用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统

摘要

本发明属于车辆动力学稳定性控制系统领域，针对8×8多轴分布式机电驱动车辆，具体公开了一种用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统。该系统包括硬件和软件两个模块，其中硬件主要由4个轮边驱动电机、4个电机控制器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器、侧向加速度传感器、整车控制器构成；该系统的软件模包括：质心侧偏角计算模块、车辆失稳判断模块和横摆力矩辅助模块；能够不同车速下车辆动力学稳定性要求，填补了8×8多轴分布式驱动车辆动力学稳定性控制系统的空白。

说明书

技术领域

本发明属于车辆动力学稳定性控制系统领域，具体涉及一种用于多轴分布 式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统。

背景技术

多轴车辆具有载荷分配合理、动力性强、通过性好等突出优点，被广泛 应用于军用轮式车辆及民用重载轮式车辆。但是，以传统全轮驱动8×8车辆 为例，其至少需要4个轮间差速器和3个轴间差速器才能实现全轮驱动，具 有结构复杂、轴间轮间驱动力不能灵活分配等缺点，故而出现了如公布号 CN103587403A所提出的分布式机电驱动车辆方案，其前两桥车轮由发动机驱 动，后两桥车轮由轮边电机驱动，动力可在后两桥各车轮之间0-100％灵活分 配，极大程度地提高了车辆的动力性及越野性能。

但是，目前已有的分布式驱动车辆动力学稳定性控制系统都是基于4轮 民用汽车而开发的，对于8×8等多轴车辆还未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控 制系统，能够满足不同车速下车辆动力学稳定性要求，填补了8×8多轴分布 式驱动车辆动力学稳定性控制系统的空白。

实施本发明的具体方案如下：

用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统，该系统硬件由前 两桥车轮、后两桥车轮、转向柱、发动机、发电机、分动箱、变速箱、3个轴间 轮间差速器、4个轮边驱动电机、4个轮边减速器、4个电机控制器、蓄电池、 安装盒、转向盘转角传感器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器、侧向加 速度传感器和整车控制器组成。

前两桥车轮包括：一桥左侧车轮、二桥左侧车轮、一桥右侧车轮和二桥右 侧车轮；

后两桥车轮包括：二桥左侧车轮、三桥左侧车轮、三桥右侧车轮和四桥右 侧车轮；

3个轴间轮间差速器包括：轴间轮间差速器I、轴间轮间差速器II和轴间轮 间差速器III；

4个轮边驱动电机包括：永磁同步驱动电机I、永磁同步驱动电机II、永磁 同步驱动电机III和永磁同步驱动电机IV；

4个轮边减速器包括：轮边减速器I、轮边减速器II、轮边减速器III和轮边 减速器IV；

4个永磁同步电机包括：永磁同步电机I、永磁同步电机II、永磁同步电机 III和永磁同步电机IV；

4个电机控制器包括：电机控制器I、电机控制器II、电机控制器III和电机 控制器IV；

横摆角速度传感器、纵向加速度传感器及侧向加速度传感器安装在位于车 辆质心位置的安装盒内；

发动机的动力经分动箱分为两路，一路经过变速箱后通过3个轴间轮间差 速器驱动前两桥车轮；另一路带动发电机发电至4个轮边驱动电机和蓄电池， 所述4个轮边驱动电机分别经过对应的4个轮边减速器驱动后两桥车轮，4个永 磁同步电机分别由对应的4个电机控制器实时控制。整车控制器安装在车体中 心处，所述整车控制器分为两路，一路与转向盘转角传感器相连，所述转向盘 转角传感器固连于转向柱上，实时监测转向盘转角，通过转向系传动比换算获 得前轮转角；所述整车控制器的另一路由CAN网络连接安装盒内的转向盘转角 传感器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器和侧向加速度传感器，实现实 时通讯。

进一步地，用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统，该系 统的软件模块包括：质心侧偏角计算模块、车辆失稳判断模块和横摆力矩辅助 模块；

所述质心侧偏角计算模块，用于通过横摆角速度ω、侧向加速度和车速，计 算车辆质心侧偏角β，并发送给车辆失稳判断模块；

所述车辆失稳判断模块，用于预先存储不同车速下横摆角速度ω-质心侧偏 角β稳定边界，采用稳定边界表达式表达，其中，a、b为拟合参数， 同一车速下a、b为定值；根据当前车速提取相应的稳定边界表达式，将当前横 摆角速度ω和质心侧偏角β代入提取的稳定边界表达式，如果满足的 条件，则判定车辆失稳，否则，判定车辆处于稳定状态；

所述横摆力矩辅助模块，用于在所述车辆失稳判断模块判定车辆失稳时， 估计后两桥各车轮的垂直载荷，并向垂直载荷最大的车轮施加辅助力矩，从而 为车辆提供辅助横摆力矩，帮助车辆回复稳定状态。

进一步地，用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统，其特 征在于，所述的质心侧偏角计算模块中质心侧偏角β计算方法为：

$\beta =\frac{1}{u}{\int }_0^t(a_y-u\omega )dt$

式中，a_y为车辆侧向加速度；u为车辆纵向速度；ω为车辆横摆角速度；t 为时间。

进一步地，所述的用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统， 其特征在于，所述横摆力矩辅助模块确定后两桥各车轮的垂直载荷的方式为： 结合纵向加速度传感器和侧向加速度传感器所提供的车辆纵向、侧加速度估计 后两桥各车轮垂直载荷。

有益效果：

1.本发明的车辆横摆角速度-质心侧偏角失稳边界MAP图是预先由大量虚 拟样机数值仿真结果获得的，并根据实验数据对不同车速下的稳定向平面边界 进行拟合，符合实际应用的意义。

2.本发明填补了8×8多轴分布式驱动车辆动力学稳定性控制系统的空 白，同时，所采用的车辆横摆角速度-质心侧偏角失稳边界MAP图可根据需 求自由调节，以满足不同车速下车辆动力学稳定性要求。

附图说明

图1为一种用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学控制系统硬件结构示意。

图2为一种用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学控制系统软件结构示意。

图3为车速10m/s下横摆角速度-质心侧偏角稳定相平面边界图。

图4为车速20m/s下横摆角速度-质心侧偏角稳定相平面边界图。

图5为车速30m/s下横摆角速度-质心侧偏角稳定相平面边界图。

图6为车速40m/s下横摆角速度-质心侧偏角稳定相平面边界图。

其中，1-一桥左侧车轮；2-二桥左侧车轮；3-二桥左侧车轮；4-三桥左侧车轮；5- 一桥右侧车轮；6-二桥右侧车轮；7-三桥右侧车轮；8-四桥右侧车轮；9-转向柱； 10-发动机；11-发电机；12-分动箱；13-变速箱；14-轴间轮间差速器I；15-轴间 轮间差速器II；16-轴间轮间差速器III；17-电机控制器I；18-电机控制器II；19- 电机控制器III；20-电机控制器IV；21-轮边减速器I；22-永磁同步驱动电机I； 23-永磁同步驱动电机II；24-轮边减速器II；25-轮边减速器III；26-永磁同步驱 动电机III；27-永磁同步驱动电机IV；28-轮边减速器IV；29-蓄电池；30-安装盒； 31-整车控制器；32-转向盘转角传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种用于多轴分布式机电驱动车辆的动力学稳定性控制系统，该系统硬件 由前两桥车轮、后两桥车轮、转向柱9、发动机10、发电机11、分动箱12、变 速箱13、3个轴间轮间差速器、4个轮边驱动电机、4个轮边减速器、4个电机 控制器、蓄电池29、安装盒30、转向盘转角传感器32、横摆角速度传感器、纵 向加速度传感器、侧向加速度传感器和整车控制器组成。

前两桥车轮包括：一桥左侧车轮1、二桥左侧车轮2、一桥右侧车轮5和二 桥右侧车轮6；

后两桥车轮包括：二桥左侧车轮3、三桥左侧车轮4、三桥右侧车轮7和四 桥右侧车轮8；

3个轴间轮间差速器包括：轴间轮间差速器I14、轴间轮间差速器II15和轴 间轮间差速器III16；

4个轮边驱动电机包括：永磁同步驱动电机I22、永磁同步驱动电机II23、 永磁同步驱动电机III26和永磁同步驱动电机IV27；

4个轮边减速器包括：轮边减速器I21、轮边减速器II24、轮边减速器III25 和轮边减速器IV28；

4个永磁同步电机包括：永磁同步电机I22、永磁同步电机II23、永磁同步 电机III26和永磁同步电机IV27；

4个电机控制器包括：电机控制器I17、电机控制器II18、电机控制器III19 和电机控制器IV20；

图1为采用分布式机电驱动方案的8×8车辆，发动机10的动力经分动箱 12分为两路，一路经过变速箱13后通过3个轴间轮间差速器驱动前两桥车轮； 另一路带动发电机11发电至4个轮边驱动电机和蓄电池29，所述4个轮边驱动 电机分别经过对应的4个轮边减速器驱动后两桥车轮，4个永磁同步电机分别由 对应的4个电机控制器实时控制。整车控制器31安装在车体中心处，所述整车 控制器31分为两路，一路与转向盘转角传感器32相连，所述转向盘转角传感器 32固连于转向柱9上，实时监测转向盘转角，通过转向系传动比换算可获得前 轮转角；横摆角速度传感器、纵向加速度传感器及侧向加速度传感器安装在位 于车辆质心位置的安装盒30内，实时测得车辆质心处的横摆角速度、纵向加速 度及侧向加速度，所述整车控制器31的另一路由CAN网络连接安装盒30内的 转向盘转角传感器、横摆角速度传感器、纵向加速度传感器和侧向加速度传感 器，实现实时通讯。

整车控制器31内的动力学稳定性控制系统的软件架构如图2所示，该系统 的软件模包括：质心侧偏角计算模块、车辆失稳判断模块和横摆力矩辅助模块；

所述质心侧偏角计算模块，用于整车控制器31通过横摆角速度ω、侧向加 速度和车速，计算车辆质心侧偏角β，并发送给车辆失稳判断模块；即所述的质 心侧偏角计算模块中质心侧偏角计算方法为：

$\beta =\frac{1}{u}{\int }_0^t(a_y-u\omega )dt$

式中，a_y为车辆侧向加速度；u为车辆纵向速度；ω为车辆横摆角速度；t 为时间。

当整车控制器中的质心侧偏角计算模块完成计算后，将质心侧偏角信号发 送至车辆失稳判断模块，车辆失稳判断模块同时采集由CAN网络发来的横摆角 速度信号，结合不同车速时的车辆横摆角速度-质心侧偏角失稳边界MAP图完成 对车辆稳定状态的判断，若其位于稳定边界之外，则车辆处于失稳状态。其中， 在实际应用中，设计了如图3-6所示的不同车速时的车辆横摆角速度-质心侧偏 角失稳边界MAP图，其稳定边界与车速、质心侧偏角和横摆角速度均有关，是 预先由大量虚拟样机数值仿真结果获得的。

图3-6示意了车速为10m/s、20m/s、30m/s和40m/s时的横摆角速度-质心 侧偏角稳定相平面边界图，当车辆横摆角速度ω及质心侧偏角数值β位于粗实 线所围成的边界内时，车辆则被认为是稳定的，反之，车辆则被认为处于失稳 状态。同时，采用公式拟合不同车速下横摆角速度-质心侧偏角稳定相 平面边界：如果满足的条件，则判定车辆失稳，否则，判定车辆处于 稳定状态；其中：a，b为拟合参数；不同车速下，根据不同使用者对车辆稳定 性边界的不同需求而制定，只需要对a，b进行调整。

由车辆失稳判断模块所得车辆状态与车辆横摆角速度-质心侧偏角失稳边界 MAP图通过CAN网络被传送给整车控制器31，整车控制器31基于二者差值， 通过PI控制器计算输出需求辅助横摆力矩，并将此值发送给横摆力矩辅助模块。

在横摆力矩辅助模块中，首先估算电驱动的后两桥各车轮的垂直载荷，并 向垂直载荷最大的车轮施加辅助力矩，从而为车辆提供辅助横摆力矩，帮助车 辆回复稳定状态。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。