控制协同的车轮电机的方法和设备.pdf

描述了一种方法和系统，其对于装备有单独的车轮电机、转向系统和横摆角检测的车辆提供了协同的转矩控制和转速控制，以便基于操作者输入和车辆操作对于车辆达到期望的横摆力矩。这包括基于指令的转向角和检测的横摆角速度确定指令的转向角和横摆角速度误差。计算期望的车轮电机横摆力矩。基于所期望的车轮电机横摆力矩为内和外电动车轮计算第一和第二转矩。基于指令的转向角为内和外电动车轮计算第一和第二理想轮转速。基于横摆角速度误差、第一和第二转矩、以及第一和第二理想轮转速计算在每个内电动车轮和每个外电动车轮处的转矩和转速。

1.  控制装备有转向系统、横摆角检测和多个单独的车轮电机的车辆的方法，所述方法包括：
确定指令的转向角；
基于所述指令的转向角识别至少一个内电动车轮和至少一个外电动车轮；
确定横摆角速度误差；
计算期望的车轮电机横摆力矩；
为每个内电动车轮计算第一转矩且为每个外电动车轮计算第二转矩；
为每个内电动车轮计算第一理想轮转速且为每个外车轮计算第二理想轮转速；并且
基于横摆角速度误差、第一和第二转矩、以及第一和第二理想轮转速，计算每个内电动车轮和每个外电动车轮的转矩和转速。

2.  根据权利要求1的方法，还包括：当所确定的横摆角速度误差小于阈值时，基于横摆角速度误差以及第一和第二理想轮转速来控制每个内电动车轮和每个外电动车轮的转速。

3.  根据权利要求1的方法，其中计算期望车轮电机横摆力矩包括：
确定在推进转矩限制和再生制动限制之间每个单独车轮电机的转矩控制的线性范围；并且
基于每个单独车轮电机的转矩控制的线性范围来确定期望的车轮电机横摆力矩。

4.  根据权利要求3的方法，其中为每个内电动车轮计算第一转矩并且为每个外电动车轮计算第二转矩还包括：
确定每个车轮电机处于包括电动模式、再生制动模式、和自由轮转模式之一的操作模式中；
确定车辆转向不足的大小和方向；并且
基于所述车辆转向不足的大小和方向以及所确定的操作模式来计算第一转矩的大小和第二转矩的大小。

5.  根据权利要求4的方法，其中为每个内电动车轮计算第一理想轮转速并且为每个外电动车轮计算第二理想轮转速：
基于指令的转向角来确定理想的车辆转弯半径；并且
基于所述理想的车辆转弯半径来计算内和外轮转速的理想比例。

6.  根据权利要求1的方法，其中基于横摆角速度误差、第一和第二转矩、以及第一和第二理想轮转速来控制每个内电动车轮和每个外电动车轮的转矩和转速，包括：
基于横摆角速度误差来相对于达到理想轮转速所需要的第一转矩的大小按比例地平衡第一转矩的大小；并且，
基于横摆角速度误差来相对于达到理想轮转速所需要的第二转矩的大小按比例地平衡第二转矩的大小。

7.  根据权利要求1的方法，其中确定转向角和确定横摆角速度误差还包括：识别在车辆转向系统中的故障。

8.  用于控制车辆的电动车轮的系统，包括：
多个单独受控的车轮电机，包括至少一个用于内车轮的车轮电机和至少一个用于外车轮的车轮电机；
转向系统，包括方向盘、转向指令传感器、和用于转向车辆的装置；
横摆角速度检测器；和，
电子控制器：通过信号连接到转向命令传感器和横摆角速度检测器；并且可操作地连接到多个单独受控的车轮电机的每一个；所述电子控制器可操作用于：
确定指令的转向角；
识别至少一个内电动车轮和至少一个外电动车轮；
确定横摆角速度误差；
计算期望的车轮电机横摆转矩；
为每个内电动车轮计算第一转矩；
为每个外电动车轮计算第二转矩；
为每个内电动车轮计算第一理想轮转速；
为每个外车轮计算第二理想轮转速；并且，
基于横摆角速度误差、第一和第二转矩、以及第一和第二理想轮转速，控制每个内电动车轮和每个外电动车轮的转矩和转速。

控制协同的车轮电机的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及车辆底盘控制系统，并且更特别地涉及用于在车辆操作和转弯期间改善转向特性而控制车辆的电动车轮。
背景技术
车辆操作者通常期望转弯命令和车辆反应之间的可预测关系。，在装备有向驱动轮供应普通动力的传动系的车辆上的传统的机械转向系统，通常提供在车辆的方向盘和转弯轮之间的机械连接。转弯轮直接响应于操作者对方向盘的输入，通过所述机械连接而转弯，不管它们是驱动轮(例如前轮驱动)还是非驱动轮(例如后轮驱动)。另外，通常在转弯事件期间管理到每个车轮的动力，以使得车辆使用机械或液压装置完成所指令的转弯半径。
装备有单独致动的车轮电机的车辆在转向事件期间对于系统提出了难题，例如驶过曲线。成功驶过曲线的重要方面包括控制在车辆的内轮和外轮之间的相对的轮转速。这种车辆例如包括混合驱动汽车。再生制动系统、防抱死制动、和牵引控制也使得在转向事件期间控制轮转速变得复杂。
响应于转向输入而使用差动的车轮电机转速控制的系统在本领域中是已知的。然而车轮电机转速控制没有单独完全地考虑在车辆操作条件或车辆操作中的变化，例如可能与转弯事件同时发生的车辆加速。车辆操作条件通常影响车辆转弯，因为给定轮胎的侧偏刚度通常随操作参数而变化。已知影响车辆转弯的通常的操作参数包括轮胎充气压力、车辆正常负载、用于制动力的操作者要求、侧力、和暂停特性，所有这些还趋向于随着操作时间、车辆使用、和行进中车辆磨损而变化。此外，在线控转向系统中，在该系统中方向盘和车辆车轮之间没有直接的机械连接，在感测操作者输入或转弯轮的位置的能力方面上或对车轮转弯电机的反应性的任何系统变化，可影响车轮对转向输入的反应性，导致转向不足或过度转向。总之，仅有车轮电机转速控制可能不会在转向系统中提供一致或充分的反应性。
因此，所需要的是一种系统，其能够为车辆确定期望的转弯半径，并且能够为车轮电机的转矩和转速提供协同的控制。
发明内容
车辆操作者通过旋转车辆方向盘，由此指令转向角来实现转弯。通常由线控转向系统中的方向盘传感器来感测转向角。当方向盘转动表示所指令的转向半径RD的特定量，而与之偏离实际的转向半径R时，发生转向误差，还称为转向不足。车辆转向不足的量度标准是横摆角速度误差K，其以弧度每秒，或度每秒的单位量度。通常，横摆角速度误差由前轮胎和后轮胎上的静态正常负载以及轮胎的侧偏刚度所影响。当系数K大于零，即为正数时，表示车辆转向不足，意味着车辆的实际转弯半径大于指令的转弯半径。当系数K小于零，即为负数时，表示车辆过度转向，意味着车辆的实际转弯半径小于指令的转弯半径。系数K随着车辆的操作条件而变化，主要因为特定轮胎的侧偏刚度随着操作参数而变化，所述参数包括充气压力、正常负载、制动力、和侧力。因此，将有效系数K维持在某个期望的级别内，以提供稳定且一致的车辆状态是重要的。
根据本发明，描述了一种方法和系统，基于操作者输入和车辆操作来提供车轮电机的协同的转矩控制和转速控制以获得车辆所期望的横摆力矩。本发明包括一种系统和方法，用于控制装备有转向系统、横摆角检测和多个单独车轮电机的车辆，包括确定指令的转向角，和基于指令的转向角和检测的横摆角速度来确定横摆角速度误差。基于指令的转向角来识别内和外电动车轮。计算期望的车轮电机横摆角转矩。基于所计算的期望的车轮电机横摆角转矩为每个内电动车轮计算第一转矩，并且为每个外电动车轮计算第二转矩。基于指令的转向角，为每个内电动车轮计算第一理想轮转速，并且为每个外电动车轮计算第二理想轮转速。基于横摆角速度误差、第一和第二转矩、以及第一和第二理想轮转速，计算在每个内电动车轮和每个外电动车轮处的转矩和转速。
本发明的另一方面包括，仅当确定的横摆角速度误差小于阈值时，基于横摆角速度误差以及第一和第二理想轮转速，控制每个内电动车轮和每个外电动车轮的转速。
本发明的另一方面包括确定在推进转矩限制和再生制动限制之间每个单独车轮电机的转矩控制的线性范围，并且基于用于每个单独车轮电机的转矩控制的线性范围，确定期望的车轮电机横摆角转矩。
本发明的另一方面包括确定处于操作模式中的每个车轮电机，所述操作模式包括电动模式、再生制动模式、和自由轮转模式之一，接着确定车辆转向不足的大小和方向。基于车辆转向不足的大小和方向以及所确定的操作模式来确定第一转矩的大小和第二转矩的大小。
本发明的另一方面包括基于指令的转向角来确定理想的车辆转弯半径；并且基于所述理想的车辆转弯半径来计算内和外轮转速的理想比例。
在读取和理解了实施例的以下详细描述时，本发明的这些和其它方面对于本领域技术人员来说将变得明显。
附图说明
本发明可采用以某些部件和部件的布置的物理形式，将详细描述本发明的优选实施例并且其在作为本发明的一部分的附图中示出，并且其中：
图1是根据本发明的车辆系统的示意图；
图2是根据本发明的控制算法的示意图；
图3是根据本发明的控制算法的详细方面的示意图；并且，
图4是根据本发明的校准的数据曲线表示。
具体实施方式
现在参考附图，其中展现的目的仅仅是示出本发明而不是限制本发明，图1示出了根据本发明的实施例构造的示例车辆30。车辆30包括四个电动车轮，包括前转向轮32、34和后轮40、42，每一个车轮具有驱动这四个车轮的电机52、58、78和80之一，并且电子控制器45控制驱动系52、58、78和80。电动车轮52、58、78和80的每一个优选地包括已知的电子电机设备，可操作用于将电能转换为转动的转矩，以引起车辆的线性运动，并且还操作用于通过经由一般称为再生制动的技术将车辆的线性动量转换为转动的制动转矩来生成电能。由控制器45响应于传感器50、60、70和76所感测并且通过线路62、64、66和68馈送到控制器45的信号来确定单独的轮转速和车辆速度的测量。
示例车辆30包括线控转向系统(未示出)，包括方向盘角度位置传感器、转向致动系统和多个角度位置传感器。传感器通过信号连接到控制器，并且转向致动系统可操作地连接到控制器45。每个角度位置传感器可操作用于测量用于转向的车辆车轮之一的转向角，在本实施例中为车辆的前轮。方向盘角度位置传感器可操作用于测量操作者输入，该输入包括指令的方向盘角度。对于未详细描述的典型线控转向系统的机械化和控制存在其它的方面，但是对本领域技术人员来说是它们已知的。车辆30包括横摆角速度传感系统，可操作用于基于来自横摆角速度传感器(未示出)的输入来确定车辆的横摆角速度。横摆角速度传感器对于本领域技术人员来说通常是已知的，并且优选地包括可相关于即时车辆横摆角的输出信号。
控制器45可操作用于监测来自上述传感器的输入，并且使用下文描述的控制算法来控制转向致动系统。控制器优选地包括电子设备，该电子设备具有至少一个微处理器、以RAM和各种ROM设备形式的记忆储存器、和模拟到数字信号转换器、以及输出驱动器，所有这些经由数据总线互连。控制器优选地通过信号附着到传感器并且可操作地附着到输出设备以监测和控制车辆操作。传感器优选地在其中包括方向盘角度位置传感器、横摆角速度传感器、和加速器踏板位置传感器(未示出)。通常的输出设备包括转向致动系统、节流阀/牵引控制系统、和防抱死制动系统。控制器通过收集来自传感器的输入和控制输出设备，并且使用控制器内部的控制算法和校准以及来自各种传感器的输入，来控制车辆操作。基于来自各种传感器的输入使用电子控制器以通过使用输出设备来控制车辆操作是众所周知的。开发、设计、执行和校准控制器中的多个算法的过程对本领域技术人员来说是已知的，并且在这里不详细公开。
当操作者转动车辆的方向盘时，因此指令了转弯，最接近转弯半径中心的车轮称为内车轮，并且最远离转弯半径中心的车轮称为外车轮。参考图1，具有四个电动车轮32、34、40和42的车辆30示出为具有向右转弯的前轮32、34。车轮34、42是内车轮并且车轮32、40是外车轮。在车辆向左转弯的情况下，车轮32、40是内车轮并且车轮34、42是外车轮。
现在参考图2-4，描述了一种用于控制车辆30的方法，该车辆装备有具有单独的车轮电机52、58、78、80的车轮32、34、40、42，线控转向系统和横摆角速度检测。该方法优选地通过使用预定校准阈值来作为在控制器45中执行的一个或多个软件算法来执行。通过控制器45，这些算法能够与所描述的控制策略相一致地且与其它正在进行的控制策略相协调地收集来自上述传感器的信息、执行逻辑策略、和迫使控制器控制各种输出设备，其它正在进行的控制策略是已知的且不在这里描述。优选地，控制器45有规律地将所描述的这些算法作为正在进行的车辆控制和操作的一部分来执行，通常至少每3.125毫秒一次。
再次参考图2，该方法优选地包括基于来自转向传感器的输入来确定指令的转向角A_SW(框110)。控制器可操作用于基于指令的转向角为每个转弯事件识别包括内电动车轮和外电动车轮的特定车轮(框112)，如上文所述。基于指令的转向角A_SW来计算指令的横摆角速度。确定横摆角速度误差K，其优选地包括指令的横摆角速度和车辆的横摆角速度之间的差，并且以弧度每秒的单位表示(框114)。基于横摆角速度误差K确定比例项P。比例项P是由熟练的实施人员确定的校准值，并且包括在0.0和1.0之间的比例值。参考图4示出了确定所述比例项P，其中用x轴上的横摆角速度误差K和y轴上的比例项P示出了示例校准曲线。还示出了可由熟练的实施人员校准的最小阈值系数K_THR。
将横摆角速度误差的绝对值与阈值系数K_THR相比较(框116)。当横摆角速度误差的绝对值小于阈值系数K_THR时，车辆系统仅利用速度控制算法来控制转向(框118、120)。用于计算理想速度比并且在转向不足期间控制轮转速的优选方法已在之前于美国专利号5,258,912中描述，其名称为Wheel Understeer Speed Control，由Ghoneim等人发表，将其合并在此作为参考，并且在这里不详细描述。用于计算理想速度比并且在转向不足期间控制轮转速的示例方法的优选输出包括理想的内和外轮转速WS_I、WS₀(弧度/秒)。当横摆角速度误差的绝对值大于阈值系数K_THR时，车辆系统利用前述的速度控制算法和转矩控制算法来控制转向，将在下文描述(框122、124、126、128)。
与转矩控制算法相协同地利用速度控制算法的转向控制优选地包括首先计算期望的电动车轮横摆力矩WM(框122)。这优选地包括确定车辆的期望向前推进力，考虑包括加速器踏板位置、巡航控制设置、和制动踏板位置的操作者输入。首先通过本领域技术人员已知的控制算法基于横摆角速度误差来计算总的期望横摆力矩。计算总的期望横摆力矩中作为从车轮电机所指令的期望横摆力矩WM的那一部分，包括确定在推进转矩限制和再生制动限制之间每个单独的车轮电机的转矩控制的线性范围。每个单独的车轮电机的转矩控制的线性范围通常是电动车轮的已知性能特征，并且包括基于车轮电机的大小和类型以及其它因素来确定推进转矩限制和再生制动限制，所述其它因素主要涉及摩擦和惯性损耗、能量转换效率、能量存储能力、和各种环境因素等。转矩控制的线性范围优选地在车辆设计和开发期间确定，并且通常用作为到控制器45的可校准输入。车轮电机转矩控制的线性范围的重要特征是控制器不能在操作的线性范围外部实现车轮电机的转矩控制。因此，当超过了线性范围时，用于控制车轮电机转矩的算法可能不能如预期的那样起作用。确定车辆的期望向前推动力通常是已知的并且不对其详细描述。
当计算期望的电动车轮横摆角力矩WM(框122)，并且确定其位于每个车轮电机的转矩控制的线性范围之内时，接着基于电机的转矩控制的线性范围、每个轮胎和车轮的半径、和其它已知因素，对每个单独的车轮电机计算期望的车轮电机转矩。接着计算内和外车轮电机转矩T_WM_I、T_WM₀(框126)。基于指令的转向角，为每个内电动车轮和外电动车轮，分别计算第一和第二理想轮转速WS_I和WS₀(框124)。这包括基于指令的转向角来确定理想的车辆转弯半径；并且基于所述理想的车辆转弯半径来计算内和外轮转速的理想比例。用于计算理想速度比和在转向不足期间控制轮转速的优选方法已在之前于美国专利号5,258,912中描述，其名称为Wheel Understeer Speed Control，由Ghoneim等人发表，将其合并在此作为参考，并且在这里不详细描述。用于计算理想速度比并且在转向不足期间控制轮转速的示例方法的优选输出包括理想的内和外轮转速WS_I、WS₀，以弧度/秒的单位表示。反馈控制器分别计算达到理想的内和外轮转速所需的转矩T_WS_I和T_WS₀。
现在参考图3，涉及图2的框126，详细描述了计算内和外车轮电机转矩T_WS_I、T_WS₀。车轮电机转矩的计算包括为每个内电动车轮计算的第一转矩，在本实施例中包括车轮34、42，和为每个外电动车轮计算的第二转矩，在本实施例中包括车轮32、40。基于所计算的期望车轮电机转矩T_WM来计算每个转矩。这包括计算转矩偏移量，该转矩偏移量用于偏移到内和外车轮的期望车轮电机转矩。到内车轮的转矩优选地包括总期望车轮电机转矩T_WM的一半减去转矩偏移量Delta_T_moment_minus。对外车轮的转矩优选地包括总期望车轮电机转矩的一半加上转矩偏移量Delta_T_moment_plus(框130)。
再次参考图3，确定车辆是处于转向不足事件中还是过度转向事件中，即横摆角速度误差或系数K是正数还是负数(框132)。确定K的大小。将每个车轮电机的操作模式识别为电动模式、再生制动模式、和自由轮转模式之一(框134)。基于K的大小和方向以及所确定的操作模式，计算内电动车轮和外电动车轮的车轮电机转矩T_WM_I和T_WM₀。这在图3的框136、138、140、和142中详细示出。
再次参考图2，基于横摆角速度误差、第一和第二转矩、以及第一和第二理想轮转速，控制每个内电动车轮和每个外电动车轮的电机转矩和转速(框128)。这包括基于期望的车轮电机转矩，相对于控制到理想轮转速(以牛顿米的单位表示)所需的第一转矩的大小，通过按比例地平衡第一转矩的大小(以牛顿米的单位表示)，来控制输出到内车轮的转矩T_WI，并且基于期望的车轮电机转矩，相对于控制到理想轮转速所需的第二转矩的大小，通过按比例地平衡第二转矩的大小，来控制输出到外车轮的转矩T_WO。在示例情况下，基于横摆角速度误差按比例地平衡转矩和轮转速包括将为达到期望的车轮电机横摆角力矩所计算的车轮电机转矩与P相乘(被确定为横摆角速度误差的校准函数)，和将为达到速度控制所计算的转矩与因子(1-P)相乘。一旦确定了输出到外车轮的转矩T_WO和输出到内车轮的转矩T_WI，控制器可操作用于使用已知的用于操作具有再生制动系统的单独车轮电机的控制策略，协同其它控制方案，来适当地控制每个电动车轮。
当确定车辆内的控制设备参与可以干扰即时系统的正确操作的车辆推进系统的交替控制时，控制器可操作用于禁用包括控制系统的算法。交替控制可采用响应于操作事件实现防抱死制动的控制器，或参与牵引控制的控制器的形式。在这里不详细描述这些系统。然而，熟练的车辆推进系统实现者能够开发且实施优先方案，该方案考虑了各种车辆控制系统并且适当地选择符合操作者的需要和要求的方案以有效操作和控制车辆。
已经特定地参考了优选实施例及其修改描述了本发明。示例实施例描述了一种方法和系统，用于控制具有四个独立受控电动车轮的车辆系统，以响应于操作员的转向指令将车辆保持在基准道路上。可以理解，可能存在所述方法和系统可对其有效操作的其它实施例。本发明可实现在任何如下的车辆系统中，其中可利用独立的动力系或通过利用用于左和右车轮的单个动力系和制动调节器系统，例如单独的防旋转制动致动器，来独立地推动和控制左和右驱动轮。可替换的实施例包括但不限于后轮转向的车辆和四轮转向的车辆。本发明可应用于具有四轮驱动系统、两轮驱动系统和全轮驱动系统的车辆。系统同样可应用于具有线控转向系统的系统、传统的机械转向系统、并且可应用于使用中心活节铰(center-articulation)以实现转向的车辆。在读取和理解了说明书时，可出现另外的修改和替换方式。当修改和替换方式落入本发明的范围内时，旨在包括所有这种范围内的修改和替换方式。