四轮轮毂电机驱动车辆滑动转向控制策略

摘要

本发明针对已有的线控四轮转向的四轮轮毂电机驱动车辆，设计出一种可以实现滑动转向的控制策略。当转向系统失灵、运行空间受到限制或遇到特殊路面时可通过转向开关切换到滑动转向模式，综合电子控制器根据方向盘转角位移信号判断车辆的转向趋势，通过滑动转向转矩分配器直接控制四个轮毂电机的输出转矩，满足转向时两侧车轮之间的速差要求，从而实现不同转弯半径的滑动转向。本发明所述的滑动转向控制策略能够在已有的四轮转向基础上充分保证车辆的方向可控性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种滑动转向控制策略，该滑动转向控制策略应用在线控四轮 转向的四轮轮毂电机驱动车辆上可以实现车辆的滑动转向。

背景技术

四轮转向的四轮轮毂电机驱动车辆四个车轮采用相同结构形式的轮毂电机 驱动，依靠转向系统改变四个车轮转角来实现转向，在很大程度上改善了汽车的 低速机动性和高速操纵稳定性。常用的四轮转向系统的结构大致有：机械式、 液压式、电动式等。线控四轮转向大部分是采用四个转向电机来控制四个车轮 的偏转。但存在的问题是当转向系统一旦出现故障，无法使车轮发生偏转时， 车辆的方向就失去了可控性；或者在一些特殊路面如雪地、泥泞路上四轮转向 车辆很难通过改变车轮转角来控制车辆的行驶方向；或者要在运行空间受到限 制的情况下提高四轮转向车辆的机动性，对车辆的悬架系统和转向系统要求很 高。《滑动转向全地形车》(国家专利，申请号：CN200880122976.9)和《用于具 有滑动转向装置的车辆的电驱动系统》(国家专利，申请号：CN200480031625.9) 研究了两侧车轮不发生左右偏转时，控制两侧电机的输出转矩来保证左右两侧 驱动轮或履带之间的速差，实现滑动转向。这种转向模式甚至可以实现原地转 向，在运行空间受到限制时可以提高车辆的机动性。目前这种滑动转向形式仅 限于用在一些特殊车辆上，比如月球车、重型坦克、建筑机械、工程机械或者 履带式的雪地车，《滑动转向装卸机》(国家专利，申请号：200380100778.X)就 是介绍了一种滑动转向装卸机。而目前，四轮轮毂电机驱动车辆实现滑动转向 的技术还没见报道。已有的专利主要是研究了实现滑动转向的车辆结构，并没 有对滑动转向的控制策略进行研究。综上所述，本发明涉及一种滑动转向控制 策略，该滑动转向控制策略应用在四轮转向的四轮轮毂电机驱动车辆上可以实 现车辆的滑动转向，将四轮转向和滑动转向两种转向模式综合到了一辆汽车上， 当对路面有较高要求，转向系统正常工作时切换到四轮转向模式，而当转向系 统失灵、运行空间受到限制或遇到特殊路面时又可切换到滑动转向模式。

发明内容

本发明的目的是：针对已有的线控四轮转向的四轮轮毂电机驱动车辆，当 转向系统失灵、运行空间受到限制或遇到特殊路面方向不易控制的问题，设计 出一种可以实现滑动转向的控制策略，但不需要添加专门的转向机构和额外的 驱动装置。

其基本思想是：综合电子控制器根据转向模式开关来选择不同的转向模式。 在对路面有较高要求时选择四轮转向模式，利用转向电机来控制四个车轮的偏 转，实现车辆转向；当转向系统失灵、运行空间受到限制或遇特殊路面时切换 到滑动转向模式，通过综合电子控制器控制转向电机停止工作，并根据驾驶员 信息，通过滑动转向转矩分配器直接控制两侧电机的输出转矩，保证两侧车轮 之间存在一定的转矩差，满足转向时两侧车轮之间的速差要求，从而实现不同 转弯半径的滑动转向。当两侧车轮速度大小相等、方向相反时可实现零半径转 向。这两种转向模式通过转向模式开关来进行切换，充分保证汽车的方向可控 性。

实现本发明的技术方案如下：

综合电子控制器根据方向盘转角位移信号，判断车辆是左转还是右转，以 车辆右侧转向为例；综合电子控制器根据加速踏板位移信号和制动踏板位移信 号判断车辆是加速还是减速，以车辆加速为例；T_in、T_out分别代表内外两侧轮毂 电机总输出转矩，T₁、T₃和n₁、n₃分别代表左侧前后两轮毂电机的输出转矩和 转速，T₂、T₄和n₂、n₄分别代表右侧前后两轮毂电机的输出转矩和转速。定义 转矩的正负：若转矩与转速或转速的变化趋势方向一致，那么该转矩为正转矩， 为驱动转矩；同理，若转矩与转速或转速的变化趋势方向相反，那么该转矩为 负转矩，为制动转矩。

按照如图1所示的滑动转向控制原理图，驾驶员通过转向模式开关选择滑 动转向模式‘1’，并通过综合电子控制器使转向系统停止工作，控制分配四个 轮毂电机的输出转矩，实现车辆的滑动转向。加速踏板位移传感器将车辆期望 转速信号送入综合电子控制器，方向盘转角位移传感器将期望转向半径信号送 入综合电子控制器，综合电子控制器根据滑动转向控制策略分别计算出此时内 外两侧电机所需总转矩值T_in、T_out，并分别给内侧前后两轮毂电机控制器输入转 矩信号T_in/2，分别给外侧两轮毂电机控制器输入转矩信号T_out/2，从而控制四 个轮毂电机分别输出转矩T₁＝T_out/2、T₂＝T_in/2、T₃＝T_out/2、T₄＝T_in/2，使汽车 两侧车轮间出现一定的转矩差，利用这种转矩差来实现不同转弯半径的滑动转 向。

图2所示为本发明定义的方向盘转角位移输入信号。θ₁、θ₂、θ₃分别为 定义的三个方向盘转角位移临界值，当|θ|在图3所示的滑动转向转矩分配器的三 个不同区间(0，θ₁)、(θ₁，θ₂)、(θ₂，θ₃)时，内外两侧电机输出的转矩、 转速特性不同。

加速踏板、制动踏板位移与电机的输出转矩呈线性关系，则驾驶员踩下加 速踏板时，电机输出驱动力，方向与电机转速方向相同；驾驶员踩下制动踏板 时，电机输出制动力，方向与电机转速方向相反。T_max为四个轮毂电机的最大输 出转矩。

加速踏板位移信号控制系数A：

$A=\frac{\alpha -{\alpha }_0}{{\alpha }_{\max }-{\alpha }_0}$

式中，α为加速踏板位移，α₀为加速踏板自由行程位移，α_max为加速踏板的最 大行程位移。A的取值范围为[0，1]，那么其对应的单个电机输出转矩为[0，T_max]。

制动踏板位移信号控制系数B：

$B=-\frac{\beta -{\beta }_0}{{\beta }_{\max }-{\beta }_0}$

式中，β为制动踏板位移，β₀为制动踏板自由行程位移，β_max为制动踏板的最 大行程位移。B的取值范围为[-1，0]，那么其对应的单个电机输出转矩为 [-T_max，0]。

方向盘转角位移信号控制系数x：

$x=\left(\begin{array}{cc}& \\ 0& 0\le \theta \le {\theta }_1\\ 1-\frac{\theta -{\theta }_1}{{\theta }_2-{\theta }_1}& {\theta }_1<\theta \le {\theta }_2\\ -\frac{\theta -{\theta }_2}{{\theta }_3-{\theta }_2}& {\theta }_2<\theta \le {\theta }_3\end{array}\right)$

进一步的，本发明利用如图3所示的滑动转向转矩分配器，由综合电子控 制器根据方向盘转角位移信号、加速踏板位移信号、电子档位开关信号，对内 外两侧轮毂电机的总输出转矩T_in与T_out进行分配控制。

当0≤θ≤θ₁时，车辆直驶，此时综合电子控制器控制内外两侧轮毂电机 输出总驱动转矩T_in＝2AT_max、T_out＝2AT_max，此时T_in与T_out的关系为：T_in＝T_out，四 个轮毂电机输出的转矩值分别为T₁＝T₃＝AT_max、₂＝T₄＝AT_max；

当θ₁＜θ＜θ₂时，综合电子控制器控制外侧轮毂电机输出总驱动转矩 T_out＝2AT_max，使外侧电机产生驱动转矩，同时控制内侧轮毂电机输出总驱动转矩 T_in＝2xAT_max，使内侧电机产生驱动转矩，此时T_in与T_out的关系为：T_in＜T_out，保 证了内外两侧电机的转矩差，以实现滑动转向，四个轮毂电机输出的转矩值分别 为T₁＝T₃＝AT_max、T₂＝T₄＝xAT_max；

当θ＝θ₂时，综合电子控制器控制外侧轮毂电机输出总驱动转矩 T_out＝2AT_max，使外侧电机产生驱动转矩，同时控制内侧轮毂电机输出总驱动转矩 T_in＝0，此时内侧车轮速度方向与外侧车轮速度方向一致，四个轮毂电机输出的 转矩值分别为T₁＝T₃＝AT_max、T₂＝T₄＝0；

当θ₂＜θ＜θ₃时，综合电子控制器控制外侧轮毂电机输出总驱动转矩 T_out＝2AT_max，使外侧电机产生驱动转矩，同时控制内侧轮毂电机输出总制动力矩 T_in＝-2xAT_max，使内侧电机产生制动转矩，此时内侧车轮速度方向与外侧车轮速 度方向一致，四个轮毂电机输出的转矩值分别为T₁＝T₃＝AT_max、T₂＝T₄＝-xAT_max；

当θ＝θ₃时，综合电子控制器控制外侧轮毂电机输出总驱动转矩 T_out＝2AT_max，使外侧电机产生驱动转矩，同时控制内侧轮毂电机输出制动力矩 T_in＝-2xAT_max，使内侧电机产生制动转矩，内侧电机转速n_in＝0，四个轮毂电机输 出的转矩值分别为T₁＝T₃＝AT_max、T₂＝T₄＝-xAT_max；

同理，仍以车辆右转为例，当驾驶员踩下制动踏板时，表明车辆要开始减 速；综合电子控制器根据方向盘转角位移信号和制动踏板位移信号，利用制动 踏板位移信号控制系数B和方向盘转角位移信号控制系数x，通过滑动转向转矩 分配器控制内外侧两轮毂电机输出总转矩T_in＝2BT_max、T_out＝2xBT_max，通过四个轮 毂电机控制器控制四个轮毂电机分别输出转矩值T₁＝T₃＝xBT_max、T₂＝T₄＝BT_max， 保证两侧车轮之间存在一定的转矩差，满足转向时两侧车轮之间的速差要求， 从而实现不同转弯半径的滑动转向。

有益效果

滑动转向控制策略应用在线控四轮转向的四轮轮毂电机驱动车辆上可以保 证车辆在各种情况下的转向能力。在行驶条件较好的情况下，选择四轮转向工 作模式来很好的实现车辆的转向性能；在转向空间受到限制或转向系统失灵或 冰雪等恶劣路面条件下，选择滑动转向模式，来控制车辆的方向性。这两种转 向模式的相互切换可以充分保证车辆行驶方向的可控性。

附图说明

图1是本发明的滑动转向控制原理图

图2是方向盘转角位移输入信号

图3是本发明的滑动转向转矩分配器结构图

图4是本发明的具有滑动转向模式的车辆结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例子对本发明作进一步的说明。

该滑动转向控制策略是在如图4所示的线控四轮转向四轮轮毂电机驱动车 辆结构平台上实现的，该车辆结构采用四个相同的轮毂电机直接驱动车轮，由 方向盘及其转角位移传感器1、加速踏板及其位移传感器2、制动踏板及其位移 传感器3、电子档位开关4、转向模式开关5、能量管理单元6、能量吸收装置7、 轮毂电机控制器8a、轮毂电机控制器8b、轮毂电机控制器8c、轮毂电机控制器 8d、转向电机控制器9a、转向电机控制器9b、转向电机控制器9c、转向电机控 制器9d、转向电机10a、转向电机10b、转向电机10c、转向电机10d、轮毂电机 11a、轮毂电机11b、轮毂电机11c、轮毂电机11d、电池组12、综合电子控制器 13组成。其中，综合电子控制器13分别通过CAN总线节点1、CAN总线节点 2、CAN总线节点3、CAN总线节点4、CAN总线节点5、CAN总线节点6、CAN 总线节点7、CAN总线节点8、CAN总线节点9、CAN总线节点10、CAN总线 节点11与轮毂电机控制器8d、转向电机控制器9d、轮毂电机控制器8c、电池 管理单元12、转向电机控制器9c、轮毂电机控制器8b、能量管理单元6、转向 电机控制器9b、轮毂电机控制器8a、能量吸收装置7、转向电机控制器9a相连。 由转向电机10a、转向电机10b、转向电机10c、转向电机10d来控制四个车轮左 右偏转。

滑动转向工作模式：定义了三个方向盘转角临界值θ₁、θ₂、θ₃，综合电 子控制器13根据如图2所示的方向盘转角位移输入信号，判断车辆是左转还是 右转，以车辆右侧转向为例；根据加速踏板位移和制动踏板位移信号判断车辆 是加速还是减速，以车辆加速为例；

加速踏板位移传感器2将车辆期望转速送入综合电子控制器13，方向盘转 角位移传感器1将期望转向半径传入到综合电子控制器13，综合电子控制器13 根据方向盘转角位移信号由图3所示的滑动转向转矩分配器，分别计算出此时 内外两侧电机所需的总转矩值T_in、T_out，给内侧前后两轮毂电机控制器8a、轮毂 电机控制器8b输入转矩信号T_in/2，给外侧两轮毂电机控制器8c、轮毂电机控制 器8d输入转矩信号T_out/2。

该滑动转向控制策略已经在如图4所示的四轮轮毂电机驱动车辆上实现。 θ₁＝5°、θ₂＝20°、θ₃＝45°，α₀＝6mm，α_max＝60mm，β₀＝6mm，β_max＝60mm，四 个轮毂电机的最大输出转矩均为T_max＝145Nm。

当θ＝3°、α＝30mm、β＝0mm时，综合电子控制器13由方向盘转角位移 传感器1获得方向盘转角位移信号，判断出0＜θ＜θ₁，此时A＝1/2，B＝0，x＝0，滑 动转向转矩分配器对T_in、T_out进行控制分配，T_in＝T_out＝2AT_max＝145Nm。综合电 子控制器13分别通过CAN节点9、CAN节点6、CAN节点3、CAN节点1给 轮毂电机控制器8a、轮毂电机控制器8b、轮毂电机控制器8c、轮毂电机控制器 8d输入转矩信号72.5Nm，从而控制轮毂电机11a、轮毂电机11b、轮毂电机11c、 轮毂电机11d均输出72.5Nm。

当θ＝10°、α＝25mm、β＝0mm时，综合电子控制器13由方向盘转角位移 传感器1获得方向盘转角位移信号，判断出θ₁＜θ＜θ₂，此时A＝5/12，B＝0， x＝2/3，滑动转向转矩分配器对T_in、T_out进行控制分配，T_in＝2xAT_max＝80.56Nm， T_out＝2AT_max＝120.8Nm，综合电子控制器13分别通过CAN节点9、CAN节点6、 CAN节点3、CAN节点1给轮毂电机控制器8a、轮毂电机控制器8b、轮毂电机 控制器8c、轮毂电机控制器8d输入转矩信号T₂＝T₄＝2xAT_max/2＝40.28Nm，T₁＝T₃＝ 2AT_max/2＝60.4Nm，从而控制轮毂电机11a、轮毂电机11b均输出40.28Nm，轮毂 电机11c、轮毂电机11d均输出60.4Nm；

当θ＝20°、α＝20mm、β＝0mm时，综合电子控制器13由方向盘转角位移 传感器1获得方向盘转角位移信号，判断出θ＝θ₂，此时A＝1/3，B＝0，x＝0，滑 动转向转矩分配器对T_in、T_out进行控制分配，T_in＝2xAT_max＝0Nm， T_out＝2AT_max＝96.67Nm，综合电子控制器13分别通过CAN节点9、CAN节点6、 CAN节点3、CAN节点1给轮毂电机控制器8a、轮毂电机控制器8b、轮毂电机 控制器8c、轮毂电机控制器8d输入转矩信号T₃＝T₄＝2xAT_max/2＝0Nm， T₁＝T₃＝2AT_max/2＝48.3Nm，从而控制轮毂电机11a、轮毂电机11b均输出0Nm，轮 毂电机11c、轮毂电机11d均输出48.3Nm；

当θ＝30°、α＝18mm、β＝0mm时，综合电子控制器13由方向盘转角位移 传感器1获得方向盘转角位移信号，判断出θ₂＜θ＜θ₃，此时A＝3/10，B＝0， x＝-2/5，滑动转向转矩分配器对T_in、T_out进行控制分配，T_in＝2xAT_max＝-34.8Nm， T_out＝2AT_max＝87Nm，综合电子控制器13分别通过CAN节点9、CAN节点6、CAN 节点3、CAN节点1给轮毂电机控制器8a、轮毂电机控制器8b、轮毂电机控制 器8c、轮毂电机控制器8d输入转矩信号T₂＝T₄＝2xAT_max/2＝-17.4Nm，T₁＝T₃＝ 2AT_max/2＝21.75Nm，从而控制轮毂电机11a、轮毂电机11b均输出-17.4Nm，轮毂 电机11c、轮毂电机11d均输出43.5Nm；

当θ＝45°、α＝15mm、β＝0mm时，综合电子控制器13由方向盘转角位移 传感器1获得方向盘转角位移信号，判断出θ＝θ₃，此时A＝1/4，B＝0，x＝-1，滑 动转向转矩分配器对T_in、T_out进行控制分配，T_in＝2xAT_max＝-72.5Nm，T_out＝ 2AT_max＝72.5Nm，综合电子控制器13分别通过CAN节点9、CAN节点6、CAN 节点3、CAN节点1给轮毂电机控制器8a、轮毂电机控制器8b、轮毂电机控制 器8c、轮毂电机控制器8d输入转矩信号T₂＝T₄＝2xAT_max/2＝36.25Nm，同时控制 n₂＝n₄＝0，T₁＝T₃＝2AT_max/2＝36.25Nm，从而控制轮毂电机11a、轮毂电机11b均 输出-36.25Nm，轮毂电机11c、轮毂电机11d均输出36.25Nm。