四驱电动汽车的转向控制器、系统、转向与运行控制方法与流程
本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种四驱电动汽车的转向控制器，还涉及转向控制方法与运行控制方法。
背景技术：
电动汽车已经成为新能源汽车行业颇具前瞻性的领域，电动汽车的驱动技术与传统内燃机汽车有着较大的区别：传统汽车的转向系统需要较多的机械传动系统，结构复杂，控制灵活性不够，响应不够快速；电动汽车采用车轮内的轮毂电机直接驱动车轮、差速器等机械部件，结构大大简化，减轻重量，提高控制的灵活性。通过轮毂电机可实现对车轮转向、转动以及制动控制，如在四个车轮上均装配轮毂电机以实现四驱。
电动汽车驱动控制技术是电动汽车技术中的一项核心技术，按照电动汽车的运行工况(直行工况和转向工况)可分为行驶稳定驱动控制与转向稳定驱动控制。对于电动汽车直行工况的稳定运行控制，已有较多研究，中国专利“电动轮驱动汽车的试验样车及驱动稳定性控制方法(cn106183892)”中则公开了直线中的驱动防滑控制技术。
目前，电动汽车转向控制大都是进行转矩控制来维持转向的稳定性，即通过转矩传感器去检测方向盘上的转矩，根据方向盘上转矩的大小来控制轮毂电机的转矩，如中国专利“一种四轮驱动独立驱动电动汽车稳定性控制方法及系统(cn105691381)，进行转矩优化分配控制来控制车辆转向的稳定性”。但是，车辆在运行过程中的稳定性除了受到车轮转角的影响还会受到路面激振对车辆的稳定影响，此时，转角控制更利于车辆的稳定性。
目前，对于车辆的转向控制均是统一采用转矩控制，转矩控制考虑到转向的稳定性，并未考虑到转向的顺畅性和灵活性。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种四驱电动汽车的转向控制器，解决现有技术中对转向控制局限于转矩控制的技术问题，能够用于实现基于阿克曼转向定理的前馈控制与模糊反馈控制的联合控制，能够用于实现转角控制与转矩控制的耦合。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种四驱电动汽车的转向控制器，包括vcu整车控制器，vcu整车控制器的信号输入端分别能够用于获取方向盘转角、四驱电动汽车的实际横摆角速度；还包括线控控制器与模糊控制器；所述线控控制器内配置有用于根据左前轮转角与阿克曼转向定理计算其余三车轮的前馈转角的前馈程序；
vcu整车控制器内配置有左前轮转角计算模块、理想横摆角速度计算模块以及横摆角速度误差计算模块；所述左前轮转角计算模块用于根据方向盘转角按比例换算左前轮转角；所述理想横摆角速度计算模块用于根据理想二自由度模型实时计算理想横摆角速度；所述横摆角速度误差计算模块用于计算实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值，从而得到横摆角速度误差；
所述模糊控制器的信号输入端与vcu整车控制器的第一信号输出端连接，以获取横摆角速度误差；所述模糊控制器内配置有根据横摆角速度误差来计算所述其余三车轮的转角修正系数的反馈程序；
所述线控控制器的第一信号输入端与vcu整车控制器的第二信号输出端连接，以获取左前轮转角信号；所述线控控制器的第二信号输入端与模糊控制器的信号输出端连接，以获取转角修正系数；线控控制器内还配置有转角修正程序，用于根据转角修正系数与其余三车轮的前馈转角计算对应的车轮修正转角；线控控制器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端分别用于连接左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的信号输入端，以分别输出相应的控制信号。
本发明提供一种四驱电动汽车的转向控制系统，能够转向时进行基于阿克曼转向定理的前馈控制与模糊反馈控制的联合控制，还能够转向时进行转矩控制，从而实现转角控制与转矩控制的耦合。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：还包括用于实时检测方向盘转角的方向盘转角传感器、用于实时检测四驱电动汽车的实际横摆角速度的横摆角速度传感器、用于实时检测四驱电动车的质心侧偏角的质心侧偏角估计器以及车辆行驶状态估计器；
方向盘转角传感器、横摆角速度传感器以及质心侧偏角估计器均通过can通信总线与车辆行驶状态估计器通信，从而发送相应的传感数据；方向盘转角传感器与横摆角速度传感器还通过can通信总线向所述转向控制器中的vcu整车控制器发送相应的传感数据；方向盘转矩传感器通过can通信总线向转向控制器中的线控控制器发送方向盘转矩数据；线控控制器中配置有转矩分配程序，用于根据滑模变控制结构计算出稳定运行所需的附加横摆力矩fx，并将所述附加横摆力矩fx分配给各轮毂电机；
所述车辆行驶状态估计器配置有稳定性判别模块与运行工况判别模块；所述运行工况判别模块用于根据方向盘转角判断当前工况是直行工况还转向工况；所述稳定性判别模块用于根据实际横摆角速度以及质心侧偏角来判断车辆运行是否稳定；
车辆行驶状态估计器通过can通信总线向所述转向控制器通信发送转向工况判别结果与稳定性判别结果。
本发明一种四驱电动汽车的转向控制方法，解决现有技术中未兼顾转向顺畅性和稳定性的技术问题，能够同时提高转向过程的顺畅性与稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种四驱电动汽车的转向控制方法，采用本发明的转向控制系统，包括以下步骤：
步骤a1：方向盘转角传感器获取方向盘转角并同时发送给车辆行驶状态估计器与vcu整车控制器；横摆角速度传感器同时发送实际横摆角速度给车辆行驶状态估计器与模糊控制器；质心侧偏角估计器发送质心侧偏角给车辆行驶状态估计器；方向盘转矩传感器发送方向盘转矩给线控控制器；
步骤a2：车辆行驶状态估计器根据方向盘转角判断当前运行工况是直行工况还是转向工况，并将判断结果发送给vcu整车控制器；若为转向工况则进入步骤a3；
步骤a3：vcu整车控制器根据方向盘转角按比例换算左前轮转角并发送给线控控制器；
步骤a4：线控控制器执行前馈程序，从而根据左前轮转角θ1计算出满足阿克曼转向定理的右前轮前馈转角θ2、左后轮前馈转角θ3、右后轮前馈转角θ4；
步骤a5：vcu整车控制器计算横摆角速度误差，并发送给模糊控制器；
步骤a6：模糊控制器执行反馈程序，并输出右前轮转角修正系数kp、左后轮转角修正系数ti、右后轮转角修正系数td给线控控制器；
步骤a7：步骤a7与步骤a6同时进行，车辆行驶状态估计器判断当前车辆运行是否稳定，并将判断结果发送给vcu整车控制器；若是，则进入步骤a8；若否，则进入步骤a9；
步骤a8：线控控制器分别根据右前轮转角修正系数kp、左后轮转角修正系数ti、右后轮转角修正系数td计算右前轮转角修正转角、左后轮转角修正转角、右后轮转角修正转角，并分别向左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出左前轮转角θ1、右前轮修正转角θ2′、左后轮修正转角θ3′、右后轮修正转角θ′4，从而实现度转向控制，保证转向的顺畅性和稳定性；
步骤a9：线控转矩控制器执行转矩分配程序，并将稳定运行所需的横摆力矩分配给各轮毂电机，从而实现转向控制，保证转向的稳定性。
本发明还提供一种四驱电动汽车的运行控制方法，能够在车辆直行工况与转向工况分别采用对应的控制方法，保证整个运行过程的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：在四驱电动汽车直线行驶时进行驱动防滑或转矩分配控制；在四驱电动汽车转向时，采用本发明的四驱电动汽车的转向控制方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的转向控制器集成了vcu整车控制器、线控控制器与模糊控制器；线控控制器能够通过配置前馈程序、转角修正程序，以实现转角控制；线控控制器还能够配置转矩分配程序以实现转矩控制；从而为转角控制与转矩控制的耦合提供基础。另外，线控控制器与模糊控制器配合，能够用于实现基于阿克曼转向定理的前馈控制与模糊反馈控制的联合控制。
2、本发明的转向控制系统中通过多种传感器采集数据，发送给车辆行驶状态估计器、转向控制器，使得车辆行驶状态估计器能够根据传感数据判断车辆的运行工况；转向控制器能够根据不同的运行工况采用不同的控制策略，从而使得转向控制系统具有良好的自适应性。
3、本发明的转向控制方法采用的本发明的转向控制系统能够分别针对不同的转向工况进行控制，在运行稳定时，采用前馈与反馈联合控制，兼顾了转向的顺畅性和稳定性；在运行不稳定时，则采用转矩分配控制，从而保证了转向的稳定性。
4、本发明的运行控制方法，能够在车辆直行工况时采用驱动防滑控制或转矩分配控制，在转向工况时采用本发明的转向控制方法，从而保证整个运行过程的稳定性。
附图说明
图1是本具体实施方式中四驱电动汽车的转向控制系统的结构示意图；
图2是本具体实施方式中四驱电动汽车的运行控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种四驱电动汽车的转向控制器，包括vcu整车控制器，vcu整车控制器的信号输入端分别能够用于获取方向盘转角、四驱电动汽车的实际横摆角速度；还包括线控控制器与模糊控制器；所述线控控制器内配置有用于根据左前轮转角与阿克曼转向定理计算其余三车轮的前馈转角的前馈程序；
vcu整车控制器内配置有左前轮转角计算模块、理想横摆角速度计算模块以及横摆角速度误差计算模块；所述左前轮转角计算模块用于根据方向盘转角按比例换算左前轮转角；所述理想横摆角速度计算模块用于根据理想二自由度模型实时计算理想横摆角速度；所述横摆角速度误差计算模块用于计算实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值，从而得到横摆角速度误差；
所述模糊控制器的信号输入端与vcu整车控制器的第一信号输出端连接，以获取横摆角速度误差；所述模糊控制器内配置有根据横摆角速度误差来计算所述其余三车轮的转角修正系数的反馈程序；
所述线控控制器的第一信号输入端与vcu整车控制器的第二信号输出端连接，以获取左前轮转角信号；所述线控控制器的第二信号输入端与模糊控制器的信号输出端连接，以获取转角修正系数；线控控制器内还配置有转角修正程序，用于根据转角修正系数与其余三车轮的前馈转角计算对应的车轮修正转角；线控控制器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端分别用于连接左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的信号输入端，以分别输出相应的控制信号。
本具体实施方式中，所述前馈程序按如下步骤进行：
步骤101：计算两后轮转角和与两前轮转角和的比例系数k，按如下公式：
步骤102：根据阿克曼定量，分别按如下公式计算右前轮前馈转角θ2、左后轮前馈转角θ3、右后轮前馈转角θ4：
θ3＝kθ1；
其中，l为车辆的轴距，b为左右车轮的轮距，θ1为左前轮转角。
本具体实施方式中，理想横摆角速度按如下公式计算：
其中，g为车辆的重量，u为四驱电动汽车纵向速度，μ为路面附着系数，δf车身方向角，γ为实际横摆角速度。
本具体实施方式中，反馈程序按如下步骤进行：
步骤201：以横摆角速度误差作为输入变量，以右前轮转角修正系数kp、左后轮转角修正系数ti、右后轮转角修正系数td作为输出变量；
步骤202：输入横摆角速度误差，根据模糊规则进行模糊控制，输出右前轮转角修正系数kp、左后轮转角修正系数ti、右后轮转角修正系数td。
如图1所示，一种四驱电动汽车的转向控制系统，采用本具体实施方式中的四驱电动汽车的转向控制器，还包括用于实时检测方向盘转角的方向盘转角传感器、用于实时检测四驱电动汽车的实际横摆角速度的横摆角速度传感器、用于实时检测四驱电动车的质心侧偏角的质心侧偏角估计器以及车辆行驶状态估计器；
方向盘转角传感器、横摆角速度传感器以及质心侧偏角估计器均通过can通信总线与车辆行驶状态估计器通信，从而发送相应的传感数据；方向盘转角传感器与横摆角速度传感器还通过can通信总线向所述转向控制器中的vcu整车控制器发送相应的传感数据；方向盘转矩传感器通过can通信总线向转向控制器中的线控控制器发送方向盘转矩数据；线控控制器中配置有转矩分配程序，用于根据滑模变控制结构计算出稳定运行所需的附加横摆力矩fx，并将所述附加横摆力矩fx分配给各轮毂电机；
所述车辆行驶状态估计器配置有稳定性判别模块与运行工况判别模块；所述运行工况判别模块用于根据方向盘转角判断当前工况是直行工况还转向工况，可以根据不同的车辆设定对应的转角阈值来判断是否发生转向，即使在直行中，由于路况的激励，方向盘也会发生轻微的偏转，因此转角阈值可在零的小领域内取值；所述稳定性判别模块用于根据实际横摆角速度以及质心侧偏角来判断车辆运行是否稳定；
车辆行驶状态估计器通过can通信总线向所述转向控制器通信发送转向工况判别结果与稳定性判别结果。
本具体实施方式中，稳定性判别模块按如下方式判断是否稳定：质心侧偏角大于理想质心侧偏角时判断为失稳，理想质心侧偏角取值为零，但是由于存在不可避免的测量误差，理想质心侧偏角可在零的小领域内取值。
如图2所示，一种四驱电动汽车的转向控制方法，采用本具体实施方式中的转向控制系统，包括以下步骤：
步骤a1：方向盘转角传感器获取方向盘转角并同时发送给车辆行驶状态估计器与vcu整车控制器；横摆角速度传感器同时发送实际横摆角速度给车辆行驶状态估计器与模糊控制器；质心侧偏角估计器发送质心侧偏角给车辆行驶状态估计器；方向盘转矩传感器发送方向盘转矩给线控控制器；
步骤a2：车辆行驶状态估计器根据方向盘转角判断当前运行工况是直行工况还是转向工况，并将判断结果发送给vcu整车控制器；若为转向工况则进入步骤a3；
步骤a3：vcu整车控制器根据方向盘转角按比例换算左前轮转角并发送给线控控制器；
步骤a4：线控控制器执行前馈程序，从而根据左前轮转角θ1计算出满足阿克曼转向定理的右前轮前馈转角θ2、左后轮前馈转角θ3、右后轮前馈转角θ4；
步骤a5：vcu整车控制器计算横摆角速度误差，并发送给模糊控制器；
步骤a6：模糊控制器执行反馈程序，并输出右前轮转角修正系数kp、左后轮转角修正系数ti、右后轮转角修正系数td给线控控制器；
步骤a7：步骤a7与步骤a6同时进行，车辆行驶状态估计器判断当前车辆运行是否稳定，并将判断结果发送给vcu整车控制器；若是，则进入步骤a8；若否，则进入步骤a9；
步骤a8：线控控制器分别根据右前轮转角修正系数kp、左后轮转角修正系数ti、右后轮转角修正系数td计算右前轮转角修正转角、左后轮转角修正转角、右后轮转角修正转角，并分别向左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出左前轮转角θ1、右前轮修正转角θ2′、左后轮修正转角θ3′、右后轮修正转角θ′4，从而实现度转向控制，保证转向的顺畅性和稳定性；
步骤a9：线控转矩控制器执行转矩分配程序，并将稳定运行所需的横摆力矩分配给各轮毂电机，从而实现转向控制，保证转向的稳定性。
本具体实施方式中，所述转矩分配程序按如下步骤：
步骤301：根据横摆角速度误差，采用滑模变控制结构计算出稳定运行所需要的附加横摆力矩fx；
步骤302：将轮胎利用率作为个车轮转矩分配的优化目标函数，目标函数如下：
其中，13表示左前轮、14表示右前轮、23表示左后轮、24表示右后轮；fxmn表示车轮所受纵向力，fymn表示车轮所受侧向力；μ表示路面附着系数；
步骤303：建立约束条件：
根据轮毂电机所能输出的转矩受其峰值转矩与地面附着系数的限制，建立第一约束条件：
其中，tmnmax轮毂电机峰值转矩，fzmn为车轮的垂向载荷，r为车轮半径；
根据稳定运行时四个车轮所受等式约束需满足四车轮所受纵向力的合力等于fx，四车轮所受的力产生绕车轮质心的横摆力矩等于mz，建立第二约束条件：
其中，fx为根据滑模变控制结构计算出稳定运行所需的附加横摆力矩，mz为车辆的总横摆力矩，lf为前轴左右车轮轮距，lr为后轴左右车轮轮距；步骤304：根据目标函数以及约束条件求解四个车轮的横摆力矩，即fx14、fx13、fx24、fx23，从而完成横摆力矩的优化分配。
一种四驱电动汽车的运行控制方法，如图2所示，在四驱电动汽车直线行驶时进行驱动防滑控制或转矩分配控制；在四驱电动汽车转向时，采用本具体实施方式中的四驱电动汽车的转向控制方法。
驱动防滑控制采用现有技术中的驱动防滑控制，具体请参见中国专利电动轮驱动汽车的试验样车及驱动稳定性控制方法(cn106183892)。转矩分配控制则采用本具体实施方式中转矩分配程序步骤301到步骤304的方式实现。驱动防滑控制与转矩分配控制可以单独使用，也可以同时使用。
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