專利名稱：電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動汽車用電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，并又涉及到汽車即為四驅(qū)動 輪(4WD)又為四轉(zhuǎn)向輪(4WS)的轉(zhuǎn)向技術(shù)。
背景技術(shù)：
汽車轉(zhuǎn)向時穩(wěn)定性分析如附圖1所示為汽車轉(zhuǎn)彎時所產(chǎn)生側(cè)偏角的關(guān)系示意 圖，其中、為前輪側(cè)偏角；^為后輪側(cè)偏角；a。為汽車重心位置側(cè)偏角。汽車轉(zhuǎn)向時，除 在極低速時，一般情況下車輪平面與汽車行進(jìn)速度方向并不一致，兩者之間的角度值即為 側(cè)偏角a。在汽車轉(zhuǎn)彎時，由于離心力的作用，垂直于車輪平面的車輪中心上有側(cè)向力，相 應(yīng)地在地面上產(chǎn)生的反作用力就是側(cè)偏力。由于車輪側(cè)向產(chǎn)生彈性變形，變形車輪的滾動 方向與車輪平面方向并不一致，側(cè)偏力又分解為與車輪行進(jìn)方向平行的滾動阻力和與行進(jìn) 方向垂直的轉(zhuǎn)彎力。在地面附著極限內(nèi)，轉(zhuǎn)彎時路面反作用力的大小與方向隨著側(cè)偏角的 大小發(fā)生變化，因而汽車的轉(zhuǎn)向直徑也隨之變化。 通常車輪轉(zhuǎn)向時，路面對各車輪轉(zhuǎn)彎時的反作用合力與汽車圓周運(yùn)動的離心力相 平衡。 一旦正在轉(zhuǎn)彎的汽車速度提高，離心力就隨之增加，質(zhì)心位置的側(cè)偏角必然增大而隨 之出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向(如附圖lb所示)。此時若要保證前輪按原轉(zhuǎn)彎半徑運(yùn)動，與低車速時相 比，前輪必須向內(nèi)側(cè)多轉(zhuǎn)過一定角度。換言之，汽車以相同轉(zhuǎn)彎半徑運(yùn)動時，隨著車速的增 加，對于二輪轉(zhuǎn)向(2WS)系統(tǒng)駕駛員就需相應(yīng)增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，或者使后車軸產(chǎn)生一個向 外則運(yùn)動的力，以增加轉(zhuǎn)彎時路面的反作用力，使其與離心力平衡。為了使汽車重心位置的 側(cè)偏角度a。(汽車重心的速度方向與汽車縱向軸線之間的角度)為零，若能讓后輪也向轉(zhuǎn) 彎內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，則就可使具有側(cè)偏角的后輪行進(jìn)方向也與轉(zhuǎn)向圓一致。亦就是在高 速行駛轉(zhuǎn)彎時，要求后輪應(yīng)具有與前輪同向的轉(zhuǎn)向角度，即可減小車身的橫擺角速度和側(cè) 傾角，避免汽車發(fā)生側(cè)滑、傾翻現(xiàn)象，以確保高速轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性。 四輪轉(zhuǎn)向(4WS)系統(tǒng)是現(xiàn)代轎車采用的一項提高汽車操縱穩(wěn)定性、操縱輕便性和
機(jī)動性的關(guān)鍵技術(shù)措施，它與常規(guī)的前兩輪轉(zhuǎn)向(2WS)系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點 (1)改善高速轉(zhuǎn)向或在側(cè)向風(fēng)力作用時的行駛穩(wěn)定性。在中高速行駛時采用前、后
輪同方向轉(zhuǎn)向的同相控制模式，有助于減小車輛側(cè)滑或扭擺，對平衡車輛在超車、變道、或
躲避不平路面時的反應(yīng)均具有幫助，也提高了車輛直線行駛的操縱穩(wěn)定性。隨著高速、高架
公路的出現(xiàn)以及現(xiàn)代轎車高速行駛的發(fā)展，高檔轎車采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成一種趨勢。
(2)減小低速轉(zhuǎn)彎半徑，改善其操縱輕便性和提高機(jī)動性。在低速行駛時采用前、
后輪反方向轉(zhuǎn)向的逆相控制模式，可使車輛轉(zhuǎn)彎半徑大大減小，參考后述附圖2所示分析，
4WS的轉(zhuǎn)彎半徑最多可比2WS減小一半，這對低速選位停車，窄道轉(zhuǎn)向行駛都將帶來極大的方便。 (3)提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)的快速性，全面改善車輛的轉(zhuǎn)向性能。不僅使車輛在高速行駛或 濕滑路面上的轉(zhuǎn)向性能穩(wěn)定，且對轉(zhuǎn)向輸入的響應(yīng)更迅速而準(zhǔn)確。
而對于四輪驅(qū)動來說又有如下優(yōu)點 (1)根據(jù)車輛動力學(xué)分析只有四輪驅(qū)動才能充分利用車重產(chǎn)生的地面附著力，以 此提高汽車行駛的穩(wěn)定性，以及車輛越野通過性。隨著汽車材料技術(shù)的發(fā)展，采用輕型材料 來減輕車載自重，減小能耗，提高功效；并隨著汽車高速行駛技術(shù)發(fā)展，對提高汽車行駛穩(wěn) 定性等性能指標(biāo)將提出更高要求。因此如何充分提高汽車對地面的附著力將會顯得越來越重要。 (2)由于電動汽車采用輪轂電機(jī)具有傳輸效率最高、響應(yīng)直接而最快，使得多種汽 車性能優(yōu)化控制易于實現(xiàn)；并且采用輪轂電機(jī)不僅節(jié)省了大量的機(jī)械部件成本，減輕汽車 自重，還能騰出許多有效空間便于汽車結(jié)構(gòu)布局，有利于降低汽車質(zhì)心與車身高度；又由于 只有驅(qū)動輪才能實現(xiàn)制動能量的回收，采用四輪轂電機(jī)驅(qū)動可提高對動能能量的回收。但 由于輪轂電機(jī)受其結(jié)構(gòu)體積限制，按現(xiàn)有技術(shù)批量生產(chǎn)較大功率輪轂電機(jī)還有一定難度。 而采用四輪驅(qū)動即可實現(xiàn)小馬拉大車，通過四輪轂電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動即可提高汽車的總驅(qū)動 力。 綜上所述汽車采用四輪驅(qū)動結(jié)合四輪轉(zhuǎn)向的方式具有諸多優(yōu)點，特別是對于電動 汽車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動來說，與傳統(tǒng)汽車相比使汽車實現(xiàn)四輪驅(qū)動方式變得很容易。而采 用剛提出中國專利申請的技術(shù)"基于直線電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)"又將使實現(xiàn) 四輪轉(zhuǎn)向控制也變得很容易。而現(xiàn)有汽車僅采用四輪驅(qū)動或四輪轉(zhuǎn)向的單一方式其結(jié)構(gòu)都 相當(dāng)復(fù)雜，而由兩者相結(jié)合的方式至今還沒有，更沒有同時采用電子差速轉(zhuǎn)向控制等多項 技術(shù)相組合的實施方案。又由于電動汽車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動，其轉(zhuǎn)向必須通過電子差速轉(zhuǎn) 向控制來實現(xiàn)，而輪轂電機(jī)的應(yīng)用又將使電子差速轉(zhuǎn)向控制變得更容易。在此需說明的是 四輪驅(qū)動采用常規(guī)二輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制技術(shù)已有報道。但隨著汽車控制技術(shù)發(fā)展 及其性能要求的提高，特別是電動汽車采用輪轂電機(jī)技術(shù)的成熟，電動汽車用四輪轂電機(jī) 驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)技術(shù)也將被要求得以解決。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述汽車采用四輪驅(qū)動與四輪轉(zhuǎn)向相組合方式的諸多優(yōu)點，以及現(xiàn)有汽車實 施四輪驅(qū)動或四輪轉(zhuǎn)向方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等缺陷。本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡化、占用體積小、 成本低、性能優(yōu)化的電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 —種電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，首先定 義nf。為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nfi為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，n 為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn) 速，r^為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速；再定義af為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，Pf為前內(nèi)側(cè) 轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，ar為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，Pr為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn) 角；設(shè)定nf。為參考標(biāo)定轉(zhuǎn)速，nf。為加速踏板的車速指令，所述車速指令由所采集的車速信
號確定，CIf、 |3f、 dp Pr由采集相應(yīng)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角信號確定；而其它三只車輪所要求的
目標(biāo)轉(zhuǎn)速nfi、 nra、 rid與標(biāo)定轉(zhuǎn)速nf。的差速計算公式分別為
sin ay cos a f sin a ^=;;^"",0 ， 。=——^w/o ， '="~"^"/o
sm p, cos ar J ， cos 差速計算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號和控制模式，按前述相應(yīng)的差速計算公式計算出對各車輪轉(zhuǎn)速的要求值，輸入到各車輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動控制器中作為其 速度指令值。 進(jìn)一步，所述控制策略的方式為在汽車低速時采用四輪轉(zhuǎn)向逆相控制模式，在汽 車高速時采用四輪轉(zhuǎn)向同相控制模式。 再進(jìn)一步，其后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用"基于直線電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)"技 術(shù)，轉(zhuǎn)向盤下端連接轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器 與電子控制器連接，根據(jù)汽車右轉(zhuǎn)彎時，后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為左轉(zhuǎn)向輪，后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪 為右轉(zhuǎn)向輪，所述左轉(zhuǎn)向輪連接左轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述左轉(zhuǎn)向節(jié)臂與左橫拉桿鉸接，所述右轉(zhuǎn)向 輪連接右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述右轉(zhuǎn)向節(jié)臂與右橫拉桿鉸接，所述電子控制器連接電動機(jī)驅(qū)動器， 所述電動機(jī)驅(qū)動器連接直線電動機(jī)，所述直線電動機(jī)包括定件和動件，所述動件可往復(fù)平 移地貫穿于所述定件的中空空腔，所述定件上繞有電磁繞組，所述動件的左端與所述左橫 拉桿連接，所述動件的右端與所述右橫拉桿連接，所述動件上安裝轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器，所 述轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器與所述電子控制器連接。
或者是轉(zhuǎn)向盤下端連接轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，所述轉(zhuǎn)向
盤轉(zhuǎn)角傳感器與電子控制器連接，根據(jù)汽車左轉(zhuǎn)彎時，后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為右轉(zhuǎn)向輪，后內(nèi)
側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為左轉(zhuǎn)向輪，所述左轉(zhuǎn)向輪連接左轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述左轉(zhuǎn)向節(jié)臂與左橫拉桿鉸
接，所述右轉(zhuǎn)向輪連接右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述右轉(zhuǎn)向節(jié)臂與右橫拉桿鉸接，所述電子控制器連接
電動機(jī)驅(qū)動器，所述電動機(jī)驅(qū)動器連接直線電動機(jī)，所述直線電動機(jī)包括定件和動件，所述
動件可往復(fù)平移地貫穿于所述定件的中空空腔，所述定件上繞有電磁繞組，所述動件的左
端與所述左橫拉桿連接，所述動件的右端與所述右橫拉桿連接，所述動件上安裝轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)
向角傳感器，所述轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器與所述電子控制器連接。
本發(fā)明的有益效果為結(jié)構(gòu)簡化、占用體積小、成本低、性能優(yōu)化。
圖1是汽車轉(zhuǎn)彎時所產(chǎn)生側(cè)偏角的關(guān)系示意圖； 圖2是四輪驅(qū)動與四輪轉(zhuǎn)向相結(jié)合的逆相控制差速計算原理圖； 圖3是四輪驅(qū)動與四輪轉(zhuǎn)向相結(jié)合的同相控制差速計算原理圖； 圖4是控制策略為轉(zhuǎn)角比_車速控制型所采用的前后輪轉(zhuǎn)角比與其車速的控制關(guān)
系曲線圖； 圖5是電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)實施 的結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖6是由直流電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖7是由直流電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向助力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖8是三相直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步具體說明。 參照圖1 圖8，一種電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向 控制系統(tǒng)，首先定義nf。為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，rifi為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nr。為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nH為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速；再定義a f為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn) 角，Pf為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，ar為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，Pr為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn) 向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角；設(shè)定nf。為參考標(biāo)定轉(zhuǎn)速，nf。為加速踏板的車速指令，所述車速指令由 所采集的車速信號確定，af、 Pf、 a。 Pr由采集相應(yīng)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角信號確定；而其它三 只車輪所要求的目標(biāo)轉(zhuǎn)速nfi、 nra、 與標(biāo)定轉(zhuǎn)速nf。的差速計算公式分別為 sin a, cos a, sin a ^ 差速計算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號和控制模式，按前述相應(yīng)的差 速計算公式計算出對各車輪轉(zhuǎn)速的要求值，輸入到各車輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動控制器中作為其 速度指令值。 進(jìn)一步，所述控制策略的方式為在汽車低速時采用四輪轉(zhuǎn)向逆相控制模式，在汽 車高速時采用四輪轉(zhuǎn)向同相控制模式。 再進(jìn)一步，其后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用"基于直線電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)"技 術(shù)，轉(zhuǎn)向盤下端連接轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器 與電子控制器連接，根據(jù)汽車右轉(zhuǎn)彎時，后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為左轉(zhuǎn)向輪，后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪 為右轉(zhuǎn)向輪，所述左轉(zhuǎn)向輪連接左轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述左轉(zhuǎn)向節(jié)臂與左橫拉桿鉸接，所述右轉(zhuǎn)向 輪連接右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述右轉(zhuǎn)向節(jié)臂與右橫拉桿鉸接，所述電子控制器連接電動機(jī)驅(qū)動器， 所述電動機(jī)驅(qū)動器連接直線電動機(jī)，所述直線電動機(jī)包括定件和動件，所述動件可往復(fù)平 移地貫穿于所述定件的中空空腔，所述定件上繞有電磁繞組，所述動件的左端與所述左橫 拉桿連接，所述動件的右端與所述右橫拉桿連接，所述動件上安裝轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器，所 述轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器與所述電子控制器連接。 或者是轉(zhuǎn)向盤下端連接轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，所述轉(zhuǎn)向 盤轉(zhuǎn)角傳感器與電子控制器連接，根據(jù)汽車左轉(zhuǎn)彎時，后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為右轉(zhuǎn)向輪，后內(nèi) 側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為左轉(zhuǎn)向輪，所述左轉(zhuǎn)向輪連接左轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述左轉(zhuǎn)向節(jié)臂與左橫拉桿鉸 接，所述右轉(zhuǎn)向輪連接右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述右轉(zhuǎn)向節(jié)臂與右橫拉桿鉸接，所述電子控制器連接 電動機(jī)驅(qū)動器，所述電動機(jī)驅(qū)動器連接直線電動機(jī)，所述直線電動機(jī)包括定件和動件，所述 動件可往復(fù)平移地貫穿于所述定件的中空空腔，所述定件上繞有電磁繞組，所述動件的左 端與所述左橫拉桿連接，所述動件的右端與所述右橫拉桿連接，所述動件上安裝轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn) 向角傳感器，所述轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器與所述電子控制器連接。 要實現(xiàn)電子差速轉(zhuǎn)向控制關(guān)鍵是需推導(dǎo)出各車輪轉(zhuǎn)速之間的差速計算公式，現(xiàn)參 考附圖2、3的逆、同相控制差速計算原理圖來說明其差速計算公式。首先定義L為汽車軸 距，B為汽車輪距，nf。為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nfi為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nr。為后外側(cè) 轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，r^為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速；再定義af為前外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，|3f
為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，Qr為后外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，Pr為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角；1 為轉(zhuǎn)彎圓心o到前車輪軸心的車身縱向距離，r為轉(zhuǎn)彎圓心o到內(nèi)側(cè)車輪中心的車身橫向距 離。為確保汽車轉(zhuǎn)彎時各車輪只有滾動無滑動，要求四個車輪均繞同一個圓心o轉(zhuǎn)動，即每
個車輪的軸線交于同一點，各車輪轉(zhuǎn)彎的圓弧半徑分別為Rf。、Rfi、Rr。、Rri。根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速應(yīng)
與其轉(zhuǎn)彎的圓弧半徑成正比關(guān)系，即有rifi/nf。 = Rfi/Rf。，nr。/nf。 = Rr。/Rf。， nri/nfi = Rri/Rfi， 設(shè)定nf。為參考標(biāo)定轉(zhuǎn)速，nf。等同于加速踏板的車速指令，由所采集的車速信號確定，a f、P f、 a 。 P r由采集相應(yīng)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角信號確定。而其它三只車輪所要求的目標(biāo)轉(zhuǎn)速nfi、 nr。、nri需分別根據(jù)附圖2、3所示的幾何關(guān)系，并利用三角函數(shù)及比例法等數(shù)學(xué)工具來推導(dǎo)， 經(jīng)分析推導(dǎo)其結(jié)果發(fā)現(xiàn)同相控制與逆相控制兩種模式的差速計算公式完全相同，為清楚說 明在此也寫出其中間推導(dǎo)過程，其目標(biāo)轉(zhuǎn)速nfi、nr。、nri與標(biāo)定轉(zhuǎn)速nf。的差速計算公式分別 為 從推導(dǎo)過程中還可發(fā)現(xiàn)同、逆相控制模式中的兩個重要特征 (1)參考附圖2所示，在四輪轉(zhuǎn)向逆相控制模式中當(dāng)前后輪轉(zhuǎn)向角相等(af = ar， Pf = 13》時，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4WS的轉(zhuǎn)彎半徑為最小，并且它與常規(guī)的前二輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 2WS相比，在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角相同的前提下，其轉(zhuǎn)彎半徑可減小一半，這將為窄道轉(zhuǎn)彎等提供 極大方便。這些利用比例作圖法均可證明，其最小轉(zhuǎn)彎半徑時的圓心點如附圖2中的黑點 所示，此時1 = L/2，并且前后輪的轉(zhuǎn)彎圓弧軌跡重合，即前后圓弧半徑相等(Rf。 = R 、 Rfi =Rri) ° (2)在四輪轉(zhuǎn)向同相控制模式中按附圖3所示分析，假若使前后輪轉(zhuǎn)向角相同 (af=、也！3f二 P》，其四車輪中心到圓心點o的直線變?yōu)橄嗷テ叫?，即圓心點o將為 無限遠(yuǎn)，其轉(zhuǎn)彎半徑變?yōu)闊o窮大，即圓弧軌跡變?yōu)橐恢本€。所以在實際應(yīng)用中對四輪轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)4WS的同相控制模式的后輪偏轉(zhuǎn)角有一限定值，一般不大于5° 。 對四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)進(jìn)行控制時還需確定其控制策略，即根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向要求及 其特征確定何時應(yīng)采用逆相控制模式，何時又需采用同相控制模式，并確定后輪轉(zhuǎn)向角與 前輪轉(zhuǎn)向角間的比例關(guān)系?，F(xiàn)已報道的四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)控制策略主要有轉(zhuǎn)角比_車速控 制型、比例于橫擺角速度的后輪轉(zhuǎn)向控制型、質(zhì)心側(cè)偏角為零的后輪轉(zhuǎn)向控制型等，它們是 指控制前后車輪的相對轉(zhuǎn)向及其轉(zhuǎn)角比分別按車速、車身橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角等穩(wěn)定 性因素要求以一定控制算法而變化的一種控制規(guī)律，其控制策略不同所需采用的傳感器及 其技術(shù)要求也不同。為簡單清楚說明起見，在此以目前用得較多也為較簡單的轉(zhuǎn)角比-車 速控制型為例說明如下。 如附圖4所示為轉(zhuǎn)角比_車速控制型所采用的前后輪轉(zhuǎn)角比與其車速的控制關(guān)系 曲線圖。它首先劃定一個同、逆相控制的界限，一般定為車速35km/h，也就是說在車速低于 35km/h時采用逆相控制模式，當(dāng)車速高于35km/h時采用同相控制模式。根據(jù)上述同、逆相 控制模式的兩個重要特征中已表明同相控制時其轉(zhuǎn)角比還不能較大， 一般限定后輪同相轉(zhuǎn) 向角不大于5。。所以對于通常汽車前輪轉(zhuǎn)角最大值定為內(nèi)側(cè)39° 55' ±2° ，外側(cè)為 35° 00' ±2°時，其同相轉(zhuǎn)角比定為不大于l/8。而對于逆相轉(zhuǎn)角比為減小其低速轉(zhuǎn)彎半 徑可適當(dāng)放大些，但對于現(xiàn)已有的電控液壓式或電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于受其結(jié)構(gòu)限 制，其后輪轉(zhuǎn)向角還較難以做大。而采用剛提出中國專利申請名稱為"基于直線電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向力的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)"的技術(shù)就不會受其限制。 如附圖5所示為電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制 系統(tǒng)實施的結(jié)構(gòu)原理框圖。電子差速轉(zhuǎn)向控制主要是在其相應(yīng)的微機(jī)控制系統(tǒng)ECU中增加 一套差速計算程序，并與相應(yīng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)配合，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號、車速 信號及控制模式，按前述相應(yīng)的差速計算公式計算出對各車輪轉(zhuǎn)速的要求值，輸入到各車 輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動控制器中作為其速度指令值。按控制精度要求可以是開環(huán)或閉環(huán)。對于 精度要求低的開環(huán)系統(tǒng)，幾乎不需要增加硬件成本。而對于閉環(huán)系統(tǒng)有些傳感器也可與輪 轂電機(jī)控制器及相應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳感器兼用。方向盤的轉(zhuǎn)角信號、加速踏板及制動踏板的 加減速信號、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號以及各車輪輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)角信號輸入微機(jī)控 制ECU系統(tǒng)。輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子(對于磁阻電機(jī)和永磁無刷電機(jī)本身就具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置傳感 器)的轉(zhuǎn)角位置信號通過對時間t的微分，即可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，再按輪胎直徑就可獲 得各車輪的線速度。根據(jù)上述各信號，ECU系統(tǒng)就可按既定的控制策略和差速計算公式由 微機(jī)內(nèi)的差速運(yùn)算器計算并確定對各車輪速度的要求值nf。、rifi、nr。、nri，作為對各車輪輪轂 電機(jī)的速度指令，送入相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動控制器進(jìn)行調(diào)速控制。 參照圖6和圖8，該結(jié)構(gòu)大大簡化了轉(zhuǎn)向系的機(jī)構(gòu)，去掉轉(zhuǎn)向盤至橫拉桿中間的一 切傳動鏈，包括齒輪輸入軸及齒輪齒條付。轉(zhuǎn)向盤經(jīng)轉(zhuǎn)向軸安裝有轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角傳感器，并 適當(dāng)增加其轉(zhuǎn)動阻尼，獨立安置于駕駛室內(nèi)，如圖6所示。由直線步進(jìn)電動機(jī)的動件兩端直 接與左右橫拉桿相連，電子控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角信號及車速信號，來控制直線步進(jìn) 電動機(jī)動件進(jìn)行左右位移，經(jīng)橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳動，進(jìn)而控制車輪轉(zhuǎn)向。在確保系統(tǒng)可靠 性的前提下，該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)更簡單、所占體積更小、成本低、控制更直接、響應(yīng)速度更 快。但一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，汽車就沒法轉(zhuǎn)向了。而用在汽車四輪轉(zhuǎn)向4WS系統(tǒng)的后輪轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)中卻是優(yōu)選的方案。 參照圖7和圖8 ，參照附圖7再來說明該電子控制直線步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力的 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作過程。所述轉(zhuǎn)向盤11通過轉(zhuǎn)向軸14與齒輪輸入軸15連接， 所述轉(zhuǎn)向軸14上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器13，所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器13與電子控制器3連 接，即轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器13信號輸入電子控制器3內(nèi)，所述齒輪輸入軸15下端與齒輪齒條 付的小齒輪16的中心軸連接，所述齒輪齒條付的齒條17與直線步進(jìn)電動機(jī)的動件2固定 連接或者呈一體，兩頭端部又分別與左、右橫拉桿5、6—端連接，所述左、右橫拉桿的另一 端分別與左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂7、8的一端鉸接，所述左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂的另一端分別與左、右轉(zhuǎn)向 輪9、 10連接，所述電子控制器3連接電動機(jī)驅(qū)動器4，所述電動機(jī)驅(qū)動器4輸出控制直線步 進(jìn)電動機(jī)的定件1繞組。所述齒輪齒條付的齒條上安裝轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器12，所述轉(zhuǎn)向 輪轉(zhuǎn)向角傳感器12與所述電子控制器3連接，車速傳感器與所述電子控制器3連接。轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的工作過程如下 駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向盤11經(jīng)轉(zhuǎn)向軸14、齒輪輸入軸15帶動齒輪齒條付的小 齒輪16，小齒輪16與齒條形17嚙合，由齒條形17帶動左、右橫拉桿，左、右橫拉桿分別帶動 左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂再帶動左、右轉(zhuǎn)向輪，由于左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂成相應(yīng)梯形角度， 使得內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角不等，并符合相應(yīng)的要求，這些與常規(guī)轉(zhuǎn)向系的工作過程都一 致。而轉(zhuǎn)向助力是由電子控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器以及轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳 感器的信號，按前述控制策略經(jīng)分析判斷輸出控制信號至電動機(jī)驅(qū)動器，控制直線步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動量)控制直線步進(jìn)電動機(jī)位移量；利 用轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，精確控制其位移量；根據(jù)車速進(jìn)行相應(yīng)的助力， 按轉(zhuǎn)向助力控制策略要求，即在低速時給予較大助力，隨車速提高而減小助力，車速高到一 定范圍時停止助力，而當(dāng)車速很高時又利用其自鎖力來適當(dāng)增加其轉(zhuǎn)向系阻尼。
權(quán)利要求
一種電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，首先定義nfo為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nfi為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nro為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nri為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速；再定義αf為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，βf為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，αr為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角，βr為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪的偏轉(zhuǎn)角；其特征在于設(shè)定nfo為參考標(biāo)定轉(zhuǎn)速，nfo為加速踏板的車速指令，所述車速指令由所采集的車速信號確定，αf、βf、αr、βr由采集相應(yīng)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角信號確定；而其它三只車輪所要求的目標(biāo)轉(zhuǎn)速nfi、nro、nri與標(biāo)定轉(zhuǎn)速nfo的差速計算公式分別為 <mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>fi</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><msub> <mi>α</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><msub> <mi>β</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>n</mi> <mi>fo</mi></msub><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>ro</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>cos</mi><msub> <mi>α</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow> <mrow><mi>cos</mi><msub> <mi>β</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>n</mi> <mi>fo</mi></msub><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>ri</mi></msub><mo>=</mo><mi>ctg</mi><msub> <mi>β</mi> <mi>f</mi></msub><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><msub> <mi>α</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow> <mrow><mi>cos</mi><msub> <mi>β</mi> <mi>r</mi></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>n</mi> <mi>fo</mi></msub> </mrow>差速計算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號和控制模式，按前述相應(yīng)的差速計算公式計算出對各車輪轉(zhuǎn)速的要求值，輸入到各車輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動控制器中作為其速度指令值。
2. 如權(quán)利要求1所述的電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制策略的方式為在汽車低速時采用四輪轉(zhuǎn)向逆相控制模式， 在汽車高速時采用四輪轉(zhuǎn)向同相控制模式。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向 控制系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)向盤下端連接轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，所 述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器與電子控制器連接，根據(jù)汽車右轉(zhuǎn)彎時，后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為左轉(zhuǎn)向 輪，后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為右轉(zhuǎn)向輪，所述左轉(zhuǎn)向輪連接左轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述左轉(zhuǎn)向節(jié)臂與左橫 拉桿鉸接，所述右轉(zhuǎn)向輪連接右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述右轉(zhuǎn)向節(jié)臂與右橫拉桿鉸接，所述電子控制 器連接電動機(jī)驅(qū)動器，所述電動機(jī)驅(qū)動器連接直線電動機(jī)，所述直線電動機(jī)包括定件和動 件，所述動件可往復(fù)平移地貫穿于所述定件的中空空腔，所述定件上繞有電磁繞組，所述動 件的左端與所述左橫拉桿連接，所述動件的右端與所述右橫拉桿連接，所述動件上安裝轉(zhuǎn) 向輪轉(zhuǎn)向角傳感器，所述轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器與所述電子控制器連接。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向 控制系統(tǒng)，其特征在于轉(zhuǎn)向盤下端連接轉(zhuǎn)向軸，所述轉(zhuǎn)向軸上安裝轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器，所 述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器與電子控制器連接，根據(jù)汽車左轉(zhuǎn)彎時，后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為右轉(zhuǎn)向 輪，后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪為左轉(zhuǎn)向輪，所述左轉(zhuǎn)向輪連接左轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述左轉(zhuǎn)向節(jié)臂與左橫 拉桿鉸接，所述右轉(zhuǎn)向輪連接右轉(zhuǎn)向節(jié)臂，所述右轉(zhuǎn)向節(jié)臂與右橫拉桿鉸接，所述電子控制 器連接電動機(jī)驅(qū)動器，所述電動機(jī)驅(qū)動器連接直線電動機(jī)，所述直線電動機(jī)包括定件和動 件，所述動件可往復(fù)平移地貫穿于所述定件的中空空腔，所述定件上繞有電磁繞組，所述動 件的左端與所述左橫拉桿連接，所述動件的右端與所述右橫拉桿連接，所述動件上安裝轉(zhuǎn) 向輪轉(zhuǎn)向角傳感器，所述轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器與所述電子控制器連接。
全文摘要
一種電動汽車用四輪轂電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，首先定義L為汽車軸距，B為汽車輪距，nfo為前外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nfi為前內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nro為后外側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，nri為后內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，各車輪轉(zhuǎn)彎的圓弧半徑分別為Rfo、Rfi、Rro、Rri；設(shè)定nfo為參考標(biāo)定轉(zhuǎn)速，nfo為加速踏板的車速指令；l為轉(zhuǎn)彎圓心o到前車輪軸心的車身縱向距離，r為轉(zhuǎn)彎圓心o到內(nèi)側(cè)車輪中心的車身橫向距離，根據(jù)各車輪的偏轉(zhuǎn)角信號和控制模式，按差速計算公式計算出對各車輪轉(zhuǎn)速的要求值，輸入到各車輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動控制器中作為其速度指令值。本發(fā)明簡化傳動機(jī)構(gòu)、占用體積小、避免產(chǎn)生振動和噪聲。
文檔編號B62D7/14GK101716952SQ20091015293
公開日2010年6月2日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者王貴明, 王金懿 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)