四輪轂電機電動車的電子差速控制方法

楊濛 　李睿智　 金家林

摘要：通常四輪獨立驅動的電動汽車電子差速系統都是基于轉矩分配進行的，本文提出了一種通過對各輪速進行轉速分配的電子差速系統，利用Ackermann-Jeantand轉向模型，實時計算電子差速過程中隨著轉角角度以及車輛速度變化的各個車輪的所需轉速，并分析了轉向時轉向輪之間的轉矩分配問題。在carsim聯合matlab仿真中通過多種車輛工況仿真實驗驗證了所提出的算法的實用性以及可行性，仿真結果表明，整車系統動態性能良好，電子差速控制策略可以滿足四輪獨立驅動電動汽車的行駛要求。

關鍵詞：電動車；輪轂電機；電子差速；控制方法

隨著能源短缺的危機和環境污染的日益嚴重，燃油車正逐漸被新能源汽車替代，電動汽車的出現可以解決上述問題，并且已經得到了廣泛的關注，在電動汽車中，對于電機驅動控制系統，大部分電動車采用驅動電機與差速器相連再帶動車輪的方式，通過電機驅動機械差速器來使得內外車輪的速度差實現差速。而獨立輪驅動的電動汽車會根據不同的方向轉角來分配給內外側車輪不同的驅動力矩來實現車輛的差速算法，但這種算法并不能減小車輛的轉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。

電子差速即通過車輛在不同轉角以及車速的情況下，計算所需要的各輪輪速，然后經過對電機的轉速控制，從而實現車輛的差速算法。

1 電子差速方法

電子差速的方法是通過駕駛者輸入的轉角信號和油門信號傳入控制器，再由控制器根據當前整車狀態值計算出各輪所需轉速，然后通過通信等方式分配給各輪控制器，再由各輪控制器根據所給定的輪速對電機做出調速，從而實現車輛的順利轉彎。

1.1 轉向原理

四輪電子差速需要對4個輪轂電機同時進行速度控制和差速計算，是一個復雜的控制系統。其中包括方向盤轉角傳感器、霍爾傳感器、電機控制器、4個輪轂電機。

電子差速轉向系統根據當前狀態實時調整電機轉速。改變各輪轉速實現差速。當電動車需要向右轉向時，則需右側輪速小于左側輪速。由于左右側的輪速差異，在同一時間內，左側輪行駛距離大，右側輪行駛距離小，此時整車就會向右側轉向。在控制器中過程如下：（1）方向盤的角度輸出信號由通信方式傳入整車控制器，在這之前，定義傳入的轉角信號取值范圍；（2）采集油門信號，并且根據之前的油門量與速度量標定得出總的期望車速；（3）由所輸入的轉角信號和期望車速得出各輪所需轉速，進行分配。

1.2 差速計算分析

本文電子差速方案的目的是研究汽車轉向時車速、轉角和各輪速之間的內在關系，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，即計算電動汽車在普通路面上行駛，從而計算各個參數。為了進一步研究方向轉角、車速和車輪速之間的關系，就必須簡歷三者之間的函數公式方程。

由此整車模型如圖1所示。根據阿克曼轉向模型進行公式推導，涉及到的車身參數有：前輪轉向角δ，單位為度；車身長度L；車身寬W；轉向半徑R。內、外輪轉向半徑Rin、Rout；為內、外輪轉彎周長Cin、Cout。

2 仿真實驗分析

電動車在進行電子差速轉向時，其當前的運行方式對電子差速方案的實施有著重要的影響。根據不同的工作模式，電子差速運行時，當前電動車的速度狀態和轉向角度指令都要作相應的變化和調整。

2.1 勻加速減速直線行進工況

仿真工況為汽車處于運直線加減速，從車身速度圖來看，車身速度能很好的跟隨給定速度，表示車輛速度可控。從速度對比2中得出，各輪轉矩的輸入在加速時提供正向轉矩，減速時提供反向轉矩，各輪滑移率始終保持為零，說明車輪與地面無明顯滑動。從轉速差值觀測出，各輪輪速與給定輪速差穩態收斂，說明單個輪輪速可控。最后從穩定性方面，車輛滑移角和橫擺角速度始終為零，說明車輛始終處于穩定狀態

2.2 勻速蛇形行進工況

仿真實驗為車輛恒速蛇形行駛，從車身速度圖來看，經過加速后出現超調，但很快跟隨。從速度對比2中得出，各輪轉矩的在最初提供最大轉矩保證車輛能快速跟隨，各輪滑移率始終保持為零，說明車輪與地面無明顯滑動，從轉速差值中觀測出，各輪輪速與給定輪速差穩態收斂，說明單個輪輪速可控。最后從穩定性方面，車輛滑移角和橫擺角速度始終不超過臨界值（即20%和45deg/s），說明車輛始終處于穩定狀態。

3 總結

本文的電動車控制器和電子差速系統主要解決了以下問題：

1）本文使用無刷直流輪轂電機進行驅動和調速控制用于驅動四輪獨立驅動的電動汽車。

2）本文所使用的聯合仿真平臺實現了對基于轉速分配的算法仿真的驗證。

3）本文所提出的基于轉速分配的電子差速器適用于低速電動汽車。

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