專利名稱：控制協同的車輪電機的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及車輛底盤控制系統，并且更特別地涉及用于在 車輛操作和轉彎期間改善轉向特性而控制車輛的電動車輪。
背景技術：
車輛操作者通常期望轉彎命令和車輛反應之間的可預測關系。， 在裝備有向驅動輪供應普通動力的傳動系的車輛上的傳統的機械轉向 系統，通常提供在車輛的方向盤和轉彎輪之間的機械連接。轉彎輪直 接響應于操作者對方向盤的輸入，通過所述機械連接而轉彎，不管它 們是驅動輪(例如前輪驅動)還是非驅動輪(例如后輪驅動)。另外， 通常在轉彎事件期間管理到每個車輪的動力，以使得車輛使用機械或
液壓裝置完成所指令的轉彎半徑。
裝備有單獨致動的車輪電機的車輛在轉向事件期間對于系統提出
了難題，例如駛過曲線。成功駛過曲線的重要方面包括控制在車輛的
內輪和外輪之間的相對的輪轉速。這種車輛例如包括混合驅動汽車。
再生制動系統、防抱死制動、和牽引控制也使得在轉向事件期間控制
輪轉速變得復雜。
響應于轉向輸入而使用差動的車輪電機轉速控制的系統在本領域
中是已知的。然而車輪電機轉速控制沒有單獨完全地考慮在車輛操作 條件或車輛操作中的變化，例如可能與轉彎事件同時發生的車輛加速。 車輛操作條件通常影響車輛轉彎，因為給定輪胎的側偏剛度通常隨操 作參數而變化。已知影響車輛轉彎的通常的操作參數包括輪胎充氣壓 力、車輛正常負載、用于制動力的操作者要求、側力、和暫停特性， 所有這些還趨向于隨著操作時間、車輛使用、和行進中車輛磨損而變 化。此外，在線控轉向系統中，在該系統中方向盤和車輛車輪之間沒 有直接的機械連接，在感測操作者輸入或轉彎輪的位置的能力方面上 或對車輪轉彎電機的反應性的任何系統變化，可影響車輪對轉向輸入
的反應性，導致轉向不足或過度轉向。總之，僅有車輪電機轉速控制 可能不會在轉向系統中提供一致或充分的反應性。因此，所需要的是一種系統，其能夠為車輛確定期望的轉彎半徑， 并且能夠為車輪電機的轉矩和轉速提供協同的控制。
發明內容
車輛操作者通過旋轉車輛方向盤，由此指令轉向角來實現轉彎。 通常由線控轉向系統中的方向盤傳感器來感測轉向角。當方向盤轉動 表示所指令的轉向半徑Rn的特定量，而與之偏離實際的轉向半徑R時， 發生轉向誤差，還稱為轉向不足。車輛轉向不足的量度標準是橫擺角
速度誤差K，其以弧度每秒，或度每秒的單位量度。通常，橫擺角速度
誤差由前輪胎和后輪胎上的靜態正常負載以及輪胎的側偏剛度所影
響。當系數K大于零，即為正數時，表示車輛轉向不足，意味著車輛的 實際轉彎半徑大于指令的轉彎半徑。當系數K小于零，即為負數時，表
示車輛過度轉向，意味著車輛的實際轉彎半徑小于指令的轉彎半徑。 系數K隨著車輛的操作條件而變化，主要因為特定輪胎的側偏剛度隨著 操作參數而變化，所述參數包括充氣壓力、正常負載、制動力、和側 力。因此，將有效系數K維持在某個期望的級別內，以提供穩定且一致 的車輛狀態是重要的。
根據本發明，描述了一種方法和系統，基于操作者輸入和車輛操
橫擺;矩。本發明包括二種系統^方法，用^控制裝備有轉向系:充、、 橫擺角檢測和多個單獨車輪電機的車輛，包括確定指令的轉向角，和
基于指令的轉向角和檢測的橫擺角速度來確定橫擺角速度誤差。基于 指令的轉向角來識別內和外電動車輪。計算期望的車輪電機橫擺角轉
矩。基于所計算的期望的車輪電機橫擺角轉矩為每個內電動車輪計算 第一轉矩，并且為每個外電動車輪計算第二轉矩。基于指令的轉向角， 為每個內電動車輪計算第一理想輪轉速，并且為每個外電動車輪計算 第二理想輪轉速。基于橫擺角速度誤差、第一和第二轉矩、以及第一 和第二理想輪轉速，計算在每個內電動車輪和每個外電動車輪處的轉
矩和轉速。
本發明的另一方面包括，僅當確定的橫擺角速度誤差小于閾值時， 基于橫擺角速度誤差以及第一和第二理想輪轉速，控制每個內電動車 輪和每個外電動車輪的轉速。本發明的另 一 方面包括確定在推進轉矩限制和再生制動限制之間 每個單獨車輪電機的轉矩控制的線性范圍，并且基于用于每個單獨車 輪電機的轉矩控制的線性范圍，確定期望的車輪電機橫擺角轉矩。
本發明的另一方面包括確定處于操作模式中的每個車輪電機，所 述操作模'式包括電動模式、再生制動模式、和自由輪轉模式之一，接 著確定車輛轉向不足的大小和方向。基于車輛轉向不足的大小和方向 以及所確定的操作模式來確定第一轉矩的大小和第二轉矩的大小。
本發明的另一方面包括基于指令的轉向角來確定理想的車輛轉彎
半徑；并且基于所述理想的車輛轉彎半徑來計算內和外輪轉速的理想 比例。
在讀取和理解了實施例的以下詳細描述時，本發明的這些和其它 方面對于本領域技術人員來說將變得明顯。
本發明可采用以某些部件和部件的布置的物理形式，將詳細描述 本發明的優選實施例并且其在作為本發明的一部分的附圖中示出，并 且其中
圖l是根據本發明的車輛系統的示意圖； 圖2是根據本發明的控制算法的示意圖； 圖3是根據本發明的控制算法的詳細方面的示意圖；并且， 圖4是根據本發明的校準的數據曲線表示。
具體實施例方式
現在參考附圖，其中展現的目的僅僅是示出本發明而不是限制本 發明，圖l示出了根據本發明的實施例構造的示例車輛30。車輛30包括 四個電動車輪，包括前轉向輪32、 34和后輪40、 42,每一個車輪具有 驅動這四個車輪的電機52、 58、 78和80之一，并且電子控制器"控制 驅動系52、 58、 78和80。電動車輪52、 58、 78和80的每一個優選地包 括已知的電子電機設備，可操作用于將電能轉換為轉動的轉矩，以引 起車輛的線性運動，并且還操作用于通過經由一般稱為再生制動的技 術將車輛的線性動量轉換為轉動的制動轉矩來生成電能。由控制器45
響應于傳感器50、 60、 70和76所感測并且通過線路62、 64、 66和68饋送到控制器45的信號來確定單獨的輪轉速和車輛速度的測量。
示例車輛30包括線控轉向系統(未示出)，包括方向盤角度位置 傳感器、轉向致動系統和多個角度位置傳感器。傳感器通過信號連接 到控制器，并且轉向致動系統可操作地連接到控制器45。每個角度位 置傳感器可操作用于測量用于轉向的車輛車輪之一的轉向角，在本實 施例中為車輛的前輪。方向盤角度位置傳感器可操作用于測量操作者 輸入，該輸入包括指令的方向盤角度。對于未詳細描述的典型線控轉 向系統的機械化和控制存在其它的方面，但是對本領域技術人員來說 是它們已知的。車輛30包括橫擺角速度傳感系統，可操作用于基于來 自橫擺角速度傳感器(未示出)的輸入來確定車輛的橫擺角速度。橫 擺角速度傳感器對于本領域技術人員來說通常是已知的，并且優選地 包括可相關于即時車輛橫擺角的輸出信號。
控制器45可操作用于監測來自上述傳感器的輸入，并且使用下文 描述的控制算法來控制轉向致動系統。控制器優選地包括電子設備， 該電子設備具有至少一個微處理器、以RAM和各種ROM設備形式的記憶 儲存器、和模擬到數字信號轉換器、以及輸出驅動器，所有這些經由 數據總線互連。控制器優選地通過信號附著到傳感器并且可操作地附 著到輸出設備以監測和控制車輛操作。傳感器優選地在其中包括方向 盤角度位置傳感器、橫擺角速度傳感器、和加速器踏板位置傳感器(未 示出)。通常的輸出設備包括轉向致動系統、節流閥/牽引控制系統、 和防抱死制動系統。控制器通過收集來自傳感器的輸入和控制輸出設 備，并且使用控制器內部的控制算法和校準以及來自各種傳感器的輸 入，來控制車輛操作。基于來自各種傳感器的輸入使用電子控制器以 通過使用輸出設備來控制車輛操作是眾所周知的。開發、設計、執行 和校準控制器中的多個算法的過程對本領域技術人員來說是已知的， 并且在這里不詳細〃>開。
當操作者轉動車輛的方向盤時，因此指令了轉彎，最接近轉彎半 徑中心的車輪稱為內車輪，并且最遠離轉彎半徑中心的車輪稱為外車 輪。參考圖l，具有四個電動車輪32、 34、 40和42的車輛30示出為具有 向右轉彎的前輪32、 34。車輪34、 42是內車輪并且車輪32、 40是外車 輪。在車輛向左轉彎的情況下，車輪32、 40是內車輪并且車輪34、 42 是外車輪。現在參考圖2-4,描述了一種用于控制車輛30的方法，該車輛裝備 有具有單獨的車輪電機52、 58、 78、 80的車輪32、 34、 40、 42，線控 轉向系統和橫擺角速度檢測。該方法優選地通過使用預定校準閾值來 作為在控制器45中執行的一個或多個軟件算法來執行。通過控制器45， 這些算法能夠與所描述的控制策略相一致地且與其它正在進行的控制 策略相協調地收集來自上述傳感器的信息、執行邏輯策略、和迫使控 制器控制各種輸出設備，其它正在進行的控制策略是已知的且不在這 里描述。優選地，控制器45有規律地將所描述的這些算法作為正在進 行的車輛控制和操作的一部分來執行，通常至少每3. 125毫秒一次。
再次參考圖2，該方法優選地包括基于來自轉向傳感器的輸入來確 定指令的轉向角"(框IIO)。控制器可操作用于基于指令的轉向角為 每個轉彎事件識別包括內電動車輪和外電動車輪的特定車輪(框112)， 如上文所述。基于指令的轉向角Asw來計算指令的橫擺角速度。確定橫 擺角速度誤差K，其優選地包括指令的橫擺角速度和車輛的橫擺角速度 之間的差，并且以弧度每秒的單位表示(框1H)。基于橫擺角速度誤 差K確定比例項P。比例項P是由熟練的實施人員確定的校準值，并且包 括在O. O和l. O之間的比例值。參考圖4示出了確定所述比例項P，其中 用x軸上的橫擺角速度誤差K和y軸上的比例項P示出了示例校準曲線。
還示出了可由熟練的實施人員校準的最小閾值系數Ktm。
將橫擺角速度誤差的絕對值與閾值系數Km相比較(框116)。當橫
擺角速度誤差的絕對值小于閾值系數K，時，車輛系統僅利用速度控制 算法來控制轉向(框118、 120)。用于計算理想速度比并且在轉向不 足期間控制輪轉速的優選方法已在之前于美國專利號5， 258， 912中描 述，其名稱為Wheel Understeer Speed Control,由Ghoneim等人發表， 將其合并在此作為參考，并且在這里不詳細描述。用于計算理想速度
內和外輪轉iwl、 ws。(，瓜度/秒)。當橫擺角速A誤差的絕對值大于
閾值系數K，時，車輛系統利用前述的速度控制算法和轉矩控制算法來 控制轉向，將在下文描述(框122、 124、 126、 128)。
與轉矩控制算法相協同地利用速度控制算法的轉向控制優選地包 括首先計算期望的電動車輪橫擺力矩西(框122)。這優選地包括確定 車輛的期望向前推進力，考慮包括加速器踏板位置、巡航控制設置、和制動踏板位置的操作者輸入。首先通過本領域技術人員已知的控制 算法基于橫擺角速度誤差來計算總的期望橫擺力矩。計算總的期望橫 擺力矩中作為從車輪電機所指令的期望橫擺力矩麗的那 一部分，包括
控制的線性范圍。每個單獨的車輪電機的轉矩控制的線性范圍通常是 電動車輪的已知性能特征，并且包括基于車輪電機的大小和類型以及 其它因素來確定推進轉矩限制和再生制動限制，所述其它因素主要涉 及摩擦和慣性損耗、能量轉換效率、能量存儲能力、和各種環境因素 等。轉矩控制的線性范圍優選地在車輛設計和開發期間確定，并且通
常用作為到控制器45的可校準輸入。車輪電機轉矩控制的線性范圍的 重要特征是控制器不能在操作的線性范圍外部實現車輪電機的轉矩控 制。因此，當超過了線性范圍時，用于控制車輪電機轉矩的算法可能 不能如預期的那樣起作用。確定車輛的期望向前推動力通常是已知的 并且不對其詳細描述。
當計算期望的電動車輪橫擺角力矩Bl (框122)，并且確定其位于
每個車輪電機的轉矩控制的線性范圍之內時，接著基于電機的轉矩控 制的線性范圍、每個輪胎和車輪的半徑、和其它已知因素，對每個單 獨的車輪電機計算期望的車輪電機轉矩。接著計算內和外車輪電機轉 矩T—WM卜T—WM。(框126)。基于指令的轉向角，為每個內電動車輪和 外電動車輪，分別計算第一和第二理想輪轉速WS!和WS。(框124)。這
包括基于指令的轉向角來確定理想的車輛轉彎半徑；并且基于所述理 想的車輛轉彎半徑來計算內和外輪轉速的理想比例。用于計算理想速
度比和在轉向不足期間控制輪轉速的優選方法已在之前于美國專利號 5, 258, 912中描述，其名稱為Wheel Understeer Speed Control,由 Ghoneim等人發表，將其合并在此作為參考，并且在這里不詳細描述。
選輸出包括理想的內和外輪轉速WSh WS。，以弧度/秒的單位表示。反 饋控制器分別計算達到理想的內和外輪轉速所需的轉矩T—WSt和T-WS。。 現在參考圖3，涉及圖2的框126,詳細描述了計算內和外車輪電機 轉矩T—WS卜T_WS。。車輪電機轉矩的計算包括為每個內電動車輪計算的 第一轉矩，在本實施例中包括車輪34、 42,和為每個外電動車輪計算 的第二轉矩，在本實施例中包括車輪32、 40。基于所計算的期望車輪電機轉矩T—麗來計算每個轉矩。這包括計算轉矩偏移量，該轉矩偏移 量用于偏移到內和外車輪的期望車輪電機轉矩。到內車輪的轉矩優選 地包括總期望車輪電機轉矩T_WM的 一 半減去轉矩偏移量 Delta —T—moment—minus。對外車輪的轉矩優選地包括總期望車輪電才幾 轉矩的一半加上轉矩偏移量Delta-T—moment-plus (框130)。
再次參考圖3，確定車輛是處于轉向不足事件中還是過度轉向事件 中，即橫擺角速度誤差或系數K是正數還是負數(框132)。確定K的大 小。將每個車輪電機的操作模式識別為電動模式、再生制動模式、和 自由輪轉模式之一 (框134)。基于K的大小和方向以及所確定的操作 模式，計算內電動車輪和外電動車輪的車輪電機轉矩T—WI^和T—WM。。這 在圖3的框136、 138、 140、和142中詳細示出。
再次參考圖2，基于橫擺角速度誤差、第一和第二轉矩、以及第一 和第二理想輪轉速，控制每個內電動車輪和每個外電動車輪的電機轉 矩和轉速(框128)。這包括基于期望的車輪電機轉矩，相對于控制到 理想輪轉速(以牛頓米的單位表示)所需的第一轉矩的大小，通過按 比例地平衡第一轉矩的大小(以牛頓米的單位表示)，來控制輸出到 內車輪的轉矩T—WI，并且基于期望的車輪電機轉矩，相對于控制到理 想輪轉速所需的第二轉矩的大小，通過按比例地平衡第二轉矩的大小， 來控制輸出到外車輪的轉矩T—WO。在示例情況下，基于橫擺角速度誤 差按比例地平衡轉矩和輪轉速包括將為達到期望的車輪電機橫擺角力 矩所計算的車輪電機轉矩與P相乘(被確定為橫擺角速度誤差的校準函
數)，和將為達到速度控制所計算的轉矩與因子(1-P)相乘。 一旦確 定了輸出到外車輪的轉矩T-W0和輸出到內車輪的轉矩T—WI,控制器可 操作用于使用已知的用于操作具有再生制動系統的單獨車輪電機的控 制策略，協同其它控制方案，來適當地控制每個電動車輪。
當確定車輛內的控制設備參與可以干擾即時系統的正確操作的車 輛推進系統的交替控制時，控制器可操作用于禁用包括控制系統的算 法。交替控制可采用響應于操作事件實現防抱死制動的控制器，或參 與牽引控制的控制器的形式。在這里不詳細描述這些系統。然而，熟 練的車輛推進系統實現者能夠開發且實施優先方案，該方案考慮了各 種車輛控制系統并且適當地選擇符合操作者的需要和要求的方案以有 效操作和控制車輛。已經特定地參考了優選實施例及其修改描述了本發明。示例實施 例描述了一種方法和系統，用于控制具有四個獨立受控電動車輪的車 輛系統，以響應于操作員的轉向指令將車輛保持在基準道路上。可以 理解，可能存在所述方法和系統可對其有效操作的其它實施例。本發 明可實現在任何如下的車輛系統中，其中可利用獨立的動力系或通過 利用用于左和右車輪的單個動力系和制動調節器系統，例如單獨的防 旋轉制動致動器，來獨立地推動和控制左和右驅動輪。可替換的實施 例包括但不限于后輪轉向的車輛和四輪轉向的車輛。本發明可應用于
具有四輪驅動系統、兩輪驅動系統和全4侖驅動系統的車輛。系統同樣 可應用于具有線控轉向系統的系統、傳統的才幾械轉向系統、并且可應
用于使用中心活節鉸(center-articulation )以實現轉向的車輛。在 讀取和理解了說明書時，可出現另外的修改和替換方式。當修改和替 換方式落入本發明的范圍內時，旨在包括所有這種范圍內的修改和替 換方式。
權利要求
1. 控制裝備有轉向系統、橫擺角檢測和多個單獨的車輪電機的車輛的方法，所述方法包括確定指令的轉向角；基于所述指令的轉向角識別至少一個內電動車輪和至少一個外電動車輪；確定橫擺角速度誤差；計算期望的車輪電機橫擺力矩；為每個內電動車輪計算第一轉矩且為每個外電動車輪計算第二轉矩；為每個內電動車輪計算第一理想輪轉速且為每個外車輪計算第二理想輪轉速；并且基于橫擺角速度誤差、第一和第二轉矩、以及第一和第二理想輪轉速，計算每個內電動車輪和每個外電動車輪的轉矩和轉速。
2. 根據權利要求l的方法，還包括當所確定的橫擺角速度誤差 小于閾值時，基于橫擺角速度誤差以及笫 一和第二理想輪轉速來控制 每個內電動車輪和每個外電動車輪的轉速。
3. 根據權利要求l的方法，其中計算期望車輪電機橫擺力矩包括矩控制的線性范圍；并且基于每個單獨車輪電機的轉矩控制的線性范圍來確定期望的車輪電機橫擺力矩。
4. 根據權利要求3的方法，其中為每個內電動車輪計算第一轉矩 并且為每個外電動車輪計算第二轉矩還包括確定每個車輪電機處于包括電動模式、再生制動模式、和自由輪 轉模式之一的操作模式中；確定車輛轉向不足的大小和方向；并且基于所述車輛轉向不足的大小和方向以及所確定的操作模式來計 算第 一轉矩的大小和第二轉矩的大小。
5. 根據權利要求4的方法，其中為每個內電動車輪計算第一理想 輪轉速并且為每個外電動車輪計算第二理想輪轉速基于指令的轉向角來確定理想的車輛轉彎半徑；并且基于所述理想的車輛轉彎半徑來計算內和外輪轉速的理想比例。
6. 根據權利要求l的方法，其中基于橫擺角速度誤差、第一和第 二轉矩、以及第一和第二理想輪轉速來控制每個內電動車輪和每個外 電動車輪的轉矩和轉速，包括基于橫擺角速度誤差來相對于達到理想輪轉速所需要的第一轉矩 的大小按比例地平衡第一轉矩的大小；并且，基于橫擺角速度誤差來相對于達到理想輪轉速所需要的第二轉矩 的大小按比例地平衡第二轉矩的大小。
7. 根據權利要求l的方法，其中確定轉向角和確定橫擺角速度誤 差還包括識別在車輛轉向系統中的故障。
8. 用于控制車輛的電動車輪的系統，包括多個單獨受控的車輪電機，包括至少一個用于內車輪的車輪電機 和至少一個用于外車輪的車輪電機；轉向系統，包括方向盤、轉向指令傳感器、和用于轉向車輛的裝置；橫擺角速度檢測器；和，電子控制器通過信號連接到轉向命令傳感器和橫擺角速度檢測 器；并且可操作地連接到多個單獨受控的車輪電機的每一個；所述電 子控制器可操作用于確定指令的轉向角；識別至少一個內電動車輪和至少一個外電動車輪；確定橫擺角速度誤差；計算期望的車輪電機橫擺轉矩；為每個內電動車輪計算第一轉矩；為每個外電動車輪計算第二轉矩；為每個內電動車輪計算第一理想輪轉速； 為每個外車輪計算第二理想輪轉速；并且，基于橫擺角速度誤差、第一和第二轉矩、以及第一和第二理想輪 轉速，控制每個內電動車輪和每個外電動車輪的轉矩和轉速。
全文摘要
描述了一種方法和系統，其對于裝備有單獨的車輪電機、轉向系統和橫擺角檢測的車輛提供了協同的轉矩控制和轉速控制，以便基于操作者輸入和車輛操作對于車輛達到期望的橫擺力矩。這包括基于指令的轉向角和檢測的橫擺角速度確定指令的轉向角和橫擺角速度誤差。計算期望的車輪電機橫擺力矩。基于所期望的車輪電機橫擺力矩為內和外電動車輪計算第一和第二轉矩。基于指令的轉向角為內和外電動車輪計算第一和第二理想輪轉速。基于橫擺角速度誤差、第一和第二轉矩、以及第一和第二理想輪轉速計算在每個內電動車輪和每個外電動車輪處的轉矩和轉速。
文檔編號G06F7/00GK101512477SQ200680035081
公開日2009年8月19日 申請日期2006年6月22日 優先權日2005年7月22日
發明者M·A·薩爾曼, S·M·奈克 申請人:通用汽車環球科技運作公司