一种轮驱电动汽车线控转向系统及控制方法与流程

本发明属于新能源电动汽车转向
技术领域：
，具体涉及一种轮驱电动汽车线控转向系统，本发明还涉及轮驱电动汽车线控转向控制方法。
背景技术：
电动汽车以电为动力能源，具有零排放、能量传递效率高等优点，其关键技术不断突破，正挑战着传统内燃机汽车的市场地位。轮驱及独立线控转向使得整车底盘空间利用效率和传动效率得到提高，为汽车的电动化、智能化、轻量化发展提供更广阔的空间。线控转向取消了传统转向系统复杂机械结构，各部分通过信号传输线连接，由转向盘总成、转向执行总成和中央控制器(electroniccontrolunit，ecu)三个主要部分等组成。目前针对线控转向架构大都采用单台转向电机通过齿轮、齿条控制同轴相连车轮进行转向，此设计结构较简单且转向轮同步工作，但轮间依靠机械传动，执行速度较迟缓，无法实现大角度独立转向且不符合线控转向发展趋势。或直接将转向执行总成集成于各转向轮内，可实现独立转向，增强驾驶机动性，但大大增加了汽车簧下质量，动态响应能力变差，不利于车辆稳定性行驶。线控转向完全摆脱了传统转向系各种制约，可采用多种控制策略和优化算法，使转角输入指令更合理精确，提升电动汽车操控稳定性，优化驾驶员路感，使驾驶过程人性化、智能化。变角传动比控制是线控转向最大特点之一，可以提升低速转向机动性和中高速转向时的操纵稳定性，实现低速转向更轻便灵敏，高速转向更稳重安全，防止转向过度。分布式驱动电动汽车前轮转角采用变角传动比控制，其控制方法包括：①参数拟合法，对驶状态参数拟合，建立车辆状态信息与角传动比的非线性函数关系。②以车辆行驶状态参数为控制变量智能控制法，如模糊控制、神经网络控制等。相较于第一种方法，该类方法无需建立很精确的模型，鲁棒性和动态响应特性更好。但控制复杂。③基于转向增益不变确定角传动比，该方法减少了汽车非线性特性对驾驶员的影响，提高了汽车操纵性和舒适性，设计较为简单实用。常用方法有：基于横摆角速度增益不变、基于侧向加速度增益不变。定横摆角速度增益确定的角传动比在高速会存在下降趋势，不满足在高速时转向盘灵敏度应适当降低的设计要求。定侧向加速度增益确定的角传动比会随车速一直增加且趋势较快，不能达到稳定状态。基于转向增益不变确定变角传动比，是一种稳态控制策略。但车辆在实际的行驶过程中工况复杂，以及路况、车况影响，使得转向盘的转角和汽车行驶状态之间不能够同步。主动转向控制根据车辆实时状态，确保操纵稳定性，主动对转向盘转角输入信号增大或减小，进行动态校正，是提高“人—车—路”闭环系统主动安全性的重要手段。目前常用方法采用单一车辆状态参数进行反馈，对车辆行驶状态描述不足，且在主动转向控制器的设计方面，都避开传统pid控制，采用自适应pid控制、模糊pi控制、滑模控制等现代智能控制。控制器设计十分复杂，且不符合车辆行驶过程安全可靠设计标准。技术实现要素：本发明的目的是提供一种轮驱电动汽车线控转向系统，解决了现有技术中存在的线控转向中车轮间转向执行机构机械耦合不具备独立转向功能、转向轮动态响应能力较差的问题。本发明的另一目的是提供一种轮驱电动汽车线控转向的控制方法。本发明所采用的第一技术方案是，一种轮驱电动汽车线控转向系统，包括依次连接的转向盘总成、ecu单元和转向执行总成三部分组成。本发明第一技术方案的特点还在于，转向盘总成具体结构为：包括转向盘，转向盘的轮毂内设有花键，轮毂通过花键与转向轴一端相同规格的花键嵌入固定，转向盘转动同步带动转向轴转动相同角度，转向轴上固定有转向盘转角传感器，转向盘转角传感器通过转接件固定在转向轴上，转向轴底部还设置有路感电机，路感电机转动进而带动转向轴转动将路感力矩传递给转向盘，转向盘转角传感器和路感电机均与ecu单元连接。转向执行总成包括四组结构相同的高性能伺服控制单元，每组高性能伺服控制单元的内部结构具体为：包括与ecu单元连接的伺服控制器，伺服控制器实时接受ecu单元发来的转角指令信号并控制对应的转向伺服电机进行转动，转向伺服电机和减速机一体相连，减速机与转向齿轮衔接固定，转向齿轮与齿条啮合，齿条嵌入两个滑块单元，滑块单元位于汽车底盘距车轮较近处设置的滑轨上。齿条经球头销a与横向拉杆相连，横向拉杆的另一端通过球头销b与固定在立柱转向节处的转向节臂连接，当转向伺服电机接受指令进行转动时带动齿条在滑轨上横向移动进而推动横向拉杆带动立柱发生角度变化，完成车轮转向。本发明所采用的第二技术方案是，一种轮驱电动汽车线控转向的控制方法，基于轮驱电动汽车线控转向系统，具体按照以下步骤实施：步骤1、构建理想二自由度车辆转向动力学模型，并建立车辆状态参数横摆角速度增益和侧向加速度增益同角传动比的关系；步骤2、设计合理的定横摆角度增益和定侧向加速度增益，确定不同车速下的角传动比；步骤3、设计车辆状态参数横摆角速度和质心侧偏角两者同时作为反馈量，构建基于pi控制的可靠稳定主动转向控制器，对转向盘转角输入信号进行修正，形成转向系统闭环控制，提升整车操纵稳定性。本发明第二技术方案的特点还在于，步骤1为便于分析和研究车辆转向特性，将研究对象线控转向电动汽车模型简化，构建只研究侧向和横摆两个自由度的理想线性二自由度模型，具体按照以下步骤实施：步骤1.1、由牛顿第二定律得电动汽车二自由度模型的运动微分方程为：式中：m为电动汽车质量，vx为纵向速度，vy为侧向速度，γ为横摆角速度，jz为汽车绕z轴转动惯量，fy为地面对轮胎的横向作用力，fz为绕质心力矩和；步骤1.2、对二自由度电动汽车受力分析，并由轮胎的侧偏特性得：式中：ff、fr分别为汽车前轮、后轮受到沿侧向的外力，a为汽车质心到前轴距离，b为质心到后轴距离，cf、cr分别为前后轮的侧偏刚度，αf、αf分别为前后车轮侧偏角；步骤1.3、根据几何运动关系，得车轮侧偏角为：式中：β为汽车质心侧偏角，δf为前轮对应目标转角；步骤1.4、把(2)式、(3)式代入(1)式，化简得：步骤1.5、将稳定状态下的横摆角速度和转向盘转角比值定义为横摆角速度增益，侧向加速度增益定义为侧向加速度和转向盘转角的比值：kγ＝γ/θsw(5)kay＝ay/θsw(6)式中：kγ为转向灵敏度，kay为侧向加速度增益，ay为侧向加速度，θsw为方向盘转角；转向系统角传动比定义为：i＝θsw/δf(7)式中：i为角传动比，δf为前轮目标转角；步骤1.6、建立横摆角速度增益与角传动比线性关系，由(5)得：式中：为前轮转角与车辆相应的横摆角速度γ的增益；步骤1.7、汽车稳态时由步骤1.4得到的汽车二自由度动力学微分方程(4)可得稳态时横摆角速度为：式中：l为汽车前后轴之间的距离；步骤1.8、结合(8)和(9)得横摆角速度增益对应的角传动比：步骤1.9、稳态条件下行驶时侧向加速度增益变化率由车辆动力学关系ay＝vx·γ，并结合(6)、(10)建立侧向加速度增益与角传动比线性关系：步骤1.8中kγ＝0.3s-1，步骤1.9中kay＝0.7g/rad。步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1、确定两个因素加权系数以定横摆角速度增益确定角传动比，设k1>k2，则i＝k1·i1+k2·i2(12)步骤2.2、在较低车速时，设计固定转向系角传动比；在中高速时，满足设计目标同时减小转向系统波动，使角传动比上升趋势较缓，k1＝0.8，k2＝0.2；在高速时，角传动比呈稳定上升趋势且趋于稳态，增加i2权重系数，k1＝0.6，k2＝0.4；步骤2.3、当k1＝0.8，k2＝0.2所确定角传动比在车速30km/h时，i＝9.8；当k1＝0.8，k2＝0.2和k1＝0.6，k2＝0.4所确定的变角传动比在85km/h相交，此时两种权重系数所确定角传动比相同，在此时进行权重系数的切换，实现理想变角传动比实现无缝衔接，控制系统处于平稳过度状态；步骤2.4、由步骤2.2确定了最优权重系数，因此综合转向增益确定的理想变角传动比计算公式如下：式中：当vx＜85km/h，k1＝0.8，k2＝0.2；当vx≥85km/h，k1＝0.6，k2＝0.4。步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3.1、理想状态下车辆质心侧偏角β*＝0，其航行方向和车身纵轴方向是一致的，车辆在行驶过程中，侧向加速度由轮胎和路面附着系数决定，侧向加速度的值不能超过路面附着系数所确定的侧向加速度上限，即由ay＝vx·γ得到横摆角速度所能达到的最大值：式中：为路面附着系数，结合步骤1.7得到的稳态横摆角速度，得出期望的横摆角速度γ*为：γ*＝min{|γmax|，|γ|}sign(γ)(15)步骤3.2、根据计算出的期望状态参数与实际值构成偏差e(t)对控制对象进行控制：e(t)＝r(t)-c(t)(16)对输入的偏差e(t)进行比例、积分运算，通过线性组合，构成pi控制输出量u(t)，其控制规律为：步骤3.3、由步骤3.2确定的pi控制规律，构建基于pi控制的主动转向控制器，将期望横摆角速度和质心侧偏角分别与对应的车辆反馈车辆状态参数作差，将结果构成主动转向控制器的输入，通过pi控制调节转向盘转角。步骤3.2中横摆角速度反馈控制采用的pi参数为：kp＝0.52，ki＝0.1；质心侧偏角反馈控制采用的pi参数为：kp＝0.56，ki＝0.05。本发明的有益效果是，一种轮驱电动汽车线控转向系统，具备独立大角度转向功能，转向轮动态响应能力得到提升，轮驱电动汽车线控转向的控制方法适用于任何线控转向系统。变角传动比控制基于理想二自由度车辆转向动力学模型，联合定横摆角速度增益和定侧向加速度增益，设计了不同车速区域内的最优权重系数，确定了全速范围转向系理想角传动比，实现了低速转向时机动性和高速转向时操纵稳定性。主动转向控制综合行驶过程车辆状态参数横摆角速度和质心侧偏角进行反馈，主动转向控制器根据车况主动对转向盘转角信号动态修正，实现驾驶过程人性化、智能化，进一步提升了车辆转向系统鲁棒性。附图说明图1是本发明一种轮驱电动汽车线控转向系统的结构示意图；图2是本发明一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法中构建的轮驱电动汽车理想二自由度转向动力学模型；图3是本发明一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法中联合横摆角速度增益和侧向加速度增益，转向系角传动比在两种不同权重系数下随车速变化曲线；图4是本发明一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法中转向系统变角传动比控制所确定的理想角传动比随车速变化曲线；图5是本发明一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法总体控制框图。图中，1.转向盘，2.轮毂，3.转向轴，4.转接件，5.转向盘转角传感器，6.路感电机，7.ecu单元，8.伺服控制器，9.转向伺服电机，10.减速机，11.转向齿轮，12.滑轨，13.滑块单元，14.齿条，15.球头销a，16.横向拉杆，17.球头销b，18.转向节臂，19.立柱。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明一种轮驱电动汽车线控转向系统，结构如图1所示，包括依次连接的转向盘总成、ecu单元和转向执行总成三部分组成，其中，转向盘总成具体结构为：包括转向盘1，转向盘1的轮毂2内设有花键，轮毂2通过花键与转向轴3一端相同规格的花键嵌入固定，转向盘1转动同步带动转向轴3转动相同角度，转向轴3上固定有转向盘转角传感器5，转向盘转角传感器5通过转接件4固定在转向轴3上，转向轴3底部还设置有路感电机6，路感电机6转动进而带动转向轴3转动为转向盘1提供动力，转向盘转角传感器5和路感电机6均与ecu单元7连接。转向执行总成包括四组结构相同的高性能伺服控制单元，每组高性能伺服控制单元的内部结构具体为：包括与所述ecu单元7连接的伺服控制器8，伺服控制器8实时接受ecu单元7发来的转角指令信号并控制对应的转向伺服电机9进行转动，转向伺服电机9和减速机10一体相连，减速机10与滑块单元13内嵌的转向齿轮11衔接固定，滑块单元13位于汽车底盘距车轮较近处设置的滑轨12上，转向齿轮11与齿条14啮合，齿条14经球头销a15与横向拉杆16相连，横向拉杆16的另一端通过球头销b17与固定在立柱19转向节处的转向节臂18连接，当转向伺服电机9接受指令进行转动时带动齿条14在滑轨12上横向移动进而推动横向拉杆16带动立柱19发生角度变化，完成车轮转向。一种轮驱电动汽车线控转向系统的控制方法，基于轮驱电动汽车线控转向系统，具体按照以下步骤实施：步骤1、构建理想二自由度车辆转向动力学模型，并建立车辆状态参数横摆角速度增益和侧向加速度增益同角传动比的关系，为便于分析和研究车辆转向特性，将研究对象线控转向电动汽车模型简化，构建只研究侧向和横摆两个自由度的理想线性二自由度模型，如图2所示，具体按照以下步骤实施：步骤1.1、由牛顿第二定律得电动汽车二自由度模型的运动微分方程为：式中：m为电动汽车质量，vx为纵向速度，vy为侧向速度，γ为横摆角速度，jz为汽车绕z轴转动惯量，fy为地面对轮胎的横向作用力，fz为绕质心力矩和；步骤1.2、对二自由度电动汽车受力分析，并由轮胎的侧偏特性得：式中：ff、fr分别为汽车前轮、后轮受到沿侧向的外力，a为汽车质心到前轴距离，b为质心到后轴距离，cf、cr分别为前后轮的侧偏刚度，αf、αf分别为前后车轮侧偏角；步骤1.3、根据几何运动关系，得车轮侧偏角为：式中：β为汽车质心侧偏角，δf为前轮对应目标转角；步骤1.4、把(2)式、(3)式代入(1)式，化简得：步骤1.5、将稳定状态下的横摆角速度和转向盘转角比值定义为横摆角速度增益，侧向加速度增益定义为侧向加速度和转向盘转角的比值：kγ＝γ/θsw(5)kay＝ay/θsw(6)式中：kγ为转向灵敏度，kay为侧向加速度增益，ay为侧向加速度，θsw为方向盘转角；车速和转向盘转角变化时汽车转向增益稳定不变，使得在不同工况下转向盘转角和汽车的航向角呈对应关系，大大减少驾驶员对车辆特性发生变化而进行补偿，不足转向和过度转向情况减少，驾驶员更容易掌握转向增益不变的汽车转向特性，驾驶难度降低，同时汽车的行驶安全性得以提升，转向系统角传动比定义为：i＝θsw/δf(7)式中：i为角传动比，δf为前轮目标转角；步骤1.6、建立横摆角速度增益与角传动比线性关系，由(5)得：式中：为前轮转角与车辆相应的横摆角速度γ的增益；步骤1.7、汽车稳态时由步骤1.4得到的汽车二自由度动力学微分方程(4)可得稳态时横摆角速度为：式中：l为汽车前后轴之间的距离；步骤1.8、结合(8)和(9)得横摆角速度增益对应的角传动比：合理的横摆角速度增益值都是根据试验选取，未形成定论，原联邦德国大学的汽车研究所通过大量重复试验得出：轿车的稳态横摆角速度增益为0.16～0.52s-1之间，如表1所示，表1横摆角速度增益范围一般驾驶员：0.16～0.37s-1经验丰富驾驶员：0.22～0.41s-1最优区域：0.22～0.37s-1本方法中选取合理中间值kγ＝0.3s-1，由式(10)可求的不同车速下基于定横摆角速度增益的转向系统角传动比i1；步骤1.9、侧向加速度增益是车辆转向稳定性的重要衡量指标，稳态条件下行驶时侧向加速度增益变化率由车辆动力学关系ay＝vx·γ，并结合(6)、(10)建立侧向加速度增益与角传动比线性关系：汽车稳态时侧向加速度不能超过0.4g，研究指出中高速时转向灵敏度在0.9～1.4g/100deg(0.5～0.82g/rad)，本方法介于两者之间选取kay＝0.7g/rad，由式(11)可求的不同车速下基于定侧向加速度增益的角传动比i2；步骤2、设计合理的定横摆角度增益和定侧向加速度增益，确定不同车速下的角传动比，具体按照以下步骤实施：步骤2.1、定横摆角速度增益和定侧向加速度增益确定的转向系角传动比相对于传统固定角传动比，都在一定程度上实现了低速转向时的轻便型和高速时操纵稳定性。但定横摆角速度增益确定的角传动比在中低速时变化较缓，但随车速不断增大传动比反而开始有减小趋势，违背防止高速时转向过度设计目标。定侧向加速度增益确定传动比变化过快，呈不断上升趋势，没有稳态，致使高速转向时过于迟缓。由此提出一种综合转向增益确定理想转向系统角传动比。当车辆低速行驶时，经常发生大角度转向工况。为保证车轮转角不超过正常转向时极限值，同时为避免由角传动比过小而导致车辆转向过于灵敏，须确定一个最小的转向传动比imin，使车辆在低于一定车速v0时，传动比保持为imin不变。当高于这个限定车速v0时，采用综合两个转向增益确定传动比，如式(12)。此控制策略更为全面，以横摆角速度为控制响应量相比侧向加速度可取得更好控制效果，且横摆角速度增益在一定程度也反映了侧向加速度增益，所以确定两个因素加权系数以定横摆角速度增益确定角传动比，设k1>k2，则i＝k1·i1+k2·i2(12)步骤2.2、所设计的转向系角传动比应满足低速转向轻便灵敏，高速转向更稳重安全的目标，提升转向机动性和操纵稳定性，在较低车速时，设计固定转向系角传动比；在中高速时，满足设计目标同时减小转向系统波动，使角传动比上升趋势较缓，k1＝0.8，k2＝0.2；在高速时，角传动比呈稳定上升趋势且趋于稳态，增加i2权重系数，k1＝0.6，k2＝0.4；步骤2.3、如图3所示，当k1＝0.8，k2＝0.2所确定角传动比在车速30km/h时，i＝9.8；当k1＝0.8，k2＝0.2和k1＝0.6，k2＝0.4所确定的变角传动比在85km/h相交，此时两种权重系数所确定角传动比相同，在此时进行权重系数的切换，实现理想变角传动比实现无缝衔接，控制系统处于平稳过度状态；步骤2.4、由步骤2.2确定了最优权重系数，因此综合转向增益确定的理想变角传动比计算公式如下：式中：当vx＜85km/h，k1＝0.8，k2＝0.2；当vx≥85km/h，k1＝0.6，k2＝0.4；步骤3、如图4是本方法转向系统变角传动比控制所确定的理想角传动比随车速变化曲线，由角传动比可得转向盘转向角对应的前轮转角，由前轮转角结合车辆状态参数反馈可得出后轮转角，设计车辆状态参数横摆角速度和质心侧偏角两者同时作为反馈量，构建基于pi控制的可靠稳定主动转向控制器，对转向盘转角输入信号进行修正，形成转向系统闭环控制，提升整车操纵稳定性，具体按照以下步骤实施：步骤3.1、主动转向技术在稳态控制的基础上，根据汽车实时状态，主动对转向盘转角输入信号增大或减小，进行动态校正控制，实现驾驶过程人性化、智能化。横摆角速度和质心侧偏角是车辆行驶状态主要稳态控制变量，横摆角速度常被用以评价车辆行驶稳定性，质心侧偏角更能体现行驶轨迹。本方法采用横摆角速度和质心侧偏角综合反馈的主动转向控制方法，相较于现有的单反馈具有更精确控制效果，在确保车辆行驶轨迹精准同时提升车辆稳定性，根据选取的车辆实时状态反馈量，确定相应稳态下期望值，理想状态下车辆质心侧偏角β*＝0，其航行方向和车身纵轴方向是一致的，车辆在行驶过程中，侧向加速度由轮胎和路面附着系数决定，侧向加速度的值不能超过路面附着系数所确定的侧向加速度上限，即由ay＝vx·γ得到横摆角速度所能达到的最大值：式中：为路面附着系数，结合步骤1.7得到的稳态横摆角速度，得出期望的横摆角速度γ*为：γ*＝min{|γmax|，|γ|}sign(γ)(15)步骤3.2、构建控主动转向控制器，pid控制器作为最早实用化控制器，已有近百年历史，由于不需要精确模型，目前仍是应用最广泛控制器，快速、准确、可靠的特点使其常用于高安全标准的航空航天领域，pi控制作为其重要组成部分，在兼顾快速性同时可减小或消除静差，线控转向电动汽车主动转向控制器需要对实时性和可靠性要求较高，本方法设计基于pi控制的主动转向控制器，根据计算出的期望状态参数与实际值构成偏差e(t)对控制对象进行控制：e(t)＝r(t)-c(t)(16)对输入的偏差e(t)进行比例、积分运算，通过线性组合，构成pi控制输出量u(t)，其控制规律为：其中，横摆角速度反馈控制采用的pi参数为：kp＝0.52，ki＝0.1；质心侧偏角反馈控制采用的pi参数为：kp＝0.56，ki＝0.05；步骤3.3、由步骤3.2确定的pi控制规律，构建基于pi控制的主动转向控制器，将期望横摆角速度和质心侧偏角分别与对应的车辆反馈车辆状态参数作差，将结果构成主动转向控制器的输入，通过pi控制调节转向盘转角。如图5，本方法通过控制车轮转角使车辆具更良好行驶状态，提升驾驶过程转向动态性能。当前第1页12