基于Ackermann模型的輪轂電機四輪獨立驅動電動汽車電子差速轉向控制研究*

董鑄榮，賀 萍，朱小春

（深圳職業技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055）

電動汽車電動機的驅動方案有集中驅動、分布驅動2種，分布驅動又包括車橋驅動及輪轂電機驅動，其中輪轂電機驅動更有利于實現機電一體化和現代控制技術．輪轂電機技術又稱車輪內裝電機技術，它的最大特點就是將動力、傳動裝置等都整合到輪轂內，將電動車輛的機械部分大大簡化．與電動機集中動力驅動相比，輪轂電機技術具備很大的優勢，它布局更為靈活，不需要復雜的機械傳動系統，使整車重量減輕，降低了機械傳動損耗，并具有靈活的行駛特性[1-7]，輪轂電機驅動技術將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景．

所謂電子差速（Electronic Differential System，簡稱 EDS）[8]是完全采用電控方式控制各個車輪的轉速，使車輪以不同速度轉動，如果各車輪轉速滿足Ackermann轉向模型條件，使電動車實現電子差速轉向控制．在這個理論指導下，可以認為在省略傳統的轉向機構的基礎上，甚至還可以省略控制車輪轉角的轉向電機，也能達到控制電動車轉向的目的．

傳統汽車電子轉向系統中均采用轉向電機控制轉向，或者取消轉向電機，采用直接使用無刷直流輪轂電機提供轉向動力，結合轉向運動學Ackermann模型，獨立控制 4個車輪轉速實現轉向[9]，但文獻[9]采用轉向橫拉桿．本文試驗用四輪轂電機獨立驅動電動樣車無轉向橫拉桿設計，分別開展 4種轉向電機控制方案進行轉向試驗對比研究，旨在探索是否能夠簡化轉向機構而能實現電動汽車轉向控制的可行性．

1 Ackermann轉向模型

假設所有車輪都繞同一中心無滑移旋轉，這一低速條件下的近似來源于十九世紀初馬車轉向機構的發明人Rudolph Ackermann，因此稱之為Ackermann轉向模型[10]．如圖1所示，汽車低速左轉彎情況，忽略慣性力，假設全部輪胎對地無滑移，車輛繞轉向中心O旋轉，l為前后軸距，w為左右輪距，a2為質心與后軸軸距，則所有的幾何參數中，只有一個是自由變量，其它參數都可由之得出．Ackermann轉向模型是內外車輪滿足轉向時的運動幾何關系．本文以質心C的轉向角d為變量，則：

圖1 Ackermann轉向模型

采用4個輪轂電機直接與4個主動輪連接，電機的轉速等于4個主動輪的轉速，左前輪?、右前輪?、右后輪?、左后輪?、質心C的轉速分別是vA，vB，vC，vD，v，以v為參考速度，則有：

2 試驗用電動車整車控制方案

試驗用四輪獨立驅動、四輪獨立轉向共八電機控制電動車如圖2所示．該電動車的主要參數如下：軸距l為1.60 m，輪距w為1.35 m，質心與后軸軸距a2為0.80 m，車輪半徑為0.225 m．電動車驅動電機是永磁直流輪轂電機，選用6個鉛酸蓄電池串聯給電機供電，蓄電池組額定工作電壓為6×12=72V．

本文所設計的試驗用電動車利用駕駛者操縱方向盤、油門踏板、制動踏板提供直線行駛、轉向行駛、制動及停車等外部指令，指令通過傳感器轉換為電信號輸入整車控制系統ECU ，整車ECU將油門信號轉換為質心C的速度目標值v，將方向盤信號以2.5:1的比例轉換為質心C的轉向角目標值d，采用Ackermann轉向模型（1）、（2）式，計算出4個車輪? 、? 、? 、? 的轉速目標值vA，vB，vC，vD及轉向角目標值di，do，0，0．整車ECU將上述四輪的轉速、轉向角目標值通過CAN總線通訊，傳輸給四個車輪動力系統ECU，分別控制4個車輪的輪轂驅動電機和轉向電機，實現整車各種工況的控制，其整車控制框圖如圖3所示．同時，各輪動力系統ECU實時采樣各車輪轉速、轉向角信號，經CAN總線通訊傳輸給整車控制系統ECU，實現外環閉環控制和信號采集．

圖2 試驗用四輪轂電機獨立驅動電動汽車

圖3 試驗用電動車整車控制框圖

3 四輪轂電機獨立驅動電動車電子差速轉向控制試驗及結果分析

針對本研究的試驗電動車，開展逐漸簡化轉向機構的試驗方案，分別進行左右前輪轉向都控制、左前輪轉向不控制、右前輪轉向不控制、左右前輪轉向都不控制四種轉向電機控制方案進行整車蛇形行駛試驗對比研究，旨在探索是否能夠簡化轉向機構而能實現電動汽車轉向控制的可行性．本試驗設定車輪相對直行方向右偏轉，轉向角為正值，反之為負值．

3.1 左右前輪轉向都控制的整車蛇形行駛試驗

針對圖3整車控制框圖所示，左右兩前輪轉向受各自轉向電機控制，當方向盤發出蛇形行駛指令，由整車控制系統ECU計算出左右前輪的轉向角目標值，分別控制左右前輪的轉向電機使左右前輪偏轉，從而實現整車蛇形行駛．圖4為左右前輪轉向角實時狀態值和目標值與時間的關系曲線，由圖4可以看到，左右前輪轉向角有轉角差，左前輪實時狀態值與左前輪目標值很吻合、右前輪二值也很吻合，說明左右前輪都由轉向電機控制的轉向能夠精確實現轉向控制．

3.2 左前輪轉向不控制的整車蛇形行駛試驗

針對圖3整車控制框圖所示，將左前轉向電機拆掉，左前輪成為轉向自由輪，僅受左前輪轂電機的驅動控制，當方向盤發出蛇形行駛指令，由整車控制系統 ECU計算出兩前輪轉向角目標值，但只能控制右前輪的轉向電機，即控制右前輪轉向角，左前輪由輪轂電機控制轉速，由電子差速轉向原理實現左前輪偏轉，使整車蛇形行駛．圖5為試驗結果，由圖5可以看到，右前輪實時狀態值與右前輪的目標值很吻合，但左前輪的兩組數據吻合度稍差一些，說明左前輪轉向不控制，能夠較好實現轉向控制，但控制精度不如左右前輪都轉向控制的第一種試驗情況．

3.3 右前輪轉向不控制的整車蛇形行駛試驗

針對圖3整車控制框圖所示，將右前轉向電機拆掉，右前輪成為轉向自由輪，僅受右前輪轂電機的驅動控制，圖6為試驗結果，左前輪目標值與左前輪的實時狀態值很吻合，但右前輪的兩組數據應該吻合度差一些，與上述第二種試驗情況類似，說明右前輪轉向不控制，能夠較好實現轉向控制，但控制精度不如左右前輪都轉向控制的第一種試驗情況．

3.4 左右前輪轉向都不控制的整車蛇形行駛試驗

圖4 左右前輪轉向控制的整車蛇形行駛試驗結果

圖5 左前輪轉向不控制的整車蛇形行駛試驗結果

圖6 右前輪轉向不控制的整車蛇形行駛試驗結果

針對圖3整車控制框圖所示，將左右兩前轉向電機都拆掉，兩前輪成為轉向自由輪，僅受輪轂電機的驅動控制，當方向盤發出蛇形行駛指令，整車控制系統 ECU只能依據油門信號計算出兩前輪轉速目標值，控制兩前輪的輪轂電機，由電子差速轉向原理實現兩前輪偏轉，使整車蛇形行駛．圖7為試驗結果，由圖7可以看到，方向盤發出了大角度轉向指令，最大轉向角目標值達75°，但車輪實時狀態值只有 10°，兩前輪目標值與實時狀態值吻合度較差，但行駛趨勢是一致的．說明左右前輪轉向都不控制，難于實現轉向控制．

圖7 左右前輪轉向都不控制的整車蛇形行駛試驗結果

4 結 論

針對輪轂電機獨立驅動、轉向電機獨立轉向的試驗電動車，進行基于Ackermann模型的電子差速實現轉向控制研究，分別開展左右前輪轉向都控制、左前輪轉向不控制、右前輪轉向不控制、左右前輪轉向都不控制4種轉向電機控制方案進行整車蛇形行駛試驗對比研究，雖然轉向控制精度隨著轉向機構的逐漸簡化而降低，特別是第 4種試驗情況，僅靠電子差速實現轉向控制難于實現，但減少一個轉向電機，保留1個轉向電機是可以保證轉向的精確控制．

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