基于電子油門的四輪獨立驅(qū)動電動車的研究

王高平+程源文+顧士倫+余李揚+薛文韜

摘要：該系統(tǒng)以采用電子油門控制，以自主設(shè)計的四輪獨立驅(qū)動電動車為研究對象，給出了四輪獨立驅(qū)動電動車的控制方案，以阿克曼轉(zhuǎn)向模型為基礎(chǔ)，對四輪獨立驅(qū)動電動車的運動狀態(tài)和轉(zhuǎn)向角度進行分析，并結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)向時各輪的轉(zhuǎn)速進行分析，給出了車速和轉(zhuǎn)角對各輪轉(zhuǎn)速影響的變化趨勢，為四輪獨立驅(qū)動電子差速控制提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電子油門；無刷直流電機；四輪獨立驅(qū)動

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）17-0242-02

1前沿

四輪獨立驅(qū)動電動汽車采用輪轂電機，各驅(qū)動輪可進行獨立控制，簡化了車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實現(xiàn)了能源最大利用。并具有靈活的行駛特性，能提高整車性能。采用電子油門，簡化了控制結(jié)構(gòu)，使控制多樣化，個性化，智能化。

2設(shè)計思想

2.1系統(tǒng)總體控制

如圖1所示，四輪獨立驅(qū)動電動汽車采用MC9SXS128作為控制的CPU，主控CPU采集油門深度、剎車深度和方向盤的轉(zhuǎn)向角，依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向模型，主控CPU對數(shù)據(jù)進行濾波、優(yōu)化以及計算出電動汽車的四個輪子的速度，通過CAN總線將計算出的速度發(fā)送至輔控CPU中，輔控CPU給驅(qū)動板發(fā)送PWM波驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，并實時檢測車輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

通過CAN總線，四輪驅(qū)動電動車中央控制器將各個車輪的速度等設(shè)定值傳送給各個車輪的控制器。同時，各個車輪的控制器以及各電機控制器將實際轉(zhuǎn)速等信息通過CAN總線反饋給中央控制器。

2.2阿克曼轉(zhuǎn)向模型

圖2為阿克曼轉(zhuǎn)向模型，汽車在直線行駛或轉(zhuǎn)彎行駛時，每個車輪的運動軌跡都要符合它的自然運動軌跡，在轉(zhuǎn)彎時使四個車輪的路徑圓心交匯于后軸延長線上瞬時轉(zhuǎn)向中心，所有車輪都在同一轉(zhuǎn)向中心以至于在轉(zhuǎn)彎時不會發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，從而使車輪與地面處于純滾動而無滑移現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)向特性分析：直線行駛時，四個輪子的軸線都相互平行，而且垂直與汽車縱向軸心面。汽車在轉(zhuǎn)向行駛時，四個車輪的路徑圓心交匯于后軸延長線上瞬時轉(zhuǎn)向中心。

運動分析：以目前開發(fā)的四輪獨立驅(qū)動電動車為例，車身長度L=1.365m，車身寬度W=1.19m。設(shè)前內(nèi)輪轉(zhuǎn)速為Vin，前外輪轉(zhuǎn)速為Vout，后內(nèi)輪轉(zhuǎn)速為V3，后外輪轉(zhuǎn)速為V4。

2.3轉(zhuǎn)向角度分析

實驗用車采用純機械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成原理如圖3所示。

2.3.1分析過程

車體（實驗用車）結(jié)構(gòu)特性簡述：轉(zhuǎn)向節(jié)臂（8）與車輪方向平行，且轉(zhuǎn)向節(jié)臂與車架連接點在轉(zhuǎn)向過程中不會相對于車身前后移動；轉(zhuǎn)向搖臂（6）與車的運行方向垂直（即與車身方向垂直）。所以在車的正常運行過程中轉(zhuǎn)向節(jié)臂（8）與車架連接點與轉(zhuǎn)向搖臂（6）所在直線的距離是定值A(chǔ)（10.5cm）。

其他參數(shù)：轉(zhuǎn)向節(jié)臂（8）的長度B（8.5cm），轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向搖臂（6）相對于零點（車直行時轉(zhuǎn)向搖臂的位置）的距離C（單片機檢測），轉(zhuǎn)向直拉桿（7）的長度D（27.5cm），轉(zhuǎn)向節(jié)臂和車架連接點與原點所在中心線的距離也為定值Z（26.5cm）。

2.4分析圖解

1）直行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直行俯視簡圖如圖4：

2）左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)左轉(zhuǎn)俯視簡圖如圖5：

3測試分析

對前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)速Vin進行測試：轉(zhuǎn)角變化為2、4、6…70度，準備轉(zhuǎn)向時的車速為10、20、30…90km/h得到的Vin變化曲線為圖7所示。

從下到上依次為車速V為10、20、30、…、90km/h對應(yīng)的曲線，從圖中可以看到轉(zhuǎn)角在大于49。的時候車輪轉(zhuǎn)速為負，也就是輪轂電機開始反轉(zhuǎn)。從三維圖8可以更詳細的觀察到車速和轉(zhuǎn)角對轉(zhuǎn)向時Vin的影響。0～100坐標軸是車速，0～1.4坐標軸是轉(zhuǎn)角弧度觀察前外輪的速度變化曲線：隨著轉(zhuǎn)角和速度的增大Vout越來越大，轉(zhuǎn)角越大上升越快。

同理測試V3和V4的變化曲線，前內(nèi)輪V3當轉(zhuǎn)向角大于66.5°時輪轂電機才開始反轉(zhuǎn)。對比Vin和Vout，轉(zhuǎn)向時后輪和前輪有相同的變化趨勢，但V3和V4的變化幅度要小一些。

4結(jié)論

四輪驅(qū)動對比傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢，四輪獨立驅(qū)動電動汽車將車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向體系中解放出來，形成一種全線控的四輪可獨立驅(qū)/制動/轉(zhuǎn)向的先進車輛。它具有更多的可控自由度，可以完成傳統(tǒng)汽車無法完成的原地轉(zhuǎn)向、斜行和橫向移動等特殊功能，極大地提升了汽車的機動性能。不僅如此，還可以通過對整車動力學集成控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以完成車輪轉(zhuǎn)向、驅(qū)動、制動的協(xié)調(diào)控制，從而可以保證車輛每個輪胎具有最大附著度，提高整車的操縱穩(wěn)定性。