Development of an electronic differential system for electric vehicles based on deep neural network

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Modern cars typically use a transmission system where an internal combustion engine transmits force through a gearbox to a differential shaft, which then transmits torque to the wheels. In electric vehicles, however, electric motors can be attached directly to the wheels through a reduction gearbox. With a right control system, these vehicles can apply different torque to the wheels on each side of the vehicle, significantly enhancing handling. This set-up is known as an electronic differential. Its implementation can vary from simple, using the Ackerman–Jeantand model, which cannot fully replace a simple mechanical differential, to complex systems employing robust control mechanisms with yaw torque. The latter method requires a rather complex control system and expensive sensors. A third –innovative approach involves using neural networks to control electric vehicle speeds.

Aim. The aim is to provide materials and software for implementing an electronic differential using artificial neural networks to expand the solutions available for controlling multiple electric derives in various electric vehicles.

Materials and Methods. The neural network considers multiple factors affecting the operation of electronic differential by selecting special coefficients, weights, to neurons within the network. As a basis for obtaining data, special route maps based on the transition curve will be used.

Results. Testing yielded a prediction accuracy of 0.7273, with a standard deviation of 0.064 for the training set and 0.065 for the testing set.

Conclusion. Employing neural networks for controlling electric drives is a promising alternative to traditional algorithms. Owing to their flexibility, these neural networks can also implement additional driver assistance functions, such as ESP, ABS, cruise control, etc.

About the authors

Andrey A. Lisov

South Ural State University

Author for correspondence.
Email: lisov.andrey2013@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7282-8470
SPIN-code: 1956-3662

PhD Student

Russian Federation, Chelyabinsk

References

  1. Khan-Ngern W, Keyoonwong W. Embedded electronic differential system on two brushless DC motor drives for electric vehicle steering control. In: 2018 International Conference on Embedded Systems and Intelligent Technology & International Conference on Information and Communication Technology for Embedded Systems (ICESIT-ICICTES). IEEE; 2018. doi: 10.1109/ICESIT-ICICTES.2018.8442060
  2. Meier T, Rinderknecht S, Fietzek R. Electric power train configurations with appropriate transmission systems. SAE Technical Paper. 2011. doi: https://doi.org/10.4271/2011-01-0942
  3. Yıldırım M, Öksüztepe E, Tanyeri B, Kürüm H. Electronic differential system for an electric vehicle with in-wheel motor. In: 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO). IEEE; 2015;1048–1052. doi: 10.1109/ELECO.2015.7394567
  4. Chen S, Yin G, Jin X. Study on the active steering system with direct yaw-moment control for electric vehicle with electric motored wheels. In: 35th Chinese Control Conference (CCC). IEEE; 2016:8945–8950. doi: 10.1109/ChiCC.2016.7554785
  5. Hu J.S, Wang Y, Fujimoto H, Hori Y. Robust yaw stability control for in-wheel motor electric vehicles. ASME Transactions On Mechatronics. 2017;22(3):1360–1370. doi: 10.1109/TMECH.2017.2677998
  6. Nam K, Oh S, Hori Y. Robust yaw stability control for electric vehicles based on active steering control. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. IEEE; 2010:1–5. doi: 10.1109/VPPC.2010.5729202
  7. Bose BK. Neural network applications in power electronics and motor drives – An introduction and perspective. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007; 54(1):14–33. doi: 10.1109/TIE.2006.888683
  8. Lisov AA, Kulganatov AZ, Panishev SA. Using convolutional neural networks for acoustic based emergency vehicle detection. Modern Transportation Systems and Technologies. 2023;9(1):95–107 (in Russ.) doi: 10.17816/transsyst20239195-107
  9. Vozmilov A, Andreev L, Lisov A. Development of an algorithm for the program to recognize defects on the surface of hot-rolled metal. In: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2022:1004–1008. doi: 10.1109/ICIEAM54945.2022.9787116
  10. Cirrincione M, Pucci M, Cirrincione G, Capolino GA. Sensorless control of induction machines by a new neural algorithm: The TLS EXIN neuron. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007;54(1):127–49. doi: 10.1109/TIE.2006.888774
  11. Karandeev DJ, Engel EA. Direct torque control of induction motor using adaptive neurocontroller under conditions of uncertainty. Online journal “Science Studies”. 2015;5(30):124–131. doi: 10.15862/91TVN515
  12. Zhang W, Liu Z, Chen Q. Electronic differential system based on adaptive SMC combined with QP for 4WID electric vehicles. World Electric Vehicle Journal. 2021;12(3):126–132. doi: 10.3390/wevj12030126
  13. Haddoun A, Benbouzid ME, Diallo D, et al. Analysis, modeling and neural network traction control of an electric vehicle without differential gears. IEEE International Electric Machines & Drives Conference. IEEE; 2007:854–859. doi: 10.1109/IEMDC.2007.382780
  14. J Lee JS, Ryoo YJ, Lim YC, et al. A neural network model of electric differential system for electric vehicle. In: 26th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON IEEE; 2000:83–88. doi: 10.1109/IECON.2000.973130
  15. Rubaai A, Castro-Sitiriche MJ, Garuba M, Burge L. Implementation of artificial neural network-based tracking controller for high-performance stepper motor drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007;54(1):218–27. doi: 10.1109/TIE.2006.888785
  16. Jung S, su Kim S. Hardware implementation of a real-time neural network controller with a DSP and an FPGA for nonlinear systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007;54(1):265–71. doi: 10.1109/TIE.2006.888791
  17. Lin FJ, Huang PK, Chou WD. Recurrent-fuzzy-neural-network-controlled linear induction motor servo drive using genetic algorithms. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007;54(3):1449–1461. doi: 10.1109/TIE.2007.892256
  18. Lin CM, Hsu CF. Recurrent-neural-network-based adaptive-backstepping control for induction servomotors. IEEE Transactions on industrial electronics. 2005;5;52(6):1677–1684. doi: 10.1109/TIE.2005.858704
  19. Wlas M, Krzeminski Z, Guzinski J, et al. Artificial-neural-network-based sensorless nonlinear control of induction motors. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2005;20(3):520–8. doi: 10.1109/TEC.2005.847984
  20. Yousefzadeh M, Azadi S, Soltani A. Road profile estimation using neural network algorithm. Journal of mechanical science and technology. 2010:24:743–54. doi: 10.1007/s12206-010-0113-1
  21. Šabanovič E, Žuraulis V, Prentkovskis O, Skrickij V. Identification of road-surface type using deep neural networks for friction coefficient estimation. Sensors. 2020;20(3):612. doi: 10.3390/s20030612
  22. Yi T, Xin Z, Liang Z, Xinn Z. Intelligent energy management based on driving cycle identification using fuzzy neural network. Second International Symposium on Computational Intelligence and Design 2009:501–504. doi: 10.1109/ISCID.2009.271

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Transmission configuration with 2 independent motors at the rear

Download (150KB)
3. Fig. 2. Structure of an electronic differential system using a neural network

Download (126KB)
4. Fig. 3. Circular curve diagram

Download (203KB)
5. Fig. 4. Principle of calculating the deviation for ANN training

Download (151KB)
6. Fig. 5. Maps of turns for data collection

Download (119KB)
7. Fig. 6. Complete electric vehicle model

Download (279KB)
8. Fig. 7. Graph of losses during ANN training

Download (105KB)
9. Fig. 8. Graph of the forecast accuracy during training

Download (188KB)
10. Fig. 9. Prediction graphs of the neural network model on the test sample

Download (216KB)

Copyright (c) 2024 Lisov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».