一种用于电动轮汽车EPS与DYC集成控制系统及其方法

摘要

本发明公开了一种用于电动轮汽车EPS与DYC集成控制系统及其方法，包括方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、加速踏板开度传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、集成控制器、DYC控制器、EPS控制器、后轴轮毂电机控制器、前轴轮毂电机控制器、助力电机、助力电机控制器、轮毂电机。本发明能够很好的将EPS与DYC控制集成起来，既利用了EPS转向系统上的诸多优点，又结合了DYC控制在电动轮汽车车辆稳定性控制的优势，从而弥补独立EPS系统的不足，能够很好改善在低附着路面，在极限工况如高速大转角情况下的车辆存在的转向失稳性问题，解决汽车转向时需要加入稳定性控制的问题，并通过协调控制，同时对电动轮汽车DYC系统的工作产生积极影响。

说明书

技术领域

本发明涉及四轮毂电机驱动电动轮汽车(电动轮汽车)电动助力转向系统(EPS)与直接横摆力矩控制(DYC)领域，具体涉及装有传统EPS系统的车辆。

背景技术

为了解决当今的能源危机和严重的环境问题，各国的汽车研发都投向了电动轮汽车领域，其中轮毂电机驱动汽车是把轮毂式电机直接装在汽车车轮来驱动汽车行驶，为未来电动轮汽车驱动的发展方向。电动轮汽车具有以下优势：

1)与中央电机驱动的电动车相比，取消了机械传动系统，传动效率有跨越式的提高，控制器直接控制电机转速和转矩，对外界工况的适应性显著增强，并且有着近乎完美的无级变速性能。

2)从整车布置的角度来看，汽车底盘得到了大大的简化，可以使汽车设计师更从容的设计汽车结构，使汽车总布置更加合理。

3)由于电机的高效率以及电力的低成本，电动轮汽车也必将比传统汽车更加的节省能源。而且，轮毂电机与轮胎的动态响应基本一致，使轮毂电机驱动汽车更容易实现再生制动，这也降低了能源消耗。

4)由于各个车轮的转矩可以独立控制，电机本身响应速度又足够快，所以应用于传统汽车的底盘电子控制技术可以更方便地应用到轮毂电机驱动汽车上，比如电子稳定控制技术、牵引力控制技术等。

汽车转向系统是驾驶员用来控制汽车运动方向的系统，它是汽车中一个基本且重要的系统，其性能的优劣直接关系到汽车的操纵稳定性，对于保证汽车的安全行驶和改善驾驶员的工作条件起到了关键性作用。随着汽车转向系统技术的不断发展，如今转向系统分为：机械助力转向，液压助力转向系统，电控液压助力转向系统，电动助力转向系统(EPS)。其中EPS是直接利用电动机提供转向助力的转向系统，摒弃了液压助力转向系统的助力机构。相比传统液压助力转向系统，EPS具有很多突出的优点，如：环保，节能，结构简单且使汽车有更好地转向性能等等，但依然存在着一下不足之处：

一、不能实现变传动比控制和主动转向干预以提高系统的操纵稳定性；

二、EPS依然无法很好的解决低附着系数路面上的操作路感和回正性能；

三、汽车装有EPS系统在车辆转向存在失稳问题，特别是高速大转角等紧急情况下，需要加入稳定性控制；

四、传统EPS系统的设计思想并没有考虑到对操纵稳定性的影响，而驾驶员对方向盘的操作会直接影响到车辆行驶的稳定性。

直接横摆力矩(DYC)控制是一种利用左右侧车轮纵向力的差异，即对汽车一侧车轮增加驱动或制动转矩ΔT，另一侧减小ΔT，产生横摆力矩，改善车辆操纵稳定性的方法，以提高车辆转向过程中的机动性和高速行驶的稳定性，而且DYC控制已经被证明在接近附着极限时依然有较好的控制效果。

本发明基于以上分析，结合现今研究，为了改善EPS的不足之处，以电动轮汽车、EPS与DYC控制系统为研究对象，从信息融合共享、单系统功能优化、子系统协调控制三个层面提出二者的协调控制方法，主要针对单系统功能优化及子系统协调控制两个层面对二者的底盘一体化协调控制进行研究。

发明内容

现有传统EPS在改善汽车操作稳定性方面很好，但仍然无法很好的解决低附着系数路面上的操纵路感和回正性能，传统EPS系统的设计思想并没有考虑到对操纵稳定性的影响，而驾驶员对方向盘的操作会直接影响到车辆行驶的稳定性，所以在车辆转向，特别是高速大转角等紧急情况下，需要加入稳定性控制等问题，本发明结合DYC能够产生横摆力矩，并被证明在接近附着极限时依然有较好的控制效果等优点，在电动轮汽车上，将EPS与DYC进行集成控制。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：该系统包括方向盘转角传感器，方向盘转矩传感器，加速踏板开度传感器，轮速传感器，横摆角速度传感器，侧向加速度传感器，集成控制器，DYC控制器，EPS控制器，后轴轮毂电机控制器，前轴轮毂电机控制器，助力电机，助力电机控制器，轮毂电机。

所述的集成控制器中的参数为实时车辆的各种车辆参数，并接收方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、加速踏板开度传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器产生的实时信号，通过集成控制器内置的车辆工况算法判断车辆的行驶工况，将车辆工况信息发送给EPS控制器，通过集成控制器内置的稳定性判断算法将质心侧偏角估计等稳定性判断信息发送给DYC控制器；与传统的EPS系统一样，所述的方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、轮速传感器将方向盘转角信号，转矩大小、方向信号和实时轮速信号输送给EPS控制器，并接收由集成控制器传送的附加信息，EPS控制器接接收上述信号后，根据可变助力特性曲线，计算出期望电流，通过闭环反馈控制，将目标电流输送给助力电机控制器；所述的DYC控制器接收集成控制器传送的车辆稳定性信息，计算出此时车辆需要多大的横摆力矩，利用相应的转矩分配算法，并将其协调分配到后轴轮毂电机控制器、前轴轮毂电机控制器；所述的后轴轮毂电机控制器、前轴轮毂电机控制器接收由DYC控制器发送的转矩分配信息，通过控制电机电流大小的方式控制轮毂电机的驱动与制动，并将四个轮毂电机的电流大小反馈给集成控制器，四轮毂电机驱动电动轮汽车通过四轮产生不同的转矩，完成电动轮汽车整车的操纵稳定性控制。

本发明在基于不影响EPS系统工作的前提下，提供一种EPS与DYC集成控制方法，包括以下步骤：

第一步，信号采集，方向盘转角传感器，方向盘转矩传感器，加速踏板开度传感器，轮速传感器，横摆角速度传感器，侧向加速度传感器负责实时采集车辆的各种信号，集成控制器接收信号，利用其内置的控制算法分析车辆的实时行驶工况并对车辆进行稳定性判断，并将车辆的行驶工况信息发送给EPS控制器，将稳定性判断信息发送给DYC控制器。

第二步，EPS控制器接收方向盘转角传感器的转角信号，方向盘转矩传感器的转矩大小和方向信号、轮速传感器的轮速信号、集成控制器传送的附加信息，计算出助力电机控制器所需的期望电流，通过PWM控制，给助力电机输送目标电流，并进行闭环反馈控制。

第三步，DYC控制器接收由集成控制器传送的稳定性判断信息，基于DYC稳定性控制，计算出此时电动轮汽车所需的横摆力矩，并利用相应的转矩分配算法，将其协调分配到后轴轮毂电机控制器和前轴轮毂电机控制器，后轴与前轴轮毂电机控制器、接收由DYC控制器发送的转矩分配信息，通过控制电机电流大小的方式控制轮毂电机的驱动与制动，并将四个轮毂电机的电流大小反馈给集成控制器，电动轮汽车通过四轮产生不同的转矩，完成电动轮汽车整车的操纵稳定性控制。

进一步，所述第三步的具体过程为：

一、当电动轮汽车在失稳工况下，DYC控制器针对电动轮汽车在高速大转角工况下的集成控制过程，首先电动轮汽车以一定初速度直线行驶，集成控制器始终对方向盘转角信号进行检测，当方向盘转角判定|θ|＞θ₁(θ₁为大转角下限判定值，假设θ₁＝90°)时，集成控制器判定电动轮汽车正在进行大转角转向，继续检测轮速大小，当V＞V₂时，则判断为电动轮汽车处于高速大转角紧急工况，启动DYC与EPS在高速大转角情况下的集成控制，并检测此时的横摆角速度ω是否小于ω₁，若否，则继续进行DYC与EPS在高速大转角情况下的集成控制，直到达到期望的稳定横摆角速度。当V＜V₂时，集成控制器判定电动轮汽车为中低速大转角转向，启动DYC与EPS协调控制，并检测横摆角速度ω是否小于ω₁，若否，则继续进行DYC与EPS协调控制，直到达到期望的稳定横摆角速度。当方向盘判定|θ|＜θ₁时，则启动常规DYC与EPS集成控制。

二、当电动轮汽车在正常工况下，电动轮汽车最初以一定的初速度直线行驶，集成控制器始终对方向盘转角信号进行检测，当|θ|＜θ₀时，例如系统设计令θ₀＝5°，即方向盘在5°以内转动系统默认为电动轮汽车没有进行转向操作，电动轮汽车进行正常DYC控制。当|θ|＞θ₀，且维持一定的时间t，则集成控制器判定电动轮汽车正在进行转向操作，首先电动轮汽车利用路面附着系数估算算法，估算出路面附着系数f，判断f是否小于f_r(其中f_r为低附着系数判定上限值，假设f_r＝0.3)，当f＜f_r时，集成控制器判定电动轮汽车正在低附着路面上进行转向操作，然后根据轮速传感器测得的轮速V，判定V是否小于V₁(其中V₁为低速判定上限值，假设V₁＝20km/h)，当V＜V₁时，集成控制器判断电动轮汽车在低附着路面上进行低速转向操作，则系统将利用DYC控制，控制四个轮毂电机的驱动与制动力矩，使汽车产生一定的附加横摆力矩ΔT，以转向助力矩的形式辅助助力电机完成转向操作，当V＞V₁时，利用DYC与EPS集成控制进行驱动防滑控制来提高汽车的动力性和稳定性。如果f＞f_r时，集成控制器判定为不在低附着路面下进行转向操作，则检测四轮轮毂电机电动轮汽车的行驶工况，即测量的实际横摆角速度与估算横摆角速度期望值是否超过某一门限值ω₁，来判断车辆是否为失稳情况。当ω＞ω₁时，表明电动轮汽车此时出现失稳工况，利用DYC控制与EPS集成控制启动驱动转向集成控制，提高电动轮汽车的操作稳定性。当ω＜ω₁时，电动轮汽车为稳定转向，这时再次对电动轮汽车轮速进行判断，当判定轮速V与V₂(V₂为高速下限值，假设V₂＝60km/h)的大小，当V＞V₂时，集成系统判定电动轮汽车为高速稳定性转向，通过DYC控制以产生附加横摆力矩的形式提供部分转向阻尼力矩；当V＜V₂时，集成控制器判定电动轮汽车为低速稳定性转向，通过DYC控制以产生附加横摆力矩的形式提供部分转向助力矩。

本发明的有益效果为：本发明能够很好的将EPS与DYC控制集成起来，既利用了EPS转向系统上的诸多优点，又结合了DYC控制在电动轮汽车车辆稳定性控制的优势，从而弥补独立EPS系统的不足，能够很好改善在低附着路面，在极限工况如高速大转角情况下的车辆存在的转向失稳性问题，解决汽车转向时需要加入稳定性控制的问题，并通过协调控制，同时对电动轮汽车DYC系统的工作产生积极影响。

附图说明

图1为EPS与DYC集成控制系统架构搭建；

图2为EPS与DYC系统集成控制框图；

图3为EPS与DYC分层控制系统结构图；

图4为EPS与DYC分层控制策略结构图；

图5为EPS与DYC集成控制系统的正常工况控制策略流程图；

图6为EPS与DYC集成控制系统高速大转角情况下控制策略流程图。

图中：1-方向盘转角传感器；2-方向盘转矩传感器；3-加速踏板开度传感器；4-轮速传感器；5-横摆角速度传感器；6-侧向加速度传感器；7-集成控制器；8-DYC控制器；9-EPS控制器；10-后轴轮毂电机控制器；11-前轴轮毂电机控制器；12-助力电机；13-助力电机控制器；14-轮毂电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

本发明是基于装载有EPS系统的电动轮汽车基础上，与DYC控制系统进行集成控制，既利用了EPS转向系统上的诸多优点，又结合了DYC控制在电动轮汽车车辆稳定性控制的优势，从而弥补了独立EPS系统的不足，能够很好改善电动轮汽车在低附着路面，在极限工况如高速大转角情况下车辆存在的转向失稳性问题，解决汽车转向时需要加入稳定性控制的问题，并通过协调控制，同时对电动轮汽车DYC系统的工作产生积极影响。图1为EPS与DYC集成控制系统架构搭建，该系统传感器部分包括方向盘转角传感器1，方向盘转矩传感器2，加速踏板开度传感器3，四个轮速传感器4，横摆角速度传感器5和侧向加速度传感器6；控制器部分包括集成控制器7，DYC控制器8，EPS控制器9，后轴轮毂电机控制器10，前轴轮毂电机控制器11和助力电机控制器13；执行器部分包括助力电机12以及四个轮毂电机14。车辆运行过程中，DYC系统根据驾驶员的方向盘转角、踏板操作以及车辆状态信息，通过四个轮毂电机14对车辆的驱动与制动力进行控制；EPS系统根据驾驶员的方向盘力矩操作以及车辆状态信息，通过助力电机对助力力矩进行控制；集成控制器7在整个过程中实时监测驾驶员的操作以及车辆的运动状态，在必要时对DYC和EPS系统工作进行协调控制。

图2为DYC与EPS系统集成控制框图，方向盘转角传感器1，方向盘转矩传感器2，加速踏板开度传感器3，轮速传感器4，横摆角速度传感器5，侧向加速度传感器6负责实时采集车辆的各种信号，集成控制器7接收信号，利用其内置的控制算法分析车辆的实时行驶工况并对车辆进行稳定性判断，并将附加信息发送给EPS控制器9，将稳定性判断信息发送给DYC控制器8。EPS控制器9接收车辆轮速传感器4的轮速信号、方向盘转角传感器1的转角信号，方向盘转矩传感器2的转矩大小和方向信号以及集成控制器7传送的附加信息，计算出助力电机12所需的期望电流，利用PWM控制，给助力电机12输送目标电流，并进行闭环反馈控制。DYC控制器8接收由集成控制器7传送的稳定性判断信息，基于DYC稳定性控制，计算出此时电动轮汽车所需的横摆力矩，并利用相应的转矩分配算法，并将其协调分配到后轴与前轴轮毂电机控制器10、11，轮毂电机控制器10、11接收由DYC控制器8发送的转矩分配信息，通过控制电机电流大小的方式控制轮毂电机的驱动与制动，并将轮毂电机14的电流大小反馈给集成控制器7，电动轮汽车通过四轮产生不同的转矩，完成电动轮汽车整车的操纵稳定性控制。

图3为EPS与DYC分层控制系统结构图，该控制系统采用了分层-监督控制结构。该系统中，DYC与EPS两套子系统原有的传感器、控制器、执行器等组成部分全部保留，通过加入上层集成控制器7，对两套系统的工作进行协调控制。在系统结构的上层，集成控制器7通过传感器共享得到的车辆状态信息，对是否需要协调控制进行判断，并制定出协调控制命令；协调控制命令发送给中层的子系统控制器，得到修正后的执行器控制命令；下层的执行器负责执行中层制定出的控制命令。该分层控制系统结构上的一个特点是，其协调控制命令(附加信息)只用于修正EPS系统的工作，而不直接影响ESP系统工作。

图4为EPS与DYC分层控制策略结构图，该图共分为驾驶员操作及工作识别层和协调控制层两层逻辑结构，驾驶员操作及工况识别层中，通过传感器的信号和估计的车辆状态参数，根据车辆状态和驾驶员操作，将需要协调控制的工况分为驾驶员误操作和驾驶员正常操作。协调控制层中，针对两类工况分别进行协调控制。对于驾驶员误操作，需要从子系统协调控制层面进行协调；对于驾驶员正常操作，可以对EPS系统的功能进行优化。

图5为EPS与DYC集成控制系统的正常工况控制策略流程图，电动轮汽车最初以一定的初速度直线行驶，系统始终对方向盘转角信号进行检测，当|θ|＜θ₀时，例如集成控制器7设计令θ₀＝5°，即方向盘在5°以内转动系统默认为电动轮汽车没有进行转向操作，电动轮汽车进行正常DYC控制。当|θ|＞θ₀，且维持一定的时间t，则系统判定电动轮汽车正在进行转向操作，首先电动轮汽车利用路面附着系数估算算法，估算出路面附着系数f，判断f是否小于f_r(其中f_r为低附着系数判定上限值，假设f_r＝0.3)，当f＜f_r时，集成控制器7判定电动轮汽车正在低附着路面上进行转向操作，然后根据轮速传感器4测得的轮速V，判定V是否小于V₁(其中V₁为低速判定上限值，假设V₁＝20km/h)，当V＜V₁时，系统判断电动轮汽车在低附着路面上进行低速转向操作，则集成控制器7将利用DYC控制，控制四个轮毂电机14的驱动与制动力矩，使汽车产生一定的附加横摆力矩ΔT，以转向助力矩的形式辅助EPS电机完成转向操作，当V>V₁时，利用DYC与EPS集成控制进行驱动防滑控制来提高汽车的动力性和稳定性。如果f＞f_r时，系统判定为不在低附着路面下进行转向操作，则检测电动轮汽车的行驶工况，即测量的实际横摆角速度与估算横摆角速度期望值是否超过某一门限值ω₁，来判断车辆为失稳情况。当ω＞ω₁时，表明电动轮汽车此时出现失稳工况，利用DYC控制与EPS集成控制启动驱动转向集成控制，提高电动轮汽车的操作稳定性。当ω＜ω₁时，电动轮汽车为稳定转向，这时再次对电动轮汽车轮速进行判断，判定轮速V与V₂(V₂为高速下限值，假设V₂＝60km/h)的大小，当V＞V₂时，集成系统判定电动轮汽车为高速稳定性转向，通过DYC控制以产生附加横摆力矩的形式提供部分转向阻尼力矩；当V＜V₂时，集成系统判定电动轮汽车为低速稳定性转向，通过DYC控制以产生附加横摆力矩的形式提供部分转向助力矩。

图6为EPS与DYC集成控制系统高速大转角工况下控制策略流程图，首先电动轮汽车以一定初速度直线行驶，集成控制器7始终对方向盘转角信号进行检测，当方向盘转角信号判定|θ|＞θ₁(θ₁为大转角下限判定值，假设θ₁＝90°)时，集成控制器7判定电动轮汽车正在进行大转角转向，继续检测轮速大小，当V＞V₂时，则判定电动轮汽车处于高速大转角紧急工况，启动DYC与EPS在高速大转角情况下的集成控制，并检测此时的横摆角速度ω是否小于ω₁，若否，则继续进行DYC与EPS在高速大转角情况下的集成控制，直到达到期望的稳定横摆角速度。当V＜V₂时，集成控制器7判定电动轮汽车为中低速大转角转向，启动DYC与EPS协调控制，并检测横摆角速度ω是否小于ω₁，若否，则继续进行DYC与EPS协调控制，直到达到期望的稳定横摆角速度。当方向盘判定|θ|＜θ₁时，则启动正常DYC与EPS集成控制。