四輪轂電動機獨立驅(qū)動電動車轉(zhuǎn)向策略的試驗

宋龍龍，　鄭　培,　范滿珍

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特, 010051；

2. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255000)

?

四輪轂電動機獨立驅(qū)動電動車轉(zhuǎn)向策略的試驗

宋龍龍1，鄭培1,范滿珍2

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特, 010051；

2. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255000)

摘要：根據(jù)電子差速技術(shù)原理分析計算了四輪轂電動機驅(qū)動電動汽車的4個車輪轉(zhuǎn)向時的理論車速；利用永磁無刷直流電動機作為驅(qū)動源搭建了電動智能小車，利用該智能小車進行道路行駛實驗，對轉(zhuǎn)向理論車速和實驗車實際行駛車速進行對比。實驗結(jié)果表明： 試驗車4個車輪的轉(zhuǎn)向車速與前期轉(zhuǎn)向理論的分析結(jié)果基本一致，總體誤差不超過10%，說明輪轂電機驅(qū)動電動車在轉(zhuǎn)向時滿足Ackerman轉(zhuǎn)向原理和電子差速技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輪轂電動機; 電子差速; 電動汽車; 轉(zhuǎn)向控制

石油資源的緊缺和環(huán)境污染是當前世界所面臨的兩大問題。發(fā)展新能源汽車是緩解資源與環(huán)境問題的一條主要路徑。作為新能源汽車的純電動汽車具有零污染、噪聲小、能源來源廣等優(yōu)點，故其具有較好的發(fā)展前景。

電動汽車采用輪轂電動機驅(qū)動技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)機械傳動的設(shè)計約束，用線驅(qū)動來傳遞能量源與電動機之間的功率，使得該技術(shù)具有以下獨特的優(yōu)勢： ① 去掉了機械傳動部分，傳動效率得到提高，整車質(zhì)量減輕[3];② 輪轂電動機直接安裝在車輪上，大大減小了占用空間，簡化了底盤的骨架結(jié)構(gòu)；③ 輪轂電動機技術(shù)對各車輪采用制動能量回收系統(tǒng)，提高了汽車能量的利用效率，節(jié)約了能源，提高了電動汽車的續(xù)駛里程[4]。另外，與一般的單電動機中央驅(qū)動型電動車以及內(nèi)燃機汽車相比，四輪轂電動機獨立驅(qū)動電動汽車在傳動效率、底盤結(jié)構(gòu)和控制性能等方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。

目前，對于純電動汽車差速轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究越來越受到重視。文獻[1]中針對電動汽車差速問題，提出以驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)矩指令控制、轉(zhuǎn)速隨動的方法實現(xiàn)電動輪系統(tǒng)的自適應(yīng)差速，并試驗驗證了電動車具有在不同工況下的實際性能，但是沒有提出具體的控制策略。文獻[2]中建立轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差速轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩綜合控制策略，使用仿真軟件對不同車速和轉(zhuǎn)向角進行了仿真，證明了該策略可以增加汽車在低轉(zhuǎn)速時的平穩(wěn)性和操控性。文獻[3]中提出了驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配控制和橫擺角速度反饋控制策略，仿真數(shù)據(jù)表明，該種策略滿足汽車在不同工況下的差速轉(zhuǎn)向。上述文獻所涉及的內(nèi)容雖有差速功能，但是未能驗證帶輪轂電動機的汽車是否滿足Ackerman原理和電子差速技術(shù)。本文通過小車模型試驗，證明了輪轂電動機獨立驅(qū)動的電動汽車在轉(zhuǎn)向時符合Ackerman原理和電子差速技術(shù)。

1電子差速技術(shù)

1.1　電子差速技術(shù)原理

電子差速技術(shù)是一種完全采用電控方式控制，并通過電子線路的輸入來改變各車輪轉(zhuǎn)速，使其以不同速度轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)向時保證車輪做純滾動運行而不發(fā)生滑移或滑動現(xiàn)象的差速方式。

具體來講，只要保證在車輛轉(zhuǎn)向時車輪相對于旋轉(zhuǎn)中心的角速度相等，車輪就不會發(fā)生滑移，根據(jù)方向盤給定的路面狀況和轉(zhuǎn)角，中央處理器計算出車輪所需的實際轉(zhuǎn)速，將左、右車輪需要的轉(zhuǎn)速信號傳送給電機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)兩輪之間的差速控制。電子差原理圖如圖1所示。圖中，Rf,in、Rf,out分別為前軸內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)向半徑；Rr,in、Rr,out分別為后軸內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)向半徑；Cr,in、Cr,out分別為后軸內(nèi)、外車輪軌跡圓的圓長；δin、δout分別為前軸內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)向角；δ為方向盤轉(zhuǎn)角；Rf和Rr為前、后軸中心轉(zhuǎn)彎半徑；vrl、vrr分別為后軸左、右兩個車輪的線速度；lf、lr分別為前、后軸到汽車質(zhì)心的距離；vo為質(zhì)心速度；CG為汽車質(zhì)心；df、dr分別為前、后軸左右輪距。

圖1　電子差速原理圖Fig.1　Diagram of electronic differential principle

當輪轂電動機驅(qū)動電動汽車直線行駛時，由于車輪與電動機直接相連，車輪的角速度與電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度相等，即

ωrl=ωrr

(1)

式中,ωrl、ωrr分別為左、右驅(qū)動車輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

當電動汽車轉(zhuǎn)向時，為方便進行電子差速的原理分析，做以下假設(shè)： ① 車體剛性；② 車輪為純滾動狀態(tài)；③ 不考慮輪胎側(cè)向變形；④ 不考慮側(cè)向彈性系數(shù)的變化。

由圖1及其幾何關(guān)系可得：

(2)

式中，K為兩主軸中心延長線到地面交點間的距離。

汽車在上述假設(shè)條件的前提下轉(zhuǎn)向行駛時，4個車輪相對于轉(zhuǎn)向中心的角速度相等，設(shè)角速度為ω0，則有以下函數(shù)關(guān)系：

(3)

相對于轉(zhuǎn)向中心，整車中心的旋轉(zhuǎn)半徑為

(4)

(5)

式中，

vrl=ωr·Rr,in=ωrl·r

vrr=ω0·Rr,out=ωrr·r

上述討論的轉(zhuǎn)向模型還可簡化為更簡單的模型，即

(6)

由該模型看出，內(nèi)、外側(cè)車輪在車輛轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)速比就是其半徑比。

1.2　電子差速總體控制策略

四輪轂電動機驅(qū)動電動汽車的電子差速技術(shù)是一個復(fù)雜的控制過程，需要對4個輪轂電動機同時進行差速計算和速度控制。為達到差速、差力最完美的設(shè)計效果，在調(diào)壓控制策略下，以驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩Td作為控制變量，建立如圖2所示的電子差速控制系統(tǒng)。

圖2　電子差速轉(zhuǎn)向總體控制框圖Fig.2　Block diagram of overall control of　electronic differential steering

2基于Ackerman的轉(zhuǎn)向原理

Ackerman轉(zhuǎn)向原理簡單地說是一門幾何科學(xué)，它解決了汽車在轉(zhuǎn)彎時內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪路徑指向圓心有所不同的問題[5]。其轉(zhuǎn)向原理如圖3所示。

圖3　Ackerman轉(zhuǎn)向原理Fig.3　Ackerman steering principle

由Ackerman轉(zhuǎn)向幾何可見，電動汽車前面2個轉(zhuǎn)向輪與2個后輪的軸線在汽車處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)時相交于O點，這就是汽車轉(zhuǎn)向時的瞬時轉(zhuǎn)向中心。若假設(shè)汽車是一剛體，則汽車上的所有點都將圍繞O點為中心做圓周運動，此時，4個驅(qū)動輪也將圍繞O點做無摩擦的純滾動運動，此時前面2個轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系為[5-6]

(7)

輪轂電動機驅(qū)動電動汽車的四輪差速關(guān)系為

ω0=vi/Ri

(8)

式中，vi為汽車第i輪的行駛速度；Ri為汽車第i輪的轉(zhuǎn)向半徑；其中，i指前、后軸內(nèi)、外輪4個車輪；ω0為汽車回轉(zhuǎn)的角速度。

電動汽車在轉(zhuǎn)向過程中，全部車輪都繞圖3所述的瞬時轉(zhuǎn)向中心O做圓周運動，以保證所有車輪只有極小地滑移或都處于純滾動而無滑動的狀態(tài)。

3試驗內(nèi)容

本文利用由4個永磁無刷直流電動機驅(qū)動車輪組成的智能小車來模擬汽車的道路行駛，以驗證其轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

3.1　試驗車參數(shù)

為實現(xiàn)對輪轂電動機電動汽車行駛工況的模擬，并盡量達到真實行駛狀態(tài)，故選擇適合試驗小車所需的設(shè)備及零部件尤為重要。

3.1.1輪轂電動機的選擇在分析了諸多因素后，本次實驗選擇4個130直流電動機作為模擬小車的輪轂電動機。其主要參數(shù)如下： 額定功率為 1.43W；額定電壓為3~6V；最高轉(zhuǎn)速為 12000r/min；額定轉(zhuǎn)矩為 1.31N·m；外形尺寸為 70mm×22mm×18mm。

為測出4個驅(qū)動輪的車速，分別在4個車輪上安裝了編碼盤，并使用施密特觸發(fā)器反相器74HC14(防止臨界輸出抖動)，作為核心器件構(gòu)成中控電路。測速模塊如圖4所示。

圖4　測速模塊Fig.4　Speed test module

3.1.2驅(qū)動器和控制器的選擇本實驗選用的是4個永磁無刷直流電動機，考慮到單片機IO接口只能提供5~10mA電流，不能直接驅(qū)動電動機，故使用了一個L298N雙H橋直流電動機驅(qū)動芯片作為模擬小車的驅(qū)動器驅(qū)動模塊來滿足實驗要求。驅(qū)動器實物如圖5所示。

圖5　試驗用L298N雙H橋直流電機驅(qū)動器Fig.5　L298N dual H bridge DC motor drives　used in the experiment

實驗選取主芯片為STC89C52的51單片機作為模擬小車的控制器。該主板體積小，質(zhì)量輕，方便將編寫好的程序直接下載到單片機中。最后，根據(jù)實驗需求將購置的小車零部件組裝起來，實驗?zāi)M小車如圖6所示。

圖6　四輪轂電機驅(qū)動的電動車實驗?zāi)M車實圖Fig.6　Diagram of simulated four wheel motor drive　electric vehicle used in the experiment

3.2　實驗數(shù)據(jù)分析

使用程序編輯器Keil uVision4編寫程序，生成后綴為.hex文件，并下載到單片機中。為驗證該模擬電動小車的轉(zhuǎn)向是否滿足Ackerman原理以及電子差速原理，實驗前，將黑色薄土涂抹在模擬車的4個車輪上，并在實驗地面上鋪設(shè)大篇幅的白色圖紙，保證小車的轉(zhuǎn)向印記可以全部留在圖紙上，方便精確繪制轉(zhuǎn)向圖。實驗流程圖如圖7所示。

考慮到汽車左、右轉(zhuǎn)向是一致的，本文實驗只對左轉(zhuǎn)向進行了繪圖研究，實驗左轉(zhuǎn)向部分過程如圖8所示。如圖所示，本實驗所用模擬車尺寸較小，本文測量及計算得到的數(shù)據(jù)均為近似值，其中，Rf,in≈395mm；Rf,out≈550mm；Rf≈472mm；RCG≈463mm；兩前輪間距dr≈160mm；Rr,in≈380mm；Rr,out≈540mm；前、后輪間距l(xiāng)f+lr≈108mm。

圖7　模擬電動車轉(zhuǎn)向行駛實驗流程圖Fig.7　Flow diagram of experiment process of the simu-　lated electric vehicle turning left or right

由試驗小車上的數(shù)碼管顯示可知：vfl=341mm/s，vfr=486mm/s，vrl=332mm/s，vrr=471mm/s。

根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合上文關(guān)于電子差速工作原理及基于Ackerman的轉(zhuǎn)向原理，可近似計算得到：

Cr,in=2πRr,in=2π×380=2388mm

Cr,out=2πRr,out=2π×540=3393mm

由于本實驗在轉(zhuǎn)向時采用的速度v0=440mm/s，即控制器顯示屏的速度也就是基準速度，將v0=440mm/s代入式(5)求得

則

vfl=ω0Rf,in=0.95×395=375mm/s

vfr=ω0Rf,out=0.95×550=523mm/s

vrl=ω0Rr,in=0.95×380=361mm/s

vrr=ω0Rr,out=0.95×540=513mm/s

表1給出了4個車輪線速度的理論值與實際值對比。由表1可知，理論計算的數(shù)據(jù)和試驗測出的數(shù)據(jù)基本吻合，總體誤差不超過10%。存在誤差的原因主要包括： 測速模塊的數(shù)碼盤靈敏度不夠；小車車輪為橡膠的，存在差異等。

圖8　模擬車左轉(zhuǎn)向行駛實驗圖Fig.8　Diagram of simulated car turning left

參數(shù)理論值試驗值誤差/%vfl/(mm·s-1)3753419.9vfr/(mm·s-1)5234867.6vrl/(mm·s-1)3613328.7vrr/(mm·s-1)5134718.9

4結(jié)語

本文利用電子差速技術(shù)原理分析計算了四輪轂電動機驅(qū)動電動汽車的4個車輪轉(zhuǎn)向時的理論車速；然后，利用4個輪轂電動機獨立驅(qū)動的電動智能小車完成模擬道路行駛實驗，得出試驗車的實際行駛車速；對理論值和實際值進行了比較，結(jié)果表明： 兩組數(shù)據(jù)基本吻合，總體誤差不超過10%，證明了輪轂電動機驅(qū)動電動車在轉(zhuǎn)向時滿足Ackerman轉(zhuǎn)向原理和電子差速技術(shù)。此方法為今后汽車的開發(fā)和設(shè)計提供了有力的實踐方法，減少了不必要的實車試驗操作，降低了成本。

參考文獻：

[1]靳立強,王慶年,張緩緩.電動輪驅(qū)動汽車差速性能試驗研究[J].中國機械工程，2007,18(21)： 2632-2636.

[2]翟麗,董守全,羅開宇.四輪轂電機獨立驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)向電子差速控制[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2010,30(8)： 901-905.

[3]王康.電動汽車電動輪驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)的研究[D].武漢： 武漢理工大學(xué),2007： 9-33.

[4]楊養(yǎng)戶.電動汽車輪轂電機技術(shù)[J].汽車維修，2012(3)： 44-47.

[5]Lee J S,Ryo Y J,Lim C,et al.A neural network model of electric differential system for electric vehicle∥Proceeding of Industrial Electronics Society 26 Annual conference of the IEEE.[S.L.]: IEEE,2000： 83-87.

[6]Sun Fengchun,Sun Liqing,Zhu Jiaguang,et al.Simulation study on Synthetic Performance of Electric Vehicles[J].IEEE,2001： 338-342.

[7]唐文武,陳世元,郭建龍.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動車電子差速器設(shè)計[J].汽車工程，2007,29(5)： 437-440.

[8]嚴運兵,彭思侖.后驅(qū)電動輪汽車電子差速控制影響因素分析[J].汽車工程，2014,36(2)： 210-215.

[9]Perez-Pinal F J,Cervantes I,Emadi A.Stability of an electric differential for traction applications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(7)： 3224-3233.

[10]譚國俊,錢苗旺,趙忠祥，等.雙電機獨立驅(qū)動電動車輛電子差速控制[J].微特電機，2009(6)： 33-36，52.

[11]喻厚宇,黃妙華,張振國.電動輪車電子差速控制的試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011,33(5)： 147-151.

[12]Mi C,Lin Hui,ZhangYi.Iterative leaning control of antilock braking of electric and hybrid vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2005,54(2)： 486-494.

[13]孟磊,葉世偉.基于永磁同步電機的電動輪仿真方法研究[J].計算機仿真，2011,28(5)： 337-341.

[14]Tabbache B,Kheloui A,Benbouzid M E H.An adaptive electric differential for electice vehicles motion stabilization[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(1)： 104-110.

Experimental Research of Steering Strategy ofIndependent Drive Electric Vehicles with Four In-Wheel Motors

SONGLonglong1,ZHENGPei1,FANManzhen2

(1. College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology,

Hohhot 010051, Inner Mongolia, China; 2. Department of Transportation and Vehicle

Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, Shandong, China)

Abstract：The theoretical speed of four wheels in an electric vehicle driven by four in-wheel motor is analyzed and calculated based on the electronic differential principle. An electric intelligent vehicle was built, with a permanent magnet brushless DC motor as the driving resource. Road tests were carried out to get the actual driving speed, and then compared with the steering theoretical speed. Experimental results show that the four wheels steering speed of the test car agrees with the analysis results, with the total error less than 10%. Therefore the in-wheel motor drive electric vehicle meets Ackerman steering principle and the electronic differential technology when steering.

Key words：in-wheel motor; electronic differential; electric vehicles; steering control

文獻標志碼：A

中圖分類號：U 469.72

文章編號2095 - 0020(2015)06 -0331 - 06

作者簡介：宋龍龍(1986 -)，男，碩士生，主要研究方向為純電動汽車的控制策略，E-mail： sll0539@163.com

收稿日期：2015 - 08 - 26