CN110329085B - 一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，包括：多个车轮，其通过悬架与车身相连接；多个轮毂电机，其分别安装于所述多个车轮内，并独立驱动各车轮转动；多个转向电机，其用于驱动车轮实现偏转；轮毂电机控制器，其输出轮毂电机的转矩控制信号；转向电机控制器，其输出转向电机转角控制信号；整车控制器，其内部存储有驾驶员的驾驶偏好信息；并且分别与所述轮毂电机控制器及所述转向电机控制器电联；辅助功能控制器，其与所述整车控制器电联，并根据所述驾驶偏好信息对所述轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号进行修正。本发明还提供了一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车的控制方法。

Description

一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车及其控 制方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，特别涉及一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车及其控制方法。

背景技术

随着现代社会及生活水平的不断发展和进步，汽车早已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。近年来，由于能源危机及环境污染的持续加重，电动汽车得到了广泛的推广和发展，而作为电动汽车的一种，轮毂电机驱动电动车将驱动电机甚至悬架等结构全部集成在车轮内部，且各车轮之间完全独立可控，进一步使车辆实现模块化构型，能够充分发挥车辆的驱动性能，因此也被广泛认为是汽车发展的最终形式。

汽车对人类而言早已不是简单的代步工具，人们提出了越来越多的性能要求，因此汽车各项附加功能越来越多，如针对汽车安全性的稳定性控制，针对能耗的节能性控制等等。同时，不同的驾驶员往往有着不同的驾驶习惯，或者对车辆的各项功能有着不同的需求，希望车辆的控制功能具备个性化的设置。此外，不同的车辆之间也必然存在着明显的驾驶性能差异，比如相同的驱动、制动、转向等驾驶员操作，而车辆的实际反馈却有着显著的差异。对于传统车辆而言，这些与车辆实际具备的相关功能所配套的硬件结构、车辆各相关参数等因素有关，因此这些是车辆出厂后无法改变的。这导致了驾驶员在驾驶不同车辆时，会受限于车辆本身属性，需要驾驶员去逐步适应车辆，这必然是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明设计开发了一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，其目的是提供一种能够充分发挥轮毂电机驱动电动车构型特点的整车控制架构设计，使整车控制器实现模块化，以满足不同驾驶员的驾驶偏好。

本发明设计开发了一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车的控制方法，其能够根据驾驶员的驾驶偏好对轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号进行修正，目的是解决驾驶员在驾驶不同车辆时，需要被动适应车辆的行驶性能的问题。

本发明提供的技术方案为：

一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，包括：

多个车轮，其通过悬架与车身相连接；

多个轮毂电机，其分别安装于所述多个车轮内，并独立驱动各车轮转动；

多个转向电机，其用于驱动车轮实现偏转；

轮毂电机控制器，其输出轮毂电机的转矩控制信号；

转向电机控制器，其输出转向电机转角控制信号；

整车控制器，其内部存储有驾驶员的驾驶偏好信息；并且分别与所述轮毂电机控制器及所述转向电机控制器电联；

辅助功能控制器，其与所述整车控制器电联，并根据所述驾驶偏好信息对所述轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号进行修正。

优选的是，所述的整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，还包括：

方向盘转角传感器，其设置在方向盘转向轴上，用于测量方向盘转角；

横摆角速度传感器，其用于测量车辆的横摆角速度值；

油门踏板开度传感器，其连接油门，用于测量踏板实际开度；

制动踏板开度传感器，其连接制动踏板，用于测量踏板实际开度；以及

CAN总线，其分别与所述方向盘转角传感器、所述横摆角速度传感器、所述油门踏板开度传感器、所述制动踏板传感器、所述转向电机控制器、所述轮毂电机控制器、所述辅助功能控制器及所述整车控制器连接。

优选的是，所述的整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，还包括：

整车控制器接口，其设置在汽车中控台上；

其中，所述整车控制器上集成有与所述整车控制器接口相匹配的数据传输端口；所述整车控制器可插拔的连接在所述整车控制器接口上。

优选的是，所述的整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，还包括：

整车控制器固定锁，其设置在所述整车控制器接口中。

一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、整车控制器获取油门开度、制动踏板开度及方向盘转角，并传输至辅助功能控制器；

步骤二、所述辅助功能控制器根据驾驶员的驾驶偏好信息对轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号进行修正。

优选的是，所述驾驶员偏好信息包括：

油门开度和制动踏板开度对应的期望车速以及方向盘转角对应的期望车辆转向角度。

优选的是，在所述步骤二中，将油门开度和制动踏板开度对应的期望车速与实际车速的差值，以及方向盘转角对应的期望车辆转向角度与实际转向角度的差值输入PID控制器，得到轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号。

优选的是，所述整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车的控制方法还包括：

计算车辆行驶过程中期望横摆角速度、期望质心侧偏角，以及车辆的实际质心侧偏角；

并且将车辆的横摆角速度与期望横摆角速度的差值以及车辆的实际质心侧偏角与期望质心侧偏角的差值分别输入到模糊PID控制器中，得到各车轮实际转矩改变量，并且通过所述整车控制器传输到轮毂电机控制器，改变车轮的转矩；

其中，所述期望横摆角速度为：

所述期望质心侧偏角为：

β_d＝0

所述实际质心侧偏角为：

式中，u为实际车速，K为稳定因子，θ为车轮实际转角，L为车辆轴距，v_x为车辆纵向速度，v_y为车辆侧向速度。

本发明的有益效果是：

本发明能够进一步充分发挥轮毂电机驱动车辆的构型特点，在不额外对硬件增添的条件下，驾驶员通过对软件功能的选取即可实现各项行驶功能改变，降低成本；将整车控制器模块化的设计，完全独立于车辆本身，可便携式随驾驶员在不同车辆之间接入整车***，使不同车辆始终具备驾驶员期望的行驶功能及驾驶体验，从而使驾驶员驾驶习惯始终得以保持。

附图说明

图1为本发明所述的整车控制器独立模块化轮毂电机驱动电动车的结构示意图。

图2为本发明所述的整车控制信号流图。

图3为本发明所述的整车控制器独立模块化轮毂电机驱动电动车驾驶室控制面板布局示意图。

图4为本发明所述的独立模块化整车控制器结构示意图。

图5为本发明所述的独立模块化整车控制器的数据传输端口示意图。

图6为本发明所述的独立模块化整车控制器接入车辆控制流程图。

图7为本发明所述的轮毂电机控制流程图。

图8为本发明所述的整车转向控制流程图。

图9为本发明所述的独立模块化控制器可包含的各项控制功能示意图。

图10为本发明所述的独立模块化控制器包含的整车稳定性控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-3所示，本发明提供了一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车，包括：转向盘110；传感器模块120，其主要包括方向盘转角传感器121、油门及制动踏板开度传感器122和整车横摆角速度传感器123；车轮转向电机130；转向电机控制器130a；辅助功能控制器140；轮毂电机150；轮毂电机控制器150a；车辆参数存储器160；独立模块化整车控制器170；车轮180；CAN总线100；整车控制器接口101，中控显示屏102及功能旋钮103。

轮毂电机驱动电动车为四轮独立驱动，四个轮毂电机150分别安装在四个车轮180内部，四个车轮180分别通过悬架与车体相连。车辆采用线控转向技术，仅前轮作为转向轮，两前轮180分别与两个转向电机130相连，在转向电机130的驱动下可以进行偏转，以完成车辆的转向行驶。方向盘转角传感121器安装在方向盘110转向柱上，油门、制动踏板开度传感器122安装在踏板处，整车横摆角速度传感器123安装在前排座椅之间靠近车辆质心的位置。

整车控制器170独立于车辆***，其安装位置设置在车辆中控屏下方，整车控制器170通过数据传输端口与对应的整车控制器接口101相接合，以便固定并接入整车***。其中，整车控制器接口101处设置有固定锁，用于固定整车控制器170并使其与车辆***能够保持稳定的通信，只有在车辆处于熄火状态下，整车控制器固定锁才处于解除状态，此时可以进行插拔整车控制器170。

在本实施例中，所示固定锁采用电磁固定锁形式。其中，整车控制器接口101处内侧布置有电磁线圈，而整车控制器170数据传输端口处外侧由磁性材料制造。当车辆点火后，电磁线圈所处的回路通电，其能够产生一定的电磁吸力，使整车控制器170被吸合在中控台的整车控制器接口101上，形成稳固的连接，从而保证整车控制器170与车辆***能够保持稳定通信。当电磁线圈未通电即车辆处于熄火状态时，整车控制器170不受电磁吸力，可以自由插拔。

如图4-5所示，为独立模块化的整车控制器170及其数据传输端口的示意图，但其实际结构并不局限于图中形式，整车控制器170结构上应具备体积小、重量轻、便于携带等特点，甚至可以集成于车辆启动钥匙、手机等移动设备中，此外还应具备较高的传输可靠性、强大的数据处理能力等。

整车控制器中所具备的各项车辆行驶功能，可由驾驶员在一定规范下自行选配，如增、减加整车稳定性功能，调整车辆的驱动形式等。此外，驾驶员也可以对整车控制器中储存的驾驶习惯，根据个人偏好及设置在满足安全、合理的情况下进行调整及标定，包括：调整油门踏板开度-目标车速对应曲线、方向盘转角-转向半径对应曲线等。

将整车控制器170***控制面板上对应的接口101中，并启动车辆，整车控制器170接入车辆***，固定锁锁止其位置。如图6所示，车辆的控制流程为，整车控制器170读取车辆参数存储器160中所存有的车辆相关基本结构参数，如轮距、轴距等，并将所述车辆基本结构参数及整车控制器170内部存储的驾驶员驾驶习惯信息等数据通过CAN总线100发送给辅助功能控制器140。之后，辅助功能控制器140根据接收的数据，发送控制信号自动调节驾驶员座椅及方向盘位置，使其满足驾驶员正常习惯。同时，辅助功能控制器140结合车辆本身的基本结构参数对整车控制器170内部具有的各控制功能相关参数进行更新，对诸如整车驱动转矩控制信号、车轮转角控制信号等进行修正。从而实现即便在不同车辆上，但由于接入的为存有相同驾驶员驾驶习惯信息的整车控制器170，使得在完成相同的驾驶操作后，车辆各功能的实际控制效果差别不大，即保证了驾驶员主观驾驶感受基本相同。

驾驶员驾驶车辆时，整车控制器170实时输出控制信号利用CAN总线发送给轮毂电机控制器150a以及转向电机控制器130a，进而控制轮毂电机及转向电机的输出，以实现车辆的变速及转向行驶。对于车辆的驱动控制，车辆正常行驶过程中，车辆上的传感器模块120实时反馈车辆行驶状态参数，其中轮速及车轮转矩信号由轮毂电机控制器150a反馈。轮毂电机驱动电动车四个车轮180完全独立，可以根据整车控制器170所具有的控制功能完成相应车轮180的驱动力及制动力控制，而不需要增加额外的配套硬件结构。

如图7所示，驱动控制策略流程为：整车控制器170根据驾驶员对油门踏板开度的控制，根据内部储存的对应关系(驾驶员驾驶习惯信息)得到驾驶员期望车速，并与估算的实际车速做差，将差值输入到PID控制器中，计算输出整车驱动转矩，进行修正及限制后，得到各轮毂电机150的实际控制转矩信号，发送给对应的轮毂电机控制器150a，对电机进行转矩控制，以实现对车辆的驱动控制。根据整车控制器170中储存的驾驶员所设定的油门踏板与目标车速的对应关系，能够保证在驾驶不同车辆时，驾驶员相同的油门踏板控制能够使车辆达到相同的车速，同时配合辅助功能控制器140对PID控制器中参数的更新，可以使驾驶员感受到几乎完全相同的车辆动力性以及驾驶感受，即保持了驾驶员的驾驶习惯。具体控制公式如下：

T_c＝bound(0.25PID(s),l_up,l_down)

式中，p为油门踏板开度信号，V_d为驾驶员期望车速，n_a为各车轮平均轮速，r_d为车轮滚动半径，l_up、l_down为轮毂电机额定最高及最低转矩，I_w为车轮转动惯量，ω_i为车轮角速度，F_d为路面作用于车轮的反力，T_b为制动力矩，P为比例项系数，I为积分项系数，D为微分项系数，N为滤波系数。其中，Table(p,V_d)为存储在整车控制器170中的油门踏板开度-期望车速曲线，如前文所述为在满足一定安全规定下，驾驶员可根据自身习惯标定并存储在整车控制器170中。而PID控制器中各项参数会在整车控制器170接合后由辅助功能控制器140根据车辆基本参数进行更新，以保证一定的适应性。T_c为对PID控制器输出信号根据轮毂电机实际参数进行限幅后的实际控制信号。对各轮毂电机进行驱动转矩控制，使车辆进行变速行驶，各车轮的转速由其实际受力情况得到，并不会出现差速问题，并实时采集电机的转速信号，反馈回整车控制器170从而形成整体控制的闭环。

而驾驶员转动方向盘，希望完成转向行驶时，这里选择将驾驶员的驾驶习惯与车辆的有效转弯半径联系在一起，认为驾驶员对车辆转向特性的驾驶习惯，实际上是方向盘转角与车辆转向响应即转弯半径对应关系的保持，那么根据阿克曼转向定律，汽车转弯半径R、轴距L以及车轮转角θ的关系可以近似为：

如图8所示，利用方向盘转角传感器实时测得转角值，同样根据整车控制器170中储存的驾驶习惯信息，查表得到整车期望转弯半径，结合辅助功能控制器140对轴距等参数的更新，得到期望车轮转角，同样利用PID控制器输出对转向电机的控制信号，驱动车轮偏转，再实时反馈车轮实际转角，实现车轮的最终偏转角能够达到期望值，以保证驾驶员的主观驾驶感受及驾驶习惯即相同的方向盘偏转在不同车辆上的转向效果基本相同。通过整车控制器170对输出信号的修正，最后能够使驾驶员在不同车辆上进行相同的驾驶操作时，实际的驾驶感受基本相同，使各车辆的驾驶差别性尽可能减小，不再需要驾驶员被动的去适应不同车辆的驾驶习惯。驾驶员输入方向盘转角δ与车轮实际转角θ的关系满足下式：

式中，Table(δ,R)为整车控制器170中的油门踏板开度-期望车速曲线。

本发明提供的整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动汽车，由于其整车构型的特殊性以及相应功能的设计，使得车辆能够在不额外增加及改变其他硬件的条件下，仅取决于这种独立且便携的整车控制器170所包含的控制功能，就能够实现对车辆相关功能的增减及调整。如图9所示，为整车控制器170中可自主调整的各项整车控制功能，比如：在不需要轴间及轮间差速器等硬件条件下，通过对各轮毂电机进行适当转速或转矩控制，即可实现整车的差速功能；在不增加液压控制单元及改变相关液压制动管路的情况下，通过对各车轮驱动或制动转矩进行控制，即可实现整车稳定性控制功能。不仅限于图中所列各车辆控制功能，还可通过对各轮毂电机进行独立的转矩控制，实现不同驱动形式或其他驱动优化控制，这种整车控制器170独立模块化的轮毂电机驱动汽车，能够真正意义上实现软件定义汽车，仅通过对控制器中相关控制代码的调整，即可丰富车辆实际行驶功能。

如图10所示，保持整车的稳定性，整车控制器170实时对传感器模块120反馈的行驶状态信号进行检测，根据车辆参数存储器160中提供的车辆结构参数以及各控制器反馈的车速及转角信号，结合以下公式，计算车辆行驶过程中期望横摆角速度及质心侧偏角：

β_d＝0

式中，γ_d为期望横摆角速度，β_d为期望质心侧偏角，u为实际车速，K为稳定因子。而车辆实际的横摆角速度信号来自车上所安装的横摆角速度传感器，质心侧偏角信号则是在整车控制器中实时根据下式计算得到。

式中，v_x为车辆纵向速度，v_y为车辆侧向速度。辅助功能控制器140更新该功能中相关参数，并实时计算横摆角速度与质心侧偏角实际值与期望值的偏差，当偏差大于一定门限时，说明车辆有失稳趋势，将偏差值分别输入到模糊PID控制器中，计算得到整车需求的附加横摆力矩值，从而得到各车轮实际转矩改变量，再通过CAN总线100对确定轮毂电机控制器150a发送减扭甚至负转矩信号，使对应轮毂电机150在原有驱动力矩T_c的基础上进行降扭或直接产生制动力矩，从而改变车辆的行驶动力学。整体的稳定性控制中，并不需要对车辆的硬件条件进行改变，仅仅通过增加整车控制器170所具有的功能，即可实现整车的行驶功能。而相应的其他大部分车辆动力学控制功能同理，驾驶员只需根据自己的驾驶需求对整车控制器170中的功能进行增减，并将该整车控制器170接入轮毂电机驱动电动汽车，车辆就能够改变相应的控制功能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将整车控制器***控制面板上对应的接口中，并启动车辆，整车控制器接入车辆***，固定锁锁止其位置；整车控制器读取车辆参数存储器中所存有的车辆基本结构参数，并将所述车辆基本结构参数及整车控制器内部存储的驾驶员的驾驶偏好信息通过CAN总线发送给辅助功能控制器；

整车控制器获取油门开度、制动踏板开度及方向盘转角，并传输至辅助功能控制器；

步骤二、所述辅助功能控制器根据所述油门开度、所述制动踏板开度、所述方向盘转角及驾驶员的驾驶偏好信息，对轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号进行修正；

所述驾驶偏好信息包括：

油门开度和制动踏板开度对应的期望车速以及方向盘转角对应的期望车辆转向角度；

在所述步骤二中，将油门开度和制动踏板开度对应的期望车速与实际车速的差值，以及方向盘转角对应的期望车辆转向角度与实际转向角度的差值输入PID控制器，得到轮毂电机控制器和转向电机控制器输出的控制信号；汽车转弯半径R、轴距L以及车轮转角θ的关系近似为

利用方向盘转角传感器实时测得转角值，同样根据整车控制器中储存的驾驶偏好信息，查表得到整车期望转弯半径，结合辅助功能控制器对轴距的更新，得到期望车轮转角，同样利用PID控制器输出对转向电机的控制信号，驱动车轮偏转，再实时反馈车轮实际转角，实现车轮的最终偏转角能够达到期望值，以保证驾驶员的主观驾驶感受及驾驶习惯即相同的方向盘偏转在不同车辆上的转向效果基本相同。

2.根据权利要求1所述的整车控制器独立模块化的轮毂电机驱动电动汽车的控制方法，其特征在于，还包括：

计算车辆行驶过程中期望横摆角速度、期望质心侧偏角，以及车辆的实际质心侧偏角；

并且将车辆的横摆角速度与期望横摆角速度的差值以及车辆的实际质心侧偏角与期望质心侧偏角的差值分别输入到模糊PID控制器中，得到各车轮实际转矩改变量，并且通过所述整车控制器传输到轮毂电机控制器，改变车轮的转矩；

其中，所述期望横摆角速度为：

所述期望质心侧偏角为：

β_d＝0

所述实际质心侧偏角为：

式中，u为实际车速，K为稳定因子，θ为车轮实际转角，L为车辆轴距，v_x为车辆纵向速度，v_y为车辆侧向速度。

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