速度和质心侧偏角：



式中，ωr*为理想横摆角速度，β*为理想质心侧偏角；m为整车质量；k1,k2分别为前后轮胎的侧偏刚度；a,b为质心到前后轴的距离；δf为前轮转角；
步骤1.5),建立线控转向变传动比模型：



式中，i为转向系统传动比；Ks为横摆角速度增益，L是轴距，Ku是稳定性因数；
建立转向阻力矩模型：



式中，Tmax为车辆的原地阻力矩；Tmmax为电机的最大输出转矩；Z为转向轴上的载荷；P为轮胎的气体压力；f为轮胎和地面的滑动摩擦因素；η为减速器的效率；G1,G2分别为电机减速器和转向器的传动比。


4.根据权利要求3所述的一种双电机线控转向系统及其多目标能量优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述推导两个转向电机的总需求转矩和转速公式如下：
步骤2.1),根据理想横摆角速度、质心侧偏角、变传动比模型推导车辆转向的总需求转矩Treq：



式中，tp,tm是轮胎拖距和主销偏移量；δf为前轮转角；
步骤2.2),根据转向盘转速信号计算两个转向电机的需求转速：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐坤豪，赵万忠，周小川，邹松春，周长志，高犇，郑双权，罗建，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32