四輪轂電機(jī)電動(dòng)車的電子差速控制方法

楊濛 　李睿智　 金家林

摘要：通常四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車電子差速系統(tǒng)都是基于轉(zhuǎn)矩分配進(jìn)行的，本文提出了一種通過(guò)對(duì)各輪速進(jìn)行轉(zhuǎn)速分配的電子差速系統(tǒng)，利用Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向模型，實(shí)時(shí)計(jì)算電子差速過(guò)程中隨著轉(zhuǎn)角角度以及車輛速度變化的各個(gè)車輪的所需轉(zhuǎn)速，并分析了轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輪之間的轉(zhuǎn)矩分配問(wèn)題。在carsim聯(lián)合matlab仿真中通過(guò)多種車輛工況仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的算法的實(shí)用性以及可行性，仿真結(jié)果表明，整車系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，電子差速控制策略可以滿足四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的行駛要求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；輪轂電機(jī)；電子差速；控制方法

隨著能源短缺的危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，燃油車正逐漸被新能源汽車替代，電動(dòng)汽車的出現(xiàn)可以解決上述問(wèn)題，并且已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，在電動(dòng)汽車中，對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，大部分電動(dòng)車采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與差速器相連再帶動(dòng)車輪的方式，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械差速器來(lái)使得內(nèi)外車輪的速度差實(shí)現(xiàn)差速。而獨(dú)立輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車會(huì)根據(jù)不同的方向轉(zhuǎn)角來(lái)分配給內(nèi)外側(cè)車輪不同的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的差速算法，但這種算法并不能減小車輛的轉(zhuǎn)角半徑而且車輛的滑移率也不能得到很好的控制。本文提出了一種電子差速算法。

電子差速即通過(guò)車輛在不同轉(zhuǎn)角以及車速的情況下，計(jì)算所需要的各輪輪速，然后經(jīng)過(guò)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛的差速算法。

1 電子差速方法

電子差速的方法是通過(guò)駕駛者輸入的轉(zhuǎn)角信號(hào)和油門信號(hào)傳入控制器，再由控制器根據(jù)當(dāng)前整車狀態(tài)值計(jì)算出各輪所需轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)通信等方式分配給各輪控制器，再由各輪控制器根據(jù)所給定的輪速對(duì)電機(jī)做出調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)車輛的順利轉(zhuǎn)彎。

1.1 轉(zhuǎn)向原理

四輪電子差速需要對(duì)4個(gè)輪轂電機(jī)同時(shí)進(jìn)行速度控制和差速計(jì)算，是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。其中包括方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、霍爾傳感器、電機(jī)控制器、4個(gè)輪轂電機(jī)。

電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。改變各輪轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)差速。當(dāng)電動(dòng)車需要向右轉(zhuǎn)向時(shí)，則需右側(cè)輪速小于左側(cè)輪速。由于左右側(cè)的輪速差異，在同一時(shí)間內(nèi)，左側(cè)輪行駛距離大，右側(cè)輪行駛距離小，此時(shí)整車就會(huì)向右側(cè)轉(zhuǎn)向。在控制器中過(guò)程如下：（1）方向盤的角度輸出信號(hào)由通信方式傳入整車控制器，在這之前，定義傳入的轉(zhuǎn)角信號(hào)取值范圍；（2）采集油門信號(hào)，并且根據(jù)之前的油門量與速度量標(biāo)定得出總的期望車速；（3）由所輸入的轉(zhuǎn)角信號(hào)和期望車速得出各輪所需轉(zhuǎn)速，進(jìn)行分配。

1.2 差速計(jì)算分析

本文電子差速方案的目的是研究汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車速、轉(zhuǎn)角和各輪速之間的內(nèi)在關(guān)系，因此，本文忽略了地面摩擦力不同、輪胎形變不同的其他因素，即計(jì)算電動(dòng)汽車在普通路面上行駛，從而計(jì)算各個(gè)參數(shù)。為了進(jìn)一步研究方向轉(zhuǎn)角、車速和車輪速之間的關(guān)系，就必須簡(jiǎn)歷三者之間的函數(shù)公式方程。

由此整車模型如圖1所示。根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行公式推導(dǎo)，涉及到的車身參數(shù)有：前輪轉(zhuǎn)向角δ，單位為度；車身長(zhǎng)度L；車身寬W；轉(zhuǎn)向半徑R。內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)向半徑Rin、Rout；為內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)彎周長(zhǎng)Cin、Cout。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

電動(dòng)車在進(jìn)行電子差速轉(zhuǎn)向時(shí)，其當(dāng)前的運(yùn)行方式對(duì)電子差速方案的實(shí)施有著重要的影響。根據(jù)不同的工作模式，電子差速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前電動(dòng)車的速度狀態(tài)和轉(zhuǎn)向角度指令都要作相應(yīng)的變化和調(diào)整。

2.1 勻加速減速直線行進(jìn)工況

仿真工況為汽車處于運(yùn)直線加減速，從車身速度圖來(lái)看，車身速度能很好的跟隨給定速度，表示車輛速度可控。從速度對(duì)比2中得出，各輪轉(zhuǎn)矩的輸入在加速時(shí)提供正向轉(zhuǎn)矩，減速時(shí)提供反向轉(zhuǎn)矩，各輪滑移率始終保持為零，說(shuō)明車輪與地面無(wú)明顯滑動(dòng)。從轉(zhuǎn)速差值觀測(cè)出，各輪輪速與給定輪速差穩(wěn)態(tài)收斂，說(shuō)明單個(gè)輪輪速可控。最后從穩(wěn)定性方面，車輛滑移角和橫擺角速度始終為零，說(shuō)明車輛始終處于穩(wěn)定狀態(tài)

2.2 勻速蛇形行進(jìn)工況

仿真實(shí)驗(yàn)為車輛恒速蛇形行駛，從車身速度圖來(lái)看，經(jīng)過(guò)加速后出現(xiàn)超調(diào)，但很快跟隨。從速度對(duì)比2中得出，各輪轉(zhuǎn)矩的在最初提供最大轉(zhuǎn)矩保證車輛能快速跟隨，各輪滑移率始終保持為零，說(shuō)明車輪與地面無(wú)明顯滑動(dòng)，從轉(zhuǎn)速差值中觀測(cè)出，各輪輪速與給定輪速差穩(wěn)態(tài)收斂，說(shuō)明單個(gè)輪輪速可控。最后從穩(wěn)定性方面，車輛滑移角和橫擺角速度始終不超過(guò)臨界值（即20%和45deg/s），說(shuō)明車輛始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 總結(jié)

本文的電動(dòng)車控制器和電子差速系統(tǒng)主要解決了以下問(wèn)題：

1）本文使用無(wú)刷直流輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)速控制用于驅(qū)動(dòng)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。

2）本文所使用的聯(lián)合仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于轉(zhuǎn)速分配的算法仿真的驗(yàn)證。

3）本文所提出的基于轉(zhuǎn)速分配的電子差速器適用于低速電動(dòng)汽車。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琦.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車系統(tǒng)多模型預(yù)測(cè)控制方法研究[D].東南大學(xué)，2015.

[2]李剛，韓海蘭，宗長(zhǎng)富，等.四輪輪轂電機(jī)電動(dòng)車集成控制算法實(shí)車驗(yàn)證[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（31）：106-112.

[3]盧東斌，李建秋，何濤，等.四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車無(wú)刷電機(jī)控制算法的研究[J].汽車工程，2012，34（10）：871-877.

[4]黃啟然，鄭玲，李以農(nóng)，等.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)控制策略的研究[J].汽車工程，2014（10）：1237-1242.