專利名稱：電動輪驅動汽車的電子差速控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電動汽車，具體涉及電動汽車的轉向控制系統，特別是電動輪驅動汽車的轉向控制系統。

背景技術：
電動汽車具有節能和環保的優點，是當前汽車技術發展的一種趨勢。電動輪驅動汽車是一種新型的電動汽車。驅動電機直接或通過減速機構安裝在車輪上，構成電動輪。電動輪的布置非常靈活，可作為電動汽車的兩個前輪、兩個后輪或四個車輪，相應使電動汽車成為前輪驅動、后輪驅動或四輪驅動汽車。
與內燃機汽車和單電機驅動電動汽車相比，電動輪驅動汽車在動力源配置、底盤結構等方面有獨特的技術特點和優勢。電動輪車中由于電機可直接驅動車輪，故可實現各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求，從而省略了內燃機汽車所需的機械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機械差速器等，使得驅動系統和整車結構簡化，有效可利用空間增大，傳動鏈縮短，傳動效率提高。
汽車轉向行駛時，外側車輪的轉彎半徑比內側車輪的轉彎半徑大，必須利用差速裝置調整內、外側驅動輪的轉速，使外側驅動輪轉速大于內側驅動輪轉速。否則，驅動輪會產生滑移從而引起輪胎磨損加劇、轉向困難、道路附著性能變差等。對于內燃機汽車和單電機驅動電動汽車，需在驅動橋中采用機械差速器，以實現轉向行駛時內、外側驅動輪的差速要求。對于電動輪驅動的電動汽車，由于每個電動輪的電機轉速可有效地獨立調節控制，故可通過電子差速控制系統使內、外側電動輪轉速滿足轉向行駛時的差速要求，從而可省去結構復雜的機械差速器。電子差速的優點是可簡化底盤結構，提高電動汽車性能，但在不同行駛條件下對多個電機進行合理、有效、精確、可靠的控制是需解決的關鍵問題。


發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種電動輪驅動汽車的電子差速控制系統，該系統可對各驅動電機進行合理的電子差速控制。
本發明為解決上述提出問題所采用的解決方案為 電動輪驅動汽車的電子差速控制系統，它包括控制器、各輪轂電機的電機控制器、用于測量方向盤轉角的轉角傳感器、能輸出開度值的電子加速踏板、用于測量輪轂電機實際轉速的轉速傳感器；電子加速踏板、轉速傳感器、轉角傳感器的信號輸出端分別和控制器的信號輸入端連接，控制器與各輪轂電機控制器通訊連接； 所述控制器包括第一級跟隨控制模塊和第二級跟隨控制模塊； 第一級跟隨控制模塊用于根據電子加速踏板輸出的開度值向參考輪轂電機控制器發出參考輪轂電機目標轉速指令；所述參考輪轂電機為輪轂電機中的一個； 第二級跟隨控制模塊用于通過以下公式得到向其它輪轂電機控制器發出所控輪轂電機目標轉速指令 方向盤轉角的絕對值小于等于σ時，ni*＝gi·n1， 或 方向盤轉角的絕對值大于σ時，
其中n1為參考輪轂電機的實際轉速，ni*為其它輪轂電機中的一個輪轂電機的目標轉速，參考輪轂電機不輸出動力時，1＜gi≤1.25；參考輪轂電機輸出動力時，gi＝1，

為滿足差速要求時第i輪轉速與參考輪轉速n1的比值隨方向盤轉角

變化的函數，σ為設定的方向盤轉動死區角度。
上述方案中，所述轉速傳感器設置在輪轂電機控制器內。
上述方案中，所述輪轂電機控制器為根據控制器發出的目標轉速和所控輪轂電機實際轉速對所控輪轂電機進行轉速閉環控制的輪轂電機控制器。
上述方案中，控制器通過CAN總線分別與各輪轂電機控制器通訊連接。
上述方案中，輪轂電機控制器采用增量式PID控制方法對輪轂電機轉速進行閉環控制。
上述方案中，電子差速控制系統還包括能輸出開度值的電子制動踏板，電子制動踏板的信號輸出端和控制器的信號輸入端連接。
本發明的優點在于 1、車輛驅動時，控制器根據駕駛員的方向盤轉角指令控制各輪轂電機，從而使各輪轂電機得到合理的電子差速控制。
2、控制器可根據電子加速踏板輸出的開度值信號，以及各輪轂電機的實際轉速控制各輪轂電機。
3、采用二級轉速跟隨控制，即參考輪轂電機轉速對電子加速踏板開度值對應轉速指令的第一級跟隨控制，其它各輪轂電機轉速對參考輪實際轉速的第二級跟隨控制。這種二級轉速跟隨控制有利于保證在轉速跟隨調節過程中各輪轉速滿足差速要求。
4、若各輪轂電機均按差速關系跟隨電子加速踏板的轉速指令，則會由于各輪轂電機轉速對轉速指令跟隨的不同步，導致在轉速調節過程中各輪轂電機轉速不一定滿足差速要求，因此，本發明采用其它各輪轂電機轉速跟隨參考輪實際轉速，這樣易于實現各輪轂電機轉速的協調關系。
5、當車輪純滾動時，車輪滑轉率為零，這會導致車輪與路面間的縱向力系數減小，從而使地面對驅動輪的驅動力減小，造成車輛行駛的動力性變差。因此，本發明在車輪純滾動轉速基礎上適當增加車輪轉速，即1＜gi≤1.25，gi為增益系數，使車輪滑轉率由零增大為較優值，以使車輪與路面間的縱向力系數增大，從而使地面對驅動輪的驅動力增大，提高車輛行駛的動力性。
6、所述輪轂電機控制器為根據控制器發出的目標轉速和所控輪轂電機實際轉速對所控輪轂電機進行轉速閉環控制的輪轂電機控制器，可減小實際轉速和目標轉速之間的差值。
7、利用現有的CAN總線進行通訊，結構簡單。
本發明適合在四電動輪驅動、兩電動前輪驅動、兩電動后輪驅動等電動輪驅動汽車上使用。
本發明使電動輪驅動汽車在不同行駛條件下對多個電機轉速進行合理、有效、可靠的協調控制，實現轉向行駛時內、外側驅動輪的電子差速，直行時前、后驅動輪間避免功率循環現象。



圖1為本發明實施例1的結構示意圖 圖2為本發明實施例的控制流程圖
具體實施例方式 如圖1所示的本發明實施例1，它為四電動輪驅動汽車的電子差速控制系統，它包括控制器(或稱電子差速控制器)、四個輪轂電機的四個輪轂電機控制器、用于測量方向盤轉角的轉角傳感器、用于測量輪轂電機實際轉速的轉速傳感器、能輸出開度值的電子加速踏板和能輸出開度值的電子制動踏板；轉角傳感器、電子加速踏板、電子制動踏板的信號輸出端和控制器的信號輸入端連接，控制器通過CAN總線分別與四個輪轂電機控制器通訊連接。所述轉速傳感器集成在輪轂電機控制器內。控制器的信息輸出端與車載儀表連接。
本實施例1采用基于CAN總線的主從控制結構，下層的四個輪轂電機控制器作為從控制器分別控制四個輪轂電機，上層的控制器作為整車級主控制器對下層四個輪轂電機控制器的工作進行監測和協調控制。下層四個輪轂電機控制器通過各自的CAN節點與CAN總線相連，上層電了差速控制器通過其內部的CAN通訊模塊與CAN總線相連，以此方式主電子差速控制器和從輪轂電機控制器進行CAN通訊互傳信息。方向盤的轉角信號通過方向盤轉角傳感器傳至電子差速控制器，電子加速踏板和電子制動踏板的開度電信號直接傳至電子差速控制器，四個輪轂電機的工作電壓、電流和轉速信號由各自的輪轂電機控制器通過CAN節點上傳至電子差速控制器。電子差速控制器對各輪轂電機的調壓調速指令通過CAN總線下傳至各輪轂電機控制器。車載儀表與電子差速控制器相連，用于顯示電子差速控制器接收的四個輪轂電機轉速、電壓和電流信號，以及由輪轂電機轉速確定的車速信號。
本實施例1中，電子差速控制器采用型號為TMS320F2812的DSP。主控芯片上運行的程序根據本發明采用C語言編寫并經編譯后下載到主控芯片中。輪轂電機控制器主控芯片采用英飛凌Infieon單片機XC846，驅動電路采用12個場效應晶體管(MOSFET)構成的三相H型橋式逆變電路，并設置有利用輪轂電機的霍爾元件信號測量輪轂電機實際轉速的轉速傳感器。CAN總線中的CAN驅動芯片型號為PCA82C250，與輪轂電機控制器相配的CAN控制器型號為P82C150。方向盤轉角傳感器采用基于各向異性磁電阻效應的非接觸式角位移傳感器，安裝在轉向柱上。電子加速踏板和電子制動踏板采用帶微動開關的電位器型電子踏板。電子踏板開度值對應于電位器電阻值。微動開關用于發出確認踏板踩下信號。
另外，與本實施例配合的輪轂電機采用永磁無刷直流電機，額定電壓48V，額定功率500W，四臺輪轂電機分別安裝在四個車輪中。輪轂電機輸出端和車輪直接固連，輪轂電機轉速等于車輪轉速。四臺輪轂電機的驅動狀態組合有三種四臺輪轂電機均輸出動力驅動；僅左、右前輪的輪轂電機輸出動力驅動；僅左、右后輪的輪轂電機輸出動力驅動。車載儀表采用由液晶屏顯示的虛擬儀表，用于顯示車速、各輪轂電機轉速、電壓和電流。液壓制動系統采用普通轎車用的液壓盤式制動器、制動調壓閥、ABS制動控制器、相關的交叉型雙回路液壓制動管路和液壓制動主缸。電動輪驅動汽車車體為微型雙座四輪車，整車整備質量約為335kg。
如圖2所示，所述控制器包括第一級跟隨控制模塊和第二級跟隨控制模塊； 第一級跟隨控制模塊根據電子加速踏板輸出的開度值向參考輪轂電機控制器發出參考輪轂電機目標轉速指令；所述參考輪轂電機為四個輪轂電機中的一個； 參考輪轂電機目標轉速n1*與電子加速踏板輸出的開度值(從初始狀態至當前狀態的變化值)成正比。
第二級跟隨控制模塊通過以下公式得到向其它輪轂電機控制器發出所控輪轂電機目標轉速指令 方向盤轉角的絕對值小于等于σ時，ni*＝gi·n1， 或 方向盤轉角的絕對值大于σ時，
其中n1為參考輪轂電機的實際轉速，ni*(i＝2，3，4)為其它輪轂電機中的一個輪轂電機的目標轉速，參考輪轂電機不輸出動力時，1＜gi≤1.25；參考輪轂電機輸出動力時，gi＝1，

為滿足差速要求時第i輪轉速與參考輪轉速n1的比值隨方向盤轉角

變化的函數，σ為根據轉向器傳動間隙設定的方向盤轉動死區角度(如σ設定為3°)。
所述輪轂電機控制器為根據電子差速控制器發出的目標轉速和所控輪轂電機實際轉速對所控輪轂電機進行轉速閉環控制的輪轂電機控制器。
輪轂電機控制器采用增量式PID控制方法對輪轂電機轉速進行閉環控制。
具有本發明實施例1的車輛驅動時，輪轂電機以電動機狀態工作，電子差速控制器根據駕駛員的方向盤轉角指令、電子加速踏板開度指令和電子制動踏板開度指令，以及四個輪轂電機工作狀態反饋信息(輪轂電機的工作電壓、電流和轉速)，通過電子差速控制算法確定四個輪轂電機各自的目標轉速，計算各輪轂電機的目標轉速與相應實際轉速的差值，利用PID控制算法確定各輪轂電機控制器的PWM調壓調速指令，各輪轂電機控制器通過PWM調壓調速方式調節相應輪轂電機的轉速。車輛制動時，輪轂電機可空轉不工作或以發電機狀態工作。若制動時輪轂電機空轉不工作，則電動輪均為從動輪，不需進行電子差速控制，只需由ABS制動控制器對液壓制動器進行ABS液壓制動控制。若制動時輪轂電機以發電機狀態工作進行再生制動，則各輪轂電機再生制動時的電子差速控制方式與驅動時的電子差速控制方式相似，以保證制動時各車輪的運動協調，同時ABS液壓制動的強度可減弱，這樣即可回收部分制動能量以延長續駛里程，也可減少制動器的磨損以延長使用壽命。
本實施例1考慮車輛轉向行駛時內、外側驅動輪的差速運行要求，也附加考慮車輛直行時各驅動輪轉速之間的允許偏差。電子差速控制系統控制流程分轉向行駛和直行兩個分支，具體流程如下。車輛啟動前電子差速控制系統進行啟動自檢，檢查電子差速控制器、各輪轂電機控制器、CAN總線、各輪轂電機、各傳感器和車載儀表是否工作正常，若檢測到異常情況，則顯示故障信息和報警。若檢測正常，則電子差速控制系統檢測電子制動踏板是否踩下，即檢測電子制動踏板開度是否為零，若電子制動踏板踩下，其開度不為零，則各輪轂電機不上電或進行再生制動。若電子制動踏板未踩下，其開度為零，則檢測電子加速踏板是否踩下，即檢測電子加速踏板開度是否為零，若電子加速踏板未踩下，其開度為零，則各輪轂電機不上電。若電子加速踏板踩下，其開度不為零，則檢測方向盤轉角絕對值是否大于方向盤轉動死區角度σ，若方向盤轉角絕對值小于等于轉角死區范圍，則認為車輛處于直行狀態。若方向盤轉角絕對值大于轉角死區范圍，則認為車輛處于轉向行駛狀態。
本實施例1以左前輪為參考輪，轉向行駛或直行時，其它三輪的轉速應與參考輪左前輪的轉速相協調。電子加速踏板開度值與駕駛員的車速指令相對應，駕駛員的車速指令與參考輪左前輪的轉速指令相對應，故電子加速踏板開度值與參考輪左前輪的轉速指令相對應，即零開度值與零轉速指令相對應，最大開度值與最大轉速指令相對應，開度值與轉速指令線性對應。假設參考輪左前輪以電子加速踏板開度值對應的轉速指令值為目標轉速n1*，且四個車輪的半徑相等。當車輛處于轉向行駛狀態時，其它三個車輪參考左前輪以差速關系確定的轉速為目標轉速n2*、n3*、n4*，即左前輪轂電機目標轉速為n1*，其它三個輪轂電機目標轉速分別為n2*、n3*、n4*。當車輛處于直行狀態時，其它三個車輪以參考輪左前輪的實際轉速n1為目標轉速，即n2*＝n3*＝n4*＝n1，這樣可使四個車輪的轉速易于協調一致。
測量各輪轂電機的實際轉速ni(i＝1，2，3，4)，根據輪轂電機目標轉速ni*與實際轉速ni的差值ni*-ni，利用增量式PID控制方法對各輪轂電機轉速進行閉環控制。利用增量式PID控制算法確定各輪轂電機控制器的PWM調壓調速指令，即ΔPWMi＝PWMi(k)-PWMi(k-1)＝Kp·Δe(k)+Ki·e(k)+Kd·[Δe(k)-Δe(k-1)]，式中e(k)＝ni*(k)-ni(k)，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，k表示k時刻，Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數，這三個系數的值通過實車試驗反復調整確定。為減小調速時間，若PID閉環調速控制使|ni*-ni|/ni*≤ε，ε為較小值，則認為輪轂電機實際轉速與相應目標轉速的偏差在允許范圍內，從而結束調速過程。
以四個車輪純滾動時的車輛轉向行駛運動學模型為基礎，確定轉向行駛時四個車輪的轉速關系，同時考慮車輪動力學模型，適當增加驅動輪轉速，使驅動輪滑轉率由純滾動時的零值變為較優值，以實現即滿足轉向行駛時內、外側車輪轉速差，又保證較大驅動力的雙重要求(運動協調，動力充沛)。由車輛轉向行駛運動學模型分析知，滿足差速要求時其它三輪轉速n2、n3、n4與參考輪轉速n1的比值是只與車輛軸距，主銷軸線與路面交點到車輪中心平面與路面交線的距離，內、外側前輪轉向角α、β有關的量，由于前二者為定值，后二者為變值，故一對α、β對應一組n2/n1、n3/n1、n4/n1，又由于方向盤轉角

對應一對α、β，故某一方向盤轉角

對應一組n2/n1、n3/n1、n4/n1。當四個輪轂電機均不通電，外力推動車輛滑行時，四個車輪均作純滾動，測量不同方向盤轉角

時的各輪轉速n1’、n2’、n3’、n4’，便可得該

值時滿足差速要求的n2’/n1’、n3’/n1’、n4’/n1’這樣一組比例。實際執行電子差速控制時，根據所測量的方向盤轉角

查詢

與n2’/n1’、n3’/n1’、n4’/n1’的插值表，及所測量的參考輪轉速n1，即可確定其它三輪的純滾動目標轉速，即



其中

表示滿足差速要求時第i輪轉速與參考輪轉速n1的比值隨方向盤轉角

變化的函數，本實施例

以插值表的形式可表示為
，插值表中各值通過實車試驗測量確定。該種通過試驗確定

(i＝2，3，4)的方法可避免測量難準確測量的內、外側前輪轉向角α、β和車輛結構參數。由車輪動力學模型知，當車輪不輸出動力純滾動時，車輪滑轉率為零，這會導致車輪與路面間的縱向力系數減小，從而使地面對驅動輪的驅動力減小，造成車輛行駛的動力性變差。因此，當參考輪不輸出動力時，可在車輪純滾動轉速基礎上適當增加車輪轉速，即

i＝2，3，4，1＜gi≤1.25，gi為增益系數，使車輪滑轉率由零增大為較優值，以使車輪與路面間的縱向力系數增大，從而使地面對驅動輪的驅動力增大，提高車輛行駛的動力性。當參考輪輸出動力驅動時，n1為在一定滑轉率下的驅動輪轉速，n1中已暗含了gi，故可取gi＝1。通過同時考慮車輛運動學和動力學要求，按上述方法確定轉向行駛時各車輪轉速，可同時滿足四輪的差速要求和動力性要求。
電子差速控制時，采用二級轉速跟隨控制，即參考輪轉速對電子加速踏板開度值對應轉速指令的第一級跟隨控制，其它三輪轉速對參考輪實際轉速的第二級跟隨控制。這種二級轉速跟隨控制有利于保證在轉速跟隨調節過程中四輪轉速滿足差速要求。因為若四個車輪均按差速關系跟隨電子加速踏板的轉速指令，則會由于四輪轉速對轉速指令跟隨的不同步，導致在轉速調節過程中四輪轉速不一定滿足差速要求。若其它三輪轉速跟隨參考輪實際轉速，則易于實現四輪轉速的協調關系。
前、后驅動輪間轉速應協調以避免功率循環現象，減少輪胎異常磨損和內耗。前、后驅動輪轉速協調的方法與轉向行駛時內、外側驅動輪的轉速協調方法相似。
轉向過程中再生制動時也實施電子差速控制，以保證制動過程中四輪運動協調。再生制動時，四個輪轂電機以發電機狀態工作，各輪轂電機的轉速控制方式與驅動時的電子差速控制方式相似。若再生制動不足以提供車輛所需的制動力，則由液壓制動系統提供不足的制動力。制動時參考輪目標轉速由電子制動踏板開度值確定。
轉向時考慮由轉向器傳動間隙引起的方向盤轉角死區對轉向輪轉向角改變的滯后影響。由于轉向器中的傳動副間存在間隙，故在轉動方向盤消除轉向器傳動間隙之前，轉向輪并未轉動。當方向盤從直行位置向左、右兩側轉動死區角度σ范圍內，轉向輪未轉動時仍認為車輛直行而不進行轉向。死區角度σ為較小值，可通過實車測量確定，即方向盤處于直行位置時轉動方向盤直至轉向輪開始轉動時方向盤轉動的角度便為死區角度σ。在轉向行駛過程中，當方向盤轉動的方向改變時，仍考慮轉角死區的影響，即轉向輪轉向角的改變滯后于方向盤轉角的改變。
本實施例1的用于測量輪轂電機實際轉速的轉速傳感器也可以為獨立的轉速傳感器。
本發明實施例2，它為兩電動前輪(或后輪)驅動汽車的電子差速控制系統，它與本發明實施例1基本相同，只是ni*(i＝2)為另一輪轂電機的目標轉速。
權利要求
1.電動輪驅動汽車的電子差速控制系統，其特征在于它包括控制器、各輪轂電機的電機控制器、用于測量方向盤轉角的轉角傳感器、能輸出開度值的電子加速踏板、用于測量輪轂電機實際轉速的轉速傳感器；電子加速踏板、轉速傳感器、轉角傳感器的信號輸出端分別和控制器的信號輸入端連接，控制器與各輪轂電機控制器通訊連接；
所述控制器包括第一級跟隨控制模塊和第二級跟隨控制模塊；
第一級跟隨控制模塊用于根據電子加速踏板輸出的開度值向參考輪轂電機控制器發出參考輪轂電機目標轉速指令；所述參考輪轂電機為輪轂電機中的一個；
第二級跟隨控制模塊用于通過以下公式得到向其它輪轂電機控制器發出所控輪轂電機目標轉速指令
方向盤轉角的絕對值小于等于σ時，ni*＝gi·n1，
或
方向盤轉角的絕對值大于σ時，
其中n1為參考輪轂電機的實際轉速；ni*為其它輪轂電機中的一個輪轂電機的目標轉速；參考輪轂電機不輸出動力時，1＜gi≤1.25；參考輪轂電機輸出動力時，gi＝1，
為滿足差速要求時第i輪轉速與參考輪轉速n1的比值隨方向盤轉角
變化的函數，σ為設定的方向盤轉動死區角度。
2.如權利要求1所述的電子差速控制系統，其特征在于所述轉速傳感器設置在輪轂電機控制器內。
3.如權利要求1或2所述的電子差速控制系統，其特征在于所述輪轂電機控制器為根據控制器發出的目標轉速和所控輪轂電機實際轉速對所控輪轂電機進行轉速閉環控制的輪轂電機控制器。
4.如權利要求1所述的電子差速控制系統，其特征在于控制器通過CAN總線分別與各輪轂電機控制器通訊連接。
5.如權利要求3所述的電子差速控制系統，其特征在于輪轂電機控制器采用增量式PID控制方法對輪轂電機轉速進行閉環控制。
6.如權利要求1所述的電子差速控制系統，其特征在于它還包括能輸出開度值的電子制動踏板，電子制動踏板的信號輸出端和控制器的信號輸入端連接。
全文摘要
本發明涉及電動輪驅動汽車的電子差速控制系統，它包括控制器、各輪轂電機的電機控制器、用于測量方向盤轉角的轉角傳感器、能輸出開度值的電子加速踏板、用于測量輪轂電機實際轉速的轉速傳感器；電子加速踏板、轉速傳感器、轉角傳感器的信號輸出端分別和控制器的信號輸入端連接，控制器與各輪轂電機控制器通訊連接；所述控制器包括第一級跟隨控制模塊和第二級跟隨控制模塊。本發明可對各驅動電機進行合理的電子差速控制。
文檔編號B62D137/00GK101758854SQ20101010081
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者喻厚宇, 黃妙華, 李波, 田哲文, 李樂, 廖凌宵, 秦嶺 申請人:武漢理工大學