双轮驱动电动车辆的差速控制系统转让专利
申请号 : CN200810020544.9
文献号 : CN101229781B
文献日 : 2010-09-01
发明人 : 徐小康 , 缪鹏程
申请人 : 徐小康
摘要 :
双轮驱动电动车辆的差速控制系统，包括左、右驱动模块和协调模块，协调模块接收外部控制信号，输出相应的工作信号控制左、右驱动模块的输出功率，左、右驱动模块将两个驱动轮的转矩信号不断传输给协调模块，协调模块根据两驱动轮转矩相等的原则判断是否调整两驱动模块的工作信号，协调模块通过PID控制器调整左、右驱动模块的工作信号。本发明系统结构简单，易于实现，防止车辆出现滑移，减少轮胎的磨损，保证车辆行驶的稳定性，用单片机处理信息精度高，速度快，能实时对驱动轮转矩进行调整，不再需要传动机构和差速齿轮，节省了空间，提高了传动系统的效率。
权利要求 :
1.双轮驱动电动车辆的差速控制系统，其特征是包括协调模块和左、右驱动模块，协调模块接收外部控制信号，输出相应的工作信号控制左、右驱动模块的输出功率，左、右驱动模块分别驱动两个驱动轮的电机，并将两个驱动轮的转矩信号不断传输给协调模块，协调模块根据两驱动轮转矩相等的原则判断是否调整两驱动模块的工作信号，两驱动轮转矩相等按外部控制信号输出相应工作信号，不等则在外部控制信号下对工作信号进行调整；左、右驱动模块输出功率的和始终等于外部控制信号的目标输出功率；协调模块和左、右驱动模块均为单片机，协调模块设有PID控制器，通过PID控制器调整左、右驱动模块的工作信号，驱动模块输出功率＝电机转矩×电机转速，PID控制器根据下面的公式对工作信号进行调节：U(n)＝U(n-1)+Kp(En-E(n-1)+KiEn+Kd(En-2E(n-1)+E(n-2)))其中，Un为本次需要输出值，U(n-1)为上次输出值；En为本次传感器输入值，E(n-1)、E(n-2)为上次和上上次的输入值；Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
2.根据权利要求1所述的双轮驱动电动车辆的差速控制系统，其特征是左、右驱动器模块设有电流、电压传感器，检测驱动轮电机的电流、电压，通过电机的电流得到电机转矩信号。
3.根据权利要求1或2所述的双轮驱动电动车辆的差速控制系统，其特征是驱动模块通过脉冲调制PWM信号驱动电机，根据工作信号和驱动轮电机的状态调整PWM信号输出。
4.根据权利要求1或2所述的双轮驱动电动车辆的差速控制系统，其特征是应用于采用轮毂电机做双轮驱动的车辆。
5.根据权利要求3所述的双轮驱动电动车辆的差速控制系统，其特征是应用于采用轮毂电机做双轮驱动的车辆。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种电动双轮驱动车辆的控制系统，具体为一种在两个驱动轮目标速度不一致的情况下，协调控制两个驱动电机输出功率的双轮驱动车辆的差速控制系统。
背景技术
随着石油能源越来越紧张，电动车辆逐渐取代燃油车辆的趋势已经不可阻挡，当电动车辆在转向或在不平路面行驶时，要求各车轮转速不同，并要与车轮轮心速度相协调。传统燃油汽车通过左右轮间的机械差速器保证了两侧车轮能够以不同速度旋转，从而满足汽车行驶运动学的要求，但同时也增加了减震悬架系统的复杂度，降低了系统的效率。当前采用轮毂电机作双轮驱动的电动车辆有很大一部分是双轮独立驱动，两套驱动系统之间没有任何联系，这样会导致车辆在转向或不平路面行驶时，由于两个车轮的目标速度不一致而出现滑移，加速轮胎的磨损，并造成车辆行驶的不稳定；即便在速度不高或双轮目标速度相差不大的情况下，不出现滑移现象，也会增加轮轴的疲劳，影响车辆的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有机械差速器增加了车辆减震悬架系统的复杂度，降低了系统的效率；双轮驱动电动车大多没有差速系统，易发生滑移，增加轮轴的疲劳，影响车辆的使用寿命。
本发明的技术方案是：双轮驱动电动车辆的差速控制系统，包括左、右驱动模块和协调模块，协调模块接收外部控制信号，输出相应的工作信号控制左、右驱动模块的输出功率，左、右驱动模块分别驱动两个驱动轮的电机，并将两个驱动轮的转矩信号不断传输给协调模块，协调模块根据两驱动轮转矩相等的原则判断是否调整两驱动模块的工作信号，两驱动轮转矩相等按外部控制信号输出相应工作信号，不等则在外部控制信号下对工作信号进行调整；左、右驱动模块输出功率的和始终等于外部控制信号的目标输出功率。
协调模块和左、右驱动模块均为单片机，由于在控制系统中总是希望被控参数稳定在工艺要求的范围内，而在实际中被控参数总是与设定值有一定的差别，需要不断调整，为使调整的持续时间短、超调量小、摆动次数少，采用比例-积分-微分控制(PID)调节策略，在协调模块设置PID控制器，通过PID控制器调整左、右驱动模块的工作信号。左、右驱动器模块设有电流、电压传感器，检测驱动轮电机的电流、电压，通过电机的电流得到电机转矩信号。驱动模块通过脉冲调制PWM信号驱动电机，根据工作信号和驱动轮电机的状态调整PWM信号输出。
本发明采用了电子差速驱动方法，驱动轮配备独立的驱动模块，协调模块以两个驱动轮的驱动转矩相等为目标，调整两驱动模块的输出功率，通过控制驱动转矩使两轮的地面附着力相等，从而使车辆发生滑移的可能性减到最小。
本发明尤其适用于采用轮毂电机做双轮驱动的车辆。
本发明系统结构简单，易于实现，防止车辆出现滑移，减少轮胎的磨损，保证车辆行驶的稳定性，用单片机处理信息精度高，速度快，能实时对驱动轮转矩进行调整，不再需要传动机构和差速齿轮，节省了空间，提高了传动系统的效率。
本发明的技术方案是：双轮驱动电动车辆的差速控制系统，包括左、右驱动模块和协调模块，协调模块接收外部控制信号，输出相应的工作信号控制左、右驱动模块的输出功率，左、右驱动模块分别驱动两个驱动轮的电机，并将两个驱动轮的转矩信号不断传输给协调模块，协调模块根据两驱动轮转矩相等的原则判断是否调整两驱动模块的工作信号，两驱动轮转矩相等按外部控制信号输出相应工作信号，不等则在外部控制信号下对工作信号进行调整；左、右驱动模块输出功率的和始终等于外部控制信号的目标输出功率。
协调模块和左、右驱动模块均为单片机，由于在控制系统中总是希望被控参数稳定在工艺要求的范围内，而在实际中被控参数总是与设定值有一定的差别，需要不断调整，为使调整的持续时间短、超调量小、摆动次数少，采用比例-积分-微分控制(PID)调节策略，在协调模块设置PID控制器，通过PID控制器调整左、右驱动模块的工作信号。左、右驱动器模块设有电流、电压传感器，检测驱动轮电机的电流、电压，通过电机的电流得到电机转矩信号。驱动模块通过脉冲调制PWM信号驱动电机，根据工作信号和驱动轮电机的状态调整PWM信号输出。
本发明采用了电子差速驱动方法，驱动轮配备独立的驱动模块，协调模块以两个驱动轮的驱动转矩相等为目标，调整两驱动模块的输出功率，通过控制驱动转矩使两轮的地面附着力相等，从而使车辆发生滑移的可能性减到最小。
本发明尤其适用于采用轮毂电机做双轮驱动的车辆。
本发明系统结构简单，易于实现，防止车辆出现滑移，减少轮胎的磨损，保证车辆行驶的稳定性，用单片机处理信息精度高，速度快，能实时对驱动轮转矩进行调整，不再需要传动机构和差速齿轮，节省了空间，提高了传动系统的效率。
附图说明
图1为本发明系统原理图。
图2为本发明系统工作流程图。
图3为本发明中PID控制的原理图。
图4为本发明系统的一个具体电路实施框图。
图5为本发明系统实施例的两驱动轮转矩差的拟合曲线图。
图2为本发明系统工作流程图。
图3为本发明中PID控制的原理图。
图4为本发明系统的一个具体电路实施框图。
图5为本发明系统实施例的两驱动轮转矩差的拟合曲线图。
具体实施方式
如图1为本发明原理图，包括左、右驱动模块和协调模块，协调模块接收外部控制信号，左、右驱动模块分别驱动两个驱动轮的电机，并将两个驱动轮的转矩信号不断反馈传输给协调模块，协调模块根据外部控制信号和驱动轮的转矩信号输出相应的工作信号控制左、右驱动模块的输出功率。
图2是本发明系统的工作流程图，协调模块和左、右驱动模块先初始化，协调模块接收外部控制信号，如油门、刹车信号等，给左、右驱动模块输出相应的工作信号，如电压信号，指示驱动模块的输出功率；左、右驱动模块接收协调模块的工作信号，同时通过电流、电压传感器检测驱动轮电机的电流、电压，驱动模块根据工作信号和电机的电流电压判断电机是否过流或欠压，然后输出适当的PWM信号驱动电机，因为驱动轮转矩T与通过电机的相电流I成正比，T＝k·I，其中k为比例系数，它与电机的磁场强度，轮毂半径等因素有关，电流传感器上通过的峰值电流就是电机内部的相电流，由此得到驱动轮转矩信号，左、右驱动模块将两驱动轮的转矩信号发送给协调模块，协调模块判断两驱动轮的转矩是否相等，相等继续按外部控制信号输出相应工作信号，当转矩信号不相等，必须将大转矩的驱动模块输出功率减小，小转矩的加大，使之相等，同时保证输出功率之和为外部控制信号的目标输出功率，增减量大小通过PID调节计算出，协调模块给出调整后的工作信号，驱动模块再根据新的工作信号调整输出功率，并向协调模块反馈驱动轮转矩信号；左、右驱动模块输出功率的和始终等于外部控制信号的目标输出功率，整个系统不断的以两个驱动轮的驱动转矩相等为目标进行调整。
在控制系统中总是希望被控参数稳定在工艺要求的范围内，而在实际中被控参数总是与设定值有一定的差别，需要不断调整，为使调整的持续时间短、超调量小、摆动次数少，采用比例-积分-微分控制(PID)调节策略。如图3，外部控制信号将目标值传输给协调模块，协调模块向驱动模块发出工作信号，驱动模块驱动电机，电机参数再反馈给协调模块，帮助调整工作信号。本系统的调整目标是两个驱动轮的转矩相等，并且输出功率之和为外部控制信号的目标输出功率，驱动模块输出功率＝电机转矩×电机转速，PID控制器根据下面的公式对工作信号进行调节：
U(n)＝U(n-1)+Kp(En-E(n-1)+KiEn+Kd(En-2E(n-1)+E(n-2)))
其中，Un为本次需要输出值，U(n-1)为上次输出值；En为本次传感器输入值，E(n-1)、E(n-2)为上次和上上次的输入值；Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。PID调节的参数选择需要根据不同的车型实际现场调节才能获得最佳的效果，它们与整车的质量、输出功率、车速等都有关系。具体可以先设定一个比例系数，微分、积分系数都为零，在实际转向过程中测定转矩差变换，调整的目标是两轮的转矩差为零，如果调整过程时间太长则加大比例系数，如果在目标点附近振幅太大则减小比例系数，直至选到一个合适的值；然后设定积分系数，如果波动出现的周期长，则加大积分系数，如果偏离零点后恢复慢，则减小积分系数；最后找到合适的微分系数，如果此时震荡的频率过快，则减小微分系数，如果偏离值大且波动慢，则应该增加微分系数，对本发明系统而言，微分系数的大小对系统影响不大，也可以取零，即构成一个PI闭环调节系统。
图4是本发明系统的一个具体电路实施框图，协调模块和左、右驱动模块均为单片机MCU，协调模块接收外部调速转把信号及刹车信号，与左、右驱动模块相连通讯；左、右驱动模块分别驱动两驱动轮的电机，并检测电机的电流电压信号，用于得到转矩信号，传输给协调模块；整个系统对车辆驱动轮进行差速控制。本实施例的一些具体参数为：
额定电压 36V 额定功率 350W×2 空载转速 350RPM 轮径大小 18inch 最大转矩 45N.m 最高速度 30km/h 最大转角 45° 整车质量 150kg 前后轴距 1.6m 左右轮距 0.6m PID调节参数 Kp＝0.7，Ki＝0.1，Kd＝0
其中，MCU为Cypress公司的CY8C24423。
配备本差速系统的控制器，当系统在最高速度下、以最大转角进行转弯行驶时，未发现轮胎有任何滑移现象。实测的两轮转矩差的拟合曲线图如图5所示，从图中可以看出，在突然发生转向的瞬间，两轮的转矩差达到最大，但由于时间很短，不会造成车辆的滑移，协调模块一旦检测到有转矩差，即通过PID控制器开始发挥快速调节作用，在0.2秒的时间内迅速将转矩差控制在一个很小的幅度内，维持了车身的稳定性，很好地达到了使用要求。
图2是本发明系统的工作流程图，协调模块和左、右驱动模块先初始化，协调模块接收外部控制信号，如油门、刹车信号等，给左、右驱动模块输出相应的工作信号，如电压信号，指示驱动模块的输出功率；左、右驱动模块接收协调模块的工作信号，同时通过电流、电压传感器检测驱动轮电机的电流、电压，驱动模块根据工作信号和电机的电流电压判断电机是否过流或欠压，然后输出适当的PWM信号驱动电机，因为驱动轮转矩T与通过电机的相电流I成正比，T＝k·I，其中k为比例系数，它与电机的磁场强度，轮毂半径等因素有关，电流传感器上通过的峰值电流就是电机内部的相电流，由此得到驱动轮转矩信号，左、右驱动模块将两驱动轮的转矩信号发送给协调模块，协调模块判断两驱动轮的转矩是否相等，相等继续按外部控制信号输出相应工作信号，当转矩信号不相等，必须将大转矩的驱动模块输出功率减小，小转矩的加大，使之相等，同时保证输出功率之和为外部控制信号的目标输出功率，增减量大小通过PID调节计算出，协调模块给出调整后的工作信号，驱动模块再根据新的工作信号调整输出功率，并向协调模块反馈驱动轮转矩信号；左、右驱动模块输出功率的和始终等于外部控制信号的目标输出功率，整个系统不断的以两个驱动轮的驱动转矩相等为目标进行调整。
在控制系统中总是希望被控参数稳定在工艺要求的范围内，而在实际中被控参数总是与设定值有一定的差别，需要不断调整，为使调整的持续时间短、超调量小、摆动次数少，采用比例-积分-微分控制(PID)调节策略。如图3，外部控制信号将目标值传输给协调模块，协调模块向驱动模块发出工作信号，驱动模块驱动电机，电机参数再反馈给协调模块，帮助调整工作信号。本系统的调整目标是两个驱动轮的转矩相等，并且输出功率之和为外部控制信号的目标输出功率，驱动模块输出功率＝电机转矩×电机转速，PID控制器根据下面的公式对工作信号进行调节：
U(n)＝U(n-1)+Kp(En-E(n-1)+KiEn+Kd(En-2E(n-1)+E(n-2)))
其中，Un为本次需要输出值，U(n-1)为上次输出值；En为本次传感器输入值，E(n-1)、E(n-2)为上次和上上次的输入值；Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。PID调节的参数选择需要根据不同的车型实际现场调节才能获得最佳的效果，它们与整车的质量、输出功率、车速等都有关系。具体可以先设定一个比例系数，微分、积分系数都为零，在实际转向过程中测定转矩差变换，调整的目标是两轮的转矩差为零，如果调整过程时间太长则加大比例系数，如果在目标点附近振幅太大则减小比例系数，直至选到一个合适的值；然后设定积分系数，如果波动出现的周期长，则加大积分系数，如果偏离零点后恢复慢，则减小积分系数；最后找到合适的微分系数，如果此时震荡的频率过快，则减小微分系数，如果偏离值大且波动慢，则应该增加微分系数，对本发明系统而言，微分系数的大小对系统影响不大，也可以取零，即构成一个PI闭环调节系统。
图4是本发明系统的一个具体电路实施框图，协调模块和左、右驱动模块均为单片机MCU，协调模块接收外部调速转把信号及刹车信号，与左、右驱动模块相连通讯；左、右驱动模块分别驱动两驱动轮的电机，并检测电机的电流电压信号，用于得到转矩信号，传输给协调模块；整个系统对车辆驱动轮进行差速控制。本实施例的一些具体参数为：
额定电压 36V 额定功率 350W×2 空载转速 350RPM 轮径大小 18inch 最大转矩 45N.m 最高速度 30km/h 最大转角 45° 整车质量 150kg 前后轴距 1.6m 左右轮距 0.6m PID调节参数 Kp＝0.7，Ki＝0.1，Kd＝0
其中，MCU为Cypress公司的CY8C24423。
配备本差速系统的控制器，当系统在最高速度下、以最大转角进行转弯行驶时，未发现轮胎有任何滑移现象。实测的两轮转矩差的拟合曲线图如图5所示，从图中可以看出，在突然发生转向的瞬间，两轮的转矩差达到最大，但由于时间很短，不会造成车辆的滑移，协调模块一旦检测到有转矩差，即通过PID控制器开始发挥快速调节作用，在0.2秒的时间内迅速将转矩差控制在一个很小的幅度内，维持了车身的稳定性，很好地达到了使用要求。