基于Ackermann模型的輪轂電機(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電子差速轉(zhuǎn)向控制研究*

董鑄榮，賀 萍，朱小春

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055）

電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案有集中驅(qū)動(dòng)、分布驅(qū)動(dòng)2種，分布驅(qū)動(dòng)又包括車橋驅(qū)動(dòng)及輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)更有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和現(xiàn)代控制技術(shù)．輪轂電機(jī)技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)，它的最大特點(diǎn)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)裝置等都整合到輪轂內(nèi)，將電動(dòng)車輛的機(jī)械部分大大簡化．與電動(dòng)機(jī)集中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)相比，輪轂電機(jī)技術(shù)具備很大的優(yōu)勢，它布局更為靈活，不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，使整車重量減輕，降低了機(jī)械傳動(dòng)損耗，并具有靈活的行駛特性[1-7]，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景．

所謂電子差速（Electronic Differential System，簡稱 EDS）[8]是完全采用電控方式控制各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，使車輪以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，如果各車輪轉(zhuǎn)速滿足Ackermann轉(zhuǎn)向模型條件，使電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)電子差速轉(zhuǎn)向控制．在這個(gè)理論指導(dǎo)下，可以認(rèn)為在省略傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，甚至還可以省略控制車輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向電機(jī)，也能達(dá)到控制電動(dòng)車轉(zhuǎn)向的目的．

傳統(tǒng)汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中均采用轉(zhuǎn)向電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，或者取消轉(zhuǎn)向電機(jī)，采用直接使用無刷直流輪轂電機(jī)提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，結(jié)合轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)Ackermann模型，獨(dú)立控制 4個(gè)車輪轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[9]，但文獻(xiàn)[9]采用轉(zhuǎn)向橫拉桿．本文試驗(yàn)用四輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)樣車無轉(zhuǎn)向橫拉桿設(shè)計(jì)，分別開展 4種轉(zhuǎn)向電機(jī)控制方案進(jìn)行轉(zhuǎn)向試驗(yàn)對(duì)比研究，旨在探索是否能夠簡化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向控制的可行性．

1 Ackermann轉(zhuǎn)向模型

假設(shè)所有車輪都繞同一中心無滑移旋轉(zhuǎn)，這一低速條件下的近似來源于十九世紀(jì)初馬車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的發(fā)明人Rudolph Ackermann，因此稱之為Ackermann轉(zhuǎn)向模型[10]．如圖1所示，汽車低速左轉(zhuǎn)彎情況，忽略慣性力，假設(shè)全部輪胎對(duì)地?zé)o滑移，車輛繞轉(zhuǎn)向中心O旋轉(zhuǎn)，l為前后軸距，w為左右輪距，a2為質(zhì)心與后軸軸距，則所有的幾何參數(shù)中，只有一個(gè)是自由變量，其它參數(shù)都可由之得出．Ackermann轉(zhuǎn)向模型是內(nèi)外車輪滿足轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系．本文以質(zhì)心C的轉(zhuǎn)向角d為變量，則：

圖1 Ackermann轉(zhuǎn)向模型

采用4個(gè)輪轂電機(jī)直接與4個(gè)主動(dòng)輪連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于4個(gè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，左前輪?、右前輪?、右后輪?、左后輪?、質(zhì)心C的轉(zhuǎn)速分別是vA，vB，vC，vD，v，以v為參考速度，則有：

2 試驗(yàn)用電動(dòng)車整車控制方案

試驗(yàn)用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向共八電機(jī)控制電動(dòng)車如圖2所示．該電動(dòng)車的主要參數(shù)如下：軸距l(xiāng)為1.60 m，輪距w為1.35 m，質(zhì)心與后軸軸距a2為0.80 m，車輪半徑為0.225 m．電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是永磁直流輪轂電機(jī)，選用6個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)給電機(jī)供電，蓄電池組額定工作電壓為6×12=72V．

本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用電動(dòng)車?yán)民{駛者操縱方向盤、油門踏板、制動(dòng)踏板提供直線行駛、轉(zhuǎn)向行駛、制動(dòng)及停車等外部指令，指令通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入整車控制系統(tǒng)ECU ，整車ECU將油門信號(hào)轉(zhuǎn)換為質(zhì)心C的速度目標(biāo)值v，將方向盤信號(hào)以2.5:1的比例轉(zhuǎn)換為質(zhì)心C的轉(zhuǎn)向角目標(biāo)值d，采用Ackermann轉(zhuǎn)向模型（1）、（2）式，計(jì)算出4個(gè)車輪? 、? 、? 、? 的轉(zhuǎn)速目標(biāo)值vA，vB，vC，vD及轉(zhuǎn)向角目標(biāo)值di，do，0，0．整車ECU將上述四輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角目標(biāo)值通過CAN總線通訊，傳輸給四個(gè)車輪動(dòng)力系統(tǒng)ECU，分別控制4個(gè)車輪的輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)整車各種工況的控制，其整車控制框圖如圖3所示．同時(shí)，各輪動(dòng)力系統(tǒng)ECU實(shí)時(shí)采樣各車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角信號(hào)，經(jīng)CAN總線通訊傳輸給整車控制系統(tǒng)ECU，實(shí)現(xiàn)外環(huán)閉環(huán)控制和信號(hào)采集．

圖2 試驗(yàn)用四輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車

圖3 試驗(yàn)用電動(dòng)車整車控制框圖

3 四輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車電子差速轉(zhuǎn)向控制試驗(yàn)及結(jié)果分析

針對(duì)本研究的試驗(yàn)電動(dòng)車，開展逐漸簡化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)方案，分別進(jìn)行左右前輪轉(zhuǎn)向都控制、左前輪轉(zhuǎn)向不控制、右前輪轉(zhuǎn)向不控制、左右前輪轉(zhuǎn)向都不控制四種轉(zhuǎn)向電機(jī)控制方案進(jìn)行整車蛇形行駛試驗(yàn)對(duì)比研究，旨在探索是否能夠簡化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向控制的可行性．本試驗(yàn)設(shè)定車輪相對(duì)直行方向右偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向角為正值，反之為負(fù)值．

3.1 左右前輪轉(zhuǎn)向都控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)

針對(duì)圖3整車控制框圖所示，左右兩前輪轉(zhuǎn)向受各自轉(zhuǎn)向電機(jī)控制，當(dāng)方向盤發(fā)出蛇形行駛指令，由整車控制系統(tǒng)ECU計(jì)算出左右前輪的轉(zhuǎn)向角目標(biāo)值，分別控制左右前輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)使左右前輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整車蛇形行駛．圖4為左右前輪轉(zhuǎn)向角實(shí)時(shí)狀態(tài)值和目標(biāo)值與時(shí)間的關(guān)系曲線，由圖4可以看到，左右前輪轉(zhuǎn)向角有轉(zhuǎn)角差，左前輪實(shí)時(shí)狀態(tài)值與左前輪目標(biāo)值很吻合、右前輪二值也很吻合，說明左右前輪都由轉(zhuǎn)向電機(jī)控制的轉(zhuǎn)向能夠精確實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制．

3.2 左前輪轉(zhuǎn)向不控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)

針對(duì)圖3整車控制框圖所示，將左前轉(zhuǎn)向電機(jī)拆掉，左前輪成為轉(zhuǎn)向自由輪，僅受左前輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)方向盤發(fā)出蛇形行駛指令，由整車控制系統(tǒng) ECU計(jì)算出兩前輪轉(zhuǎn)向角目標(biāo)值，但只能控制右前輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)，即控制右前輪轉(zhuǎn)向角，左前輪由輪轂電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，由電子差速轉(zhuǎn)向原理實(shí)現(xiàn)左前輪偏轉(zhuǎn)，使整車蛇形行駛．圖5為試驗(yàn)結(jié)果，由圖5可以看到，右前輪實(shí)時(shí)狀態(tài)值與右前輪的目標(biāo)值很吻合，但左前輪的兩組數(shù)據(jù)吻合度稍差一些，說明左前輪轉(zhuǎn)向不控制，能夠較好實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，但控制精度不如左右前輪都轉(zhuǎn)向控制的第一種試驗(yàn)情況．

3.3 右前輪轉(zhuǎn)向不控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)

針對(duì)圖3整車控制框圖所示，將右前轉(zhuǎn)向電機(jī)拆掉，右前輪成為轉(zhuǎn)向自由輪，僅受右前輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，圖6為試驗(yàn)結(jié)果，左前輪目標(biāo)值與左前輪的實(shí)時(shí)狀態(tài)值很吻合，但右前輪的兩組數(shù)據(jù)應(yīng)該吻合度差一些，與上述第二種試驗(yàn)情況類似，說明右前輪轉(zhuǎn)向不控制，能夠較好實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，但控制精度不如左右前輪都轉(zhuǎn)向控制的第一種試驗(yàn)情況．

3.4 左右前輪轉(zhuǎn)向都不控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)

圖4 左右前輪轉(zhuǎn)向控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)結(jié)果

圖5 左前輪轉(zhuǎn)向不控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)結(jié)果

圖6 右前輪轉(zhuǎn)向不控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)圖3整車控制框圖所示，將左右兩前轉(zhuǎn)向電機(jī)都拆掉，兩前輪成為轉(zhuǎn)向自由輪，僅受輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)方向盤發(fā)出蛇形行駛指令，整車控制系統(tǒng) ECU只能依據(jù)油門信號(hào)計(jì)算出兩前輪轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，控制兩前輪的輪轂電機(jī)，由電子差速轉(zhuǎn)向原理實(shí)現(xiàn)兩前輪偏轉(zhuǎn)，使整車蛇形行駛．圖7為試驗(yàn)結(jié)果，由圖7可以看到，方向盤發(fā)出了大角度轉(zhuǎn)向指令，最大轉(zhuǎn)向角目標(biāo)值達(dá)75°，但車輪實(shí)時(shí)狀態(tài)值只有 10°，兩前輪目標(biāo)值與實(shí)時(shí)狀態(tài)值吻合度較差，但行駛趨勢是一致的．說明左右前輪轉(zhuǎn)向都不控制，難于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制．

圖7 左右前輪轉(zhuǎn)向都不控制的整車蛇形行駛試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向電機(jī)獨(dú)立轉(zhuǎn)向的試驗(yàn)電動(dòng)車，進(jìn)行基于Ackermann模型的電子差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制研究，分別開展左右前輪轉(zhuǎn)向都控制、左前輪轉(zhuǎn)向不控制、右前輪轉(zhuǎn)向不控制、左右前輪轉(zhuǎn)向都不控制4種轉(zhuǎn)向電機(jī)控制方案進(jìn)行整車蛇形行駛試驗(yàn)對(duì)比研究，雖然轉(zhuǎn)向控制精度隨著轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的逐漸簡化而降低，特別是第 4種試驗(yàn)情況，僅靠電子差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制難于實(shí)現(xiàn)，但減少一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，保留1個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)是可以保證轉(zhuǎn)向的精確控制．

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