基于霍爾傳感器的電動(dòng)車(chē)差速轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)與研究

張家祺，馬琳，張磊，焦向陽(yáng)，趙芳華，李潔

（1.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

基于霍爾傳感器的電動(dòng)車(chē)差速轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)與研究

張家祺1，馬琳2，張磊2，焦向陽(yáng)1，趙芳華1，李潔1

（1.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

由于電動(dòng)車(chē)可在多個(gè)車(chē)輪上放置輪轂電機(jī)，且電機(jī)轉(zhuǎn)速控制易于實(shí)現(xiàn)，這使得電動(dòng)車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)具有了一個(gè)不可比擬的優(yōu)勢(shì)．電動(dòng)車(chē)輪轂電機(jī)的速度控制方案，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)軌跡控制的核心．霍爾元件以其非接觸傳感性質(zhì)及對(duì)工作環(huán)境的廣泛適用性被電動(dòng)車(chē)采用為傳感元件．通過(guò)確定基于霍爾傳感器的電動(dòng)車(chē)差速轉(zhuǎn)向的控制方案，由加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾采集控制信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)向輪轂電機(jī)控制器輸出控制信號(hào)，進(jìn)而控制輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速．推導(dǎo)出加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾雙輸入量下，左右輪轂電機(jī)線性控制關(guān)系式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了方向盤(pán)靈敏度在不同車(chē)速下的有效調(diào)節(jié)，提高了車(chē)輛的安全性．

電動(dòng)車(chē)；霍爾；輪轂電機(jī)；差速轉(zhuǎn)向；靈敏度；單片機(jī)

隨著世界石油資源的日漸枯竭，傳統(tǒng)汽車(chē)的使用成本日益提高，且其帶來(lái)的環(huán)境破壞也為世人所詬病，以電能為代表的新一代代步工具必將成為傳統(tǒng)汽車(chē)的掘墓人．輪轂電機(jī)和電池技術(shù)的不斷發(fā)展也為電動(dòng)車(chē)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)的技術(shù)保障．

與傳統(tǒng)的汽車(chē)不同，由于當(dāng)今電動(dòng)車(chē)通常采用輪轂電機(jī)，且可在多個(gè)車(chē)輪上放置輪轂電機(jī)，這就使得電動(dòng)車(chē)具有了一個(gè)傳統(tǒng)汽車(chē)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，即可以通過(guò)控制不同車(chē)輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡的有效控制．

1 電動(dòng)車(chē)差速轉(zhuǎn)向的速度相關(guān)性分析

以電動(dòng)汽車(chē)前輪為轉(zhuǎn)向輪，并在前輪內(nèi)放置輪轂電機(jī)，形成雙輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)左右輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡的控制．

本次研究的差速轉(zhuǎn)向方案中，地面因素、輪胎差異忽略不計(jì)．研究中，假設(shè)4個(gè)車(chē)輪繞同一轉(zhuǎn)動(dòng)中心無(wú)滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，圖中，Rl、Rr分別為左、右前輪的轉(zhuǎn)彎半徑，B為車(chē)輪寬度，Ri為內(nèi)輪外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑，l為前后軸距，w為左右車(chē)輪的輪距，則

圖1 車(chē)輛前行左轉(zhuǎn)Fig.1The vehicle turn left

2 基于霍爾傳感器的輪轂電機(jī)速度控制方案

2.1 輪轂電機(jī)速度控制框圖

目前市場(chǎng)上電動(dòng)車(chē)的輪轂電機(jī)速度控制傳感器，基本都采用霍爾元件，其非接觸傳感性質(zhì)，使其對(duì)工作環(huán)境具有廣泛的適用性．本研究在車(chē)輛加速，和方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)兩方面均采用霍爾傳感器，并分別稱(chēng)為加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾，其電壓值分別用VIS和VIT表示，如圖2所示．

圖2 輪轂電機(jī)速度控制方案Fig.2The speed control scheme for hub motor

鑒于目前輪轂電機(jī)控制器的技術(shù)較為成熟，本研究采用通用輪轂電機(jī)控制器控制輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)向霍爾傳感器和加速霍爾傳感器的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換為左、右輪轂電機(jī)控制器的信號(hào)電壓并分別用VOL和VOR實(shí)現(xiàn)對(duì)左右輪轂電機(jī)的速度控制，如圖2所示．

2.2 方向盤(pán)靈敏度調(diào)整方案

車(chē)輛在低速轉(zhuǎn)向或泊車(chē)時(shí)通常轉(zhuǎn)彎半徑較小，這時(shí)的左、右前輪轉(zhuǎn)速比i較大，而高速行進(jìn)過(guò)程中的急速轉(zhuǎn)向，往往是造成車(chē)輛側(cè)翻的決定性誘因[1-2]，因此高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，方向盤(pán)的靈敏度不宜過(guò)高．傳統(tǒng)的剛性機(jī)械操控難以實(shí)現(xiàn)這種不同運(yùn)行速度下方向盤(pán)靈敏度的調(diào)整，往往通過(guò)降低助力轉(zhuǎn)向，來(lái)提高轉(zhuǎn)向力矩，從而相對(duì)降低靈敏度[3-4]，但緊急情況下，人的下意識(shí)動(dòng)作，其動(dòng)作幅度，依然不會(huì)因阻力矩的加大而減小．

電動(dòng)車(chē)在這方面則有先天優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾的電壓值的分析，可以通過(guò)模擬電路、單片機(jī)等，可以很方便的對(duì)輪轂電機(jī)控制器的控制電壓的進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，并實(shí)現(xiàn)方向盤(pán)靈敏度的控制．

3 輪轂電機(jī)速度及方向盤(pán)靈敏度調(diào)節(jié)參數(shù)分析

3.1 控制器輸入電壓與輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩作用下的速度調(diào)節(jié)曲線如圖所示，當(dāng)電壓較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩不能克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電壓達(dá)到門(mén)限電壓時(shí)V0，電機(jī)才開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖3所示，所以，電機(jī)轉(zhuǎn)速存在調(diào)節(jié)死區(qū)．同時(shí)，因?yàn)殪o摩擦的存在，速度調(diào)節(jié)曲線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)[5]．

電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持車(chē)輛處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故控制器輸入電壓應(yīng)使其輸出電壓大于輪轂電機(jī)門(mén)限電壓，設(shè)加速霍爾的電壓范圍是VISmin～VISmax，轉(zhuǎn)向霍爾的電壓范圍是VITmin～VITmax．為實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)向霍爾控制電動(dòng)車(chē)左右轉(zhuǎn)向，將電動(dòng)車(chē)直線前行時(shí)，即左、右前輪同相且同轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)向霍爾的電壓值設(shè)為其輸出電壓范圍的中間值VITmed，即

圖3 輪轂電機(jī)速度調(diào)節(jié)曲線Fig.3The speed regulating curve for hub motor

此時(shí)，加速霍爾的電壓值與左、右控制器電壓值呈線性關(guān)系，故與左右輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速也呈線性關(guān)系，如圖4所示．

圖4 控制器加速調(diào)節(jié)曲線Fig.4 The acceleration regulating curve for controller

圖5 低速時(shí)控制器轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)曲線Fig.5The steering regulating curve in low speed for controller

圖6 高速時(shí)控制器轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)曲線Fig.6The steering regulating curve in high speed for controller

3.2 方向盤(pán)靈敏度調(diào)節(jié)方案

若加速霍爾電壓為VISmin，即車(chē)輛處于低速下，如圖5，左側(cè)輪轂電機(jī)電壓為電機(jī)門(mén)限電壓V0，右側(cè)輪轂電機(jī)電壓為V0i．

由于方向盤(pán)與加速霍爾直接聯(lián)接，方向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)角直接與加速霍爾電壓值正相關(guān)，而加速霍爾電壓值與輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，如圖5所示，且由式(3)得

同時(shí)隨著車(chē)速的提高，若加速霍爾電壓為VISmax，仍然令左右輪轂電機(jī)控制器半電壓差為VHD即車(chē)輛處于高速下，轉(zhuǎn)向霍爾對(duì)控制器輸入電壓的影響減弱，如圖6所示，從而達(dá)到高速運(yùn)行時(shí)，降低方向盤(pán)靈敏度的目的．

3.3 實(shí)現(xiàn)差速控制各參數(shù)關(guān)系推導(dǎo)

左、右輪轂電機(jī)控制電壓與加速霍爾，轉(zhuǎn)向霍爾的電壓呈線性關(guān)系

式中：a1，a2，b1，b2，c1，c2為待定系數(shù)，其他參數(shù)含義如前所述．

將圖3至圖6所示坐標(biāo)點(diǎn)帶入上式，求得各待定系數(shù)如下

式(6)～式(13)各式中參數(shù)含義如前述．

將式(6)和式(7)寫(xiě)入單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)上述電動(dòng)車(chē)差速轉(zhuǎn)向控制，并可實(shí)現(xiàn)方向盤(pán)靈敏度在不同車(chē)速下的有效調(diào)節(jié)．

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)上述理論研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定左右前輪轉(zhuǎn)速比i=1.3，采用1 kW無(wú)刷直流輪轂，其控制門(mén)電壓V0=1.4 V，霍爾傳感器輸入電壓為5 V時(shí)，輸出電壓為VO=0.85 V4.5 V，但因輸入電壓低于5 V，故，其實(shí)際輸出電壓VO=0.8V3.5V帶入式(4)和式(5)，得

將上述結(jié)果帶入式(8)～式(13)，得

帶入式(6)和式(7)，得

將式(14)，式(15)的典型數(shù)據(jù)點(diǎn)列表，如表1所示．

表1 典型數(shù)據(jù)表VTab.1Table of typical data

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于霍爾傳感的電動(dòng)車(chē)差速控制及方向盤(pán)靈敏度的分析與研究，提出了雙前輪輪轂電機(jī)差速控制方案，并提出了加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾雙輸入量下，左右輪轂電機(jī)線性控制關(guān)系式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了方向盤(pán)靈敏度在不同車(chē)速下的有效調(diào)節(jié)．

[1]楊濤，宋丹丹．汽車(chē)急轉(zhuǎn)向安全車(chē)速的研究[J]．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009（17）：100-103．

[2]徐耀耀，翁建生，金智林，等．基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向和差動(dòng)制動(dòng)的車(chē)輛防側(cè)翻控制[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（6）：330-334．

[3]蔣勵(lì)，余卓平，高曉杰．寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)概述[J]．汽車(chē)技術(shù)，2006（4）：1-4．

[4]邱明．汽車(chē)可變轉(zhuǎn)向比電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理與仿真[J]．機(jī)電工程，2004，21（8）：47-49．

[5]張慶鄉(xiāng)．電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)與控制器研究[D]．淄博：山東理工大學(xué)，2012：12．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Design and research of electric vehicle differential steering based on Hall sensor

ZHANG Jiaqi1，MA Lin2，ZHANG Lei2，JIAO Xiangyang1，ZHAO Fanghua1，LI Jie1

(1.Schoolof ArchitectureandArtisticDesign,Hebei Universityof Technology,Tianjin300401,China;2.School ofControl Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Forelectric vehicles,hubmotorcan be placed on a pluralityofwheels.Anditis easy to implementmotor speed control,so the electric vehicle compared with the traditional vehicle has an unparalleled advantage.The speed control scheme of hub motor for electric vehicle is the core to realize electric vehicle motion direction and the motion trajectory control.Hall element is used as the sensing element of electric vehicle for its non contact sensing properties and widely adaptability to the working environment.By determining the control scheme of electric differential steering based on Hall sensor,collecting control signal by acceleration Hall and steering Hall,outputting the control signal from the singlechip to the hub motor controller,and controlling the hub motor speed.Under the double inputs of the accelerated Holl and turned to Holl,left and right hub motor linear control relationship can be derived.It proves to be the effective adjustment of wheel sensitivity at varying speeds,and improves the safety of vehicles.

electric vehicle;Hall sensor;hub motor;differential steering;sensitivity;singlechip

TM33

A

1007-2373(2015)04-0028-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.006

2014-10-11

河北省自然科學(xué)基金（E2012202133）

張家祺（1963-），男（漢族），副教授.