CN110758550A - 线控双电机耦合转向***的能量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线控双电机耦合转向***的能量优化方法，线控转向双电机***是一种基于执行器容错建立的主动转向***，它可以通过执行电机的冗余极大地提高转向安全性。本发明采用双电机耦合转向策略DMCS进行线控***转向过程中能量的优化。DMCS策略可以在三种转向模式下运行来满足不同的转向工况，从而提高转向的效率。在满足车辆稳定性的前提上，控制器可以由汽车的状态在线选择最优的转向模式，并实现电机间能量的优化分配。

Description

线控双电机耦合转向***的能量优化方法

技术领域

本发明涉及线控转向***及转向能耗***技术领域，具体是一种线控双电机耦合转向***的能量优化方法。

背景技术

线控转向作为一种智能化电子控制技术日益凸显出其独特的优势。线控转向***可以实现主动转向，显著提高了转向***的操作稳定性。机械连接的取消提高了汽车稳定性与操作稳定性，但采用线控代替机械连接的方式，使容错控制变成了确保线控转向汽车安全的关键。转向执行电机作为***的执行机构，在转向过程中充当重要的组成部分，它的状态对汽车转向有极大影响。在转向过程中，转向电机是转向的动力源，一旦电机出现故障，电机的转向特性就很难保证，可能会出现较大的安全隐患。因此，为了预防单转向执行电机失效而引起***失效的问题，双执行电机被引入到线控转向***。

双电机***的冗余特性极大地提高了***的可靠性和安全性。一方面，双电机的容错策略的研究提高了转向***的安全性，另一方面，为了充分挖掘双电机***的潜力，有些学者对正常转向工况下双电机的协调控制进行了研究。汽车正常转向时，一部分研究者们会采用传统单电机转向，仅把另一个电机当作备份。一部分研究者会采用两个相同的电机共同承担负载的形式，通过相应的控制策略使两个电机尽量工作在相同的状态，以此降低单个电机的负载，提高电机的寿命和降低电机的故障率。

引入冗余电机为转向电机的容错提供了保证，但会使车辆转向能耗发生变化。研究者们在考虑正常转向工况下双电机的工作状态时忽视了引入冗余电机导致的能耗变化问题，以及由能耗变化引起的双电机协调工作问题。当一个电机单独工作时，电机的工作点完全由外界负载决定。在外界负载不变的情况下，当汽车采用两个相同的执行电机进行转向时，单个电机的能耗工作点会发生改变。但此时两个电机处在相同的状态，它们的工作点仍只由外界负载决定且电机的工作点与电机能耗直接相关，所以这种结构很难发挥双电机转向***的节能潜力。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种线控双电机耦合转向***的能量优化方法，在满足车辆稳定性的前提上，控制器可以由汽车的状态在线选择最优的转向模式，并实现电机间能量的优化分配。

本发明提供的线控双电机耦合转向***包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元。

采集单元与ECU控制模块、转向盘总成及主辅双电机执行单元分别连接。所述采集单元包括转向盘转角传感器，转向盘力矩传感器，主转向电机转矩和转速传感器，辅转向电机转矩和转速传感器，车速传感器，横摆角速度传感器。

ECU控制模块与采集单元、主辅双电机执行单元、转向盘总成分别连接。

主辅双电机执行单元包括主转向电机控制器，主转向电机，主离合器，辅转向电机控制器，辅转向电机，辅离合器，齿轮齿条机构，前轮，转矩耦合器。

所述的主转向电机及主离合器分别连接主转向电机控制器，辅转向电机及辅离合器分别连接辅转向电机控制器，主转向电机通过主离合器与转矩耦合器的一个输入扭矩端相连、辅转向电机通过辅离合器与转矩耦合器的另一个输入扭矩端相连，转矩耦合器的输出扭矩端与齿轮齿条机构相连，前轮安装在齿轮齿条机构的两侧。

主转向电机转矩和转速传感器安装在主转向电机上，辅转向电机转矩和转速传感器安装在辅转向电机上，主电机扭矩和转速传感器与辅助电机扭矩和转速传感器连接总线，将主电机控制器及辅转向电机控制器的信号输入到总线中，再通过总线传输到ECU控制模块中。

进一步改进，所述的转向盘总成包括转向盘、转向柱、路感电机,路感电机控制器,转向盘通过转向杆柱与路感电机及转向盘转角传感器相连接，转向盘力矩传感器安装在转向杆柱上，路感电机控制器连接路感电机及转向盘力矩传感器，控制路感电机的运行。

进一步改进，所述ECU控制模块包括运算控制器和能量优化控制器，运算控制器包括电子控制单元和稳定性控制单元；运算控制器与路感电机控制器及总线相连接；运算控制器接收辅转向电机转矩和转速传感器，主转向电机转矩和转速传感器，转向盘力矩传感器传递的信号，并将指令传送给Flexray总线，总线将信号传递给能量优化控制器，能量优化控制器将优化的结果通过Flexray总线传递给主转向电机控制器及辅转向电机控制器。

一种线控双电机耦合转向***的能量优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)构建线控转向双电机耦合转向***，包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元；

2)在汽车行驶过程中，通过采集单元实时采集方向盘转角信号θ_sw,实际横摆角速度信号ω_r，质心侧偏角β，车速u，转向电机的扭矩信号和转向电机的转速信号；

3)当驾驶员给方向盘施加转角信号θ_sw时，理想横摆角速度计算单元基于方向盘转角信号和车速信号_u，根据便传动比规律得出该时刻的理想横摆角速度

以及前轮转角δ_f；

在持续转向过程中，理想的横摆角速度与前轮转角的关系为：

其中K_s是一个在0.12-0.37(1/s)范围的参数，L是汽车的轴距；

4)以汽车质心为原点，建立汽车的二自由度模型：

其中:β是车辆的质心侧偏角,ω_r是车辆的横摆角速度,m是车辆的质量，u是汽车的车速,k₁是前轮的刚度,k₂是后轮刚度,I_z是车辆的转动惯量，a是前轴长度,b是后轴轴距,δ_f汽车前轮转角；

取控制***的状态变量

***的输入u＝[ΔT],***的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]为***输出，求取线控双电机耦合转向***的基于稳定性的鲁棒控制器，根据求出的理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值信号，通过鲁棒控制器求取需要调整的双电机的输入扭矩；其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

5)根据步骤4)，通过上层的稳定性控制器保证汽车在转向过程中的转向稳定性，车辆经上层稳定性控制器控制后产生需求的电机命令信号并传递给下层控制器；

6)在线控转向***的转向过程中，转向双电机作为转向的执行机构为***提供转向所需的转向驱动力，下层的能量优化与分配控制模块接收上层稳定性控制模块提供的电机总需求扭矩与需求转速；因为转向过程中电机的能耗与电机运行的工作点有较大的影响，所以本文在总需求扭矩与需求转速下对双电机的转向驱动力进行转矩的优化分配。考虑到汽车转向需要满足实时性要求，本文采用汽车车速与前轮转角作为汽车转向的控制变量，基于提出的分层控制框架实现汽车稳定性下汽车经济性的优化。根据优化结果提前划分工作区域，并通过本专利提出的耦合转向策略实现汽车转向过程中双电机的最优能量分配。

汽车车速与前轮转角很容易用传感器测得，本专利采用车速与前轮转角为控制变量，双电机扭矩分配比为优化变量进行离线优化，根据优化结果提前划分DMCS的转向模式，并根据规则进行相应的能量分配。以车速与汽车的前轮转角为转向变量，采用粒子群优化算法进行离线优化，可以得到在不同的车速与前轮转角情况下，在满足优良的稳定性的同时，汽车以双电机效率最高为原则获得的最佳扭矩分配比见图4。为了提高***控制器的运行效率和响应的实时性，需要根据优化结果对转向驱动模式提前进行划分。双电机的最佳扭矩分配比map图被投影到车速-前轮转角联合平面，对于车辆车速-前轮转角平面的指定状态点，DMCS会基于最大转向***效率原则选择最佳的转向模式。

当汽车在正常转向的时候，控制器可以结合车速-前轮转角平面的边界曲线，在线根据车速和前轮转角决定DMCS工作的模式。当DMCS工作在单电机模式(M1,M2)的时候,线控转向***的效率取决于单电机的效率，同时此时单电机工作是最佳的转向驱动状态。然而当DMCS工作在双电机转矩耦合模式(M3)的时候,主辅电机间不同的扭矩分配将会引起转向总效率的变化。因此，在转矩耦合状态下如何分配双电机的转矩对提高转向经济性具有重要的意义。事实上，扭矩分配是能量分配的一种，在M3模式下最有效的转向电机扭矩组合方式在上文已经被选择。

进一步改进，步骤4)中所述的求取的整车转向二自由度模型的稳定性鲁棒控制器的流程如下：

4.1)建立转向子***的动态模型如下：

其中θ_s是总的小齿轮转角；B_R是等效阻尼系数，J_R等效的转动惯量，G₂是小齿轮转角到车轮的减速比,T是总的电机输出扭矩，G₁是电机输出到小齿轮的减速比，η是减速器的效率，d_r是路面干扰，τ_R是轮胎的回正力矩,t_p,t_m是轮胎的拖距。

4.2)建立线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间：

取控制***的状态变量***的输入u＝[ΔT],***的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]***输出为则线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0 0]；D₂＝[0]

其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

4.3)建立整车转向二自由度鲁棒控制***为：

其中：

是求解INHHC所得控制器，T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩，是目标的前轮转角，ω_r ^*，β^*是目标横摆角速度和质心侧偏角；

最终的控制器：

其中：***输出包含Z₁,Z₂,Z₃，其中Z₁代表控制器输出大小，Z₂代表鲁棒稳定性和噪声抑制性能，Z₃使目标跟踪性能和干扰抑制性能，W₁,W₂,W₃是三种性能的加权函数。α^-1(s)是I型反馈***积分器；

4.4)根据控制***的要求，闭环***的稳定性条件，以及对输出***的能量进行优化得：

其中式中：S(s)是灵敏度函数,G(s)是T_inv到ω_r的不确定传递函数，G₀(s)是T_inv到ω_r的标准传递函数，Δ(s)是惩罚不确定性。T(s)是补灵敏度函数，同时也是量测噪声n到输出y的传递函数，W₂(s)幅频特性在乘法不确定曲线上方保证对模型不确定的鲁棒性及干扰抑制性能。K(s)为设计控制器的传递函数，W₁(s)是限制补偿转矩大小的加权函数。

进一步改进，步骤5)中车辆经上层稳定性控制器控制后产生需求的电机命令信号并传递给下层控制器具体过程如下：

汽车在转向过程中，汽车上层控制在获得优秀的转向稳定性的同时，可以同时将得到的双电机总的需求扭矩以及需求转速传递给下层控制器，

双电机的总的需求扭矩T_req：T_req＝T_inv+ΔT

双电机的需求转速ω_req:

进一步改进，步骤6)中根据电机工作点基于PSO算法在主电机与辅助电机之间进行转矩的优化分配：

6.1)在满足电机，电池，转向***等的相关特性的同时，通过使目标函数值最大化，从而达到双电机总效率η_opt的最大值，

其中：η_opt是双电机的总效率，T_m1是主电机的转矩，ω_m1是主电机的转速，η₁是主电机的效率，T_m2是辅助电机的转矩，ω_m2是辅助电机的转速，η₂是辅助电机的效率，k是主电机和辅助电机的扭矩分配系数，T_req是双电机的总的需求转矩，ω_req是电机的需求转速，ω_{m1_max}是主电机的最大转速，ω_{m2_max}是辅助电机的最大转速，T_{max_1}(ω_m1)是主电机在转速ω_m1时的最大转矩，T_{max_2}(ω_m2)是辅助电机在转速ω_m2时的最大转矩。SOC代表电池组的电量状态，SOC_min代表最小剩余电量，SOC_max代表最大电池电量，P_bat是电池功率，P_{bat_max}是电池最大功率；

6.2)考虑到电机在不同工作点运行效率的差异，在不同的转矩分配条件下，主辅电机运行在不同的工作点，从而对双电机的总效率有较大的影响。目标函数是一个非线性的复杂模型，可以通过PSO算法对转矩分配系数进行优化，从而达到提高双电机总效率的目的。图3具体展示了PSO算法的流程。

6.3)通过对主辅电机工作点的在线优化可以实现最佳的扭矩分配。但转向是一个实时性的驾驶行为，有必要在进行优化的时候考虑转向的实时性。汽车车速与前轮转角很容易用传感器测得，本专利采用车速与前轮转角为控制变量，双电机扭矩分配比为优化变量进行离线优化，根据优化结果提前划分DMCS的转向模式，并根据规则进行相应的能量分配。当汽车在正常转向的时候，控制器可以结合车速-前轮转角平面的边界曲线，在线根据车速和前轮转角决定DMCS工作的模式。当DMCS工作在单电机模式(M1,M2)的时候,线控转向***的效率取决于单电机的效率，同时此时单电机工作是最佳的转向驱动状态。然而当DMCS工作在双电机转矩耦合模式(M3)的时候,主辅电机间不同的扭矩分配将会引起转向总效率的变化。因此，在转矩耦合状态下如何分配双电机的转矩对提高转向经济性具有重要的意义。事实上，扭矩分配是能量分配的一种，在M3模式下最有效的转向电机扭矩组合方式在上文已经被选择。

本发明有益效果在于：

1、实现了线控***正常转向过程中，在保证转向稳定性的基础上转向经济性的提高。

2、考虑线控***主辅电机间工作点的改变对转向能耗的影响以及汽车转向过程中需满足实时性要求，本发明提出的线控双电机耦合转向能量优化策略可以在三种转向模式下运行来满足不同的转向工况，从而提高转向的效率。

3、在满足车辆稳定性的前提上，控制器可以由汽车的状态在线选择最优的转向模式，并实现电机间能量的优化分配。实现了安全，低能耗，集成化，实时性的完美统一。

附图说明

图1为本发明采用的线控双电机耦合转向***结构示意图。

图2为本发明实施例中一种线控双电机耦合转向***能量优化策略原理图。

图3为粒子群优化算法原理图。

图4车辆稳定性控制***结构。

图5为本发明线控双电机耦合转向***能量优化策略切换边界图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明采用的线控双电机耦合转向***结构如图1所示，包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元。

其中，采集单元分别与ECU控制模块、转向盘总成、主辅双电机执行单元连接；所述采集单元包括转向盘转角传感器4，转向盘力矩传感器5，主转向电机扭矩和转速传感器9，辅转向电机扭矩和转速传感器12，车速传感器19，横摆角速度传感器采集汽车状态的传感器；并将采集到的信号或指令分别转递给ECU控制模块、转向盘总成、主辅双电机执行单元，具体而言：采集单元实时将汽车行驶过程中车速信号、转向盘转角信号、转速传感器获得转向电机的转角信号、转矩传感器获得转向电机的转矩信号以及横摆角速度传感器获得的汽车横摆角速度信号、转向前轮的转角信号等传给电子控制单元；将电子控制单元得出的理想横摆角速度与实际横摆角速度差值信号及路面干扰侧向风干扰等信号发送给稳定性控制单元。

ECU控制模块分别与采集单元、主辅双电机执行单元、转向盘总成连接，其主要包括运算控制器7和能量优化控制器20。运算控制器7包括电子控制单元和稳定性控制单元。

ECU控制模块接收来自采集单元的信号，经过计算后把相应的指令传输给能量优化控制器；具体而言，电子控制单元根据采集单元传送的方向盘转角信号、车速信号计算出理想的横摆角速度信号，再根据理想的横摆角速度信号与实际的横摆角速度信号计算出所需调整的理想横摆角速度差值，并把横摆角速度差值传递给稳定性控制单元；稳定性控制单元根据电子控制单元传递的横摆角速度差值综合考虑路面干扰，侧向风，***摩擦等对汽车稳定的影响，从***鲁棒性出发，以保证汽车的稳定性为前提，得出双执行电机总的需求转矩与需求转速并传递给能量优化控制器20；能量优化控制器20接收稳定性控制单元传递电信号,并且根据能量优化控制器20的能量优化策略，得出当前最佳的主辅电机转矩分配比，并通过电机控制器8控制主转向电机10输入扭矩和离合器11动作，通过电机控制器16控制辅转向电机13输入扭矩和辅离合器14动作。

转向盘总成包括转向盘1、转向柱2、路感电机3,路感电机控制器6,转向盘1通过转向杆柱2与路感电机3及其转向盘转角传感器4相连接，转向盘力矩传感器5安装在转向杆柱2上；路感电机控制器6连接路感电机3及转向盘力矩传感器5，控制路感电机3的运行。

主辅双电机执行单元包括依次连接的主转向电机控制器8，主转向电机10，主离合器11，辅转向电机控制器16，辅转向电机13，辅离合器14，力矩耦合器18，齿轮齿条机构15，前轮17；主转向电机10通过主离合器11与力矩耦合器18输入端1相连，辅转向电机13通过辅离合器14与力矩耦合器18输入端2相连、力矩耦合器18输出端与齿轮齿条转向器15相连接，前轮17安装在齿轮齿条转向器15的两侧，主转向电机转矩与转角传感器9安装与主转向电机8上，辅转向电机转矩与转角传感器12安装在辅转向电机13上。

主转向电机转矩与转角传感器9与辅电机转矩与转角传感器12连接到Flexray总线上，主转向电机控制器8及辅转向电机控制器16信号输入到总线中，再通过总线传输到稳定性控制单元中；主转向电机10及其主离合器11连接主转向电机控制器8，主转向电机控制器8控制主转向电机10的输入转矩及主离合器11的运行，转矩电机13及辅离合器14连接辅转向电机控制器16，辅转向电机控制器16控制辅转向电机13的输入扭矩及辅离合器14的运行；稳定性控制器的输出端与Flexray总线相连接；能量优化控制器18的输入端Flexray总线相连接；能量优化控制器18接收来自Flexray总线传递的稳定性控制器得到的需求转矩与需求转速，通过能量优化策略，在线选择出最优的能量分配策略，并通过Flexary总线连接到主转向电机控制器8和辅转向电机控制器16。当能量优化控制器18选择主转向电机单独驱动的时候，此时主转向电机控制器8将通过控制输入电流使主转向电机10达到相应的需求扭矩，并保持主离合器11闭合，辅转向电机控制器8将断开辅离合器14，从而中断动力传输。当能量优化控制器18选择辅转向电机单独驱动的时候，此时辅转向电机控制器16将通过控制输入电流使辅转向电机13达到需求扭矩，并保持辅离合器14闭合，同时主转向电机控制器8将断开主离合器11，从而中断动力传输。当能量优化控制器18选择主辅转向电机共同驱动的时候，此时主转向电机控制器8将通过控制输入电流使主转向电机10达到对应的分配扭矩，并保持主离合器11闭合，同时控制器16将通过控制输入电流使辅转向电机13达到对应的分配扭矩，并保持辅离合器14闭合。

如图2所示：本发明的线控双电机耦合转向***的能量优化策略，具体步骤如下：

1)建立转向模块与整车数学模型，求取鲁棒控制器：

转向模块与整车模型：

取控制***的状态变量

***的输入u＝[ΔT],***的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]***输出为则线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0 0]；

D₂＝[0]

其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩。

图4是基于线控主动前轮转向的车辆稳定性控制***结构图。***输入分别为逆模型推导出的理想扭矩输入T_inv，路面干扰d_r，侧向风干扰F_yw。W_d(s)＝[W_d1(s) W_d2(s) W_d3(s)]是输入干扰加权函数矩阵，为了使***获得良好的抗干扰能力，W_d1(s),W_d2(s),W_d3(s)的幅频特性覆盖T_inv，d_r和F_yw到横摆角速度ω_r的传递函数的幅频特性。***输出包含Z₁,Z₂,Z₃，其中Z₁代表控制器输出大小，Z₂代表鲁棒稳定性和噪声抑制性能，Z₃使目标跟踪性能和干扰抑制性能，W₁,W₂,W₃是三种性能的加权函数。α^-1(s)是I型反馈***积分器，

建立整车转向二自由度鲁棒控制***为：

其中：

是求解INHHC所得控制器。

最终的控制器：

根据控制***的要求，闭环***的稳定性条件，以及对输出***的能量进行优化可得：

其中K(s)为设计控制器的传递函数，W₁(s)是限制补偿转矩大小的加权函数。

2)将前轮转角传感器采集实时的横摆角速度信号，与求得的理想横摆角速度信号做差，通过鲁棒控制器求得稳定性控制下电机总的需求扭矩与需求转速。

双电机的总的需求扭矩T_req：

T_req＝T_inv+ΔT

双电机的需求转速ω_req:

3)下层的能量分配与转矩优化模块接收上层稳定性控制器提供的需求转矩与需求转速，考虑到电机在不同工作点运行效率的差异，在不同的转矩分配条件下，主辅电机运行在不同的工作点，从而对双电机的总效率有较大的影响，基于PSO算法如图3所示，在满足电机，电池，转向***等的相关特性的同时，通过使目标函数值最大化，从而达到双电机总效率η_opt的最大值，以此达到节能的目的。

其中：η_opt是双电机的总效率，T_m1是主电机的转矩，ω_m1是主电机的转速，η₁是主电机的效率，T_m2是辅助电机的转矩，ω_m2是辅助电机的转速，η₂是辅助电机的效率，k是主电机和辅助电机的扭矩分配系数，T_req是双电机的总的需求转矩，ω_req是电机的需求转速，ω_{m1_max}是主电机的最大转速，ω_{m2_max}是辅助电机的最大转速，T_{max_1}(ω_m1)是主电机在转速ω_m1时的最大转矩，T_{max_2}(ω_m2)是辅助电机在转速ω_m2时的最大转矩。SOC代表电池组的电量状态，SOC_min代表最小剩余电量，SOC_max代表最大电池电量，P_bat是电池功率，P_{bat_max}是电池最大功率。

4)通过对主辅电机工作点的在线优化可以实现最佳的扭矩分配。但转向是一个实时性的驾驶行为，有必要在进行优化的时候考虑转向的实时性。汽车车速与前轮转角很容易用传感器测得，本专利采用车速与前轮转角为控制变量，双电机扭矩分配比为优化变量进行离线优化，根据优化结果提前划分DMCS的转向模式，并根据规则进行相应的能量分配。以车速与汽车的前轮转角为转向变量，采用粒子群优化算法进行离线优化，可以得到在不同的车速与前轮转角情况下，在满足优良的稳定性的同时，汽车以双电机效率最高为原则获得的最佳扭矩分配比。为了提高***控制器的运行效率和响应的实时性，需要根据优化结果对转向驱动模式提前进行划分。双电机的最佳扭矩分配比map图被投影到车速-前轮转角联合平面，对于车辆车速-前轮转角平面的指定状态点，DMCS会基于最大转向***效率原则选择最佳的转向模式。图5表示当k＝0时，辅助电机(M2 mode)单独工作，当0＜k＜1时，主电机与辅助电机(M3 mode)采取转矩耦合的方式工作，当k＝1时，主电机(M1 mode)单独工作。不同车速不同前轮转角下的简化边界图，结果会存储在控制器中，并作为转向过程中电机模式切换的边界条件。

当汽车在正常转向的时候，控制器可以结合车速-前轮转角平面的边界曲线，在线根据车速和前轮转角决定DMCS工作的模式。当DMCS工作在单电机模式(M1,M2)的时候,线控转向***的效率取决于单电机的效率，同时此时单电机工作是最佳的转向驱动状态。然而当DMCS工作在双电机转矩耦合模式(M3)的时候,主辅电机间不同的扭矩分配将会引起转向总效率的变化。因此，在转矩耦合状态下如何分配双电机的转矩对提高转向经济性具有重要的意义。事实上，扭矩分配是能量分配的一种，在M3模式下最有效的转向电机扭矩组合方式在上文已经被选择。

为了进一步验证所提出的控制策略的转向经济性，分别选取车速20km/h和车速为45km/h，前轮转角正弦输入下的蛇形工况进行仿真验证见表1。将优化后的变转矩驱动转向控制策略与主电机单独驱动(k＝1)及定转矩驱动(k＝2/3,k＝1/2)进行对比，以此分析双电机转矩优化后的经济性。

表1转向能量消耗结果

由表1可以看出：前轮转角正弦输入下，采用本专利所提出的优化策略优化后的变转矩驱动与主电机单独驱动相比有一定程度的节能，在V＝45m/s时可以高达3.11％。优化后的变转矩驱动与定转矩驱动相比也有较高的节能潜力，当车速V＝20m/s时，可以高达5.93％。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种线控双电机耦合转向***的能量优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)构建线控转向双电机耦合转向***，包括采集单元、转向盘总成、ECU控制模块、主辅双电机执行单元；

2)在汽车行驶过程中，通过采集单元实时采集方向盘转角信号θ_sw,实际横摆角速度信号ω_r，质心侧偏角β，车速u，转向电机的扭矩信号和转向电机的转速信号；

3)当驾驶员给方向盘施加转角信号θ_sw时，理想横摆角速度计算单元基于方向盘转角信号和车速信号_u，根据便传动比规律得出该时刻的理想横摆角速度

以及前轮转角δ_f；

在持续转向过程中，理想的横摆角速度与前轮转角的关系为：

其中K_s是一个在0.12-0.37(1/s)范围的参数，L是汽车的轴距；

4)以汽车质心为原点，建立汽车的二自由度模型：

其中:β是车辆的质心侧偏角,ω_r是车辆的横摆角速度,m是车辆的质量，u是汽车的车速,k₁是前轮的刚度,k₂是后轮刚度,I_z是车辆的转动惯量，a是前轴长度,b是后轴轴距,δ_f汽车前轮转角；

取控制***的状态变量***的输入u＝[ΔT],***的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]为***输出，求取线控双电机耦合转向***的基于稳定性的鲁棒控制器，根据求出的理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值信号，通过鲁棒控制器求取需要调整的双电机的输入扭矩；其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

5)根据步骤4)，通过上层的稳定性控制器保证汽车在转向过程中的转向稳定性，车辆经上层稳定性控制器控制后产生需求的电机命令信号并传递给下层控制器；

6)在线控转向***的转向过程中，转向双电机作为转向的执行机构为***提供转向所需的转向驱动力，下层的能量优化与分配控制模块接收上层稳定性控制模块提供的电机总需求扭矩与需求转速。

2.根据权利要求1所述的线控双电机耦合转向***的能量优化方法，其特征在于，步骤4)中所述的求取的整车转向二自由度模型的稳定性鲁棒控制器的流程如下：

4.1)建立转向子***的动态模型如下：

其中θ_s是总的小齿轮转角；B_R是等效阻尼系数，J_R等效的转动惯量，G₂是小齿轮转角到车轮的减速比,T是总的电机输出扭矩，G₁是电机输出到小齿轮的减速比，η是减速器的效率，d_r是路面干扰，τ_R是轮胎的回正力矩,t_p,t_m是轮胎的拖距；

4.2)建立线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间：

取控制***的状态变量

***的输入u＝[ΔT],***的扰动输入为w＝[T_inv d_r F_yw]^T，y＝[ω_r]***输出为则线控主动前轮转向横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

C＝[0 0 0 0 0 1]；D₁＝[0 0 0；

D₂＝[0]

其中：θ_s1是逆向理想输入下小齿轮总的转角，θ_s2是控制器作用下小齿轮总的补偿转角，ΔT控制器作用下小齿轮总的补偿扭矩，d_r是路面干扰，F_yw是侧向风干扰,T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩；

4.3)建立整车转向二自由度鲁棒控制***为：

其中：是求解INHHC所得控制器，T_inv是逆向模型得出的电机的理想前馈输入扭矩，

是目标的前轮转角，ω_r ^*，β^*是目标横摆角速度和质心侧偏角；

最终的控制器：

其中：***输出包含Z₁,Z₂,Z₃，其中Z₁代表控制器输出大小，Z₂代表鲁棒稳定性和噪声抑制性能，Z₃使目标跟踪性能和干扰抑制性能，W₁,W₂,W₃是三种性能的加权函数，α^-1(s)是I型反馈***积分器；

4.4)根据控制***的要求，闭环***的稳定性条件，以及对输出***的能量进行优化得：

其中式中：S(s)是灵敏度函数,G(s)是T_inv到ω_r的不确定传递函数，G₀(s)是T_inv到ω_r的标准传递函数，Δ(s)是惩罚不确定性，T(s)是补灵敏度函数，同时也是量测噪声n到输出y的传递函数，W₂(s)幅频特性在乘法不确定曲线上方保证对模型不确定的鲁棒性及干扰抑制性能，K(s)为设计控制器的传递函数，W₁(s)是限制补偿转矩大小的加权函数。

3.根据权利要求1所述的线控双电机耦合转向***的能量优化方法，其特征在于，步骤5)中车辆经上层稳定性控制器控制后产生需求的电机命令信号并传递给下层控制器具体过程如下：

汽车在转向过程中，汽车上层控制在获得优秀的转向稳定性的同时，可以同时将得到的双电机总的需求扭矩以及需求转速传递给下层控制器，

双电机的总的需求扭矩T_req：T_req＝T_inv+ΔT；

双电机的需求转速ω_req:

4.根据权利要求1所述的线控双电机耦合转向***的能量优化方法，其特征在于，步骤6)中根据电机工作点基于PSO算法在主电机与辅助电机之间进行转矩的优化分配：

6.1)在满足电机，电池，转向***等的相关特性的同时，通过使目标函数值最大化，从而达到双电机总效率η_opt的最大值，

其中：η_opt是双电机的总效率，T_m1是主电机的转矩，ω_m1是主电机的转速，η₁是主电机的效率，T_m2是辅助电机的转矩，ω_m2是辅助电机的转速，η₂是辅助电机的效率，k是主电机和辅助电机的扭矩分配系数，T_req是双电机的总的需求转矩，ω_req是电机的需求转速，ω_{m1_max}是主电机的最大转速，ω_{m2_max}是辅助电机的最大转速，T_{max_1}(ω_m1)是主电机在转速ω_m1时的最大转矩，T_{max_2}(ω_m2)是辅助电机在转速ω_m2时的最大转矩，SOC代表电池组的电量状态，SOC_min代表最小剩余电量，SOC_max代表最大电池电量，P_bat是电池功率，P_{bat_max}是电池最大功率；

6.2)通过PSO算法对转矩分配系数进行优化，提高双电机总效率；

6.3)通过对主辅电机工作点的在线优化实现最佳的扭矩分配。

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