輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車電子差速低速轉(zhuǎn)向控制仿真

華磊 張成濤 陸文祺 王佳奇

摘 要：針對輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電子差速的問題進(jìn)行研究，通過對輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)汽車的差速裝置驅(qū)動(dòng)進(jìn)行比較分析.根據(jù)阿克曼汽車轉(zhuǎn)向模型和各個(gè)輪轂電機(jī)獨(dú)立可控，提出基于MATLAB /simulink搭建汽車?yán)硐霠顟B(tài)下的轉(zhuǎn)向仿真建模.仿真結(jié)果表明：Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向幾何模型可以計(jì)算出給定方向盤角度下的各個(gè)車輪的實(shí)際速度，進(jìn)而分別控制各個(gè)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電子差速的目的，滿足汽車低速轉(zhuǎn)向的要求，對進(jìn)一步研究電動(dòng)汽車獨(dú)立轉(zhuǎn)向電子差速等問題具有一定的借鑒意義.

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；電子差速；MATLAB/Simulink 仿真

中圖分類號：U469.720.3 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.012

0 引言

日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺等問題給汽車行業(yè)帶來了巨大的影響，發(fā)展純電動(dòng)汽車被世界各國廣泛認(rèn)為是解決環(huán)境污染最有效的方式之一[1].輪轂電動(dòng)汽車采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)車輪獨(dú)立可控，動(dòng)力傳動(dòng)的硬件連形式改為軟連接形式，跟傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，減少了離合器、差速器、傳動(dòng)軸等傳動(dòng)裝置，使得汽車結(jié)構(gòu)大為簡化，整車質(zhì)量減輕，提高了傳動(dòng)效率，滿足電動(dòng)汽車發(fā)展的新方向[2].

孫明江[3]通過CarSim軟件和MATLAB/simulink軟件對電動(dòng)汽車差速進(jìn)行聯(lián)合仿真，以采集輪速控制模塊和目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差作為輸入，采用PID控制算法，計(jì)算出各個(gè)車輪所需的驅(qū)動(dòng)力矩.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提高了電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電子差速.丁張根等[4]提出CANoe和MATLAB聯(lián)合仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速控制.對研究輪轂電機(jī)電動(dòng)車電子差速控制奠定了良好的基礎(chǔ).

本文以阿克曼轉(zhuǎn)向原理計(jì)算出左右車輪所需的轉(zhuǎn)速，結(jié)合文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)之間通訊快速、穩(wěn)定、可靠，可以實(shí)現(xiàn)整車控制器控制各個(gè)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速.在MATLAB/simulink中建立電動(dòng)汽車低速、靜態(tài)轉(zhuǎn)向的仿真模型，在實(shí)驗(yàn)仿真中要求車速不高于16 m/s，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明四輪輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車低速轉(zhuǎn)向中滿足實(shí)驗(yàn)要求.但是阿克曼轉(zhuǎn)向原理也存在弊端，電動(dòng)汽車在轉(zhuǎn)向角為20°時(shí)右前車輪仿真轉(zhuǎn)速為16.5 m/s，超過電動(dòng)汽車實(shí)際最高轉(zhuǎn)速16 m/s，不符合實(shí)驗(yàn)要求.

1 輪轂電機(jī)電動(dòng)實(shí)驗(yàn)車結(jié)構(gòu)簡圖

輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，由4塊12 V的鉛酸蓄電池串聯(lián)為48 V作為整車的主電源，分別給4個(gè)650 W的輪轂電機(jī)供電，每個(gè)輪轂電機(jī)獨(dú)立可控，當(dāng)控制器接收來自駕駛員的操作命令，并做出相應(yīng)的反應(yīng).汽車轉(zhuǎn)向時(shí)控制器采集方向盤轉(zhuǎn)角，求出左右車輪轉(zhuǎn)向角度，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向模型控制算法計(jì)算出各個(gè)車輪的速度，主控制器向各個(gè)輪轂電機(jī)控制器發(fā)出控制命令，無刷控制器調(diào)整相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到電子差速低速轉(zhuǎn)向的功能[5].

2 電動(dòng)汽車電子差速分析

汽車在行駛的過程嚴(yán)格按照駕駛員的意愿改變方向稱之為汽車轉(zhuǎn)向.由于輪轂電機(jī)直接安裝在電動(dòng)車輪內(nèi)，與傳統(tǒng)汽車相比減少了離合器、變速箱、傳動(dòng)軸差速器、半軸[6]，極大的簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減輕了整車質(zhì)量，從而提高了傳動(dòng)效率，增加了續(xù)航里程，減小了環(huán)境污染.當(dāng)汽車按直線行駛時(shí)只需要保證各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速相等即可；汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)為避免側(cè)滑現(xiàn)象，就必須保證各車輪相對于汽車旋轉(zhuǎn)中心的角速度相等[7].轉(zhuǎn)彎的時(shí)候整車控制器采集轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)角信息，通過阿克曼轉(zhuǎn)向原理計(jì)算出各個(gè)車輪所需的實(shí)際轉(zhuǎn)速，控制輪轂電機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到差速的目的.又因?yàn)楦鱾€(gè)車輪獨(dú)立可控，可以容易實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速、汽車轉(zhuǎn)向的力傳動(dòng)特性和角傳遞特性，電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向控制流程圖如圖2所示.

3 建立差速模型

本文根據(jù)阿克曼原理建立輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車低速轉(zhuǎn)向模型，該轉(zhuǎn)向模型認(rèn)為車體為剛體且不考慮輪胎非線性影響，轉(zhuǎn)向時(shí)只考慮前輪轉(zhuǎn)向后輪不轉(zhuǎn)向，以此簡化轉(zhuǎn)向模型，更好的進(jìn)行公式的推導(dǎo)，模型如圖3所示.

圖3中，O點(diǎn)為四個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)中心的交點(diǎn)，C為左右車輪輪距，L為前后軸距，A和B分別為前軸和后軸到質(zhì)心的距離，δ為阿克曼轉(zhuǎn)角無法通過實(shí)際測得，β為車輛縱向行駛速度與車輛行駛速度的夾角，δ1和δ2為轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向角度；V 為車輛實(shí)際速度，Vx為車輛前進(jìn)速度，Vy為車輛側(cè)向速度，V1—V4為各個(gè)車輪縱向平移速度，R1—R4為對應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，R為質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的半徑[8]，R0為車輛前軸轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，ω為垂直速度.

由圖中的幾何關(guān)系可以得：

計(jì)算出各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，就可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件仿真實(shí)驗(yàn).

4 基于MATLAB/simulink建模仿真及結(jié)果分析

4.1 仿真建模

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向模型分析，在MATLAB2010版本中建立chasu.mdl文件，其中軸距L=2 m，后軸到質(zhì)心的距離B=0.6 m，輪距C=0.6 m，模型仿真模型如圖4所示[9].取文獻(xiàn)[10]中整車參數(shù)在simulink中仿真.

4.2 仿真結(jié)果

在輸入不同車速時(shí)，以左輪轉(zhuǎn)向角度為參照，記錄下不同車速對應(yīng)不同轉(zhuǎn)向角下的車速在MATLAB中仿真得出4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速如圖5—圖7所示.其中圖5—圖7左側(cè)圖為L=2.00 m，B=0.60 m，C=0.60 m所仿真的結(jié)果圖；右側(cè)圖為L=2.70 m，B=1.45 m，C=1.56 m所仿真的結(jié)果圖.

在模型中輸入不同的車速和轉(zhuǎn)角，就可以得出相對應(yīng)各個(gè)車輪的車速.由圖可知在電動(dòng)車左轉(zhuǎn)向的時(shí)候，其車速是外側(cè)車速大于內(nèi)側(cè)車速，滿足[V=ω*R].在通過整車控制器控制電機(jī)控制器輸出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電子差速和轉(zhuǎn)向.

5 結(jié)論

根據(jù)MATLAB/simulink仿真結(jié)果可知，這種仿真模型適合于低速、靜態(tài)下的電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向仿真，且電動(dòng)汽車四輪車速不同達(dá)到差速的目的，為電子差速控制提供可靠理論依據(jù).從不同的車型仿真對比中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向的時(shí)候外側(cè)轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)速，符合車輛轉(zhuǎn)向?qū)嶋H情況.當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，外側(cè)車輪速度將保持不變.如轉(zhuǎn)向角為20°時(shí)，輸入車速為15 m/s的時(shí)候，仿真得出右前輪車速為16.5 m/s超過實(shí)際車輪最大轉(zhuǎn)速16 m/s，在繼續(xù)增大轉(zhuǎn)向角度和輸入車速對設(shè)計(jì)的低速差速器沒有太大意義，同時(shí)電動(dòng)車差速效果差且出現(xiàn)車輪打滑現(xiàn)象.從實(shí)驗(yàn)也證明了阿克曼原理適合于低速轉(zhuǎn)向.

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