CN113071558B - 一种双电机智能线控转向***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机智能线控转向***及其控制方法，双电机智能线控转向***包括转向盘模块、车速传感器、变传动比模块和转向执行模块。本发明在控制方法中分别设计了基于平均偏差耦合控制的角度同步控制器和超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器，有效提升了双电机线控转向***的安全性、跟踪性和同步性。

Description

一种双电机智能线控转向***及其控制方法

技术领域

本发明涉及线控转向***，尤其涉及一种双电机智能线控转向***及其控制方法。

背景技术

转向***是车辆最关键的子***之一，主要负责控制车辆前进的方向。线控转向取消了转向盘和车轮之间的部分机械连接，能够自由设计转向盘和车轮之间的角传动比。与传统机械转向相比，线控转向能完美实现车辆的低速灵活性和高速稳定性。但是目前车辆的线控转向***一般只有一个转向电机，一旦转向电机出现故障将导致车辆失去转向能力，从而导致严重的后果。

采用两个转向电机的双电机线控转向***可以从硬件上提高转向***的可靠性和安全性，一旦其中一个电机发生故障，另外一个电机也可以正常完成转向指令。但是双电机线控转向***存在强耦合、非线性、多变量等特点，***存在严重的跟踪以及同步问题。

对于双电机的同步控制主要采用主从控制、平行控制、交叉耦合控制等。平行控制中任何一台电机的干扰都不会影响到另外一台电机，其同步性较差。主从控制中主电机上的干扰会传到从电机上，反之不行，因此其同步性也较差。交叉耦合控制属于耦合控制，其同步性有所提升，但是***中某一台电机受到扰动后，对另外一台电机的影响较大。

对于电机的跟踪控制主要采用PI控制、神经网络控制、滑模控制等。PI控制鲁棒性差，不适合高精度控制。神经网络控制计算复杂实用性也较差。而普通滑模控制虽然具有响应快和鲁棒性好等优点，但是存在抖振问题，使得控制效果达不到理想效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种双电机智能线控转向***及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双电机智能线控转向***，包括转向盘模块、车速传感器、变传动比模块和转向执行模块；

所述转向盘模块包括转向盘、转向柱、转向盘转角传感器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器和转向柱下端相连，用于经转向柱向转向盘传递路感；

所述转向盘转角传感器设置在转向柱上，用于获得转向盘转角信号，并将其传递给所述变传动比模块；

所述车速传感器用于获取车辆的车速信号，并将其传递给所述变传动比模块；

所述变传动比模块用于根据获得的转向盘转角信号、车速信号计算出转向电机参考角度信号，并将其传递给转向执行模块；

所述转向执行模块包括转向电机A、减速器A、角度传感器A、电流传感器A、小齿轮A、角度控制器A、电流控制器A、转向电机B、减速器B、角度传感器B、电流传感器B、小齿轮B、角度控制器B、电流控制器B、齿条和转向横拉杆；

所述转向电机A通过减速器A和小齿轮A的转轴相连，转向电机B通过减速器B和小齿轮B的转轴相连，转向电机A、转向电机B型号相同，小齿轮A、小齿轮B的型号相同，减速器A、减速器B的型号相同；

所述角度传感器A、电流传感器A均设置在转向电机A中，分别用于获取转向电机A的角度信号、电流信号；

所述角度传感器B、电流传感器B均设置在转向电机B中，分别用于获取转向电机B的角度信号、电流信号；

所述角度控制器A用于控制转向电机A的角度，所述电流控制器A用于控制转向电机A的电流；

所述角度控制器B用于控制转向电机B的角度，所述电流控制器B用于控制转向电机B的电流；

所述小齿轮A、小齿轮B均和所述齿条啮合；所述齿条固定在所述转向横拉杆上；所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个驱动轮对应相连。

本发明还公开了一种该双电机智能线控转向***的控制方法，角度控制器A包括角度跟踪控制器A、角度同步控制器A；角度控制器B包括角度跟踪控制器B、角度同步控制器B；

令角度传感器A获取的转向电机A的角度信号为θ₁，角度传感器B获取的转向电机B的角度信号为θ₂，变传动比模块计算的转向电机参考角度信号为θ_d，则所述角度跟踪控制器A根据θ_d和θ₁的差值进行控制，所述角度同步控制器A根据θ₁和平均角度信号θ_m的差值进行控制，θ_m＝(θ₁+θ₂)/2；

令角度跟踪控制器A的输出电流为I_A1，角度同步控制器A的输出电流为I_A2，根据I_A1、I_A2计算电流控制器A的参考电流I_A：I_A＝I_A1+I_A2；

所述电流控制器A根据参考电流I_A和电流传感器A获取的转向电机A的电流信号i₁的差值进行控制，得到转向电机A的输入电压U_A，从而驱动转向电机A转动；

所述角度跟踪控制器B根据θ_d和θ₂的差值进行控制，所述角度同步控制器B根据θ₂和平均角度信号θ_m的差值进行控制；

令角度跟踪控制器B的输出电流为I_B1，角度同步控制器B的输出电流为I_B2，根据I_B1、I_B2计算电流控制器B的参考电流I_B：I_B＝I_B1+I_B2；

所述电流控制器B根据参考电流I_B和电流传感器B获取的转向电机B的电流信号i₂的差值进行控制，得到转向电机B的输入电压U_B，从而驱动转向电机B转动。

作为本发明一种双电机智能线控转向***的控制方法进一步的优化方案，所述角度跟踪控制器A、角度同步控制器A、角度跟踪控制器B、角度同步控制器B均采用超螺旋二阶滑模控制器，电流控制器A、电流控制器B均采用H_∞/H₂控制器。

作为本发明一种双电机智能线控转向***的控制方法进一步的优化方案，所述角度跟踪控制器A的建立方法如下：

步骤4.1)，建立转向电机A的动力学模型：

式中，T₁为转向电机A的电磁转矩；ω₁为转向电机A的角速度；i₁为转向电机A的电流；T_L1为转向电机A的负载转矩；K_t为转向电机A转矩系数；J为转向电机A的转动惯量；B为转向电机A黏滞摩擦系数；

步骤4.2)，对转向电机A的角度求解一阶和二阶微分：

将上式带入转向电机A的动力学模型，得到：

步骤4.3)，取θ_d和θ₁的偏差量作为控制变量，定义角度跟踪控制器A的控制变量e_1,d：

e_1,d＝θ_d-θ₁；

接着对e_1,d求解一阶微分得到：

步骤4.4)，定义超螺旋二阶滑模控制器的滑模面函数s₁为：

式中，c₁为大于0的常数；

对滑模面函数s₁求解一阶微分得到：

将

带入上式得到：

步骤4.5)，定义超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器A的全局控制律u_1,d＝u_eq1+u_st1，其中，u_eq1为等效控制项，u_st1为超螺旋控制项；

等效控制项u_eq1的表达式通过求解

得到：

超螺旋控制项u_st1的表达式为：

式中，λ₁、γ₁均为大于0的常数，sign为符号函数；

步骤4.6)，超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器A的控制输出I_A1的表达式为：

作为本发明一种双电机智能线控转向***的控制方法进一步的优化方案，所述角度同步控制器A的建立步骤如下：

步骤5.1)，定义转向电机A的角度偏差e_1,m为：

步骤5.2)，定义超螺旋二阶滑模控制的滑模面函数s₂为：

式中，c₂为大于0的常数；

对滑模面函数s₂求解一阶微分：

将θ_m＝(θ₁+θ₂)/2代入其中，得到

步骤5.3)，定义超螺旋二阶滑模角度同步控制器A的全局控制律u_1,m＝u_eq2+u_st2，式中：

等效控制项u_eq2通过将

代入

并且求解

得到：

超螺旋控制项u_st2的表达式为：

步骤5.4)，超螺旋二阶滑模角度同步控制器A的控制输出I_A2的表达式为：

角度跟踪控制器B的建立步骤和角度跟踪控制器A的建立步骤相同，角度同步控制器B的建立步骤和角度同步控制器A的建立步骤相同，这里不在赘述。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

首先，本发明实现了线控转向***的硬件容错，提升了***的可靠性和安全性；其次，采用平均偏差耦合同步控制设计了角度同步控制器显著提升了双电机之间的同步响应性能；最后，设计了超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器提高了电机的跟踪性能，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明双电机智能线控转向***跟踪及同步示意图；

图中，θ_sw-转向盘转角；θ_d-转向电机A、转向电机B的参考角度；v-车速；θ₁-转向电机A角度；θ₂-转向电机B角度；e_1,d-角度跟踪控制器A的控制变量；e_2,d-角度跟踪控制器B的控制变量；e_1,m-转向电机A的角度偏差；e_2,m-转向电机B的角度偏差；I_A-电流控制器A参考电流；I_B-电流控制器B参考电流；i₁-转向电机A电流；i₂-转向电机B电流；δ_f-车轮转角；U_A-转向电机A的输入电压；U_B-转向电机B的输入电压；T_L1-转向电机A的负载转矩；T_L2-转向电机B的负载转矩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

参照图1所示，本发明公开了一种双电机智能线控转向***，包括转向盘模块、车速传感器、变传动比模块和转向执行模块；

所述转向盘模块包括转向盘、转向柱、转向盘转角传感器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器和转向柱下端相连，用于经转向柱向转向盘传递路感；

所述转向盘转角传感器设置在转向柱上，用于获得转向盘转角信号，并将其传递给所述变传动比模块；

所述车速传感器用于获取车辆的车速信号，并将其传递给所述变传动比模块；

所述变传动比模块用于根据获得的转向盘转角信号、车速信号计算出转向电机参考角度信号，并将其传递给转向执行模块；

所述转向执行模块包括转向电机A、减速器A、角度传感器A、电流传感器A、小齿轮A、角度控制器A、电流控制器A、转向电机B、减速器B、角度传感器B、电流传感器B、小齿轮B、角度控制器B、电流控制器B、齿条和转向横拉杆；

所述转向电机A通过减速器A和小齿轮A的转轴相连，转向电机B通过减速器B和小齿轮B的转轴相连，转向电机A、转向电机B型号相同，小齿轮A、小齿轮B的型号相同，减速器A、减速器B的型号相同；

所述角度传感器A、电流传感器A均设置在转向电机A中，分别用于获取转向电机A的角度信号、电流信号；

所述角度传感器B、电流传感器B均设置在转向电机B中，分别用于获取转向电机B的角度信号、电流信号；

所述角度控制器A用于控制转向电机A的角度，所述电流控制器A用于控制转向电机A的电流；

所述角度控制器B用于控制转向电机B的角度，所述电流控制器B用于控制转向电机B的电流；

所述小齿轮A、小齿轮B均和所述齿条啮合；所述齿条固定在所述转向横拉杆上；所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个驱动轮对应相连。

本发明还公开了一种该双电机智能线控转向***的控制方法，角度控制器A包括角度跟踪控制器A、角度同步控制器A；角度控制器B包括角度跟踪控制器B、角度同步控制器B；

所述角度跟踪控制器A根据变传动比模块传来的转向电机参考角度信号和角度传感器A获取的转向电机A的角度信号差值进行控制，并且角度跟踪控制器A的输出电流为I_A1；

所述角度同步控制器A根据角度传感器A获取的转向电机A的角度信号和平均角度信号差值进行控制，并且角度同步控制器A的输出电流为I_A2；

所述平均角度信号θ_m为角度传感器A获取的转向电机A的角度信号和角度传感器B获取的转向电机B的角度信号的平均值，其计算公式为：

θ_m＝(θ₁+θ₂)/2 (1)

式中，θ_m为平均角度信号，θ₁为角度传感器A获取的转向电机A的角度信号，θ₂为角度传感器B获取的转向电机B的角度信号；

所述角度跟踪控制器A电流为I_A1和角度同步控制器A的输出电流为I_A2的和为电流控制器A的参考电流I_A，其表达式为：

I_A＝I_A1+I_A2 (2)

所述电流控制器A根据参考电流I_A和电流传感器A获取的转向电机A的电流信号i₁差值进行控制，并且得到转向电机A的输入电压U_A，从而驱动转向电机A转动；

所述角度跟踪控制器B根据θ_d和θ₂的差值进行控制，所述角度同步控制器B根据θ₂和平均角度信号θ_m的差值进行控制；

令角度跟踪控制器B的输出电流为I_B1，角度同步控制器B的输出电流为I_B2，根据I_B1、I_B2计算电流控制器B的参考电流I_B：I_B＝I_B1+I_B2；

所述电流控制器B根据参考电流I_B和电流传感器B获取的转向电机B的电流信号i₂的差值进行控制，得到转向电机B的输入电压U_B，从而驱动转向电机B转动。

所述角度跟踪控制器A、角度同步控制器A、角度跟踪控制器B、角度同步控制器B为超螺旋二阶滑模控制器，电流控制器A、电流控制器B为H_∞/H₂控制器。

所述角度跟踪控制器A的建立步骤如下：

步骤4.1)，建立转向电机A动力学模型：

式中，T₁为转向电机A的电磁转矩；ω₁为转向电机A的角速度；i₁为转向电机A的电流；T_L1为转向电机A的负载转矩；K_t为转向电机A转矩系数；J为转向电机A的转动惯量；B为转向电机A黏滞摩擦系数。

步骤4.2)，对转向电机A的角度求解一阶和二阶微分：

式中，θ₁为转向电机A的角度；

然后，将式(4)带入式(3)得到：

步骤4.3)，取转向电机参考角度和转向电机A的角度的偏差量作为控制变量，定义角度跟踪控制器A的控制变量e_1,d的表达式为：

e_1,d＝θ_d-θ₁ (6)

式中，θ_d转向电机参考角度；

接着对角度跟踪控制器A的控制变量为e_1,d求解一阶微分得到：

步骤4.4)，定义超螺旋二阶滑模控制器的滑模面函数s₁为：

式中c1为大于0的常数；

对滑模面函数s₁求解一阶微分得到：

将式(5)带入式(9)可以得到：

步骤4.5)，定义超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器A的全局控制律u_1,d为：

u_1,d＝u_eq1+u_st1 (11)

式中，u_eq1为等效控制项，u_st1为超螺旋控制项；

等效控制项u_eq1的表达式可以通过求解

得到：

超螺旋控制项u_st1的表达式为：

式中，λ₁、γ₁均为大于0的常数，sign为符号函数；

步骤4.6)，超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器A的控制输出I_A1的表达式为：

所述角度同步控制器A的建立步骤如下：

步骤5.1)，定义转向电机A的角度偏差e_1,m为：

式中，θ_m为平均角度信号，θ₁为转向电机A的角度，θ₂为转向电机B的角度；

步骤5.2)，定义超螺旋二阶滑模控制的滑模面函数s₂为：

式中，c₂为大于0的常数；

对滑模面函数s₂求解一阶微分：

将式(15)代入式(17)可以得到：

步骤5.3)，定义超螺旋二阶滑模角度同步控制器A的全局控制律u_1,m为：

u_1,m＝u_eq2+u_st2 (19)

将式(5)代入式(18)并且求解

可得等效控制项u_eq2的表达式为：

超螺旋控制项u_st2的表达式为：

步骤5.4)，超螺旋二阶滑模角度同步控制器A的控制输出I_A2的表达式为：

角度跟踪控制器B的建立步骤和角度跟踪控制器A的建立步骤相同，角度同步控制器B的建立步骤和角度同步控制器A的建立步骤相同，这里不在赘述。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双电机智能线控转向***的控制方法，所述双电机智能线控转向***包括转向盘模块、车速传感器、变传动比模块和转向执行模块；

所述转向盘模块包括转向盘、转向柱、转向盘转角传感器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器和转向柱下端相连，用于经转向柱向转向盘传递路感；

所述转向盘转角传感器设置在转向柱上，用于获得转向盘转角信号，并将其传递给所述变传动比模块；

所述车速传感器用于获取车辆的车速信号，并将其传递给所述变传动比模块；

所述变传动比模块用于根据获得的转向盘转角信号、车速信号计算出转向电机参考角度信号，并将其传递给转向执行模块；

所述转向执行模块包括转向电机A、减速器A、角度传感器A、电流传感器A、小齿轮A、角度控制器A、电流控制器A、转向电机B、减速器B、角度传感器B、电流传感器B、小齿轮B、角度控制器B、电流控制器B、齿条和转向横拉杆；

所述转向电机A通过减速器A和小齿轮A的转轴相连，转向电机B通过减速器B和小齿轮B的转轴相连，转向电机A、转向电机B型号相同，小齿轮A、小齿轮B的型号相同，减速器A、减速器B的型号相同；

所述角度传感器A、电流传感器A均设置在转向电机A中，分别用于获取转向电机A的角度信号、电流信号；

所述角度传感器B、电流传感器B均设置在转向电机B中，分别用于获取转向电机B的角度信号、电流信号；

所述角度控制器A用于控制转向电机A的角度，所述电流控制器A用于控制转向电机A的电流；

所述角度控制器B用于控制转向电机B的角度，所述电流控制器B用于控制转向电机B的电流；

所述小齿轮A、小齿轮B均和所述齿条啮合；所述齿条固定在所述转向横拉杆上；所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个驱动轮对应相连；

角度控制器A包括角度跟踪控制器A、角度同步控制器A；角度控制器B包括角度跟踪控制器B、角度同步控制器B；所述角度跟踪控制器A、角度同步控制器A、角度跟踪控制器B、角度同步控制器B均采用超螺旋二阶滑模控制器，电流控制器A、电流控制器B均采用H_∞/H₂控制器；

令角度传感器A获取的转向电机A的角度信号为θ₁，角度传感器B获取的转向电机B的角度信号为θ₂，变传动比模块计算的转向电机参考角度信号为θ_d，则所述角度跟踪控制器A根据θ_d和θ₁的差值进行控制，所述角度同步控制器A根据θ₁和平均角度信号θ_m的差值进行控制，θ_m＝(θ₁+θ₂)/2；

令角度跟踪控制器A的输出电流为I_A1，角度同步控制器A的输出电流为I_A2，根据I_A1、I_A2计算电流控制器A的参考电流I_A：I_A＝I_A1+I_A2；

所述电流控制器A根据参考电流I_A和电流传感器A获取的转向电机A的电流信号i₁的差值进行控制，得到转向电机A的输入电压U_A，从而驱动转向电机A转动；

所述角度跟踪控制器B根据θ_d和θ₂的差值进行控制，所述角度同步控制器B根据θ₂和平均角度信号θ_m的差值进行控制；

令角度跟踪控制器B的输出电流为I_B1，角度同步控制器B的输出电流为I_B2，根据I_B1、I_B2计算电流控制器B的参考电流I_B：I_B＝I_B1+I_B2；

所述电流控制器B根据参考电流I_B和电流传感器B获取的转向电机B的电流信号i₂的差值进行控制，得到转向电机B的输入电压U_B，从而驱动转向电机B转动；

其特征在于，所述角度跟踪控制器A的建立方法如下：

步骤4.1)，建立转向电机A的动力学模型：

式中，T₁为转向电机A的电磁转矩；ω₁为转向电机A的角速度；i₁为转向电机A的电流；T_L1为转向电机A的负载转矩；K_t为转向电机A转矩系数；J为转向电机A的转动惯量；B为转向电机A黏滞摩擦系数；

步骤4.2)，对转向电机A的角度求解一阶和二阶微分：

将上式带入转向电机A的动力学模型，得到：

步骤4.3)，取θ_d和θ₁的偏差量作为控制变量，定义角度跟踪控制器A的控制变量e_1,d：

e_1,d＝θ_d-θ₁；

接着对e_1,d求解一阶微分得到：

步骤4.4)，定义超螺旋二阶滑模控制器的滑模面函数s₁为：

式中，c₁为大于0的常数；

对滑模面函数s₁求解一阶微分得到：

将

带入上式得到：

步骤4.5)，定义超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器A的全局控制律u_1,d＝u_eq1+u_st1，其中，u_eq1为等效控制项，u_st1为超螺旋控制项；

等效控制项u_eq1的表达式通过求解

得到：

超螺旋控制项u_st1的表达式为：

式中，λ₁、γ₁均为大于0的常数，sign为符号函数；

步骤4.6)，超螺旋二阶滑模角度跟踪控制器A的控制输出I_A1的表达式为：

2.根据权利要求1所述的双电机智能线控转向***的控制方法，其特征在于，所述角度同步控制器A的建立步骤如下：

步骤5.1)，定义转向电机A的角度偏差e_1,m为：

步骤5.2)，定义超螺旋二阶滑模控制的滑模面函数s₂为：

式中，c₂为大于0的常数；

对滑模面函数s₂求解一阶微分：

将θ_m＝(θ₁+θ₂)/2代入其中，得到

步骤5.3)，定义超螺旋二阶滑模角度同步控制器A的全局控制律u_1,m＝u_eq2+u_st2，式中：

等效控制项u_eq2通过将

代入

并且求解

得到：

超螺旋控制项u_st2的表达式为：

步骤5.4)，超螺旋二阶滑模角度同步控制器A的控制输出I_A2的表达式为：

Images