借助計算機仿真技術研究分布式輪轂電機在大型運載車輛中的應用

許虎　富曉乾　焦正揚　郝興明

摘 要：本文是在“2019年第十屆全國大學生方程式大賽”的方程式車輛基礎上對輪轂電機應用進行了分析研究，對輪轂電機的發(fā)展歷史，在運載車輛的應用可行性，電機對車輛的操控影響進行了探究。在新能源汽車政策的大背景下，探索新的發(fā)展方向，推廣運載新能源車輛在實際生產活動中的廣泛運用。

關鍵詞：大學生方程式 輪轂電機 新能源汽車 運載車輛

Computer Simulation Technology Applied to Study the Application of Distributed In-wheel Motors in Large Vehicles

Xu Hu，F(xiàn)u Xiaoqian，Jiao Zhengyang，Hao Xingming

Abstract：This article analyzes and researches the application of in-wheel motors based on the formula vehicles of the "10th National Formula Student Contest in 2019"， the development history of in-wheel motors， the feasibility of application in transportation vehicles， and the impact of the control of the motor to the vehicle. Under the general background of the new energy vehicle policy， the article explores new development directions and promotes the wide application of new energy vehicles in actual production activities.

Key words：Formula Student， in-wheel motor， new energy vehicle， transportation vehicle

1 引言

近幾年來隨著國家新能源政策的推行，電動汽車技術迎來了快速的發(fā)展。電動汽車受到社會和市場的青睞，主要得益于電機體積小效率高，可低轉速輸出全部扭矩等特點。不可置否，電動汽車的推廣仍受到電池續(xù)航里程短，電控系統(tǒng)不完善等困擾。為此，我們決定從電控系統(tǒng)入手，借助于計算機仿真技術，結合本專業(yè)所學知識，主動深入實踐，通過車輛仿真軟件，解決電動汽車在不同路況下，各個驅動輪的扭矩分配問題。提高車輛的通過性。使得輪轂電機與運載車輛有機結合，充分發(fā)揮出電機的優(yōu)勢。

2 輪轂電機的設計理念

得益于先天結構優(yōu)勢，輪轂電機有以下優(yōu)點。

（1）增加驅動系統(tǒng)冗余度，每個車輪都是獨立的，某個車輪出現(xiàn)問題時，剩余車輪輪仍能驅動車輛，保持一定的機動性，提升車輛的可靠性。（2）提高車輛轉向性能。相比于機械轉向機構，獨立的電動輪結構使得線控轉向和全輪轉向變得更易實現(xiàn)，能有效減小車輛轉向半徑;一定條件下，利用電機的反轉能力，能夠實現(xiàn)類似履帶車輛的滑差轉向，甚至原地轉向。（3）提升車輛的模塊化、通用化設計水平。不同功能的車輛可以使用相同的底盤系統(tǒng)，其中的電動輪具有通用性和互換性，能有效降低前期開發(fā)及后期維護成本。（4）提高驅動系統(tǒng)效率。簡化了復雜的機械傳動裝置后，電機與車輪相連，縮短了動力傳輸路徑。（5）集成電控系統(tǒng)，提升車輛控制性能。作為執(zhí)行器，電機響應快速精確，能實現(xiàn)性能更優(yōu)的動力學控制，而且冗余的執(zhí)行器豐富了控制系統(tǒng)的設計自由度，以挖掘更大的性能潛力。

3 輪轂電機的結構與性能分析

輪轂電機驅動系統(tǒng)改變了車輛底盤結構，帶來綜合性能提升潛力的同時，也給車輛操縱穩(wěn)定性帶來兩個主要的問題：

（1）改變了車輛結構參數(shù)和力學參數(shù)，導致車輛動力學特性發(fā)生了變化。簡化了傳動裝置后，增加的動力電池組、控制器單元等器件，使車輛質心位置、轉動慣量等參數(shù)發(fā)生改變;電機增加了簧下質量，輪轂電機及減速器集成部件會給每個車輪增加100～400公斤的重量。這些因素使得車輛操縱穩(wěn)定性發(fā)生了變化，需要進行深入的理論分析。

（2）更多的執(zhí)行器給動力學控制帶來了更多的自由度，需要對這些執(zhí)行器進行協(xié)調控制，才能夠充分發(fā)掘潛力。首先，執(zhí)行器的數(shù)量發(fā)生了變化，傳統(tǒng)ESP的執(zhí)行器是機械制動器，電動輪的執(zhí)行器包括輪轂電機和制動器，因此需要協(xié)調單一電動輪內的驅動和制動轉矩;其次，執(zhí)行器之間的關系發(fā)生了變化，傳統(tǒng)ESP一般是基于某種規(guī)則建立各制動器之間的關系，而電動輪之間是真正的獨立可控。

（3）借助vi-grade對于輪轂電機的仿真實驗。

圖2為仿真軟件VI-grade的操作界面，可實現(xiàn)車輛各個參數(shù)的標定，結合simulink聯(lián)合仿真。算出最優(yōu)解，使得設計更加合理。

引入仿真軟件VI-grade，在設計階段及結尾驗證期間輔助項目進行，節(jié)省時間使得設計更嚴謹。在CarRealTime版塊完成關于電機參數(shù)，懸架參數(shù)等的設定。確定車輛模型后，結合Simulink聯(lián)合仿真。使用stm32單片機作為整車控制板，控制各個輪轂電機的協(xié)同運動。

（4）輪轂電機的電路控制原理及參數(shù)分析。

下面是控制小車每個車輪獨立運行的部分pid控制代碼。

函數(shù)功能：按鍵修改小車運行狀態(tài)

入口參數(shù)：無

返回? 值：無

**********************************/

void Key（void）

{

int tmp，tmp2，Position_Amplitude=390，Velocity_Amplitude=10;

static u8 mode=0;

tmp=click_N_Double（100）;

if（Menu_MODE==1）? //改變運行位置

{

if（tmp==1）Target_Position+=Position_Amplitude;

if（tmp==2）Target_Position-=Position_Amplitude;

}

else? ? ? ? ? ? ?//改變運行速度

{

if（tmp==1）Target_Velocity+=Velocity_Amplitude;

if（tmp==2）Target_Velocity-=Velocity_Amplitude;

}

if（Target_Velocity>70）Target_Velocity=70; //速度最大值限幅

if（Target_Velocity<0）Target_Velocity=0;? ?//速度最小值限幅

if（Menu_MODE==1）? mode=3;

else mode=2;

tmp2=Long_Press（）;? ? ? ? //長按用戶按鍵，選擇需要修改的參數(shù)

if（tmp2==1）

{

Menu_PID++;

if（Menu_PID>mode）? Menu_PID=1;

}

}

/**********************************

函數(shù)功能：異常關閉電機

入口參數(shù)：傾角和電壓

返回? 值：1：異常? 0：正常

**********************************/

4 結語

近幾年來隨著國家新能源政策的推行，電動汽車技術迎來了快速的發(fā)展。電動汽車受到社會和市場的青睞，主要得益于電機體積小效率高，可低轉速輸出全部扭矩等特點。不可置否，電動汽車的推廣仍受到電池續(xù)航里程短，電控系統(tǒng)不完善等困擾。在各個驅動輪的扭矩分配問題上仍然有很多需要去完善。使得輪轂電機與運載車輛有機結合，充分發(fā)揮出電機的優(yōu)勢。

基金項目：2020年山西省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目立項項目編號2020869。

參考文獻：

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