輪式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)仿真

宋 鵬，薄純娟，徐國凱，張 濤

(大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連116605)

日益嚴重的環(huán)境問題和能源危機使百年交通工具——汽車面臨著越來越嚴峻的考驗。電動汽車以電力為主要動力，它可以實現(xiàn)零排放或極低排放，在行駛過程中沒有污染，熱輻射低，噪音小，因而受到廣泛的歡迎。目前，大部分電動汽車的研發(fā)主要是對傳統(tǒng)燃油汽車進行動力改造，基于一個動力電動機，通過減速器和差速器驅(qū)動兩個(或四個)驅(qū)動輪［1-2］。相比傳統(tǒng)電動汽車而言，輪式驅(qū)動電動汽車具有車身結(jié)構(gòu)簡單、車身重量輕、傳動效率高的優(yōu)點，而且可以分別控制每個驅(qū)動輪的運行參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等，輪式驅(qū)動電動汽車由于其運動控制、結(jié)構(gòu)布置等方面的優(yōu)勢，成為電動汽車研究熱點。

1 輪式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)

輪式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)是一個全新的驅(qū)動系統(tǒng)，由電動機直接驅(qū)動車輪，省掉了離合器、變速器及傳動軸等傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動中的機械磨損與損耗，提高了傳動效率，相比之下具有較小的體積和較輕的重量，同時故障率降低，且在提高效率的同時，車輪空間也能得到有效利用［3］。輪式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。系統(tǒng)取消了差速器和半軸，將行星減速器與電動機制造為一體，稱為電動輪，輪胎直接安裝在電動輪上。電機控制器接收速度給定(踏板)、制動(踏板)、PDRN(停車、倒車、空檔、前進)信號控制電機旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動車輪運動。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)學模型的建立

2.1 電機數(shù)學模型的建立

本文選用直流電機作為電動汽車驅(qū)動電機，對于直流電機的建?？梢杂呻姍C的簡易電路圖建立數(shù)學方程，假設(shè)電機的主電路電流連續(xù)，并且磁通量恒定，則可得到如下方程:

式中，R表示電樞回路的電阻，L表示電感，U表示電機兩端電壓，I表示電機回路電流，E表示感應電動勢，n表示轉(zhuǎn)速，TL表示負載轉(zhuǎn)矩，Cm表示轉(zhuǎn)矩電流，GD2表示飛輪力矩。

2.2 輪胎數(shù)學模型的建立

輪胎受力如圖2，輪胎力學模型目前仍處于不很精確的狀態(tài)，本文采用統(tǒng)一半經(jīng)驗指數(shù)輪胎模型，其方程式如下［4-5］:

式中，a2表示輪胎側(cè)偏角;δ表示轉(zhuǎn)向角，值為零時表示非轉(zhuǎn)向輪;Ux表示車輪中心的縱向速度;Uy表示車輪中心的側(cè)向速度;Vx表示車輪中心的前進速度;Vy表示車輪中心的側(cè)向滑移速度;Vs表示相對滑移速度;μ0表示靜摩擦系數(shù)取0.8;V0表示速度常數(shù);Sx表示滑轉(zhuǎn)率;Sy表示相對滑轉(zhuǎn)率;Kx表示初始相對縱滑剛度;Ky表示相對側(cè)滑剛度;Ey表示輪胎力特性參數(shù)。

圖2 輪胎受力坐標系

3 建模與仿真

根據(jù)上述建模分析，基于MATLAB軟件建立電機仿真模型如圖3，建立輪胎仿真模型如圖4，電機各參數(shù)取值見表1。

在輪胎模型中給轉(zhuǎn)向角加入階躍信號，得到縱向力曲線和側(cè)向力曲線如圖5、6所示，由圖中可以看出縱向力曲線逐步增大，最后趨于穩(wěn)定，側(cè)向力曲線由于輪胎的側(cè)偏特性出現(xiàn)小幅度振蕩，隨后也趨于穩(wěn)定。符合車輛從啟動到穩(wěn)定行駛后輪胎受力值趨于穩(wěn)定的實際情況。

表1 電機參數(shù)取值

圖3 電機模型

圖4 輪胎模型

圖5 縱向力曲線

圖6 側(cè)向力曲線

在電機模型中給定一個階躍輸入得到轉(zhuǎn)矩曲線如圖7，從圖中可以看出轉(zhuǎn)矩能夠迅速穩(wěn)定，符合電動汽車轉(zhuǎn)矩的理想輸出，驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應。

圖7 電機轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié) 語

本文以輪式驅(qū)動電動汽車為研究對象，重點研究輪式驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，分析了電機和輪胎的數(shù)學模型，使用MATLAB軟件進行動態(tài)仿真，根據(jù)仿真曲線，可以看出直流電機轉(zhuǎn)矩輸出符合汽車驅(qū)動系統(tǒng)的理想輸出，輪胎模型的輸出滿足電動汽車運行要求。

［1］RICCARDO M，STEFANO S.Asymptotic sideslip angle and yaw rate decoupling control in four-wheel steering Vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，2008(9):999-1009.

［2］OSSAMA M，MASATO A.How the Four Wheels Should Share Forces in an Optimum Cooperative Chass is Control［J］.Control Engineering Practice，2006(14):295-304.

［3］章昊秋.輪式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研究［D］.杭州:浙江大學，2007.

［4］來飛，黃超群.汽車操縱穩(wěn)定性仿真用輪胎模型的研究［J］.機械，2014，41(2):13-15.

［5］田順，何海浪，趙建寧，等.車輛輪胎動力學仿真模型分析［J］.汽車實用技術(shù)，2014(6):47-50.