面向校園環境的分布式電驅試驗平臺設計

王 鶴，舒紅宇，靖長青，舒 然，楊 超，李澤陽

（重慶大學機械與運載工程學院，重慶 400044）

0 引言

基于輪轂電機的電動汽車具有傳動簡潔、控制靈活、節約空間等顯著優勢，已逐漸成為智能網聯電驅動汽車研究的熱點，并引起了社會的廣泛關注，以及工業界和學術界的研究興趣［1-3］。雖然我國有很多大型汽車試驗場，但是由于實車改裝、試驗場租借費用昂貴，試驗周期長，真人駕駛車輛的安全性難以保障等因素，高校師生大多采用計算機仿真或者簡易的模型替代真實試驗環境和車輛，大大降低了教學和驗證效果［4-6］，已成為高校師生教學科研中不可忽視的問題和額外負擔。因此，開發一個可以低成本制造，便于直接在校園環境布置試驗場地，又能夠真實再現汽車運動和動力學特性的小尺度分布式電驅試驗平臺，具有重要的現實意義和教學科研價值。羅劍等［7］設計了可拓展的柔性電動平臺車，對外提供規范化的接口便于拓展改裝；陳辛波等［8］針對其開發的雙橫臂懸架-扭桿彈簧-電動輪模塊結構，設計制造了“春暉三號”試驗平臺；柴陸路等［9］通過在內燃機沙灘車上加裝輪邊電機搭建分布式驅動試驗平臺；高欣然等［10］采用型材和鋼板焊接車架來搭建試驗車；來鑫等［11］同樣采用焊接車架，針對其4WIS-4WID系統設計了整車試驗平臺。這些平臺往往因結構受限或加工精度不足無法適應復雜試驗的要求。另外，由于上述試驗平臺均需要試驗人員乘車控制車輛而不能進行具有危險性的極限工況試驗。Bill等［12］設計了遙控器控制的試驗原型車，但該車基于RC模型改裝，無法用于輪轂電機試驗。Grepl等［13］開發了四輪轉向-四輪驅動的研究教育平臺，該車采用遙控方式，但其驅動電機與底盤集成，車架結構復雜，通用性欠佳。以上試驗平臺都針對整車試驗應用提出了解決方案，但均為根據自己科研需要和特定場景設計的試驗平臺，其他教研團隊無法直接使用或通過簡單改造定制而需要重新設計，限制了其適用范圍。本文設計開發一種較為通用的小尺度分布式電驅試驗平臺，通過將實際車輛按比例縮小的方式，真實再現汽車運動和動力學特性，能夠快速開發并低成本制造，方便在校園環境中進行科研試驗和教學演示。面向校園環境試驗的需求，探討了該平臺的總體規劃和結構設計、控制架構和動力學傳感及數據采集再現方案。所提出的設計方法具有通用性強、調整靈活、制造成本低的特點。

1 試驗平臺總體規劃與功能定義

本試驗平臺的驅動系統采用4 個獨立的輪轂電機，并采用雙子電動輪［14］。該雙子電動輪內部具有2個子電機，兩個子電機功率不同且通過行星減速器轉速耦合，同時，前后軸的電動輪之間實現轉矩耦合，以拓寬試驗平臺輪轂電機高效工作區的適用范圍，可適應實際汽車不同的轉速轉矩動力需求，能夠進行各種分布式驅動系統的動力和能耗試驗。雙子電動輪基本結構和工作方式如圖1 所示。當鎖止器B1 釋放，B2鎖止，電動輪處于MG1 單獨驅動模式，MG1 輸出的轉矩經第1、第2 行星排減速增扭后，由第2 行星排齒圈輸出至輪轂。當鎖止器B1 鎖止，B2 釋放，電動輪處于MG2 單獨驅動模式，MG2 輸出的轉矩經第1、第2 行星排減速增扭后，由第2 行星排齒圈輸出至輪轂。當鎖止器B1、B2 均釋放，電動輪處于雙電機耦合驅動模式，兩電機動力在第1 行星排轉速耦合，再經第2 行星排減速增扭后輸出到輪轂。

圖1 電動輪結構及工作模式

試驗平臺在車身質心位置安裝3DM-S10B姿態傳感器［15］，可實時測量車身縱向、橫向和垂向的速度、加速度、側傾角、橫擺角速度等參數，并輸入給整車控制器進行動力學控制，方便全方位檢測試驗平臺行駛過程中的動力學狀態變化。該姿態傳感器利用地磁原理檢測，為保證其正常工作，車身需采用鋁材制造以避免鐵磁性材料產生干擾。另外，在轉向系統中配置有方向盤轉角傳感器，驅動系統中可通過旋變器檢測轉速、溫度傳感器檢測溫升，電池監控系統記錄充／放電功率和電量消耗等。上述動力學狀態和驅動轉速轉矩等大量數據均通過電腦進行存儲，方便試驗后進行數據回放和處理分析。試驗平臺采用獨立的動力電池組和輔助電池組分別為電動輪和支持設備供電，以方便計量分布式電驅動系統的能耗與效率分析。試驗平臺直接采用筆記本電腦代替整車控制器，通過USB 接口與下層的單片機通信。這種架構不僅可以實時記錄存儲平臺試驗過程的海量數據，也方便師生使用Simulink、Carsim等汽車動力學仿真和控制軟件，利于控制模型修改和整車在線調試，避免單片機底層的繁瑣編程和調試。為了保障安全性，試驗平臺還采用遙控器控制，可避免在進行極端條件動力學試驗時實驗人員直接乘坐操控所帶來的風險。

2 試驗平臺結構設計

2.1 整體結構方案

試驗平臺車體大小按照實際典型車輛的1∶3比例縮小，長寬高尺寸約為1 500 mm×700 mm ×600 mm，小于一般實驗室的門口尺寸和電梯尺寸，便于校園環境下的通行。為此，參考車輛的選擇和比例縮小方法如下：

（1）為方便設計參考數據的獲取，采用Adams／Car中的經典示例樣車作為目標參考，按比例縮小確定試驗平臺車的懸架三維硬點坐標。

（2）為降低加工成本、提高部件加工精度以及總成布置的方便性和可視化，試驗平臺將簡化車身殼體結構，采用便于精確定位的雙層平板車架代替車身。

（3）根據比例縮小的硬點坐標，設計雙層平板車架懸架和轉向機構鉸接安裝座。

（4）試驗平臺采用雙橫臂懸掛和前后獨立轉向系統，以實現更靈活的轉向驅動，開展四輪轉向相關實驗。

（5）雙層平板車架上布置電池組、控制器、傳感器、冷卻系統、管線等支持系統，并規劃管線連接方式。

（6）建立試驗平臺車三維模型，檢查整車干涉并在ADAMS 中驗證車輛動態響應與參考車輛的一致性。

2.2 懸掛系統設計

考慮到雙橫臂懸架結構緊湊，在車輪跳動時輪距、定位參數變化小［16］，設計過程中參數調整靈活［17-18］。本試驗平臺的4 個電動輪懸架均采用了雙橫臂結構。同時，為實現試驗平臺的真實車輛模擬功能，滿足空間布置和加工方便等要求，對懸架系統進行了以下調整：

（1）由于參考車縮小后的擺臂力臂較短，所需的彈簧剛度過大，在保持擺臂轉動軸線方向不變的前提下，將上下橫臂內點向車身內側移動，以放大懸架力臂。

（2）由于連接擺臂與轉向節的球鉸與電機殼體和輪輞均發生干涉，調整了電動輪布置以及輪心、橫臂外點坐標。其中在調整輪心時應注意輪胎拖距變化，調整橫臂外點坐標時應沿主銷軸線，保持前輪定位參數不變。

（3）在車輪跳動和轉向過程中，擺臂與輪輞、減振器都會發生干涉，重新調整了擺臂結構以避開干涉位置。

（4）懸架與車身和轉向節的連接均采用球鉸接頭。在車身側，球銷可以抵消擺臂旋轉軸線的傾斜，保持車架水平；轉向節側只需保證球銷硬點位置對應，就能夠安裝到試驗平臺上，實現車身和電動輪的模塊化設計，提高了平臺的通用性。

調整后的懸架結構如圖2 所示。基于調整過的擺臂結構，重新計算了減振器的剛度、阻尼和行程［19］，并定制加工。加工的減振器實物及其測試結果如圖3所示。

在圖3（b）中，舍去位移0～1.5 mm 彈簧不起作用的非線性數據點（紅色），對有效數據點（藍色）進行線性擬合，得到彈簧剛度為6.1 N／mm，預緊力為269 N，與計算值基本吻合。圖3（c）顯示了不同速度測試下，伸張和壓縮行程內的峰值阻尼力，在設計常用速度0～300 mm／s區間內，通過線性擬合得到的等效伸張阻尼系數為780 N·s／mm，等效壓縮阻尼系數為72 N·s／mm，符合伸張阻尼大于壓縮阻尼的設計原則。該減振器可用于試驗平臺懸架。

圖3 減振器總成實物及特性

2.3 轉向系統設計

試驗平臺采用的轉向器的尺寸與參考車輛不同，需要重新優化轉向梯形參數。為方便分析，將轉向器置于如圖4 所示的坐標系中，并提取出轉向梯形。圖4中，坐標系原點O為主銷軸線與地面交點，x軸正向為車身左側，y軸正向指向車尾。

圖4 轉向梯形優化示意圖

對于本試驗平臺，拉桿外點坐標（xo，yo）可視為固定。因為輪轂內空間狹小，拉桿外點只能在很小的范圍內變動，才能保證車輪轉向過程中橫拉桿不與輪輞、電機殼體干涉。故優化對象為轉向拉桿內點坐標（xi，yi）。轉向齒條的長度確定，所以拉桿內點的橫坐標xi已經確定，優化變量只有其縱坐標yi，即轉向器的縱向安裝位置。由圖4 可知，轉向器前后分別有控制器和電池組，對應轉向拉桿內點的縱向坐標范圍［yimin，yimax］，當yi超出該范圍時，會與控制器或電池組發生干涉。通過MATLAB 求解各位置時不同內輪轉角對應的外輪轉角［20-21］，并計算與阿克曼關系曲線的離差平方和，即

取離差平方和最小的位置。為兼顧優化精度和計算規模，計算步長為實際加工精度0.01 mm。優化后的轉向系統在Adams中進行仿真，結果與參考車的對比如圖5 所示。可以看出，當內輪達到最大轉角36°時，試驗平臺的外輪轉角與阿克曼轉角的誤差約為3°，而參考車的誤差約為13°，優化效果顯著，且符合設計要求。

圖5 模型車與參考車外輪轉角與阿克曼轉角誤差對比

轉向器由轉向步進電機直接驅動，傳動距離縮短，因此取消了傳統的轉向傳動軸，采用結構更緊湊的轉接軸，用于驅動轉角傳感器和轉向器。所設計轉接軸與轉向系統如圖6 所示。

圖6 試驗平臺的轉向系統

2.4 輔助與支持設備

考慮到安全性和較小的動力需求，試驗平臺采用鉛酸蓄電池供電。參考車身尺寸和各器件的供電，選取12 V、12.6 Ah 電池作為單元。考慮到電池組質量較大，所有電池被布置在車身中部，使質心靠近整車幾何中心，從而有利于通過配重塊調節質心位置。

為模擬不同載荷分布和動力參數對控制系統的影響，設計了配重使試驗平臺質心參數可調。配重塊均布置在車身上板，4 塊一組堆疊放置，可用于調整質量、轉動慣量及質心位置。試驗平臺搭載所有配重塊后，質心高度較無配重時上升20 mm，此外可通過搭載單側配重模擬車輛偏載。考慮到姿態傳感器工作要求，配重采用銅塊。

為避免液壓制動系統的復雜結構，制動系統采用電機能耗制動和回饋制動方式。另外，由于試驗平臺輪轂電機功率較小，采用強迫風冷，同時由于電動輪模式切換所需的電機鎖止器為氣動離合器，因此試驗平臺配備了一臺小型空氣壓縮機提供氣壓源。空壓機布置在試驗平臺前端以避免對姿態傳感器產生干擾。

輪轂電機控制器被布置在兩層車身板之間，位于車身前后端，分別控制前后軸的電動輪，減小布線的復雜程度。

3 控制架構與數據采集

試驗平臺的控制架構及控制單元的連接關系如圖7 所示。試驗平臺采用了外設豐富、代碼資源豐富、成本低而廣泛使用的STM32 微控制器，并將其作為整車的信息交換中心，用來接收遙控器信號、收集傳感器數據、分配控制指令。筆記本電腦既作為上層的整車控制器又作為海量試驗數據的存儲器，并通過USB 接口與STM32 微控制器相連。其優點在于：可方便直接運行Carsim和MATLAB高級仿真軟件而不需要單片機編程，可將控制策略和指令直接發送給STM32 微控制器而實現試驗平臺的高級控制；試驗后還可方便利用各種可視化軟件回放、處理海量的試驗數據、繪制成圖表等。在試驗過程中的基本控制方法和流程為：試驗人員通過遙控器發送加減速和和方向轉角指令，STM32 接收后并同采集到的姿態傳感器、轉角傳感器以及電動輪的當前轉速轉矩等信息傳遞給筆記本電腦，筆記本電腦作為最上層控制器，經過模型預測控制MPC等計算4 個電動輪所需瞬態轉速轉矩、前后軸轉矩分配、電動輪工作模式、步進電機（方向盤）轉角指令等發送給STM32，再以50 ms間隔的數據幀形式通過CAN總線傳送給電動輪驅動控制器以控制加減速和轉向。實際上筆記本電腦、STM32 和CAN總線構成了上層控制，上層控制和電動輪驅動控制均按照50 ms間隔進行循環信息交互，試驗過程的所有信息均存儲在電腦中用于事后再現和分析。

圖7 試驗平臺的控制系統結構及各器件關系

圖7 還反映了整車能量供應關系。動力電池組只對電動輪供電，供電電壓為72 V。輔助電池組則主要為步進電機、轉角傳感器和空氣壓縮機供電。其中，步進電機的驅動電壓為36 V，由3 塊輔助電池串聯提供，轉角傳感器和空氣壓縮機均需要12 V 電壓，由單塊輔助電池供電。筆記本電腦自帶電池，STM32 微控制器和姿態傳感器通過USB 接口供電。在該供電體系下，只需要檢測動力電池組的電量信息即可實時準確地獲得電動輪的電力消耗情況，與其他電器用電區別。

4 動態特性仿真與分析

本試驗平臺的三維模型如圖8 所示，通過上述設計調整最終參數及其對比如表1 所示。可以看出：試驗平臺的幾何尺寸基本為參考車的1／3，質量分布系數、懸架固有頻率與參考車接近，符合設計要求。

表1 試驗平臺和參考車參數對比

為了驗證試驗平臺動力學響應與參考車的相似性，在Adams／Car 中建立了多體動力學模型，進行直線制動、單移線換道和路面凸起等動態仿真試驗。

圖9 是制動仿真中試驗平臺和參考車的縱向加速度和俯角對比。圖9（a）中，縱向加速度的波動為Adams自動調整車速時產生，兩車在t＝1 s時刻開始制動，在t＝1.5 s 時均達到設定的縱向加速度-0.6g；圖9（b）中，t＝1.5 s 時，試驗平臺與參考車的俯角均為0.6°。圖9（c）和（d）分別為t＝1.5 s 時兩車的俯仰狀態。可見，車身縱向動態響應與參考車接近。

圖9 試驗平臺和參考車制動仿真結果

單移線換道工況仿真的結果如圖10 所示。圖10（a）顯示兩車的側向加速度在t＝3 s 和7 s 時刻達最大值，約為0.45g。圖10（b）表明試驗平臺的最大側傾約為1.6°，而參考車約為1.5°。圖10（c）和（d）分別為t＝3 s時兩車側傾狀態。實驗平臺車身側向響應略大于參考車，偏差為0.1°。

圖10 試驗平臺和參考車單移線仿真結果

在路面凸起仿真中，參考車以36 km／h 勻速通過高60 mm，長300 mm的三角形障礙，模擬通過減速帶產生的沖擊。為方便結果對比，實驗平臺以12 km／h勻速通過縮小的三角形障礙，使兩車前后輪通過障礙的時間近似相同，調整障礙大小使激勵產生的垂向加速度與參考車相近，觀測兩車垂向加速度響應見圖11。可見試驗平臺的懸架固有特性、瞬態響應曲線與參考車相似，符合設計要求。

圖11 試驗平臺和參考車平順性仿真結果

綜上所述，所設計試驗平臺在縱向、側向和垂向的動力學響應與參考車接近，能夠真實再現汽車的運動和動力學特性，符合設計要求。

5 結語

本文提出并設計出一種按照1∶3比例縮小的，面向校園試驗環境的小尺度多功能分布式電驅試驗平臺。該試驗平臺的懸架、轉向行走系統基于典型車輛的硬點數據設計，整車動力學特性可調，具有一定的通用性，可在校園環境中布置較簡單的實驗場地、安全方便地再現多種汽車的運動和動力學特性。該分布式電驅試驗平臺直接通過筆記本電腦實現虛擬樣機仿真和模型預測方法進行控制，具有遙控、姿態傳感、動力學控制、海量數據采集和回放處理等功能，可模擬實際車輛的運動和動力學行為，方便師生在開展智能網聯電驅動汽車的教學和科學研究中替代大尺度真實汽車進行動力學性能試驗。