新型無舵機轉向電動代步車設計與開發

闞英哲，羅　勇，龍克俊，謝小洪，程　新

(重慶理工大學 重慶汽車學院，重慶　400054)

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新型無舵機轉向電動代步車設計與開發

闞英哲，羅勇，龍克俊，謝小洪，程新

(重慶理工大學 重慶汽車學院，重慶400054)

針對市場上現有代步車、平衡車體積、質量較大，而且需要一定的時間來學習才能掌握駕駛技能的問題，設計了一款轉向靈活平穩、車速安全適中、體積小巧、質量輕便的新型代步車。以輕便實用為原則，對整車的機械結構與目標參數進行了設計。針對不使用舵機而采用轉速差來實現轉向的特點，研究了轉向角的計算方法。同時為了實現轉向的平穩性，對控制系統的硬件和軟件進行了規劃與設計。采用PID控制方法實現對電機的穩定控制。對樣車的測試結果表明：所設計的代步車結構合理、操作簡單、行駛平穩，能滿足廣大使用者對代步車功能的需求。

新型代步車；轉向設計；轉角計算；PID

隨著社會文明的發展，科學的進步，人類物質文化生活水平的提高和環保、能源意識的增強，人們的工作、學習、生活節奏日益加快，社會呼喚著一種無污染、低噪聲、操作簡單、速度適中的個人交通代步工具。如今活躍在市場上的有平衡車、電動車以及電動滑板車。樂行2013年發布其自主研發的第一代平衡車，正式上市10個月，實現銷售額2億元[1]。2015年，廣東檢驗檢疫局轄區內平衡車出口量已超過1 000萬臺，在國外的銷量增幅超過200%[2]?？梢?，代步車具有廣闊的發展前景。但是這些代步產品體積、質量較大，而且需要一定的時間來學習才能掌握駕駛其技能。針對以上存在的問題，本研究設計了一款體積小、質量輕，可以放在背包中的輕型代步車。該車不僅攜帶方便，而且操作簡單，在短時間內便可熟練、安全、方便地使用。

1　機械結構設計與目標參數設定

1.1設計目標參數

代步車機械結構如圖1所示。左右2個電極分別帶動2個車輪旋轉。該車配有2個電極驅動器，分別對左右電機進行轉速控制，同時讀取電機的轉速脈沖返回單片機，方便計算車輪轉速。為了減少小車的質量和體積，該車沒有使用舵機等傳動系統，而是將前輪固定在軸承上，利用左右車輪的轉速差實現轉向，簡化了整車的結構。后輪采用萬向輪，可以在小車進行轉向的時候調成任何角度，使得小車轉向更為流暢。壓力傳感器放置于小車的車身上方，對稱分布在適合人腳踩踏的位置，通過控制腳上的壓力來控制小車的直行和轉向。

使用者可以站在2個壓力傳感器放置的位置，通過2只腳的壓力變化控制小車直行或者轉向。當左腳的壓力比右腳的壓力大時，小車會進行左轉，反之右轉。當2只腳的壓力差在一定小的范圍內，小車會直行。當使用者使用較大的壓力踩壓力傳感器時，小車會以較高的車速行駛；以較小的壓力踩時，小車會以較低的速度行駛。

圖1　代步車機械結構

該車是一款城市便捷代步車，其最高車速要在安全適中的范圍內。交通專家通常將自行車的正常車速定位于15km/h，基于代步車的行駛車況以及操作難易度，該車設計最高車速為10km/h。這樣，既保證了使用者的一般速度要求，又保證了行車安全性。在爬坡坡度為5°的時候也應保持6km/h的速度。另外，除去使用者個人的質量，還應該在載質量上額外加入使用者攜帶物品的質量。

該車為短距離行程代步車，行駛里程的設計必須綜合使用者的一般目標行駛里程、每次為小車充電時間間隔，以及電池的電容量和體積大小的關系。如果電池容量過大，雖然行駛里程和充電間隔時間會加長，但是由于體積過大，使得小車失去了原有的輕便性。

綜上，本車的設計目標參數如表1所示。

表1　設計目標參數

1.2電機的選擇

按所用電機的種類，電動車驅動分為直流有刷電機驅動和直流無刷電機驅動。直流有刷電機控制簡單，啟動、加速平穩，調速性能良好，然而由于其換相時需要換向器和電刷，機械磨損嚴重，需要定期維護，且效率偏低。直流無刷電機用電子換相電路代替換相機構實現換相，提高了效率，且其體積、質量小，啟動加速較直流電機快。當前市場上直流有刷電機正在被直流無刷電機取代。

按電機轉子是否通過機械機構驅動輪轂，電動車驅動分為無齒驅動和有齒驅動。無齒驅動是電機轉子直接驅動輪轂轉動，其驅動效果完全取決于電機的機械特性和控制方式，為了增強電機的啟動、爬坡能力，啟動時電流應足夠大。相關試驗結果證明：電動車在坡度為15°的路面行駛且負載2人時，其電流需達30A。然而長時間過大的啟動電流會引起電機退磁、蓄電池過放電和控制器燒壞，所以必須對這兩方面因素進行折中考慮，希望在較小的電流下實現比較大的轉矩輸出。當前市場上的電動車大多采用直接驅動方式，其限流值根據蓄電池容量為12～20A，啟動時間達20s，啟動時間過長，爬坡能力不足。有齒驅動是利用減速齒輪機構的減速增扭作用，使得在相同電流下輸出到輪轂的轉矩為無齒驅動的數倍，從而有效解決了電流和轉矩的矛盾。然而在有齒驅動方式下，電機轉子經常工作在3 000～5 000r/min，使得電機齒輪磨損嚴重，維護成本變高。

直流無刷電機低速直接驅動配置方式的缺點:① 啟動、加速緩慢，爬坡能力不足。直接驅動方式由于沒有變速機構而直接驅動電機轉動，所以整車對于不同道路的適應能力只能完全取決于電機的動力性能——轉矩、轉速特性，而電機在啟動時固有的低速大電流特性，使得低速大扭矩的迎風或爬坡等行駛能力受到很大限制。② 整車故障率高。由于啟動、加速能力差，電動車在遇到上坡路時只能通過增大電流來增大爬坡能力，使得電機經常工作在大電流狀態下，發熱嚴重，特性變差，退磁加快，壽命降低。同時控制器開關器件經常工作在大電流狀態下，使得故障率升高。③ 蓄電池壽命降低。由于啟動、加速、上坡時電機母線電流過大，使得蓄電池經常處于過放電狀態，甚至達到2C、3C放電，嚴重降低了蓄電池的壽命。據統計，目前電動車蓄電池價格占整車價格的1/3，而壽命不到2年。④ 整車效率低、續航里程短。由于母線電流經常處于較大值，使得電機銅耗增大、發熱量變大、效率下降。同時，由于爬坡能力有限，爬坡速度慢，使得電機大電流上坡時間過長而浪費電量，導致續航里程變短。

綜上所述，當前電動車存在的問題是啟動速度慢、爬坡能力不足、效率低下，其本質是電流和轉矩的矛盾，希望用較小的電流實現較大的轉矩輸出。采用高速電機加齒輪減速驅動方式能有效解決這一問題。然而當整車輕載高速運行時，轉子速度太高，造成機械損耗太大。經上述分析，選擇直流無刷減速電機或者直流無刷行星減速電機。

設車速為v(km/h)，車輪半徑為r(m)，則車輪轉速n(r/min)和車速之間的關系為

(1)

已知最高車速為10km/h，若車輪直徑設計為0.064m(2.5英寸)，則根據式(1)計算得到在最高車速時車輪轉速為

(2)

考慮實際情況，70kg的成年人駕車爬5°坡時速度為6km/h，則

(3)

70×10×sin5°)×6=0.139

(4)

(5)

式中：P為總功率；PN為電機額定功(kW)；nT為傳動系效率0.90 ～ 0.92；m 為最大總質量(kg)； f 為滾動摩擦因數；umax為最高車速(km/h)。

T=(mgfcos5°+mgsin5°)=(70×10cos5°+

70×10sin5°)=1.838 9kW

(5)

(6)

根據以上計算，得出代步車的電機基本設計參數,見表2。

表2　代步車電機基本參數

結合以上參數，本車選擇上海綠色動力機電有限公司生產的57ZW24-100型直流無刷行星減速電機，該電機符合本車對于電機參數的基本要求。根據所選電機，選擇配套的DBLS-01直流無刷電動驅動器。

1.3電池容量

電機為24V直流電機，該車要求續駛里程15km。設續駛里程為X，則

(7)

式中：V為電池電壓(V)；C為電池容量(Ah)；ηM，ηI，ηT分別為電機、逆變器、傳動系統效率；λ為放電深度; ∑F為行駛過程中所有阻力之和。

4.134 6 Ah

(8)

經計算得到，在不影響車輛體積的前提下，電池容量至少為4.134 6Ah。

與鉛酸、鎳氫等電池相比，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應等優點[3]，因此選用鋰電池作為該車的電源電池。

2　控制系統設計

該車的控制系統由電源穩壓模塊、單片機最小系統板MK60DN512、電機驅動模塊、傳感器、電壓放大器等組成。為了方便程序調試，添加了藍牙串口模塊，可以將壓力傳感器采集到的實際電壓和車輪轉速脈沖反饋到電腦上。

使用者腳下的電壓由壓力傳感器采集，經由電壓放大芯片放大，傳輸至單片機ADC模塊引腳。單片機ADC模塊進行數模轉換，將電壓轉換為數值輸入控制系統。經過單片機控制系統處理后，再由FTM模塊將數字信號轉化為PWM信號，傳輸給電機驅動器，電機驅動器進而控制電機轉動及其轉速。電機驅動器將電機轉速脈沖信號傳回至單片機以供單片機對車速進行分析。

另外添加了藍牙串口模塊。串口藍牙模塊的主要功能是使用藍牙通信作為物理層替代傳統異步串行通信中的TX和RX導線，從而實現無線異步串行通信。使用藍牙串口模塊可以將單片機中讀取的電壓值和編碼器讀取的轉速脈沖無線反饋到電腦上，方便設計者讀取數字做進一步的控制分析。該車的控制系統硬件連接如圖2所示。

圖2　控制系統硬件連接

3　軟件設計

該車是利用左右車輪的轉速差來實現轉向的，當人站在小車上時，左右腳的壓力并不能掌握得非常精準。當使用者想直行的時候，由于左右腳的壓力有一些小的偏差，導致小車會進行轉向，此時，人會由于無法掌控小車而失去平衡。所以，該車的控制算法既要保證左右轉速隨著壓力的大小而變快或變慢，又要考慮到人對腳下壓力掌控的能力，故采用電壓差來控制轉向的模式。即根據左右車輪的電壓差來判定小車是左轉、直行還是右轉。

該車是利用左右車輪的轉速差實現轉向。左右車輪在軸承上固定，只能轉動，不使用舵機。由于使用者在車上雙腳站立，在保持平衡的同時很難精確把握腳下的壓力，若直接使用單片機采集的信號原始值作為轉速信號輸出的話，小車的轉向將會變得十分不穩定，并且小車保持直行也會變得非常困難。所以，該車采用左右壓力傳感器電壓采集值的差值作為小車是否直行或進行各種角度轉彎的基礎依據。當左右電壓差在0～ 1V時，令左邊車速=右邊車速=(左邊車速+右邊車速)/2，從而保證即使使用者的左右腳壓力不相等也能保持穩定的直行。轉角信號的變化會隨著車速的加快而減少，即使左右電壓差一致，當轉速不同的時候，給左右車輪的速度差也不一樣，這樣有效控制了轉向的平穩性。在轉彎工況中，在程序中輸入電壓差與目標轉速的對應關系，在每一種工況中都賦予左右車輪不同的轉速差，則可根據駕駛人的需要完成不同程度的平穩轉向，轉彎工況的設計將在下文中詳細介紹。該車的軟件控制流程如圖3所示。

3.1轉向控制

首先，假設左車輪的車速為0，右車輪以一固定轉速轉動，則車的運動軌跡是一個圓，圓的半徑即為車的寬度L2，如圖4所示。

圖3　軟件控制流程

圖4　代步車運行軌跡1

然后，假設左右車輪以不同的固定速度運行，且左邊的速度VL>右邊的速度VR，則小車的運行軌跡是一個同心圓，如圖5所示。

圖5　代步車運行軌跡2

設左輪在1s內轉過的路程為S1，右輪在1s內轉過的路程為S2,則

(9)

截取1s內小車行駛的轉角，取同心圓中的一個扇形，根據扇形公式得

(10)

因為2個扇形的圓心角相等，故

(11)

因為PIT定時中斷的時間設為1，單片機每1s讀取1次電機的轉速，所以積分上限設為1。

S1和S2已知，則

(12)

轉向半徑L=L1+L2。

已知轉向半徑L和左輪行駛距離S1，根據扇形弧長公式計算轉向角α：

(13)

求得左右車輪速度對應的轉向角α，對小車的轉向控制分析起到了至關重要的作用。

掌握了該種小車的轉向角計算方法，然后可以對轉向工況進行設計。首先，由藍牙串口模塊記錄使用者在正常使用本車時左右電壓的壓力差變化的數值分布情況，經過整理與分析之后，得到符合大多數使用者的電壓差與目標轉角的對應關系。將對應關系作為判斷使用者意圖的依據確定目標轉角。

設定3個參數為目標轉角α目標、實際轉角α實際和目標轉角與實際轉角的差值Δα。實際轉角是根據串口讀取的左右車輪轉速運用轉角計算公式算出的小車目前的實際轉角；目標轉角是利用電壓差與目標轉角的對應關系找出的符合使用者意圖的目標轉角。在程序中，根據目標轉角與實際轉角的差值，可計算輸出目標轉角的左右車輪控制電壓信號，直至Δα為0。轉向控制流程如圖6所知。

圖6　轉向控制流程

3.2起步工況控制策略

由于該車是通過雙腳踩壓力傳感器來控制電機轉動的，所以當單腳踩在壓力傳感器上而另一只腳懸空時容易發生意外，在起步時需要采取必要的安全措施。在程序中加入起步工況，寫入if函數，在其中1個壓力傳感器無數值的時候，令2個壓力傳感器的電壓值都為0，這樣小車的2個電機都不會轉動。

此外，在起步加速時，為了防止小車加速過快而導致使用者重心不穩的情況發生，在加速過程單片機讀取車輪轉速時，當車輪轉速較低時使用延時使小車緩慢加速，保證了小車的起步平穩性。

將延時啟動的程序寫入中斷，中斷觸發的條件基于單片機讀取的車輪轉速。只有當前轉速低于某一設定值時，即當控制器判定此時為小車剛起步的狀態才會出發該中斷，使小車緩慢起步。

3.3基于PID算法的電機調速控制

PID控制器是過程控制中應用最為廣泛的控制方法[5-9]。PID控制是一種由比例、積分、微分基本控制規律組合的復合控制[6]。比例環節能夠減小系統的響應時間，快速減少偏差，但是容易引起超調；積分環節主要用于消除靜差，提高系統控制精度，但是會影響系統的響應速度；微分環節能在偏差變得太大之前引入一個修正，從而加快系統的響應速度，減少調節時間[10-12]。PID控制系統的原理如圖7所示[13]。

圖7　PID控制系統原理

PID控制規律可表示為

(14)

式中：u2和u1分別是控制器的輸出和輸入，其輸入信號u1在反饋控制系統中一般為去偏差信號e(t)；KP為控制器的增益；TI為積分控制時間常數；TD為微分控制時間常數。

對式(14)進行拉式變換得：

(15)

采用齊格勒-尼克斯第二設計方法來進行PID控制器的參數初步調整。先假設TI=∞，TD=0，即先保留比例控制Kp。然后由0逐漸增加調整比例系數Kp的值，直到系統輸出首次出現持續等幅震蕩為止。這時對應的調整值Kp取為Kp=Kc，并記下震蕩周期TC。根據獲得的臨街增益Kc和TC，齊格勒-尼科爾斯法又給出了計算PID控制參數Kp、KI、KD值的公式，如表3所示。

表3　齊格勒-尼科爾斯法第二設計方法

此時，PID控制器的傳遞函數為

(16)

PID的控制率為

(17)

4　樣機開發與系統調試

開發出的便攜式電動代步車整車實物如圖8所示。利用Matlab對該車轉彎時的轉角進行分析，進而可對小車的轉向平穩性做一個判斷。在該車運行的過程中，利用藍牙串口模塊將采集的電壓傳感器電壓值和轉速信號傳輸至電腦繪制成表格。使用Matlab將轉角計算步驟編輯成M文件。將繪制的表格導入Matlab，計算出每一組數據對應的轉角，繪制成圖表進行轉向平穩性分析。

圖8　整車實物

用藍牙串口模塊采集代步車在行駛S形路線中不斷來回轉向的工況信息，繪制表格。利用轉角計算M文件將每一組數據的轉角計算出來，以時間t為橫軸，轉角值為縱軸繪制圖表，如圖9所示。

從測試結果可以看出：小車在走S形路線時，無論S路線彎度的大小如何，轉角值變化較平穩，沒有出現轉角數值的突變。在圖9中，轉角值的變化較為流暢，沒有在上升或下降的過程中出現數值波動的情況，表明在左右某一方向的轉彎中不會出現因為控制算法問題而導致的非使用者意愿突然更改轉彎方向的情況。

樣機起步平穩，轉向操控靈活，符合設計預期，驗證了理論分析的正確性及所開發的電控系統軟硬件的有效性。

圖9　代步車轉角變化

5　結束語

針對現有電動代步車操作及攜帶不便的問題，設計了基于雙電機驅動的新型便攜式電動代步車，并對該電動代步車動力系統參數進行匹配設計。

針對雙電機驅動下無舵機轉向的控制問題，分析了雙電機驅動下無舵機轉向原理，建立了雙電機驅動無舵機轉向數學模型。

基于k60單片機設計開發了新型代步車電控系統硬件，對代步車的起步、直行和轉彎等工況下的控制策略進行了設計，并開發出控制軟件。

開發的電動代步車樣機通過試驗驗證，證明了理論分析的正確性及電控系統軟硬件的有效性。

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(責任編輯劉舸)

NewDesignandDevelopmentofElectricScooterSteering

KANYing-zhe,LUOYong,LONGKe-jun,XIEXiao-hong,CHENXin

(CollegeofVehicleEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Aimingtheexistingscooter,thatcarbalancevolumeisbigger,andqualityisheavyandneedsacertainamountoftimetolearntomastertheabilitytodrivetheproductatthemarket,wedesignedasteeringandmoderatespeedwithsmoothandflexible,andsmallvolumeandlightqualitynewscooter.Basedontheprincipleoflightandpractical,themechanicalstructureandtargetparametersofthevehicleweredesigned.Inviewofthecharacteristicofsteeringwithoutusingthesteeringgear,thecalculationmethodofthesteeringanglewasstudied.Atthesametime,thehardwareandsoftwareofthecontrolsystemweredesignedandimplementedinordertoachievethestabilityofthesteering.Finally,PIDcontrolwasusedtorealizethestabilitycontrolofthemotor.Testsontheprototypeshowthatthescooterhasreasonablestructure,simpleoperationandiseasytogetstarted,stablerunning,andcanmeettheneedsofthemajorityofusersonthecarinsteadofwalkingfunction.

newscooter;designofsteering;anglecalculation;PID

2016-04-16

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51305475)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA60004)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ1500927)

闞英哲(1991—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事車輛工程研究；通訊作者 羅勇，男，博士，副教授，主要從事車輛工程研究，E-mail:luoyong@cqut.edu.cn。

format：KANYing-zhe,LUOYong,LONGKe-jun,etal.NewDesignandDevelopmentofElectricScooterSteering[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):10-17.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.002

U462

A

1674-8425(2016)09-0010-08

引用格式：闞英哲，羅勇，龍克俊，等.新型無舵機轉向電動代步車設計與開發[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):10-17.