本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及方法，尤其是涉及一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

汽車(chē)的轉(zhuǎn)向性能是汽車(chē)行駛過(guò)程當(dāng)中最為重要的性能之一，長(zhǎng)期以來(lái)深受人們的重視，隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，改善駕駛員操縱感受越來(lái)越受到關(guān)注。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)先后經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向式、液壓助力式、電子液壓助力式和電動(dòng)助力式等階段。但無(wú)論是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)還是線控轉(zhuǎn)向技術(shù)都需要安裝額外的助力電機(jī)來(lái)完成車(chē)輛的轉(zhuǎn)向過(guò)程。這對(duì)于以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的車(chē)輛來(lái)說(shuō)是十分合適的。但是近年來(lái)隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)為汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)提出了一些新思路。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)將電機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)車(chē)輪內(nèi)或驅(qū)動(dòng)車(chē)輪附近，發(fā)動(dòng)機(jī)被電池所代替。去除傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)后，車(chē)輛具有更高的傳遞效率，結(jié)構(gòu)也更為緊湊。此外，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)可單獨(dú)施加控制，控制方式更加靈活，因而車(chē)輛的主動(dòng)安全控制更易實(shí)現(xiàn)。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)由于驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控，轉(zhuǎn)彎時(shí)可人為使左右轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力不相等，該驅(qū)動(dòng)力差值與主銷(xiāo)偏移距所產(chǎn)生的力矩使車(chē)輪繞其轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而變成一個(gè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)向的力矩。這樣便可以利用該力矩實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向，并省去在轉(zhuǎn)向柱上的助力電機(jī)等電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模塊。然而前人的研究往往忽視了前軸左右電機(jī)在滿足差動(dòng)助力需求的同時(shí)產(chǎn)生的橫擺力矩對(duì)車(chē)輛橫擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾，四輪分布式驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)也因此未得到充分利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

左右前輪差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制模塊：該模塊根據(jù)參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩進(jìn)行閉環(huán)控制獲取左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩；

附加橫擺力矩計(jì)算模塊：該模塊根據(jù)左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算左右前輪產(chǎn)生的附加橫擺力矩；

轉(zhuǎn)矩矢量控制附加橫擺力矩計(jì)算模塊：該模塊根據(jù)整車(chē)狀態(tài)計(jì)算整車(chē)所需廣義橫擺力矩；

左右后輪轉(zhuǎn)矩分配模塊：該模塊根據(jù)附加橫擺力矩和整車(chē)所需廣義橫擺力矩進(jìn)行分配得到左后輪轉(zhuǎn)矩和右后輪轉(zhuǎn)矩；

電機(jī)控制模塊：該模塊根據(jù)左前輪轉(zhuǎn)矩、右前輪轉(zhuǎn)矩、左后輪轉(zhuǎn)矩和右后輪轉(zhuǎn)矩控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

所述的左右前輪差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制模塊包括：

實(shí)時(shí)參數(shù)獲取子模塊：該子模塊實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)車(chē)速v和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw；

參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩計(jì)算模塊：該子模塊根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw和整車(chē)車(chē)速v計(jì)算獲取參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩；

閉環(huán)控制子模塊：該子模塊正輸入端連接參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩，閉環(huán)控制子模塊負(fù)反饋端連接實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw，閉環(huán)控制子模塊輸出左右前輪轉(zhuǎn)矩差；

左右前輪轉(zhuǎn)矩分配子模塊：該子模塊對(duì)預(yù)先設(shè)定的左右前輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配得到左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩，且使得左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩差值為δtf。

一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制方法，該方法包括如下步驟：

(1)獲取參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw；

(2)對(duì)treq和tsw進(jìn)行pi控制得到左右前輪轉(zhuǎn)矩差δtf；

(3)根據(jù)δtf對(duì)預(yù)先設(shè)定的左右前輪轉(zhuǎn)矩tf進(jìn)行分配得到左前輪轉(zhuǎn)矩t1和右前輪轉(zhuǎn)矩t2，且使得t1和t2差值為δtf；

(4)根據(jù)t1和t2獲取左右前輪產(chǎn)生的附加橫擺力矩mzf；

(5)根據(jù)整車(chē)狀態(tài)得到整車(chē)所需廣義橫擺力矩mzref；

(6)求取后輪所需附加橫擺力矩mzb＝mzref-mzf；

(7)根據(jù)mzb對(duì)預(yù)先設(shè)定的左右后輪轉(zhuǎn)矩tb進(jìn)行分配得到左后輪轉(zhuǎn)矩t3和右后輪轉(zhuǎn)矩t4，且使得t3和t4差值為mzb；

(8)根據(jù)t1、t2、t3和t4分別對(duì)左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。

所述的參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq獲取方法為：實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw和整車(chē)車(chē)速v，根據(jù)下式求取對(duì)應(yīng)的參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq：

其中，θ0為原地轉(zhuǎn)向時(shí)的最大轉(zhuǎn)角，k為常系數(shù)，tvmax為整車(chē)車(chē)速為v時(shí)的最大轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩。

pi控制的控制律為：

δtf＝kp(e+1/ki∫edt)，

e＝tsw-treq，

kp為比例增益，ki為積分增益。

比例增益和積分增益通過(guò)下述方式得到：

其中，kp0、kp1、ki0、ki1和ki2為常數(shù)，e＝tsw-treq。

步驟(3)左前輪轉(zhuǎn)矩t1和右前輪轉(zhuǎn)矩t2分配方式如下：

t1＝tf/2+δtf/2，

t2＝tf/2-δtf/2。

步驟(3)還包括對(duì)左右前輪轉(zhuǎn)矩t1和t2進(jìn)行限值：

當(dāng)t1>tmax，令t1＝tmax；

當(dāng)t2<-tmax，令t2＝-tmax；

其中，tmax為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)的峰值力矩。

步驟(5)具體為：獲取轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)側(cè)向加速度ay、整車(chē)縱向車(chē)速vx和質(zhì)心側(cè)偏角β，根據(jù)θsw、ay、vx和β求得mzref的大小。

步驟(7)左后輪轉(zhuǎn)矩t3和右后輪轉(zhuǎn)矩t4分配方式如下：

t3＝tb/2+mzb/2，

t4＝tb/2-mzb/2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明依據(jù)駕駛員喜好制定參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩，并利用左右前輪轉(zhuǎn)矩差產(chǎn)生助力施加到轉(zhuǎn)向系去控制真實(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制，該方法采用容易測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩信號(hào)作為反饋控制變量，對(duì)主銷(xiāo)定位參數(shù)和轉(zhuǎn)向系參數(shù)變化的適應(yīng)能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩特性調(diào)節(jié)容易。

(2)本發(fā)明充分利用分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)各輪轉(zhuǎn)矩可以精確、獨(dú)立控制的特點(diǎn)，無(wú)需加裝轉(zhuǎn)向助力電機(jī)或液壓助力系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能，前輪按照助力需求分配，后軸抵消前軸差動(dòng)產(chǎn)生的附加橫擺力矩以滿足轉(zhuǎn)向助力需求和整車(chē)操縱性需求，利用轉(zhuǎn)矩矢量控制，在減小駕駛員操縱負(fù)擔(dān)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)改善中低車(chē)速轉(zhuǎn)向輕便性和中高車(chē)速駕駛員“路感”，提高汽車(chē)操縱性能。

附圖說(shuō)明

圖1為差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制方法的控制框圖；

圖2為參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩map圖；

圖3為控制算法kp參數(shù)變化曲線；

圖4為控制算法ki參數(shù)變化曲線；

圖5為本專(zhuān)利具有飽和作用的pi控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本專(zhuān)利遇限削弱積分pi控制算法程序框圖；

圖7為參數(shù)kp對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩的影響；

圖8為參數(shù)ki對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩的影響；

圖9為主動(dòng)回正控制判斷規(guī)則；

圖10為差動(dòng)助力及轉(zhuǎn)矩矢量聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)框圖；

圖11為聯(lián)合控制中驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配模塊結(jié)構(gòu)框圖；

圖12為聯(lián)合控制中轉(zhuǎn)矩矢量控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖13為雙扭線試驗(yàn)結(jié)果；

圖14為低速回正試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化結(jié)果；

圖15為低速回正試驗(yàn)中橫擺角速度及側(cè)向加速度隨時(shí)間變化結(jié)果；

圖16為蛇形試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩隨時(shí)間變化結(jié)果；

圖17為蛇形試驗(yàn)中橫擺角速度隨時(shí)間變化結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

左右前輪差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制模塊：該模塊根據(jù)參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩進(jìn)行閉環(huán)控制獲取左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩；

附加橫擺力矩計(jì)算模塊：該模塊根據(jù)左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算左右前輪產(chǎn)生的附加橫擺力矩；

轉(zhuǎn)矩矢量控制附加橫擺力矩計(jì)算模塊：該模塊根據(jù)整車(chē)狀態(tài)計(jì)算整車(chē)所需廣義橫擺力矩；

左右后輪轉(zhuǎn)矩分配模塊：該模塊根據(jù)附加橫擺力矩和整車(chē)所需廣義橫擺力矩進(jìn)行分配得到左后輪轉(zhuǎn)矩和右后輪轉(zhuǎn)矩；

電機(jī)控制模塊：該模塊根據(jù)左前輪轉(zhuǎn)矩、右前輪轉(zhuǎn)矩、左后輪轉(zhuǎn)矩和右后輪轉(zhuǎn)矩控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

所述的左右前輪差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制模塊包括：

實(shí)時(shí)參數(shù)獲取子模塊：該子模塊實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)車(chē)速v和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw；

參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩計(jì)算模塊：該子模塊根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw和整車(chē)車(chē)速v計(jì)算獲取參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩；

閉環(huán)控制子模塊：該子模塊正輸入端連接參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩，閉環(huán)控制子模塊負(fù)反饋端連接實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw，閉環(huán)控制子模塊輸出左右前輪轉(zhuǎn)矩差；

左右前輪轉(zhuǎn)矩分配子模塊：該子模塊對(duì)預(yù)先設(shè)定的左右前輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配得到左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩，且使得左前輪轉(zhuǎn)矩和右前輪轉(zhuǎn)矩差值為δtf。

一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制方法，該方法包括如下步驟：

(1)獲取參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw；

(2)對(duì)treq和tsw進(jìn)行pi控制得到左右前輪轉(zhuǎn)矩差δtf；

(3)根據(jù)δtf對(duì)預(yù)先設(shè)定的左右前輪轉(zhuǎn)矩tf進(jìn)行分配得到左前輪轉(zhuǎn)矩t1和右前輪轉(zhuǎn)矩t2，且使得t1和t2差值為δtf；

(4)根據(jù)t1和t2獲取左右前輪產(chǎn)生的附加橫擺力矩mzf；

(5)根據(jù)整車(chē)狀態(tài)得到整車(chē)所需廣義橫擺力矩mzref；

(6)求取后輪所需附加橫擺力矩mzb＝mzref-mzf；

(7)根據(jù)mzb對(duì)預(yù)先設(shè)定的左右后輪轉(zhuǎn)矩tb進(jìn)行分配得到左后輪轉(zhuǎn)矩t3和右后輪轉(zhuǎn)矩t4，且使得t3和t4差值為mzb；

(8)根據(jù)t1、t2、t3和t4分別對(duì)左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。

本發(fā)明基于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制方法的控制框架如圖1所示。依據(jù)參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq和轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩/轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw的差值，采取閉環(huán)控制，輸出目標(biāo)左右前輪轉(zhuǎn)矩差，經(jīng)平均分配后與由駕駛員加速踏板決定的前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的一半求代數(shù)和后作為左右輪輪轂電機(jī)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而直接控制轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩跟隨參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩。

本專(zhuān)利通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw和整車(chē)車(chē)速v確定參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩，并基于參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的map圖，進(jìn)而根據(jù)map圖實(shí)時(shí)查找對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw和整車(chē)車(chē)速v下的參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)的map圖如圖2所示，具體地，參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq獲取方法為：實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw和整車(chē)車(chē)速v，根據(jù)下式求取對(duì)應(yīng)的參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩treq：

θmax＝θ0·e^-kv，

其中，θ0為原地轉(zhuǎn)向時(shí)的最大轉(zhuǎn)角，k為常系數(shù)，tvmax為整車(chē)車(chē)速為v時(shí)的最大轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩。

對(duì)于典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，pid控制器表示為：

u＝kp(e+1/ti∫edt+td·de/dt)，

其中，偏差e為控制偏差，kp為比例增益。

常規(guī)pi控制中，kp、ki參數(shù)根據(jù)對(duì)象模型或動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線進(jìn)行整定，考慮實(shí)際駕駛工況的復(fù)雜多變，以及差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的非線性因素，確定參數(shù)的pi控制在不同工況下難以達(dá)到一致的效果。為進(jìn)一步提高pi控制器的效果，本專(zhuān)利采用了變參數(shù)pi控制器。該控制器通過(guò)引入非線性函數(shù)根據(jù)偏差的大小在線調(diào)節(jié)pi參數(shù)來(lái)提高控制性。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整定方便，計(jì)算量小。

pi控制的控制律為：

δtf＝kp(e+1/ki∫edt)，

e＝tsw-treq，

kp為比例增益，ki為積分增益。

本專(zhuān)利采用gauss函數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成p、i增益函數(shù)的kp和ki。如圖3所示，kp的寬度取為1，以保證在較大的范圍內(nèi)具有較大的比例增益；如圖4所示，ki的寬度取為1，在穩(wěn)態(tài)值附近加大積分作用，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度且可以避免積分飽和。

具體地，比例增益和積分增益通過(guò)下述方式得到：

其中，kp0、kp1、ki0、ki1和ki2為常數(shù)，e＝tsw-treq，kp0、kp1為使比例系數(shù)kp在偏差的絕對(duì)值較小時(shí)去較小值從而加快響應(yīng)速度并保證良好的穩(wěn)定性而設(shè)置的控制器參數(shù)，ki0、ki1、ki2為使積分系數(shù)ki在偏差絕對(duì)值較小時(shí)取較大值從而保證穩(wěn)態(tài)無(wú)靜態(tài)誤差的同時(shí)避免積分飽和帶來(lái)的超調(diào)增大、調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)的問(wèn)題而設(shè)置的控制器參數(shù)。

本專(zhuān)利考慮電機(jī)輸出力矩飽和情況下，具有飽和作用的pi控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示、一種遇限削弱積分的變參數(shù)pi控制算法程序框圖如圖6所示。在計(jì)算u(k)時(shí)，先判斷u(k-1)是否已經(jīng)超出限制值。若u(k-1)＞umax，則只累加負(fù)偏差；u(k-1)＜umax，則累加正偏差。

為合理配置參數(shù)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能，需進(jìn)行pi參數(shù)的基礎(chǔ)整定。工況為車(chē)速30km/h，在5s時(shí)以180°/s轉(zhuǎn)角速率完成180°轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角斜坡輸入。先將ki參數(shù)設(shè)置為零，改變參數(shù)kp，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩變化如圖7所示；選定kp參數(shù)后，固定kp參數(shù)不變，改變ki，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩變化如圖8所示。

由圖7可知，隨著kp值的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)幅值增加，響應(yīng)速度加快，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩跟蹤理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩速度增加，穩(wěn)態(tài)誤差減小，但穩(wěn)定性能有所下降，在kp值為300時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)收到擾動(dòng)的影響導(dǎo)致振蕩，故kp值不能無(wú)限制增加。對(duì)于不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)kp的取值范圍不同，超出該限制范圍，會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控制量振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。由圖8可知，在相同kp條件下，隨著ki的增加，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差減小，但隨著ki的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。特別是當(dāng)誤差符號(hào)發(fā)生改變時(shí)，由于存在著較大的積分累積導(dǎo)致最終消除穩(wěn)態(tài)誤差的時(shí)間變長(zhǎng)。在高頻輸入下會(huì)引起系統(tǒng)的響應(yīng)遲滯。

考慮到差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱性能中，一個(gè)非常重要的性能要求就是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能。對(duì)于回正狀態(tài)的判斷是進(jìn)行主動(dòng)回正控制的前提，本專(zhuān)利用轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角及其角速度制定主動(dòng)回正控制判斷規(guī)則，規(guī)則流程如圖9所示

th1、th2、th3、th4是可調(diào)的閾值，count初始值設(shè)為0，如果駕駛員的轉(zhuǎn)向力矩小于一個(gè)確定的閾值，觸發(fā)規(guī)則就會(huì)繼續(xù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的情況，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角或者轉(zhuǎn)角的變化率大于設(shè)定的閾值，觸發(fā)規(guī)則會(huì)繼續(xù)監(jiān)測(cè)回正控制算法的狀態(tài)(flag＝1表示處于回正控制狀態(tài)，flag＝0表示未處于回正控制狀態(tài)。如果flag＝0，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)所有邏輯語(yǔ)言為真的狀態(tài)是否超過(guò)特定的時(shí)間，用count進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果上述情況保持時(shí)間超過(guò)th4，則控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為回正控制算法；flag＝1，主動(dòng)回正控制算法直接進(jìn)入控制，這樣是為了保證系統(tǒng)不會(huì)頻繁進(jìn)入主動(dòng)回正控制狀態(tài)或者誤操作。如果其中的扭矩信號(hào)或者轉(zhuǎn)角信號(hào)不滿足條件，則count重新設(shè)定為0，主動(dòng)回正控制算法關(guān)閉。

汽車(chē)低速行駛時(shí)，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中摩擦及阻尼的存在，以及輪胎的阻尼效應(yīng)，會(huì)使得轉(zhuǎn)向盤(pán)無(wú)法準(zhǔn)確回正、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和橫擺角速度有殘留現(xiàn)象等情況，使得汽車(chē)直線行駛的性能降低。在差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中通過(guò)加入主動(dòng)回正控制策略，來(lái)提高汽車(chē)的回正性能；當(dāng)汽車(chē)高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)在回正的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角超調(diào)，嚴(yán)重時(shí)引起汽車(chē)的橫擺振蕩。此時(shí)通過(guò)采用增加主動(dòng)阻尼控制，可以有效抑制橫擺振蕩的情況，因此，主動(dòng)回正控制應(yīng)包含回正控制和主動(dòng)阻尼控制。為了達(dá)到這個(gè)目的，考慮算法的簡(jiǎn)單有效性，本專(zhuān)利采用如下的pid控制器：

式中δ0是轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的目標(biāo)控制量，為了使轉(zhuǎn)向盤(pán)能夠回到中間位置，顯然δ0＝0,因此上式可表達(dá)成：

式中kp、ki和kd是控制器增益，u2是回正時(shí)電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)，上式的pi部分對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)大轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生較大的回復(fù)助力轉(zhuǎn)矩，即執(zhí)行相應(yīng)的回正控制；求導(dǎo)部分是用來(lái)產(chǎn)生主動(dòng)阻尼，它是隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度增加而增加的，這樣，不同的回正特性可以通過(guò)調(diào)整控制器增益來(lái)得到。對(duì)于不同的工況，應(yīng)選擇不同的kp、ki和kd,已達(dá)到最佳的效果。

考慮到回正控制效果與車(chē)速密切相關(guān)，主動(dòng)回正控制主要解決在低速時(shí)的回正不足以及高速時(shí)的回正過(guò)度問(wèn)題，故可以根據(jù)車(chē)速設(shè)置kp、ki和kd參數(shù)，在低速時(shí)kp、ki較大，kd為0，此時(shí)控制器簡(jiǎn)化為pi控制器，以獲得足夠的主動(dòng)回正控制力矩，隨著車(chē)速的升高，kp、ki逐漸變小，而kd則逐漸變大，在高速時(shí)kd較大以獲得合適的系統(tǒng)阻尼，防止系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而采用主動(dòng)回正力矩和高速阻力力矩相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程的主動(dòng)回正控制。

步驟(3)左前輪轉(zhuǎn)矩t1和右前輪轉(zhuǎn)矩t2分配方式如下：

t1＝tf/2+δtf/2，

t2＝tf/2-δtf/2。

步驟(3)還包括對(duì)左右前輪轉(zhuǎn)矩t1和t2進(jìn)行限值：

當(dāng)t1>tmax，令t1＝tmax；

當(dāng)t2<-tmax，令t2＝-tmax；

其中，tmax為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)的峰值力矩。

步驟(5)具體為：獲取轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)側(cè)向加速度ay、整車(chē)縱向車(chē)速vx和質(zhì)心側(cè)偏角β，根據(jù)θsw、ay、vx和β求得mzref的大小。

步驟(7)左后輪轉(zhuǎn)矩t3和右后輪轉(zhuǎn)矩t4分配方式如下：

t3＝tb/2+mzb/2，

t4＝tb/2-mzb/2。

考慮到差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制在提供助力的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)整車(chē)的額外橫擺力矩。此橫擺力矩與橫擺運(yùn)動(dòng)方向相同，可以提高車(chē)輛的橫擺角速度響應(yīng)。為充分發(fā)揮分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在改善操縱性的優(yōu)勢(shì)，本專(zhuān)利對(duì)左右后輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩矢量控制，進(jìn)一步提高車(chē)輛操縱性的同時(shí)使前輪差動(dòng)助力產(chǎn)生的額外橫擺力矩得到有效的控制和利用。

本專(zhuān)利差動(dòng)助力及轉(zhuǎn)矩矢量聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)如圖10所示。

整車(chē)控制器的上層分為兩部分：差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模塊和轉(zhuǎn)矩矢量控制模塊。根據(jù)設(shè)定的閉環(huán)工況，駕駛員模型會(huì)輸出轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與驅(qū)/制動(dòng)信號(hào)。差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模塊的輸入變量為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)縱向車(chē)速vx和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩tsw，其輸出變量為左右前輪轉(zhuǎn)矩差δtf。轉(zhuǎn)矩矢量控制模塊的輸入變量為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)側(cè)向加速度ay、整車(chē)縱向車(chē)速vx和質(zhì)心側(cè)偏角β，其輸出變量為整車(chē)所需廣義橫擺力矩mzref。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配模塊的輸入變量為左右前輪轉(zhuǎn)矩差δtf、整車(chē)所需廣義橫擺力矩mzref以及四輪的輪速，輸出變量為四個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

本專(zhuān)利驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配模塊結(jié)構(gòu)如圖11所示。差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩與參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩差值計(jì)算得到差動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并平均分配到前軸左右輪。同時(shí)，通過(guò)跟蹤理想橫擺角速度響應(yīng)計(jì)算得到控制橫擺力矩，減去前輪差動(dòng)助力產(chǎn)生的額外橫擺力矩得到需要通過(guò)后軸產(chǎn)生的整車(chē)橫擺力矩的大小，并分配到后軸左右輪

本專(zhuān)利轉(zhuǎn)矩矢量控制模塊結(jié)構(gòu)如圖12所示。整車(chē)控制器結(jié)構(gòu)的上層是操縱性控制，該控制策略的相關(guān)輸入變量為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw、整車(chē)側(cè)向加速度ay、整車(chē)縱向車(chē)速vx和質(zhì)心側(cè)偏角β。參考橫擺角速度由相關(guān)輸入變量計(jì)算得到，附加橫擺轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊通過(guò)反饋控制計(jì)算廣義橫擺需求，分配模塊將需要的附加驅(qū)動(dòng)力矩平均分配到左右后輪上。

總結(jié)而言，本發(fā)明分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制方法具體包括：

基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)以參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩為控制目標(biāo)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制策略，該策略又包含：由車(chē)速及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角確定的參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩；考慮電機(jī)輸出力矩飽和的遇限削弱積分變參數(shù)pi控制算法；根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角及其角速度制定的主動(dòng)回正控制規(guī)則；滿足轉(zhuǎn)向助力需求和整車(chē)操縱性需求的轉(zhuǎn)矩分配策略。

以參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩為控制目標(biāo)的差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制策略時(shí)依據(jù)駕駛員喜好制定參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩，并利用左右前輪轉(zhuǎn)矩差產(chǎn)生助力施加到轉(zhuǎn)向系去控制真實(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩之間的偏差。該方法采用容易測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩信號(hào)作為反饋控制變量，對(duì)主銷(xiāo)定位參數(shù)和轉(zhuǎn)向系參數(shù)變化的適應(yīng)能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩特性調(diào)節(jié)容易。

通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與車(chē)速確定參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩是應(yīng)用駕駛模擬器研究轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩反饋規(guī)律，即轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩的關(guān)系，在同一車(chē)速和路面附著條件下，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角近似成正比，轉(zhuǎn)向阻力矩隨轉(zhuǎn)角幾乎不失真地傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)。

考慮電機(jī)輸出力矩飽和的遇限削弱積分變參數(shù)pi控制算法是考慮在實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，控制量實(shí)際輸出值易受限于被控對(duì)象性能。在差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中，左右前輪差動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出值受限于電機(jī)能力，被限制在一定范圍內(nèi)。若控制量超出上述范圍，實(shí)際被控對(duì)象的控制量不再是計(jì)算值，其等價(jià)于在系統(tǒng)中串聯(lián)了一個(gè)飽和非線性環(huán)節(jié)而引起飽和效應(yīng)。故本發(fā)明在差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)pi控制器中增加遇限削弱積分的抗飽和控制。

根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角及其角速度制動(dòng)的主動(dòng)回正控制判斷規(guī)則。對(duì)于回正狀態(tài)的判斷是進(jìn)行主動(dòng)回正控制的前提，本專(zhuān)利的主動(dòng)回正控制是針對(duì)駕駛員撒手回正過(guò)程，所以回正判斷模塊的作用是判斷車(chē)輛是否處于自由回正的過(guò)程，如果是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)回正，則主動(dòng)回正控制不予以激活。

滿足轉(zhuǎn)向助力需求和整車(chē)操縱性需求的轉(zhuǎn)矩分配策略是通過(guò)前輪按照助力需求分配，后軸抵消前軸差動(dòng)產(chǎn)生的附加橫擺力矩以滿足轉(zhuǎn)向助力需求和整車(chē)操縱性需求的轉(zhuǎn)矩分配策略。

上述控制方法達(dá)到在減小駕駛員操縱負(fù)擔(dān)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)改善中低車(chē)速轉(zhuǎn)向輕便性和中高車(chē)速駕駛員“路感”，提高汽車(chē)操縱性能。

本實(shí)施例對(duì)上述方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，包括：

(1)轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)

(1.1)雙扭線試驗(yàn)

本試驗(yàn)為汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法中的轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)使汽車(chē)以10±2km/h的車(chē)速沿雙扭線路徑行駛。待車(chē)速穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和作用力矩，并記錄行駛車(chē)速作為監(jiān)督參數(shù)。汽車(chē)沿雙扭線繞行一周至記錄起始位置，即完成一次試驗(yàn)，全部試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行有無(wú)助力控制各三次。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。圖13(a)為無(wú)控制時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩實(shí)際值和參考值的對(duì)比圖，圖13(b)為采用本發(fā)明控制方法時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩實(shí)際值和參考值的對(duì)比圖，圖13(c)為無(wú)控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩關(guān)系圖，圖13(d)為有控制時(shí)，4個(gè)車(chē)輪的車(chē)輪轉(zhuǎn)矩變化曲線圖，圖13(e)為有無(wú)控制兩種情況下轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩大小和轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩平均值大小的對(duì)比圖，對(duì)比可知，差動(dòng)助力控制可以有效減小駕駛員操縱負(fù)擔(dān)，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩峰值由無(wú)控制下的7.2nm減小為3.7nm，減小幅度達(dá)47％。對(duì)比參考轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩曲線可知，差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制下，實(shí)際轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩能很好地跟蹤轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩。根據(jù)有控制車(chē)輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線可知，最大差動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為220nm，表明差動(dòng)助力控制滿足助力需求。

(2)轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)

(2.1)低速回正試驗(yàn)

本專(zhuān)利中低速回正試車(chē)速為20km/h，側(cè)向加速度穩(wěn)定后，固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車(chē)速應(yīng)開(kāi)始記錄。駕駛員突然松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)，至少記錄松手后的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示。圖14為有無(wú)控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的對(duì)比曲線，圖14可知，無(wú)控制情況下，駕駛員松手后，轉(zhuǎn)向盤(pán)無(wú)法自動(dòng)回正到中間位置。經(jīng)過(guò)3s后，殘余轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為110°，從松手到轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為2.2s。在差動(dòng)助力控制下，駕駛員松手后，轉(zhuǎn)向盤(pán)以更快的速度回正到中間位置，所需穩(wěn)定時(shí)間為0.8s，殘余轉(zhuǎn)向盤(pán)角度為10°，殘余轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角大幅度降低。圖15(a)為有無(wú)控制時(shí)橫擺角速度的對(duì)比曲線，圖15(b)為有無(wú)控制時(shí)側(cè)向加速度的對(duì)比曲線，由圖15可知，有控制時(shí)，殘余橫擺角速度由15deg/s降低到4.5deg/s，殘余側(cè)向加速度由1.3m/s²降低到0.6m/s²。以上結(jié)果表明，差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制可以改善車(chē)輛低速回正性能，有利于提高車(chē)輛操縱性。

(3)整車(chē)操縱性試驗(yàn)

(3.1)蛇形試驗(yàn)

本專(zhuān)利中蛇形試驗(yàn)根據(jù)gb/t6323.1-94進(jìn)行路徑設(shè)置。考慮車(chē)輛性能，采用12m間隔樁距進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)車(chē)速為30km/h。試驗(yàn)結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16(a)為無(wú)控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角曲線圖，圖16(b)為有控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角曲線圖，圖16(c)為無(wú)控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩角曲線圖，圖16(d)為有控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩角曲線圖。由圖16可知，差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)矩矢量聯(lián)合控制下，完成蛇形試驗(yàn)駕駛員所需輸入的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角減小，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角平均峰值由246°減小到175°；有控制下，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩平均峰值由12.3nm減小到7.5nm，由此可見(jiàn)：差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)矩矢量聯(lián)合下車(chē)輛的連續(xù)過(guò)彎能力得到改善，駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)明顯減輕，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向輕便性有所提高。

圖17(a)為無(wú)控制時(shí)橫擺角速度曲線圖，圖17(b)為有控制時(shí)橫擺角速度曲線圖。由圖17可知，無(wú)控制時(shí)，車(chē)輛橫擺角速度無(wú)法跟蹤參考橫擺角速度，在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角峰值處有較大跟蹤誤差。但加入差動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)矩矢量聯(lián)合控制時(shí)，車(chē)輛的橫擺角速度能較好地跟蹤參考值，橫擺角速度跟蹤平均峰值誤差由無(wú)控制時(shí)11.4deg/s下降至4.2deg/s。在相同的輸入下，車(chē)輛的橫擺角速度增大，即車(chē)輛的操縱性得到改善。