CN103112365B - 自适应电子差速控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应电子差速控制***，包括整车控制器、上位机、两个逆变器以及与两个驱动轮对应的两个驱动电机，所述上位机与所述整车控制***连接，所述上位机还通过CAN总线与所述两个逆变器连接，通过逆变器控制驱动电机的运转。本发明通过两驱动轮滑移率之差来作为汽车转向信号，实现自适应转向切换；直行时，可保证轮速与车速间的同步，同时电机出力跟随运动时所受阻力矩实时变化，达到运行平稳；在弯行时，通过基于最佳滑移率转矩控制模式，用以实时修正转矩指令，以控制滑移率达到最佳位置，实现平稳转向。另外，本发明基于滑移率的自适应转向控制，不需要转向传感器，可节省成本。

Description

自适应电子差速控制***

技术领域

本发明涉及电子差速控制领域，尤其涉及一种自适应电子差速控制***。

背景技术

目前较为流行的电子差速控制策略有两种：基于转速调节和基于转矩调节。两种控制策略各有优缺点：基于转矩控制的差速策略能根据车辆运行时的负载变化适时调整转矩输出，动态性能好，反应快，自适应性强，但是差速控制的实质是转速，转矩对于速度的影响是通过动力学方程实现，由于转矩与转速间存在一阶导数，是非线性关系，故控制转矩对于速度的改变有延迟效应；基于转速控制的差速策略能精确的控制车轮转速，此时电机采用速度闭环控制，能根据路面负载变化实时调整转矩电流值，使转速维持稳定，故稳定性好，精度高，但另一方面由于转矩是不可控的，不能对车辆运行的各种工况及时做出反应及实时调整，动态性差，自适应弱。

在实际车辆运行中，稳定性和动态性是评价车辆性能的两个最重要指标，如何兼顾这种控制策略的优势，使车辆运行在最佳模式，这是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对车辆的电子差速控制的自适应能力较弱的缺陷，提供一种自适应电子差速控制***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种自适应电子差速控制***，包括整车控制器、上位机、两个逆变器以及与两个驱动轮对应的两个驱动电机，所述上位机与所述整车控制***连接，所述上位机还通过CAN总线与所述两个逆变器连接，通过逆变器控制驱动电机的运转；

所述上位机具体包括：

信号获取模块，用于整车控制器获取两个驱动轮的电机转速和汽车运行速度；

计算模块，用于根据电机转速和汽车运行速度计算两个驱动轮的滑移率；

控制模块，用于若两个驱动轮的滑移率之差小于预设值，计算电机转速，并发送电机转速指令给相应驱动轮对应的逆变器，以通过逆变器控制汽车进入电机速度闭环控制模式，在该模式下，使电机出力跟随阻力矩并平衡阻力矩，转矩随阻力矩自行调节，以使直行时车轮速度同步；

若两个驱动轮的滑移率之差大于预设值，计算电机转矩，并发送电机转矩指令给相应驱动轮对应的逆变器，以通过逆变器控制汽车进入转矩控制模式，在该模式下，使电机出力跟随因弯行造成的阻力矩变化，并平衡阻力矩，电机转速跟随转矩变化自行调速，同时进行最佳滑移率闭环调节，使调节后的两个驱动轮的滑移率均接近预设的最佳滑移率，以使弯行时不打滑。

本发明所述的自适应电子差速控制***中，所述预设值为0.01％～0.5％。

本发明所述的自适应电子差速控制***中，在所述转矩控制模式下，所述计算模块计算电机转矩T_i′具体为：

T_i′＝f(v,λ_(3-i)i,λ_i)

$f(v,{\mathrm{\λ}}_{(3-i)i},{\mathrm{\λ}}_i)=r\[(\frac{1}{2}mg+\frac{{\mathrm{mHv}}^2{\mathrm{\λ}}_{(3-i)i}}{12.96B^3}\sqrt{B^2+b^2{\mathrm{\λ}}_{(3-i)i}^2}){\mathrm{\μ}}_i^{*}+\frac{C_D{\mathrm{Av}}^2}{42.3}\]/i_0\mathrm{\η}+g\left({\mathrm{\Δ\λ}}_i\right);$

其中，m：车重；H：质心高；B：两个驱动轮的轮距；r：轮胎半径；b:质心到前轮或后轮的长度；v：车速；C_D:风阻系数；A：迎风面积；i₀：总传动比；η为汽车的传动效率；相对滑移率λ_(3-i)i，λ_(3-i)i＝λ_3-i-λ_i，i＝1,2，λ_i为i轮的滑移率；

μ_i：轮i的附着系数，其中参数C₁、C₂、C₃由实际路面工况而定，μ_i＝μ(λ_i)；

:轮i的最佳附着系数，大小为函数μ_i＝μ(λ_i)的极大值点；

K_p为比例积分调节器的比例系数，T_i为积分时间常数；为轮i的最佳滑移率。

本发明所述的自适应电子差速控制***中，该上位机通过12V的电源模块供电，该上位机还连接输入按键和显示器。

本发明产生的有益效果是：本发明的自适应电子差速控制***结合速度控制下的转矩自适应及转矩控制下的转速自适应，实现自适应差速控制。本发明通过两轮滑移率差来作为汽车转向信号，实现自适应转向切换；直行时，可保证轮速与车速间的同步，同时电机出力跟随运动时所受阻力矩实时变化，达到运行平稳；在弯行时，通过基于最佳滑移率转矩控制模式，用以实时修正转矩指令，以控制滑移率达到最佳位置，实现平稳转向。另外，本发明基于滑移率的自适应转向控制，不需要转向传感器，可节省成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例自适应电子差速控制方法的流程图；

图2是本发明实施例中车辆的转向模型；

图3是本发明实施例电子差速控制***的信号框图；

图4是本发明实施例自适应电子差速控制上位机的结构示意图；

图5是本发明实施例自适应电子差速控制上位机硬件接口示意图；

图6是本发明实施例自适应电子差速控制***的结构示意图；

图7是本发明实施例附着系数μ与滑移率λ的关系曲线簇。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例自适应电子差速控制方法，用于汽车的驱动控制，包括以下步骤：

S101、获取两个驱动轮的电机转速和汽车运行速度；

S102、根据电机转速和汽车运行速度两个驱动轮的滑移率；

S103、判断滑移率之差是否大于预设值；

S104、若两个驱动轮的滑移率之差大于预设值，则控制汽车进入转矩控制模式；

S105、在转矩控制模式下，计算电机转矩，并发送电机转矩指令给相应电机，进行基于转矩的差速控制，使电机出力跟随因弯行造成的阻力矩变化，并平衡阻力矩，电机转速跟随转矩变化自行调速，同时进行最佳滑移率闭环调节，使调节后的两个驱动轮的滑移率均接近预设的最佳滑移率，以使弯行时不打滑。

S106、若两个驱动轮的滑移率之差小于预设值，则控制汽车进入电机速度闭环控制模式；

S107、在电机速度闭环控制模式下，计算电机转速，并发送电机转速指令给相应电机，进行速度控制，使电机出力跟随阻力矩并平衡阻力矩，转矩随阻力矩自行调节，以使直行时车轮速度同步；

S108、判断电机在何种控制模式下，若为电机速度闭环控制模式，则转入执行步骤S106；若为转矩控制模式，则转入执行步骤S104。

本发明实施例自适应电子差速控制的运行原理具体说明如下：

(1)基于转向角δ与滑移率之间的函数关系，δ＝f(λ)，根据滑移率判断转向情况，进而确定选用基于转速的控制模式(即电机速度闭环控制模式V)，还是基于转矩的控制模式(即转矩控制模式T)。

传统方法是采用转向传感器获取转向角δ，也可以通过转向δ与其他变量的函数关系，间接得到δ。本方案采用的是以滑移率为变量的函数关系δ＝f(λ)，即可以通过基本的转向模型结合滑移率公式推导，也可通过PI或其他方式进行拟合得到。

以基本的转向模型及滑移率公式得到该函数关系δ＝f(λ)的推导过程如下：

由车速与转速的关系式有： $v=\frac{3.6v^{\′}}{i_o}=\frac{3.6wr}{i_o}=0.377\frac{60w}{2\mathrm{\π}}\frac{r}{i_o}=0.377\frac{nr}{i_o}$

其中v′为车速v经传动***减速前的速度。

直行时： $\begin{array}{cc}{w}_{i}r=v_i^{\′}=v^{\′}=\frac{{\mathrm{vi}}_0}{3.6}& (i=1,2)\end{array}---\left(2\right)$

弯向时，以轮1为内轮为例结合车辆转向模型(见图2)，由几何关系(即Ackermann数学模型)可得：

$\begin{array}{ccc}{v}^{\′}=\frac{{\mathrm{vi}}_0}{0.377},& v_1^{\′}=v^{\′}(1-\frac{B}{2L}\tan \mathrm{\δ}),& v_2^{\′}=v^{\′}(1+\frac{B}{2L}\tan \mathrm{\δ})\end{array}---\left(3\right)$

滑移率定义有：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{v^{\′}-v_i^{\′}}{v^{\′}}& (i=1,2)\end{array}---\left(4\right)$

联立(3)(4)得：

${\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2=\frac{B}{L}tan\mathrm{\δ}---\left(5\right)$

可以验证，当轮2为内轮时，也满足式(5)，只是此时δ为负值进而可得转向公式：

考虑实际直行中两车轮转速难以得到精确同步，故在V/T模式切换中设置了切换层θ，只有当两轮滑移率差值超过切换层θ(即上述预设值)，才进入差速转向控制，θ为经验值，优选取0.01％～0.5％。

即当λ₁₂＝0时，两轮速保持一致，采用电机速度闭环控制，使电机出力跟随阻力矩并平衡阻力矩，让转矩随阻力矩自行调节，以保证两轮速度同步，即此时，单纯阻力矩变化并不会影响到轮速，也不会影响到滑移率，更不会使汽车出现转弯。

再结合车速v与轮速ν′的关系：

可得：角速度 $w_1=w_2=\frac{v^{\′}}{r}=\frac{{\mathrm{vi}}_o}{3.6r};$ 转速

当λ₁₂≠0时，这表明前轮开始转向，使得滑移率出现突变，此时电机解除速度闭环控制模式，自动切换到转矩控制模式，即此时电机出力跟随此时因弯行造成的阻力矩变化，并平衡阻力矩，让电机转速跟随转矩变化自行调速，同时进行最佳滑移率闭环调节，使得转速朝着使滑移率向最佳的方向变化，保证弯行时不打滑。

基于转矩与车速及滑移率的函数关系：T＝f(v,λ)，确定实时转矩。

该函数关系可以由运动学方程推导，也可通过PI或其他方式进行拟合得到。

由运动学方程得到转矩公式的推导过程如下：

结合车辆运动模型(如图3所示)，对下述推导中的主要参数说明如下：以下i、j的取值范围均为{1，2}，电机i对应轮i；

b:质心到驱动轮轮轴的距离；L：轴距；m：车重；B：两个驱动轮的轮距；r：轮胎半径；R：转弯半径；R′：质心半径；v：车速；v_b：质心速度；v′_i：i轮速；C_D:风阻系数；A：迎风面积；i₀：总传动比；w_i：电机i的角速度；轮i的最佳附着系数；λ_i：轮i滑移率；λ_ij＝λ_i-λ_j；轮i的最佳滑移率；η为汽车的传动效率；

v_b：质心速度； $\begin{array}{ccc}{v}_b=\frac{R^{\′}}{R}\frac{v}{3.6},& R=\left|\frac{L}{\tan \mathrm{\δ}}\right|,& R^{\′}=\sqrt{\frac{L^2}{{\tan }^2\mathrm{\δ}}+b^2}\end{array};$

T_fi：轮i运动时的滚动阻力矩，

F_ai：轮i所受离心力，

M_xi：轮i所受侧倾力矩， $M_{xi}=-\mathrm{sgn}\left(\frac{L}{\tan \mathrm{\δ}}\right)\·F_{ai}H=-\mathrm{sgn}\left(\frac{L2}{\tan \mathrm{\δ}}\right)\·\frac{{\mathrm{mv}}_b^2}{R^{\′}}H,$ H为质心高；为转向符号判断，根据转向公式(6)，汽车左行时，取-1，右行时，取+1

F_w：空气阻力，

μ_i：轮i的附着系数，根据轮胎模型，纵向附着系数μ与滑移率λ的关系式可表示为：其中参数C₁、C₂、C₃由实际路面工况而定，曲线簇如图7所示，μ_i＝μ(λ_i)；

:轮i的最佳附着系数，大小对应为曲线μ_i＝μ(λ_i)的极大值点；

轮i的最佳滑移率。对于轮1有，对于轮2，由于弯行时存在偏转运动，使得两轮最佳滑移率之差与λ₁₂的函数关系可表示为其中K₁为比例增益系数，故取 $\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_2^{*}={\mathrm{\λ}}_1^{*}-{\mathrm{\λ}}_{12}^{*}={\mathrm{\λ}}_1^{*}-\frac{K_{1}v}{L}arctan\frac{{\mathrm{L\λ}}_{12}}{B},& {\mathrm{\μ}}_2^{*}={\mathrm{\μ}}_1^{*},\end{array}$ 当然，最佳滑移率的估算方法不限于此种方法；

ΔT_i：转矩修正，ΔT_i＝g(Δλ_i)(由比例积分调节器PI调制得到， K_p为PI的比例系数，T_i为积分时间常数)

T_i′＝T_i﹡+ΔT_i，其中T_i﹡是为平衡阻力矩电机应产出的力矩，(i＝1,2)，ΔT_i是为使滑移率达到最佳位置以防止车轮打滑而对电机输出转矩的修正，(i＝1,2)

$T_i^{*}=(T_{fi}+\frac{1}{2}{\mathrm{rF}}_w)/i_0\mathrm{\η}=r\[(\frac{1}{2}mg+\frac{M_{xi}}{B}){\mathrm{\μ}}_i^{*}+\frac{1}{2}\frac{C_D{\mathrm{Av}}^2}{21.15}\]/i_0\mathrm{\η}---\left(9\right)$

再联合及T_i′＝T_i ^*+ΔT_i

联立可得

$T_1^{\′}{T_1}^{*}+{\mathrm{\ΔT}}_1=r\[(\frac{1}{2}mg+\frac{{\mathrm{mHv}}^2{\mathrm{\λ}}_{21}}{12.96B^3}\sqrt{B^2+b^2{\mathrm{\λ}}_{21}^2}){\mathrm{\μ}}_1^{*}+\frac{C_D{\mathrm{Av}}^2}{42.3}\]/i_0\mathrm{\η}+g\left({\mathrm{\Δ\λ}}_1\right)---\left(10\right)$

$T_2^{\′}=T_2^{*}+{\mathrm{\ΔT}}_2=r\[(\frac{1}{2}mg+\frac{{\mathrm{mHv}}^2{\mathrm{\λ}}_{12}}{12.96B^3}\sqrt{B^2+b^2{\mathrm{\λ}}_{12}^2}){\mathrm{\μ}}_2^{*}+\frac{C_D{\mathrm{Av}}^2}{42.3}\]/i_0\mathrm{\η}+g\left({\mathrm{\Δ\λ}}_2\right)---\left(11\right)$

统一式(10)、(11)即得到了转矩与车速及滑移率的函数关系：

T_i′＝f(v,λ_(3-i)i,λ_i)(12)

其中 $f(v,{\mathrm{\λ}}_{(3-i)i},{\mathrm{\λ}}_i)=r\[(\frac{1}{2}mg+\frac{{\mathrm{mHv}}^2{\mathrm{\λ}}_{(3-i)i}}{12.96B^3}\sqrt{B^2+b^2{\mathrm{\λ}}_{(3-i)i}^2}){\mathrm{\μ}}_i^{*}+\frac{C_D{\mathrm{Av}}^2}{42.3}\]/i_0\mathrm{\η}$ $+g\left({\mathrm{\Δ\λ}}_i\right),$ 相对滑移率λ_(3-i)i，λ_(3-i)i＝λ_3-i-λ_i，i＝1,2

另外，选取的参考车速不一样，所得滑移率及相对滑移率也相应存在差异，但由于本差速方案采用了最佳滑移率闭环控制，转矩修正ΔT_i能实时修正这一差异带来的影响，保证了本差速***运行的兼容性与可靠性。

本发明实施例的自适应电子差速控制上位机，用于汽车的驱动控制，该上位机可以实现上述实施例的自适应电子差速控制方法，如图4所示，包括：

信号获取模块10，用于整车控制器获取两个驱动轮的电机转速和汽车运行速度；

计算模块20，用于根据电机转速和汽车运行速度计算两个驱动轮的滑移率；

控制模块30，用于若两个驱动轮的滑移率之差小于预设值，计算电机转速，并发送电机转速指令给相应驱动轮对应的逆变器，以通过逆变器控制汽车进入电机速度闭环控制模式，在该模式下，使电机出力跟随阻力矩并平衡阻力矩，转矩随阻力矩自行调节，以使直行时车轮速度同步；

若两个驱动轮的滑移率之差大于预设值，计算电机转矩，并发送电机转矩指令给相应驱动轮对应的逆变器，以通过逆变器控制汽车进入转矩控制模式，在该模式下，使电机出力跟随因弯行造成的阻力矩变化，并平衡阻力矩，电机转速跟随转矩变化自行调速，同时进行最佳滑移率闭环调节，使调节后的两个驱动轮的滑移率均接近预设的最佳滑移率，以使弯行时不打滑。

上位机中具体计算详见上文实施例，在此不赘述。

上位机接收整车控制器转向、启制动及其他控制信号实时计算电机的运行数据并通过CAN总线传送给各个电机，使电机能够根据实时路况和控制信息协调运行，保证行车安全、稳定。如图5所示，上位机还连接输入按键和数码管/液晶显示部件，用于在***调试和特殊情况的行车状态查询。为实现以上功能上位机基于与逆变器相同的DSP处理器，CAN总线通信接口，最高通信速率1Mbit/S，差速、同速计算，按键输入，数码管/液晶显示输出，环境温度范围:-20—40℃。

本发明实施例自适应电子差速控制***，如图6所示，包括整车控制器、上位机、两个逆变器以及与两个驱动轮对应的两个驱动电机，上位机为上文实施例的自适应电子差速控制上位机，上位机与整车控制***连接，上位机还通过CAN总线与两个逆变器连接，通过逆变器控制驱动电机的运转。整车控制器通过采集来自司机驾驶信号及车辆状态的三类信号，包括模拟信号(加速、制动踏板，制动器主缸压力，轮速信号)、开关信号(前进、后退、低速档、巡航指示)、CAN总线收发信号(驱动电机控制、车载显示、变速器挡位指令)，通过CAN总线对来自整车控制的相关信号实时输入到上位机的进行差速算法，逆变器实时接收由上位机计算出的电机转速(V)指令和转矩(T)指令，通过电机转速闭环控制或直接转矩控制，实现转向运行平稳，自适应转向，达到最佳驾驶效果。各器件通过CAN总线与上位机相互通信，实现电子差速控制。

该差速***在结构上采用上位机型一拖二带的差速结构形式，在控制策略上采用基于滑移率的自适应差速控制，直行时转矩自适应，弯行时转速自适应，以期实现转向运行平稳，自适应转向，达到最佳驾驶效果。由上位机实现差速算法运算，通过CAN总线对网络信息进行管理、调度、分析和运算，完成***各输入输出的信号传递，并能对车辆运行状态进行实时监控，保障了差速***的稳定性。

转向控制方面采用无位置转向传感器技术，即依据转向角与滑移率的一定函数关系计算得到，不需要转向传感器，节省成本，同时实现真正意义上的自适应性转向控制。

本发明各部分既相互配合又可独立配置使用，接口标准化，信号亦可扩展，本发明不仅实用两轮驱动，还适用四轮驱动。四轮驱动时，上位机可分别通过逆变器控制四个驱动轮。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种自适应电子差速控制***，其特征在于，包括整车控制器、上位机、两个逆变器以及与两个驱动轮对应的两个驱动电机，所述上位机与所述整车控制***连接，所述上位机还通过CAN总线与所述两个逆变器连接，通过逆变器控制驱动电机的运转；

所述上位机具体包括：

信号获取模块，用于整车控制器获取两个驱动轮的电机转速和汽车运行速度；

计算模块，用于根据电机转速和汽车运行速度计算两个驱动轮的滑移率；

控制模块，用于若两个驱动轮的滑移率之差小于预设值，计算电机转速，并发送电机转速指令给相应驱动轮对应的逆变器，以通过逆变器控制汽车进入电机速度闭环控制模式，在该模式下，使电机出力跟随阻力矩并平衡阻力矩，转矩随阻力矩自行调节，以使直行时车轮速度同步；

若两个驱动轮的滑移率之差大于预设值，计算电机转矩，并发送电机转矩指令给相应驱动轮对应的逆变器，以通过逆变器控制汽车进入转矩控制模式，在该模式下，使电机出力跟随因弯行造成的阻力矩变化，并平衡阻力矩，电机转速跟随转矩变化自行调速，同时进行最佳滑移率闭环调节，使调节后的两个驱动轮的滑移率均接近预设的最佳滑移率，以使弯行时不打滑。

2.根据权利要求1所述的自适应电子差速控制***，其特征在于，所述预设值为0.01％～0.5％。

3.根据权利要求1所述的自适应电子差速控制***，其特征在于，在所述转矩控制模式下，所述计算模块计算电机转矩T_i′具体为：

T_i′＝f(v,λ_(3-i)i,λ_i)

$f\left(v,{\mathrm{\λ}}_{\left(3-i\right)i},{\mathrm{\λ}}_i\right)=r\[\left(\frac{1}{2}mg+\frac{{\mathrm{mHv}}^2{\mathrm{\λ}}_{\left(3-i\right)i}}{12.96B^3}\sqrt{B^2+b^2{\mathrm{\λ}}_{\left(3-i\right)i}^2}\right){\mathrm{\μ}}_i^{*}+\frac{C_D{\mathrm{Av}}^2}{42.3}\]/i_0\mathrm{\η}+g\left({\mathrm{\Δ\λ}}_i\right);$

其中，m：车重；H：质心高；B：两个驱动轮的轮距；r：轮胎半径；b:质心到前轮或后轮的长度；v：车速；C_D:风阻系数；A：迎风面积；i₀：总传动比；η为汽车的传动效率；相对滑移率λ_(3-i)i，λ_(3-i)i＝λ_3-i-λ_i，i＝1,2，λ_i为i轮的滑移率；

μ_i：轮i的附着系数，其中参数C₁、C₂、C₃由实际路面工况而定，μ_i＝μ(λ_i)；

轮i的最佳附着系数，大小为函数μ_i＝μ(λ_i)的极大值点；K_p为比例积分调节器的比例系数，T_i为积分时间常数； 为轮i的最佳滑移率。

4.根据权利要求1所述的自适应电子差速控制***，其特征在于，该上位机通过12V的电源模块供电，该上位机还连接输入按键和显示器。