四輪轂電動機獨立驅動電動車轉向策略的試驗

宋龍龍，　鄭　培,　范滿珍

(1. 內蒙古工業大學 能源與動力工程學院, 內蒙古 呼和浩特, 010051；

2. 山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255000)

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四輪轂電動機獨立驅動電動車轉向策略的試驗

宋龍龍1，鄭培1,范滿珍2

(1. 內蒙古工業大學 能源與動力工程學院, 內蒙古 呼和浩特, 010051；

2. 山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255000)

摘要：根據電子差速技術原理分析計算了四輪轂電動機驅動電動汽車的4個車輪轉向時的理論車速；利用永磁無刷直流電動機作為驅動源搭建了電動智能小車，利用該智能小車進行道路行駛實驗，對轉向理論車速和實驗車實際行駛車速進行對比。實驗結果表明： 試驗車4個車輪的轉向車速與前期轉向理論的分析結果基本一致，總體誤差不超過10%，說明輪轂電機驅動電動車在轉向時滿足Ackerman轉向原理和電子差速技術。

關鍵詞：輪轂電動機; 電子差速; 電動汽車; 轉向控制

石油資源的緊缺和環境污染是當前世界所面臨的兩大問題。發展新能源汽車是緩解資源與環境問題的一條主要路徑。作為新能源汽車的純電動汽車具有零污染、噪聲小、能源來源廣等優點，故其具有較好的發展前景。

電動汽車采用輪轂電動機驅動技術，擺脫了傳統機械傳動的設計約束，用線驅動來傳遞能量源與電動機之間的功率，使得該技術具有以下獨特的優勢： ① 去掉了機械傳動部分，傳動效率得到提高，整車質量減輕[3];② 輪轂電動機直接安裝在車輪上，大大減小了占用空間，簡化了底盤的骨架結構；③ 輪轂電動機技術對各車輪采用制動能量回收系統，提高了汽車能量的利用效率，節約了能源，提高了電動汽車的續駛里程[4]。另外，與一般的單電動機中央驅動型電動車以及內燃機汽車相比，四輪轂電動機獨立驅動電動汽車在傳動效率、底盤結構和控制性能等方面具有獨特的技術優勢。

目前，對于純電動汽車差速轉向技術的研究越來越受到重視。文獻[1]中針對電動汽車差速問題，提出以驅動電動機轉矩指令控制、轉速隨動的方法實現電動輪系統的自適應差速，并試驗驗證了電動車具有在不同工況下的實際性能，但是沒有提出具體的控制策略。文獻[2]中建立轉向動力學模型，采用神經網絡差速轉向轉矩綜合控制策略，使用仿真軟件對不同車速和轉向角進行了仿真，證明了該策略可以增加汽車在低轉速時的平穩性和操控性。文獻[3]中提出了驅動轉矩分配控制和橫擺角速度反饋控制策略，仿真數據表明，該種策略滿足汽車在不同工況下的差速轉向。上述文獻所涉及的內容雖有差速功能，但是未能驗證帶輪轂電動機的汽車是否滿足Ackerman原理和電子差速技術。本文通過小車模型試驗，證明了輪轂電動機獨立驅動的電動汽車在轉向時符合Ackerman原理和電子差速技術。

1電子差速技術

1.1　電子差速技術原理

電子差速技術是一種完全采用電控方式控制，并通過電子線路的輸入來改變各車輪轉速，使其以不同速度轉動，在轉向時保證車輪做純滾動運行而不發生滑移或滑動現象的差速方式。

具體來講，只要保證在車輛轉向時車輪相對于旋轉中心的角速度相等，車輪就不會發生滑移，根據方向盤給定的路面狀況和轉角，中央處理器計算出車輪所需的實際轉速，將左、右車輪需要的轉速信號傳送給電機控制系統，從而實現兩輪之間的差速控制。電子差原理圖如圖1所示。圖中，Rf,in、Rf,out分別為前軸內、外車輪轉向半徑；Rr,in、Rr,out分別為后軸內、外車輪轉向半徑；Cr,in、Cr,out分別為后軸內、外車輪軌跡圓的圓長；δin、δout分別為前軸內、外車輪轉向角；δ為方向盤轉角；Rf和Rr為前、后軸中心轉彎半徑；vrl、vrr分別為后軸左、右兩個車輪的線速度；lf、lr分別為前、后軸到汽車質心的距離；vo為質心速度；CG為汽車質心；df、dr分別為前、后軸左右輪距。

圖1　電子差速原理圖Fig.1　Diagram of electronic differential principle

當輪轂電動機驅動電動汽車直線行駛時，由于車輪與電動機直接相連，車輪的角速度與電動機轉子旋轉的角速度相等，即

ωrl=ωrr

(1)

式中,ωrl、ωrr分別為左、右驅動車輪的旋轉角速度。

當電動汽車轉向時，為方便進行電子差速的原理分析，做以下假設： ① 車體剛性；② 車輪為純滾動狀態；③ 不考慮輪胎側向變形；④ 不考慮側向彈性系數的變化。

由圖1及其幾何關系可得：

(2)

式中，K為兩主軸中心延長線到地面交點間的距離。

汽車在上述假設條件的前提下轉向行駛時，4個車輪相對于轉向中心的角速度相等，設角速度為ω0，則有以下函數關系：

(3)

相對于轉向中心，整車中心的旋轉半徑為

(4)

(5)

式中，

vrl=ωr·Rr,in=ωrl·r

vrr=ω0·Rr,out=ωrr·r

上述討論的轉向模型還可簡化為更簡單的模型，即

(6)

由該模型看出，內、外側車輪在車輛轉彎時的轉速比就是其半徑比。

1.2　電子差速總體控制策略

四輪轂電動機驅動電動汽車的電子差速技術是一個復雜的控制過程，需要對4個輪轂電動機同時進行差速計算和速度控制。為達到差速、差力最完美的設計效果，在調壓控制策略下，以驅動輪的轉矩Td作為控制變量，建立如圖2所示的電子差速控制系統。

圖2　電子差速轉向總體控制框圖Fig.2　Block diagram of overall control of　electronic differential steering

2基于Ackerman的轉向原理

Ackerman轉向原理簡單地說是一門幾何科學，它解決了汽車在轉彎時內、外轉向輪路徑指向圓心有所不同的問題[5]。其轉向原理如圖3所示。

圖3　Ackerman轉向原理Fig.3　Ackerman steering principle

由Ackerman轉向幾何可見，電動汽車前面2個轉向輪與2個后輪的軸線在汽車處于轉向狀態時相交于O點，這就是汽車轉向時的瞬時轉向中心。若假設汽車是一剛體，則汽車上的所有點都將圍繞O點為中心做圓周運動，此時，4個驅動輪也將圍繞O點做無摩擦的純滾動運動，此時前面2個轉向輪的轉角關系為[5-6]

(7)

輪轂電動機驅動電動汽車的四輪差速關系為

ω0=vi/Ri

(8)

式中，vi為汽車第i輪的行駛速度；Ri為汽車第i輪的轉向半徑；其中，i指前、后軸內、外輪4個車輪；ω0為汽車回轉的角速度。

電動汽車在轉向過程中，全部車輪都繞圖3所述的瞬時轉向中心O做圓周運動，以保證所有車輪只有極小地滑移或都處于純滾動而無滑動的狀態。

3試驗內容

本文利用由4個永磁無刷直流電動機驅動車輪組成的智能小車來模擬汽車的道路行駛，以驗證其轉向狀態。

3.1　試驗車參數

為實現對輪轂電動機電動汽車行駛工況的模擬，并盡量達到真實行駛狀態，故選擇適合試驗小車所需的設備及零部件尤為重要。

3.1.1輪轂電動機的選擇在分析了諸多因素后，本次實驗選擇4個130直流電動機作為模擬小車的輪轂電動機。其主要參數如下： 額定功率為 1.43W；額定電壓為3~6V；最高轉速為 12000r/min；額定轉矩為 1.31N·m；外形尺寸為 70mm×22mm×18mm。

為測出4個驅動輪的車速，分別在4個車輪上安裝了編碼盤，并使用施密特觸發器反相器74HC14(防止臨界輸出抖動)，作為核心器件構成中控電路。測速模塊如圖4所示。

圖4　測速模塊Fig.4　Speed test module

3.1.2驅動器和控制器的選擇本實驗選用的是4個永磁無刷直流電動機，考慮到單片機IO接口只能提供5~10mA電流，不能直接驅動電動機，故使用了一個L298N雙H橋直流電動機驅動芯片作為模擬小車的驅動器驅動模塊來滿足實驗要求。驅動器實物如圖5所示。

圖5　試驗用L298N雙H橋直流電機驅動器Fig.5　L298N dual H bridge DC motor drives　used in the experiment

實驗選取主芯片為STC89C52的51單片機作為模擬小車的控制器。該主板體積小，質量輕，方便將編寫好的程序直接下載到單片機中。最后，根據實驗需求將購置的小車零部件組裝起來，實驗模擬小車如圖6所示。

圖6　四輪轂電機驅動的電動車實驗模擬車實圖Fig.6　Diagram of simulated four wheel motor drive　electric vehicle used in the experiment

3.2　實驗數據分析

使用程序編輯器Keil uVision4編寫程序，生成后綴為.hex文件，并下載到單片機中。為驗證該模擬電動小車的轉向是否滿足Ackerman原理以及電子差速原理，實驗前，將黑色薄土涂抹在模擬車的4個車輪上，并在實驗地面上鋪設大篇幅的白色圖紙，保證小車的轉向印記可以全部留在圖紙上，方便精確繪制轉向圖。實驗流程圖如圖7所示。

考慮到汽車左、右轉向是一致的，本文實驗只對左轉向進行了繪圖研究，實驗左轉向部分過程如圖8所示。如圖所示，本實驗所用模擬車尺寸較小，本文測量及計算得到的數據均為近似值，其中，Rf,in≈395mm；Rf,out≈550mm；Rf≈472mm；RCG≈463mm；兩前輪間距dr≈160mm；Rr,in≈380mm；Rr,out≈540mm；前、后輪間距lf+lr≈108mm。

圖7　模擬電動車轉向行駛實驗流程圖Fig.7　Flow diagram of experiment process of the simu-　lated electric vehicle turning left or right

由試驗小車上的數碼管顯示可知：vfl=341mm/s，vfr=486mm/s，vrl=332mm/s，vrr=471mm/s。

根據測量得到的數據，結合上文關于電子差速工作原理及基于Ackerman的轉向原理，可近似計算得到：

Cr,in=2πRr,in=2π×380=2388mm

Cr,out=2πRr,out=2π×540=3393mm

由于本實驗在轉向時采用的速度v0=440mm/s，即控制器顯示屏的速度也就是基準速度，將v0=440mm/s代入式(5)求得

則

vfl=ω0Rf,in=0.95×395=375mm/s

vfr=ω0Rf,out=0.95×550=523mm/s

vrl=ω0Rr,in=0.95×380=361mm/s

vrr=ω0Rr,out=0.95×540=513mm/s

表1給出了4個車輪線速度的理論值與實際值對比。由表1可知，理論計算的數據和試驗測出的數據基本吻合，總體誤差不超過10%。存在誤差的原因主要包括： 測速模塊的數碼盤靈敏度不夠；小車車輪為橡膠的，存在差異等。

圖8　模擬車左轉向行駛實驗圖Fig.8　Diagram of simulated car turning left

參數理論值試驗值誤差/%vfl/(mm·s-1)3753419.9vfr/(mm·s-1)5234867.6vrl/(mm·s-1)3613328.7vrr/(mm·s-1)5134718.9

4結語

本文利用電子差速技術原理分析計算了四輪轂電動機驅動電動汽車的4個車輪轉向時的理論車速；然后，利用4個輪轂電動機獨立驅動的電動智能小車完成模擬道路行駛實驗，得出試驗車的實際行駛車速；對理論值和實際值進行了比較，結果表明： 兩組數據基本吻合，總體誤差不超過10%，證明了輪轂電動機驅動電動車在轉向時滿足Ackerman轉向原理和電子差速技術。此方法為今后汽車的開發和設計提供了有力的實踐方法，減少了不必要的實車試驗操作，降低了成本。

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Experimental Research of Steering Strategy ofIndependent Drive Electric Vehicles with Four In-Wheel Motors

SONGLonglong1,ZHENGPei1,FANManzhen2

(1. College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology,

Hohhot 010051, Inner Mongolia, China; 2. Department of Transportation and Vehicle

Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, Shandong, China)

Abstract：The theoretical speed of four wheels in an electric vehicle driven by four in-wheel motor is analyzed and calculated based on the electronic differential principle. An electric intelligent vehicle was built, with a permanent magnet brushless DC motor as the driving resource. Road tests were carried out to get the actual driving speed, and then compared with the steering theoretical speed. Experimental results show that the four wheels steering speed of the test car agrees with the analysis results, with the total error less than 10%. Therefore the in-wheel motor drive electric vehicle meets Ackerman steering principle and the electronic differential technology when steering.

Key words：in-wheel motor; electronic differential; electric vehicles; steering control

文獻標志碼：A

中圖分類號：U 469.72

文章編號2095 - 0020(2015)06 -0331 - 06

作者簡介：宋龍龍(1986 -)，男，碩士生，主要研究方向為純電動汽車的控制策略，E-mail： sll0539@163.com

收稿日期：2015 - 08 - 26