雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)三輪車輛軟硬件設(shè)計(jì)

王佳奇 張成濤 尚玉璽 彭炳順

摘要：為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)三輪車的雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速控制，設(shè)計(jì)了由軟件和硬件組成的差速控制系統(tǒng)，首先，介紹控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和差速控制邏輯;然后，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)控制器硬件，包括硬件框圖和各個(gè)模塊的說明;在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用基于附著系數(shù)相等的差速控制策略，并通過軟件代碼編寫進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使用流程圖等進(jìn)行表述;最后，通過搭建出的試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器能否達(dá)到預(yù)期的控制要求，實(shí)車試驗(yàn)后的結(jié)果表明：應(yīng)用該試驗(yàn)平臺(tái)能夠起到按照既定的差速控制策略實(shí)現(xiàn)電子差速的功能，該試驗(yàn)平臺(tái)是可靠、有效的，

關(guān)鍵詞：電動(dòng)三輪車;電子差速;輪轂電機(jī);軟硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.72DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.014

0引言

隨著客貨運(yùn)需求的日益增多，電動(dòng)三輪車作為一種價(jià)格低廉、經(jīng)營(yíng)成本較低、靈活方便的運(yùn)輸工具應(yīng)運(yùn)而生，并與日俱增，電動(dòng)三輪車根據(jù)其使用用途的區(qū)分采用不同的驅(qū)動(dòng)形式：一部分采用單側(cè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的形式，另一部分使用無刷電機(jī)搭配差速后橋，或使用集成為一體的有齒差速雙驅(qū)電機(jī);前者僅適用于載重量小的場(chǎng)景，后者應(yīng)用機(jī)械差速，動(dòng)力性、可操縱性和安全性更好，但也造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不能發(fā)揮電力驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)各車輪驅(qū)動(dòng)力難以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

相對(duì)于普通機(jī)械差速器，電子差速器有著明顯的優(yōu)越性，目前各學(xué)者對(duì)于此類問題多集中在控制算法的研究上：葛英輝等提出基于Ackermann轉(zhuǎn)向模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的復(fù)合模型;趙艷娥等基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論對(duì)電子差速控制系統(tǒng)進(jìn)行了探討;王鵬等基于轉(zhuǎn)速和滑移率聯(lián)合控制建立了模型并仿真，在硬件設(shè)計(jì)上：方道等使用ADC0809、AT89S52和DAC0832等硬件組合設(shè)計(jì)了電子差速器;韓曉峰對(duì)可編程邏輯控制器（PLC）、輪轂電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)和轉(zhuǎn)速傳感器等的選型進(jìn)行了說明。

本文的目的在于設(shè)計(jì)較為完善的電子差速控制系統(tǒng)的控制器硬件和軟件編程方法，可以作為驗(yàn)證各控制算法的試驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)車試驗(yàn)中，搭配基于附著系數(shù)相等的差速控制策略，在一輛單側(cè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三輪車上進(jìn)行改裝，方法為：將另一側(cè)的從動(dòng)輪更換為同規(guī)格的輪轂電機(jī)且搭配同型號(hào)控制器，并加裝本文設(shè)計(jì)的電子差速控制器，其寫入的軟件代碼可以是能夠?qū)崿F(xiàn)電子差速控制的程序，也可以是不實(shí)現(xiàn)電子差速控制而使左右兩側(cè)輪轂電機(jī)電壓始終一致的程序，在實(shí)車試驗(yàn)中，將前輪轉(zhuǎn)角分別固定為左轉(zhuǎn)10°、20°和30°，分別應(yīng)用閉環(huán)控制將車速設(shè)定為5km/h、10km/h和15km/h，比較應(yīng)用電子差速控制和不應(yīng)用電子差速控制的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1差速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)車輛的差速控制，其核心是電動(dòng)車電機(jī)的控制，本文所構(gòu)建的電子差速控制結(jié)構(gòu)主要包含差速計(jì)算功能和兩個(gè)電機(jī)及其控制器，完整的差速控制系統(tǒng)如圖1所示。

將期望的功率開度和轉(zhuǎn)向把轉(zhuǎn)角作為電子差速控制器的輸入，控制器接收到這兩者的信號(hào)值，結(jié)合左右電機(jī)的輪速信息，調(diào)整左右電機(jī)各自的電壓以實(shí)現(xiàn)附著系數(shù)的相等。

差速計(jì)算過程為：根據(jù)3個(gè)輸入量計(jì)算得到兩電機(jī)應(yīng)該施加的工作電壓，以PWM信號(hào)的形式輸出給各自的電機(jī)控制器，控制兩電機(jī)實(shí)現(xiàn)差速控制的目的，其中，轉(zhuǎn)把開度決定兩電機(jī)的工作電壓總和，轉(zhuǎn)向角度和車速共同決定了兩電機(jī)的電壓分配比例，應(yīng)用開環(huán)控制的響應(yīng)速度快，貼合傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣。

2差速控制邏輯

當(dāng)差速控制系統(tǒng)接收到功率開度和轉(zhuǎn)向把轉(zhuǎn)角的信號(hào)后，首先判斷車輛是否直行，若直行則使兩輪轂電機(jī)電壓相同，具體電壓值的大小由接收到的功率開度值決定;若為轉(zhuǎn)向行駛，計(jì)算得到外側(cè)車輪與內(nèi)側(cè)車輪的負(fù)荷比，再根據(jù)功率開度、轉(zhuǎn)向把轉(zhuǎn)角和左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速三者數(shù)據(jù)，共同計(jì)算得到轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)電機(jī)的工作電壓與工作總電壓的比值，根據(jù)轉(zhuǎn)向方向的不同，先計(jì)算內(nèi)側(cè)電機(jī)的工作電壓，再計(jì)算外側(cè)，將兩路計(jì)算結(jié)果以占空比的形式輸出，差速控制邏輯如圖2所示，

3差速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊采集前輪轉(zhuǎn)角角度，控制指令檢測(cè)模塊獲取加速轉(zhuǎn)把的旋轉(zhuǎn)開度，信號(hào)由MCU接收，MCU結(jié)合左右輪的線速度，將信號(hào)處理后輸出給左右輪轂電機(jī)的電機(jī)控制器以分配左右輪轂電機(jī)的工作電壓，主控制器由5v穩(wěn)定電源供電，48v動(dòng)力電源經(jīng)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)，并在OLED顯示屏上顯示相關(guān)信息，硬件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，MCU選擇宏晶公司生產(chǎn)的IAPl5W4K58$4.其具有內(nèi)置可調(diào)晶振，8個(gè)A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，6個(gè)高精度PWM脈沖寬度調(diào)制通道，2路CCP輸入捕捉通道等，線性霍爾元件選擇AH3503型號(hào)，輸入量是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是和輸入量成正比的電壓，輪轂電機(jī)內(nèi)使用41F雙極鎖存霍爾元件，接近s極和N極時(shí)分別輸出不同的信號(hào)值，輪轂電機(jī)選用無刷直流電機(jī)，與電機(jī)控制器配套使用，通過改變輸出給電機(jī)控制器的占空比來調(diào)整電機(jī)的工作電壓。

3.2轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊

將釹鐵硼強(qiáng)磁鐵固定在轉(zhuǎn)向軸的前伸位置處，兩個(gè)線性霍爾元件放置其斜后兩側(cè)，兩路信號(hào)均由MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，前輪轉(zhuǎn)向角變化時(shí)，線性霍爾元件感應(yīng)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變，兩路信號(hào)值也隨之變化，分析兩路信號(hào)的強(qiáng)弱和差值，即可判斷轉(zhuǎn)向角的方向和大小，如圖4所示。

3.3控制指令檢測(cè)模塊

該模塊的原理與轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊類似，區(qū)別為只應(yīng)用一個(gè)線性霍爾元件，另增加了限位裝置，通過MCU讀取霍爾元件輸出的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度，對(duì)應(yīng)到實(shí)物為常見的右手調(diào)速轉(zhuǎn)把，如圖5所示。

3.4測(cè)速模塊

輪轂電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)控制器根據(jù)霍爾信號(hào)線的信號(hào)值對(duì)動(dòng)力相線的電流方向進(jìn)行控制，任意一根霍爾信號(hào)線的信號(hào)值都會(huì)隨著輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生規(guī)律的變化，MCU采集該信號(hào)的變化規(guī)律，即可計(jì)算得到車輪的角速度，如圖6所示。

3.5OLED顯示屏模塊

人機(jī)交互界面使用IIC接口的0.96英寸OLED顯示屏，僅需使用兩個(gè)普通10口，可顯示轉(zhuǎn)把電壓轉(zhuǎn)向角度、各輪轉(zhuǎn)速、電壓分配情況等信息，直觀地觀察到差速控制效果。

4差速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)總體方案：基于Keil軟件開發(fā)工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，系統(tǒng)初始化包括：定時(shí)器初始化，顯示屏初始化，ADC、PWM及CCP初始化，按功能可劃分為定時(shí)器中斷、顯示屏內(nèi)容顯示、A/D采樣模塊、PWM波輸出、CCP測(cè)速程序等幾大部分，程序流程圖如圖7所示。

代碼編寫時(shí)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下具體功能：

1）每間隔20ms，都要采集一次控制指令檢測(cè)模塊和轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊的輸出模擬量，以便及時(shí)對(duì)行駛意圖做出響應(yīng)。

2）采集到車速、前輪轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)后，程序需要實(shí)現(xiàn)依此計(jì)算出離心力以及左右后輪負(fù)荷比，然后分配左右輪轂電機(jī)工作電壓的功能。

3）車輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算分析在輸入捕捉中斷中進(jìn)行，若超過規(guī)定時(shí)間沒有接收到輸入捕捉中斷，說明此時(shí)車輪己停止轉(zhuǎn)動(dòng)，需將車輪轉(zhuǎn)速賦值為0。

5試驗(yàn)過程

在正常行駛中，駕駛員希望車輪受到的側(cè)向力較小，尤其是作為轉(zhuǎn)向輪的前輪，側(cè)向力越大，附著系數(shù)越小，行駛就越不安全，前輪承擔(dān)著按照駕駛員意愿改變行駛方向的重要作用，前輪所受側(cè)向力越小，則越接近中性轉(zhuǎn)向，反之會(huì)產(chǎn)生過多轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向。

為驗(yàn)證此方案，在水平且路況良好的瀝青路面行駛?cè)嗆?，使作為轉(zhuǎn)向的前輪固定為左轉(zhuǎn)向10。，在程序上作出修改，應(yīng)用PID閉環(huán)控制使車速分別處于5km/h、10km/h、15km/h，并分別測(cè)量應(yīng)用差速控制方案前后的內(nèi)側(cè)后輪轉(zhuǎn)彎半徑，然后再將轉(zhuǎn)向前輪分別設(shè)定在左轉(zhuǎn)20°、30°，再次將車速分別控制在5km/h、10km/h、15km/h，測(cè)量未應(yīng)用差速控制方案時(shí)和應(yīng)用差速控制方案時(shí)的內(nèi)側(cè)后輪轉(zhuǎn)彎半徑，其中未應(yīng)用電子差速控制方案時(shí)左右兩側(cè)輪轂電機(jī)的工作電壓始終相等且隨著加速轉(zhuǎn)把的開度值等比例增加，由于存在測(cè)量誤差，所以每個(gè)角度測(cè)試前要進(jìn)行推行試驗(yàn)測(cè)出轉(zhuǎn)彎半徑作為理想轉(zhuǎn)彎半徑，如表1所示，將試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖8所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，前輪轉(zhuǎn)向角分別為左轉(zhuǎn)10°、20°、30°時(shí)的推行半徑依次減小;在任意轉(zhuǎn)向角度時(shí)，未應(yīng)用電子差速控制時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑均大于相同轉(zhuǎn)向角度的推行半徑，且行駛速度越快，同等條件下的轉(zhuǎn)彎半徑增加值越大;而當(dāng)應(yīng)用了電子差速控制后的轉(zhuǎn)彎半徑與同條件下未應(yīng)用電子差速控制相比較，轉(zhuǎn)彎半徑明顯減小且接近推行半徑，偶爾會(huì)略微低于推行半徑，說明應(yīng)用電子差速控制與未應(yīng)用電子差速控制相比，能夠有效地改善不足轉(zhuǎn)向的狀況。

這是由于在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，若左右側(cè)輪轂電機(jī)工作電壓相同，由于內(nèi)側(cè)輪速小于外側(cè)輪速，通過對(duì)電機(jī)模型的分析可知;內(nèi)側(cè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)力大于外側(cè)，在不超過地面附著力的前提下，前輪會(huì)受到與轉(zhuǎn)向方向相反的側(cè)向力，從而導(dǎo)致不足轉(zhuǎn)向。

若應(yīng)用電子差速控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)側(cè)與外側(cè)輪轂電機(jī)工作電壓的合理分配，前輪受到的側(cè)向力會(huì)減小甚至為0.所以轉(zhuǎn)向更接近中性轉(zhuǎn)向，更有利于行駛的穩(wěn)定;同時(shí)，在車輛轉(zhuǎn)向起步時(shí)，應(yīng)用電子差速控制時(shí)更加輕易且車身的抖動(dòng)不那么劇烈。

6結(jié)論

針對(duì)雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛控制器的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并應(yīng)用所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，所需的功能均由芯片內(nèi)部硬件資源提供支持，大大簡(jiǎn)化了外圍電路，且價(jià)格低廉，該試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合已有的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的雙電機(jī)獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)差速功能的目標(biāo)，若要進(jìn)一步提升控制效果，可選用更高級(jí)架構(gòu)和更快運(yùn)行速率的Mcu，并在各項(xiàng)信號(hào)的檢測(cè)精度和平穩(wěn)性上做進(jìn)一步研究。