雙電機(jī)電子差速模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

彭羿博 田甜 黎俊鋒 潘子健 何明興

（廣州城市理工學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院 廣東省廣州市 510800）

為滿(mǎn)足應(yīng)用型本科大學(xué)新能源汽車(chē)方向?qū)W生的教學(xué)需求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于simulink 的雙電機(jī)電子差速模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）展示雙電機(jī)電子差速結(jié)構(gòu)和工作原理；

（2）雙電機(jī)的聯(lián)調(diào)和協(xié)同控制；

（3）搭建了實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)物，可以更直觀的進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。

1 數(shù)學(xué)模型搭建

為了直觀地在平臺(tái)上看出車(chē)輛差速時(shí)的實(shí)際效果，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用轉(zhuǎn)速控制的方法去控制電機(jī)運(yùn)作，對(duì)此需要對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)并搭建數(shù)學(xué)模型。

1.1 阿克曼轉(zhuǎn)向原理的數(shù)學(xué)模型

阿克曼原理是指在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)每個(gè)車(chē)輪繞同一中心轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而保證輪胎與地面之間無(wú)滑動(dòng)摩擦而處于摩擦力最小的純 滾動(dòng)狀態(tài)。[2]阿克曼轉(zhuǎn)向原理是在假定汽車(chē)前輪定位角為 0、汽車(chē)行 駛系統(tǒng)為剛性、汽車(chē)行駛中無(wú)側(cè)向力的情況下，四輪繞同一 圓心作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。以此來(lái)做模型的簡(jiǎn)化[3]。

圖1 為汽車(chē)阿克曼模型，由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的特性，轉(zhuǎn)向輪并不是相互平行的，兩輪的延長(zhǎng)線(xiàn)會(huì)交于一點(diǎn)，以便車(chē)輛可以做類(lèi)圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)阿克曼系數(shù)為100%時(shí)，轉(zhuǎn)向輪延長(zhǎng)線(xiàn)的焦點(diǎn)將在后輪輪軸的延長(zhǎng)線(xiàn)上，是一種理想的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，此時(shí)車(chē)輛轉(zhuǎn)向?qū)⒁赞D(zhuǎn)向輪延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)為圓心，做圓周運(yùn)動(dòng)。但現(xiàn)實(shí)下，100%的阿克曼系數(shù)是不適用的。真實(shí)情況下的阿克曼系數(shù)通常為30%-90%之間。

1.2 動(dòng)力建模

采用后驅(qū)的比亞迪e6 的轉(zhuǎn)向模型作為參考，建立了如圖2 的阿克曼模型。

其中α 為汽車(chē)轉(zhuǎn)向角，L 為車(chē)量軸距，B 為車(chē)輛輪距，β 為右輪轉(zhuǎn)角，δ 為左輪轉(zhuǎn)角，R1為轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪的旋轉(zhuǎn)半徑，R2為轉(zhuǎn)向外側(cè)輪的旋轉(zhuǎn)半徑，阿克曼系數(shù)為60%。根據(jù)幾何關(guān)系，我們可以求出轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外后驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向半徑。

圖2 中為左轉(zhuǎn)，則左輪為轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪，右輪為轉(zhuǎn)向外側(cè)輪，V為汽車(chē)運(yùn)行速度，V3為轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪輪速，V4為轉(zhuǎn)向外側(cè)輪輪速，則有：

其中n 為減速器傳動(dòng)比，N1為轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪的電機(jī)轉(zhuǎn)速，N2為轉(zhuǎn)向外側(cè)輪的電機(jī)轉(zhuǎn)速，r 為輪胎直徑。

為此我們對(duì)山羊顆粒TMR進(jìn)行了研究，在對(duì)制粒工藝完成初步試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)了山羊顆粒TMR的適口性及采食行為的觀察試驗(yàn)，以檢驗(yàn)在生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性[1]，并為以顆粒TMR為基礎(chǔ)的飼養(yǎng)管理新方式提供參考；同時(shí)確定其進(jìn)行可量產(chǎn)的成套設(shè)備和生產(chǎn)線(xiàn)開(kāi)發(fā)的必要[2]。在按設(shè)計(jì)要求成功加工出山羊全混合日糧顆粒料后，為進(jìn)一步優(yōu)化工藝，進(jìn)行了幾種不同加工方式的顆粒飼料貯存觀察?？蔀槿庋蛉旌项w粒飼料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供參考。

在阿克曼轉(zhuǎn)向模型中，車(chē)輛將圍繞同一點(diǎn)，即轉(zhuǎn)向輪延長(zhǎng)線(xiàn)的交點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，在沒(méi)有滑移的理想條件下，各輪的角速度是相同的，則有：

將（1）、（2）、（3）、（4）、（5）聯(lián)立后可得：

圖1：汽車(chē)阿克曼模型

圖2：比亞迪e6 阿克曼模型

圖3：轉(zhuǎn)角與時(shí)間關(guān)系直角坐標(biāo)圖

圖4：仿真結(jié)果

圖5：基于catia 所搭建的實(shí)物建模

由此，得出了車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)，各后驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速與車(chē)輛轉(zhuǎn)角間的關(guān)系。

2 控制模型

在后驅(qū)雙電機(jī)乘用車(chē)上，為保證轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輛的穩(wěn)定性，通常需要vcu 對(duì)mcu 進(jìn)行控制，從而進(jìn)一步控制電機(jī)，以到達(dá)差速的目的，其中需要各種傳感器參與工作，如橫擺角速度傳感器，輪速傳感器，車(chē)速傳感器等，而在教學(xué)平臺(tái)的搭建中，采用STM32 單片機(jī)作為主控硬件，用MTLAB/simulink 進(jìn)行控制系統(tǒng)的搭建，從而對(duì)整套教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行控制。

2.1 控制邏輯

角度傳感器將轉(zhuǎn)角信息讀取后，判斷是否為轉(zhuǎn)向狀態(tài)，為了排除人為因素或路面工況的干擾，設(shè)置±3°作為干擾余量。若角度變化量沒(méi)有超過(guò)3°，則認(rèn)為是直線(xiàn)行駛，電子差速系統(tǒng)不會(huì)啟動(dòng)，而當(dāng)角度傳感器的的數(shù)值超過(guò)3°后，首先要判斷左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，以便確定轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪。由于外側(cè)輪的轉(zhuǎn)向半徑大于內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向半徑，意味著外側(cè)輪在同一時(shí)間內(nèi)走過(guò)的路程將大于內(nèi)側(cè)輪，即轉(zhuǎn)向外側(cè)輪的輪速大于內(nèi)側(cè)輪的輪速，而考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速上限的問(wèn)題，將選擇外側(cè)輪作為參考，改變內(nèi)側(cè)輪的輪速以達(dá)到差速目的。在方向盤(pán)回正，角度傳感器數(shù)值小于±3°之后，電子差速系統(tǒng)將停止，恢復(fù)到直線(xiàn)行駛的狀態(tài)。

2.2 基于simulink的控制模型

通過(guò)wheel-angle 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的仿真結(jié)果圖4 我們可以看出，在1 至3 秒時(shí)，左右電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，均為500n/s；在3 至7秒時(shí)，為右轉(zhuǎn)工況，此時(shí)右電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)角的增大逐漸減小，左電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，形成差速，在7 至10 秒時(shí)，為左轉(zhuǎn)工況，右電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，左電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)角的增大而減小，隨著轉(zhuǎn)角的減小而增大，形成差速。由此可以得出控制模型確實(shí)可以進(jìn)行差速控制。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)

結(jié)合搭建的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)catia 建模進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)。建成的平臺(tái)具有功能如下：展示差速原理，并可在不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角下展示差速效果。

3.1 設(shè)計(jì)方案

采用48v500w10 寸阿爾郎西洛浦輪轂電機(jī)與500w12 管電機(jī)控制器，stm32 單片機(jī)作為ecu。當(dāng)平臺(tái)工作時(shí)，電機(jī)上的轉(zhuǎn)子位置傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給mcu，mcu 再通過(guò)can 通訊將轉(zhuǎn)速信息傳遞給ecu，方向盤(pán)角度傳感器將轉(zhuǎn)角信號(hào)傳遞給ecu，由ecu 通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出左右各電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)向差速控制，模擬出汽車(chē)在過(guò)彎時(shí)的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 實(shí)物建模

圖5即為使用CATIA搭建的設(shè)計(jì)，其中1為顯示器、2為方向盤(pán)、3 為方向盤(pán)角度傳感器、4 為輪轂電機(jī)、5 為油門(mén)推桿、6 為mcu、7 為ecu、8 為電池箱。

在教學(xué)過(guò)程中，試驗(yàn)臺(tái)可通過(guò)油門(mén)推桿改變電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)可改變轉(zhuǎn)向情況，電機(jī)將根據(jù)油門(mén)推桿和方向盤(pán)的狀態(tài)而改變自身的狀態(tài)。試驗(yàn)臺(tái)上的顯示器會(huì)同步顯示左右各電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與電池soc。試驗(yàn)臺(tái)背板上會(huì)展示出阿克曼角原理圖與試驗(yàn)臺(tái)電路圖，方便教學(xué)。

4 結(jié)論

在基于雙電機(jī)的電子差速模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，我們選擇了通過(guò)阿克曼轉(zhuǎn)角模型作為差速原理，并達(dá)到了展示了不同轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速下的差速效果，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的。之后將對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步優(yōu)化，采用更加優(yōu)秀的控制模型，如；橫擺角速度控制、牽引力控制等。