一种四轮独立驱动、独立转向电动汽车协调控制系统

摘要

一种四轮独立驱动、独立转向电动汽车协调控制系统，包括依次相连的全局信号反馈模块、整车控制模块、协调控制模块和电机控制模块；所述整车控制模块包括整车控制器以及与整车控制器相连的电池管理系统、车载照明装置、制冷与制热装置。本发明中由于设置协调控制器，可以避免整车控制器设计过于复杂，提高整车控制器、协调控制器和电机控制器的实时响应速度及运行可靠性。协调控制器提高了四轮独立驱动、独立转向电动汽车能量的利用效率和驾驶舒适性，并提高驾驶的安全性。实现了更为科学的模块式控制，有利于电动汽车的模块化生产，促进了电动汽车控制器生产商的技术革新，从而推动整个电动汽车行业的发展。

说明书

技术领域

本发明属于电动汽车的整车控制领域，特别涉及一种四轮独立驱动、独立转向电动汽车协调控制系统。

背景技术

伴随着日益严重的大气污染和能源危机，传统汽车行业的可持续发展面临的形势越来越严峻。电动车是解决上述问题的有效途径，得到了越来越广泛的研究与发展。目前大部分电动车是后两轮或前两轮的驱动方式。基于能量传递效率和车体空间限制等考虑，近年来无刷直流轮毂电机四轮独立驱动、独立转向式电动车已经成为了国内外研究的热点。轮毂驱动电机的出现改变了汽车传统的驱动方式，电机安装在车轮的轮毂内，其转子为外转子，转矩直接输出到车轮，舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥、差速器等复杂的机械部件，不仅整车重量减轻了，而且降低了机械传动损耗，并具有灵活的行驶特点。

采用四轮独立驱动、独立转向电动汽车具有以下的显著优点：

(1)四个驱动轮的驱动电机单独可控，为车辆的转矩优化分配提供了很好的条件。协调控制器可以根据车辆的行驶状况动态地分配各个驱动轮间的驱动转矩和转向角，使能量流通过优化分配到每个驱动轮。

(2)四个驱动电机单独可控，为现代电动车的安全系统集成创造了条件，如汽车牵引控制（TCS）和汽车稳定性系统（ESP），可以在制动力干涉之前结合驱动力控制采取驱动转矩协调干涉，通过减少制动力在主动安全控制中的参与范围，起到减少能量损耗的作用。

(3)转矩分配的执行机构就是电机驱动轮本身，不存在增加车辆成本、重量以及能量消耗等问题。

但是四轮独立驱动、独立转向电动汽车相比于其它驱动方式的汽车，其控制量有所增加，控制系统也更为复杂，目前的四轮独立驱动、独立转向电动汽车更多的研究工作主要集中在驱动电机的控制、差速控制问题以及整车控制器的设计等方面。而没有对众多控制量的整车控制系统进行相关的优化设计。传统电动汽车的控制系统大多采用整车控制器加电机控制器的控制方案，其中整车控制器既要处理车载照明和制冷与制热装置开关、电池管理、再生制动系统等一系列辅助功能，又要接受驾驶员指令集对电动汽车的运行进行实时控制，这样不仅使得整车控制器结构设计复杂，控制策略相对繁琐，还有可能引起驾驶员的实时操作响应延迟，整车的控制性能变差，这就阻碍了整个电动汽车行业的进一步发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种四轮独立驱动、独立转向电动汽车协调控制系统，提高能量利用效率和驾驶的舒适性，并提高四轮独立驱动、独立转向电动汽车驾驶的安全性。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明包括依次相连的全局信号反馈模块、整车控制模块、协调控制模块和电机控制模块；

所述整车控制模块包括整车控制器以及与整车控制器相连的电池管理系统、车载照明装置、制冷与制热装置；其中，整车控制器的输入端与全局信号反馈模块的输出端相连，整车控制器的输出端与协调控制模块的输入端相连；

所述协调控制模块包括协调控制器以及分别与协调控制器相连的驾驶员指令集和再生制动系统，其中，协调控制器有两个输入端和两个输出端，一个输入端与整车控制器相连，另一个输入端分别与制动传感器、第一加速传感器、换挡位置传感器和转向角度传感器相连，制动传感器、第一加速传感器、换挡位置传感器和转向角度传感器检测驾驶员指令集中指令信号，并将信号发送给协调控制器，协调控制器的一个输出端与电机控制模块相连，另一个输出端与再生制动系统相连。

所述电机控制模块包括四组分别控制四个车轮的电机控制系统，每组电机控制系统包括一个电机控制器和由电机控制器控制的一个车轮电机，每个车轮电机通过局部信号反馈模块将每个车轮电机的温度、转速和转矩信号发送给相应的电机控制器；每个电机控制器均和协调控制器相连。

所述局部信号反馈模块包括温度传感器、速度传感器、转矩传感器。

所述全局信号反馈模块包括采集车辆行驶信息的车轮转速传感器、转向角度传感器、横摆角速度传感器、纵向加速传感器和横向加速传感器。

当驾驶员指令集发出制动控制指令时，制动传感器检测到控制指令的信号后，将信号传递给协调控制器，协调控制器调用再生制动系统对电动汽车进行制动。

相对于现有技术，本发明具有的有益效果：

本发明通过对整车控制器功能的再划分，设置整车控制模块、协调控制模块、电机控制模块和全局信号反馈模块，使得整车控制器能够起到统领全车控制的作用，同时将对车辆控制实时性要求强的独立转矩和转向角控制部分分离到协调控制器中。本发明中整车控制器是实现电动汽车整车控制性能的关键，整车控制器主要负责接收车载传感器的信号，计算出当前车辆的运行状况，并将信息发送到协调控制器中，由协调控制器负责车辆具体的控制指令的分配，这样就将传统的整车控制器对车辆的实时驱动与转矩的控制功能合理地分离开来，实现了更为科学的模块式控制，有利于电动汽车的模块化生产，使得整车控制模块可以更好地综合处理一系列车载控制系统，促进了电动汽车控制器生产商的技术革新，从而推动整个电动汽车行业的发展。

本发明中由于设置了协调控制器，可以避免整车控制器的设计过于复杂，提高整车控制器、协调控制器和电机控制器的实时响应速度及运行可靠性。协调控制器可以根据四轮独立驱动、独立转向电动汽车的行驶状况动态地对四轮的驱动转矩和转向角进行优化分配，使能量流通过优化后分配到每个驱动轮，提高能量利用效率和驾驶舒适性，还可以在制动力干涉之前结合驱动力控制采取驱动转矩协调干涉，减少制动力在主动安全控制中的参与范围，最大限度地减少能量损耗，并提高四轮独立驱动、独立转向电动汽车驾驶的安全性。

本发明中协调控制器介于整车控制器与电机控制器之间，接收整车控制器指令和驾驶员指令，根据一定的控制策略，计算出当前合适的转矩和转向角并向每个电机控制器发出独立转矩和独立转向角的分配指令。在传统的车辆主动安全控制系统如ABS（防抱死刹车系统）和ESP（车身电子稳定系统）起作用之前，协调控制器可以根据车辆的实际运行情况，采用驱动力优化方法来提高车辆的各种性能，如转向性能、加速性能、主动安全性能等。

进一步的，本发明中电机控制器接收到协调控制器发出的独立转矩和独立转向角控制指令后，四个电机控制器分别对四个车轮的驱动电机实现独立转矩和独立转向角的控制，并通过局部信号反馈实现对车辆的精确控制。

附图说明

图1是本发明的四轮独立驱动、独立转向电动汽车协调控制系统的结构示意图。

其中：1‐整车控制器；2‐协调控制器；3‐第一电机控制器；4‐第二电机控制器；5‐第三电机控制器；6‐第四电机控制器；7‐左前轮电机；8‐右前轮电机；9‐左后轮电机；10‐右后轮电机；11‐温度传感器；12‐速度传感器；13‐转矩传感器；14‐车辆信号；15‐车轮转速传感器；16‐转向角度传感器；17‐横摆角速度传感器；18‐纵向加速传感器；19‐横向加速传感器；20‐电池管理系统；21‐车载照明装置；22‐制冷与制热装置；23‐其他车载系统；24‐驾驶员指令集；25‐制动传感器；26‐第一加速传感器；27‐换挡位置传感器；28‐转向角度传感器；29‐再生制动系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括依次相连的全局信号反馈模块、整车控制模块、协调控制模块和电机控制模块；所述整车控制模块包括整车控制器1以及与整车控制器1相连的电池管理系统20、车载照明装置21、制冷与制热装置22和其他车载系统23（比如：雨刷控制系统）；其中，整车控制器1的输入端与全局信号反馈模块的输出端相连，整车控制器1的输出端与协调控制模块的输入端相连。

所述协调控制模块包括协调控制器2，以及分别与协调控制器2相连的制动传感器25、第一加速传感器26、换挡位置传感器27和转向角度传感器28相连和再生制动系统29，其中，协调控制器2有两个输入端和两个输出端，一个输入端与整车控制器1相连，另一个输入端分别与制动传感器25、第一加速传感器26、换挡位置传感器27和转向角度传感器28相连，制动传感器25、第一加速传感器26、换挡位置传感器27和转向角度传感器28检测驾驶员指令集24中指令信号，并将信号发送给协调控制器2，协调控制器2的一个输出端与电机控制模块相连，另一个输出端与再生制动系统29相连。

当驾驶员指令集24发出制动控制指令时，制动传感器25检测到相应信号后，制动传感器25将信号发送给协调控制器2，协调控制器2再调用再生制动系统29对电动汽车进行制动。当驾驶员指令集发出加速的指令时，第一加速传感器26检测到信号后，发送给协调控制器2，驾驶员指令集发出换挡的指令时，换挡位置传感器27检测到信号后，发送给协调控制器2，驾驶员指令集发出转向的指令时，转向角度传感器28检测到信号后，发送给协调控制器2。

所述电机控制模块包括四组分别控制四个车轮的电机控制系统，每组电机控制系统包括一个电机控制器和由该电机控制器控制的车轮电机，每个车轮电机通过安装在车轮电机上的温度传感器11、速度传感器12、转矩传感器13将电机的温度、转速和转矩信号发送给相应的电机控制器；每个车轮电机上均安装有温度传感器11、速度传感器12和转矩传感器13，安装在四个车轮电机上的四组温度传感器11、速度传感器12和转矩传感器13组成局部信号反馈模块；电机控制模块中四组电机控制系统具体为：第一组包括第一电机控制器3和左前轮电机7，第一电机控制器3控制左前轮电机7；第二组包括第二电机控制器4和右前轮电机8，第二电机控制器4控制右前轮电机8，第三组包括第三电机控制器5和左后轮电机9，第三电机控制器5控制左后轮电机9，第四组包括第四电机控制器6和右后轮电机10，第四电机控制器6控制右后轮电机10。第一电机控制器3、第二电机控制器4、第三电机控制器5、第四电机控制器6均和协调控制器2相连。

所述全局信号反馈模块包括采集车辆信号的车轮转速传感器15、转向角度传感器16、横摆角速度传感器17、纵向加速传感器18和横向加速传感器19。

本发明中全局信号反馈模块将全车的车载运行状态信号通过一系列传感器进行采集，并发送给整车控制器，整车控制器再进行内部运算，得出当前车辆的运行状况信息，作为协调控制器输入的一部分。

电机控制器对四个车轮的控制信息包括四个驱动转矩控制量和四个转向角控制量，在接受到协调控制器发出的独立转矩和转向角的控制指令后，执行对车辆的具体控制，并采用局部信号反馈模块进行局部信号（四个车轮电机的温度、转速和扭矩）反馈以实现更为精确的控制。

本发明的工作过程：本发明中车轮转速传感器15、转向角度传感器16、横摆角速度传感器17、纵向加速传感器18和横向加速传感器19采集车辆信号14（即车载运行状态信号），并将车辆信号传输到整车控制器1中，整车控制器1经过内部运算得出当前车辆的运行状况信息，并将该信息传递给协调控制器2，协调控制器同时接收制动传感器25、第一加速传感器26、换挡位置传感器27和转向角度传感器28发出的信号，制动传感器25、第一加速传感器26、换挡位置传感器27和转向角度传感器28监测驾驶员指令集发出的指令信号，协调控制器在接收到整车控制器1的信息和相应传感器的信号后，由协调控制器生产商设计的内部控制策略，实时计算出当前合适的转矩和转向角并向每个电机控制器发出独立转矩和独立转向角的分配指令。四个电机控制器接收到协调控制器发出的独立转矩和独立转向角控制指令后，分别对四个车轮的驱动电机实现独立转矩和独立转向角的控制，并通过局部信号反馈实现对车辆的精确控制。

本发明的协调控制系统是在传统的整车控制器加电机控制器模式的基础上增加了一个协调控制器，此协调控制器介于整车控制器与电机控制器之间。其中，整车控制器是实现整车控制性能的关键，主要负责接收车辆信号，这些反馈的车辆信号通过整车控制器运算出当前车辆的运行状况并将其发送给协调控制器。协调控制器的作用主要是接受驾驶员输入的指令集，并结合整车控制器发送的车辆运行状况信息，通过控制策略计算出当前合适的转矩和转向角并向四个车轮电机控制器发出控制指令。同时协调控制器采用驱动力优化方法来提高车辆的各种性能，如转向性能、加速性能、主动安全性能等，并且协调控制器还负责车辆的再生控制系统，即在车辆刹车时，可以根据当前情况合理分配各个电机的转矩来减缓车速，甚至采取反转矩运动将车辆多余的机械能转换成电能进行储存，这样就减少了车辆刹车时能量的损耗问题。

本发明将传统的整车控制器中复杂的实时驱动与转矩的控制分离出来，实现了模块式的控制，有利于电动汽车的模块化生产，同时促进了电动汽车控制器生产商的技术革新，从而推动整个电动汽车行业的发展。利用本发明的协调控制器可以避免整车控制器设计过于复杂，提高整车控制器、协调控制器和电机控制器的实时响应速度及运行可靠性。协调控制器可以根据四轮独立驱动、独立转向电动汽车的行驶状况动态地对四轮的驱动转矩和转向角进行优化分配，使能量流通过优化后分配到每个驱动轮，提高能量利用效率和驾驶的舒适性，还可以在制动力干涉之前结合驱动力控制采取驱动转矩协调干涉，减少制动力在主动安全控制中的参与范围，最大限度地减少能量损耗，并提高四轮独立驱动、独立转向电动汽车驾驶的安全性。