一种基于驱动-制动复合控制的汽车轮间差速转向方法与流程

一种基于驱动
‑
制动复合控制的汽车轮间差速转向方法
技术领域
1.本发明涉及汽车转向系统领域，具体来说涉及一种基于驱动
‑
制动复合控制的汽车轮间差速转向方法。


背景技术：

2.随着大气污染程度变得越来越严重，节能减排缓解环境压力是当下必须采取的措施。为了减少汽车尾气排放对空气的污染，新能源汽车产业的发展成为了国家必由之路，其中，轮毂电机驱动纯电动汽车更是受到各界的广泛关注。轮毂电机驱动电动汽车作为一种新型驱动形式，它提高了整车动力的传递效率、优化了整车的底盘结构，并可以实现复杂的驱动形式，国内外各大高校开展了大量研究。
3.无论是两后轮还是四轮驱动时，由于使用轮毂电机直接驱动，无需安装机械差速器和传动机构，能发挥了电气部件反应速度快，时间常数短的优势，汽车在转弯时，左右两侧后轮的行驶距离不同，但是时间是相同的，因而存在差速的问题。如何保证两侧车速的差值，控制四个车轮与路面之间的切向反作用力，使汽车获得准确的横摆力矩，达到转向的目的，并且保证车辆行驶状态稳定。
4.本专利针对差速问题，提出了采用驱动和制动复合控制的汽车轮间差速转向方法。汽车实现转向是因为汽车获得了横摆力矩，本专利通过利用四个车轮与路面之间的相互作用，即通过对汽车的四个车轮的驱动力矩(由轮毂电机控制)和制动力矩(轮边制动器)的控制，使汽车获得合适的横摆力矩。


技术实现要素：

5.为了解决现有存在的技术问题，本发明提出一种基于驱动
‑
制动复合控制的汽车轮间差速转向方法。将基于驱动
‑
制动复合控制方法应用到汽车轮间差速转向系统上，确保转向的准确性和车辆的稳定性。
6.本发明的技术方案是这样实现的：一种基于驱动
‑
制动复合控制的汽车轮间差速转向方法，包括如下步骤：
7.s1、根据julien的理论基础搭建出滑转率s1和驱动力f
x
的模型，得到滑转率和驱动力的变化关系；
8.s2、搭建出滑移率s和制动力f
xb
的模型，得到滑移率和制动力的变化关系；
9.s3、电子油门踏板信号、电子制动踏板信号、电子方向盘信号，反映了驾驶员的意图， vcu根据这些信号对4个车轮的轮毂电机驱动系统和4个车轮的轮边制动系统进行复合控制，利用滑转率和驱动力的变化关系，滑移率和制动力的变化关系，通过将滑转率或滑移率控制在一定的范围，进而对复合控制中的纵向力进行约束，实现汽车的驱动、制动、转向。
10.进一步，s1的具体过程为：假设胎面是一个弹性带，只考虑轮胎处于附着区时s1和f
x
两者的关系，此时，轮胎在驱动力矩作用下，胎面接地前端会产生纵向变形e0，则距前端x 处的纵向变形为：e＝e0+xε＝(λ
t
+x)ε，其中，λ
t
为纵向变形系数，ε为纵向应变；x点前的附着
区域产生的驱动力为其中，k
tan
是胎面的切向刚度；
11.仅考虑全附着状态，s1范围在0～20％，此时驱动力f
x
和滑转率s1呈线性关系，令则可得：
[0012][0013]
并且有
[0014]
其中，ε为纵向应变，e为距前端x处的纵向变形，l为轮胎接地长度，ω为轮胎角速度，u为车辆行驶车速，r为车轮半径；
[0015]
将式(2)代入式(1)，可得：
[0016]
f
x
＝k
t
s1(3)。
[0017]
进一步，s2的具体过程为：
[0018]
令
[0019]
其中，f
xb
为地面制动力，为附着力，f
z
为地面对车轮的法向反作用力，为附着力系数；
[0020]
令地面制动力与垂直载荷之比为制动力系数则其中，f
xb
为地面制动力， w为垂直载荷；
[0021]
当轮胎为纯滚动，滑移率在0～20％范围内，有其中c
x
为单位面积轮胎在圆周切线方向的弹性模量；s为滑移率，ω为轮胎角速度，l为轮胎接地长度；同时，最佳滑移率在15％～20％之间。
[0022]
进一步，s3的具体过程为：
[0023]
根据不同的输入信号，首先判断处于何种工况，主要分为三种：1)纯驱动工况，只有电子油门信号；2)纯制动工况，只有电子制动踏板信号；3)转向工况；
[0024]
若处于工况1)，只有电子油门踏板输入的电信号时，vcu接收到该信号并利用预设的控制策略，得到目标转速，此时电机控制器控制轮毂电机达到目标转速，并反馈给vcu接收车轮的实际转速，根据算式(2)，判断车轮滑转率是否在给定范围内，若不在，则将该侧的驱动力减少，滑转率降低，由vcu对四车轮的速度进行重新分配，重复上述步骤，直到两侧滑转率控制在所给范围；
[0025]
若处于工况2)，只有电子制动踏板输出的电信号时，vcu接收到该信号并利用预设的控制策略，将该信号通过can总线传输到液压制动系统中，四个制动器对车轮产生制动力，完成制动过程，若在该过程中，根据式检测到一侧滑移率落在最佳滑移率外，则减少该侧的制动力，降低滑移率；
[0026]
若处于工况3)，根据转向意图，从而得到目标横摆角速度，vcu根据目标横摆角速度，控制内侧和外侧车轮的滑动率。
[0027]
进一步，还包括，
[0028]
如果同时有制动信号和转向信号，内侧和外侧的车轮均得控制制动，驱动就不起作用，通过控制制动，内侧车轮的滑移率增大，外侧车轮的滑移率减小；如果实际横摆角速度小于目标横摆角速度，就进一步增加内侧车轮的制动力矩，提高内侧车轮的滑移率，车辆可获得更大的横摆力矩，实际横摆角速度增加，即当实际航向角大于目标航向角，就得减少内侧车轮的滑移率；
[0029]
如果同时有驱动信号和转向信号的输入，此时制动就不起作用，设定转向角大于40
°
时为大转角，低于40
°
时为小转角，若同时有驱动信号和小转角信号输入时，通过控制内侧和外侧的车轮驱动，使内侧车轮的滑转率大，外侧车轮的滑转率小些，从而达到转向的目的；若同时有驱动信号和大转角信号输入时，仅靠车轮的驱动力，无法获得转角所需的横摆力矩，此时需要加入制动力与驱动力一起实现转向的目的，使内侧车轮的滑移率增大，外侧的滑转率增加，都控制在20％以内，从而加大内外侧轮间的速度差，使汽车获得足够横摆力矩。
[0030]
进一步，所述步骤s3中还包括：采用两套独立的电子液压制动系统，通过液压管路分别与左侧两个车轮和右侧两车轮的轮边盘式制动器(6)的制动轮缸相连接，分别独立控制左侧两车轮和右侧两车轮的盘式制动器的制动力矩；
[0031]
如果第一套液压制动系统发生故障，第二套液压制动系统仍然可以控制车轮的制动力，如果第一个制动回路发生故障，第二个仍然能够正常工作；驾驶员踩下制动踏板时，制动拉线和拉线杠杆会发生作用，输入顶杆相应地朝制动主缸方向移动，制动信号通过can总线传输至整车控制器，整车控制器根据控制算法得到制动器所需制动力传递给电机，电动推杆感应到电机输送的电信号后给顶杆施加推力，顶杆在电动推杆作用力和人力转换到推杆上的作用力的共同作用下，推动制动主缸内的活塞，共同作用产生制动液压，通过连接在制动主缸两侧的液压管路，分别传送给前后两个轮边盘式制动器的制动轮缸中，形成两个液压回路。
[0032]
本发明的有益结果：采用两套液压制动系统，构成双回路液压管路独立控制，利用左右两侧制动器分别控制四个车轮的制动力，从而实现四个车轮制动力的可调节性；搭建出滑转率s和驱动力f
x
的模型和滑移率和制动力系数的模型，相较于驱动单独控制差速转向。通过驱动制动联合控制差速转向系统，在转向角过大时，实现驱动力和制动力的复合控制，提供车辆转向所需的横摆力矩，使转向更加精确，提高车辆的稳定性。
附图说明
[0033]
图1本发明差速转向控制系统框图
[0034]
图2差速转向控制系统受力图
[0035]
图3电子液压制动系统结构图
[0036]
图4路面附着力系数与车轮滑动率的关系图
具体实施方式
[0037]
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0038]
参照图1为差速转向控制系统框图，包括设有电子油门踏板输出速度信号、电子制动踏板输出速度信号、电子方向盘输出转向信号、仪表板显示车速、行驶里程和电池相关信息等的电动四轮轮毂电机驱动汽车，其特征在于电动汽车上设有控制装置、驱动装置、动力装置、制动装置，控制装置包括四个电机控制器、两个电子液压控制系统中的ehbs控制器和整车的总控制器(vcu)，四个电机控制器获取vcu传递的信号，从而控制汽车四个车轮的驱动；动力装置包括动力电池和电池管理系统(bms)，为轮毂电机控制器和轮毂电机提供汽车行驶所需要的动力，并对电池进行监控和管理；驱动装置和制动装置通过can总线分别与控制装置建立通讯连接；制动装置包括两套电子液压制动系统(ehbs)和电子液压制动系统，通过液压管路分别与左侧两个车轮和右侧两车轮的轮边盘式制动器的制动轮缸相连接。所述的驱动装置包括四个分别与4个安装在车轮上的轮毂电机。
[0039]
制动装置包括两套电子液压制动系统(ehbs)，分别独立控制左侧两车轮和右侧两车轮的盘式制动器的制动力矩。
[0040]
所述差速转向系统可以通过驱动制动复合控制方法实现转向，使汽车获得合适的横摆力矩，获得满足驾驶意图的转向效果。
[0041]
两套电子液压制动系统(ehbs)可以形成双回路液压管路独立控制，实现对两侧车轮制动力的单独控制和调节。
[0042]
本发明提供一种基于驱动
‑
制动复合控制的汽车轮间差速转向方法，包括如下步骤：
[0043]
s1、根据julien的理论基础搭建出滑转率s1和驱动力f
x
的模型，假设胎面是一个弹性带，只考虑轮胎处于附着区时s1和f
x
两者的关系，此时，轮胎在驱动力矩中下，胎面接地前端会产生纵向变形e0，则距前端x处的纵向变形为：e＝e0+xε＝(λ
t
+x)ε，其中，λ
t
为纵向变形系数，ε为纵向应变；x点前的附着区域产生的驱动力为其中，k
tan
是胎面的切向刚度；
[0044]
本专利仅考虑全附着状态，s1范围在0～20％，此时驱动力f
x
和滑转率s1呈线性关系，令则可得：
[0045][0046]
并且有
[0047]
其中，ε为纵向应变，e为距前端x处的纵向变形，l为轮胎接地长度，ω为轮胎角速度，u为车辆行驶车速，r为车轮半径；
[0048]
将式(2)代入式(1)，可得：
[0049]
f
x
＝k
t
s1ꢀꢀ
(3)；
[0050]
s2、搭建出滑移率s和制动力f
xb
的模型；
[0051][0052]
其中，f
xb
为地面制动力，为附着力，f
z
为地面对车轮的法向反作用力，为附着力系数；
[0053]
令地面制动力与垂直载荷值比为制动力系数则其中，f
xb
为地面制动力， w为垂直载荷；
[0054]
当轮胎为纯滚动，滑移率在0～20％范围内，有其中c
x
为单位面积轮胎在圆周切线方向的弹性模量；s为滑移率，ω为轮胎角速度，l为轮胎接地长度；同时，最佳滑移率在15％～20％之间；
[0055]
s3、电子油门踏板信号、电子制动踏板信号、电子方向盘信号，反映了驾驶员的意图， vcu会根据这些信号对4个车轮的轮毂电机驱动系统和4个车轮的轮边制动系统进行复合控制，实现汽车的驱动、制动、转向等；
[0056]
根据不同的输入信号，首先判断处于何种工况，主要分为三种：(1)纯驱动工况，只有电子油门信号；(2)纯制动工况，只有电子制动踏板信号；(3)转向工况；
[0057]
若处于工况(1)，只有电子油门踏板输入的电信号时，vcu接收到该信号并利用预设的控制策略，得到目标转速，此时电机控制器控制轮毂电机达到目标转速，并反馈给vcu接收车轮的实际转速，根据算式(2)，判断车轮滑转率是否在给定范围内，若不在，则将该侧的驱动力减少，滑转率降低，由vcu对四车轮的速度进行重新分配，重复上述步骤，直到两侧滑转率控制在所给范围；
[0058]
若处于工况(2)，只有电子制动踏板输入的电信号时，vcu接收到该信号并利用预设的控制策略，将该信号通过can总线传输到液压制动系统中，四个制动器对车轮产生制动力，完成制动过程，若在该过程中，根据式检测到一侧滑移率落在最佳滑移率外，则减少该侧的制动力，降低滑移率；
[0059]
若处于工况(3)，根据转向意图，从而得到目标横摆角速度(目标航向角的导数值)， vcu根据目标横摆角速度，控制内侧和外侧车轮的滑动率；
[0060]
如果同时有制动信号和转向信号，内侧和外侧的车轮均得控制制动，驱动就不起作用，通过控制制动，内侧车轮的滑移率增大，外侧车轮的滑移率减小。如果实际横摆角速度小于目标横摆角速度，就进一步增加内侧车轮的制动力矩，提高内侧车轮的滑移率，车辆就获得更大的横摆力矩，实际横摆角速度增加，即当实际航向角大于目标航向角，就得减少内侧车轮的滑移率。
[0061]
如果同时有驱动信号和转向信号的输入，此时制动就不起作用。本专利设定转向角大于40
°
时为大转角，低于40
°
时为小转角。若同时有驱动信号和小转角信号输入时，通过控制内侧和外侧的车轮驱动，使内侧车轮的滑转率大，外侧车轮的滑转率小些，从而达到转向的目的；若同时有驱动信号和大转角信号输入时，仅靠车轮的驱动力，无法获得转角所需的横摆力矩，此时需要加入制动力与驱动力一起实现转向的目的，可以通过内侧车轮的制
动器单独控制内侧车轮，使内侧车轮的滑移率增大，外侧的滑转率增加，都控制在20％以内，从而加大内外侧轮间的速度差，使汽车获得足够横摆力矩。
[0062]
进一步，所述步骤s3中还包括：采用两套独立的液压系统，如果第一套液压制动系统发生故障，第二套液压制动系统仍然可以控制车轮的制动力，如果第一个制动回路发生故障，第二个仍然能够正常工作。驾驶员踩下制动踏板时，制动拉线和拉线杠杆会发生作用，输入顶杆相应地朝制动主缸方向移动，制动信号通过can总线传输至整车控制器，整车控制器根据控制算法得到制动器所需制动力传递给电机，电动推杆感应到电机输送的电信号后给顶杆施加推力，顶杆在电动推杆作用力和人力转换到推杆上的作用力的共同作用下，推动制动主缸内的活塞，共同作用产生制动液压，通过连接在制动主缸两侧的液压管路，分别传送给前后两个轮边盘式制动器的制动轮缸中，形成两个液压回路。
[0063]
图2是差速系统转向控制系统受力图，发生转向时，内外侧两车轮上受到驱动力和制动力，由于内外侧车轮所受纵向力合力和侧向力的作用产生横摆力矩，使车辆行驶方向发生变化；图3是电子液压制动系统的结构示意图，主要包括电机(1)、电动推杆(5)、上支架(6)和下支架(2)、顶杆(7)、制动主缸(11)、制动拉线(4)和制动杠杆(3)，其中，制动主缸中有第一活塞(8)和第二活塞(10)，两者通过弹簧(9)进行连接，推动制动液进入制动管路；图4是路面附着系数和车轮滑动率的关系，当驱动轮滑转率由零开始增加时，纵向附着系数μ
d
增大；当驱动轮滑转率达到k
w_opt
时，纵向附着系数也增大至最大值μ
d_max
；当驱动轮滑转率超过k
w_opt
之后，纵向附着系数μ
d
逐渐减小。侧向附着系数μ
d
随驱动轮滑转率增大而减小。
[0064]
综上，本发明一种基于驱动
‑
制动复合控制的轮间差速转向方法，属于差速转向控制领域，尤其涉及基于驱动
‑
制动复合控制的轮间差速转向方法。包括设有电子油门踏板、电子制动踏板、电子方向盘、仪表盘的电动四轮驱动汽车，电动汽车上设有控制装置、驱动装置、动力装置，制动装置，控制装置包括四个电机控制器和整车的总控制器(vcu)，四个电机控制器获取vcu传递的信号，从而控制汽车的运动；动力装置包括动力电池和电池管理系统(bms)，为控制装置提供动力，并对电池进行监控和管理；驱动装置和制动装置通过can总线分别与控制装置建立通讯连接；制动装置包括两套电子液压制动系统(ehbs)，通过液压管路与机械联结在车轮上的制动器相连接。四个驱动轮上均布置有永磁直流无刷轮毂电机和轮边盘式制动器。基于驱动
‑
制动复合控制的轮间差速转向系统，在以往驱动控制的基础上加入了制动控制，提高车辆的转向灵敏性和操作稳定性，同时安装有两套电子液压制动系统，分别控制作用车辆的左侧两个车轮和右侧两个车轮的制动器制动力矩，构成两路独立制动系统，而且每套电子液压制动系统所控制的制动主缸是双回路的，可实现车辆同侧前轮和后轮的液路双回路。进一步提高整车制动安全性。
[0065]
本发明将驱动
‑
制动复合控制方法运用到汽车轮间差速转向系统中，主要解决了电动汽车转弯时的差速问题和差速转向时车辆的不稳定性，以及参数易受外部干扰等问题。
[0066]
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。