輪轂電機電動汽車電子差速低速轉向控制仿真

華磊 張成濤 陸文祺 王佳奇

摘 要：針對輪轂電機獨立驅動電動汽車電子差速的問題進行研究，通過對輪轂電機驅動和傳統汽車的差速裝置驅動進行比較分析.根據阿克曼汽車轉向模型和各個輪轂電機獨立可控，提出基于MATLAB /simulink搭建汽車理想狀態下的轉向仿真建模.仿真結果表明：Ackermann-Jeantand轉向幾何模型可以計算出給定方向盤角度下的各個車輪的實際速度，進而分別控制各個輪轂電機的轉速實現電動汽車電子差速的目的，滿足汽車低速轉向的要求，對進一步研究電動汽車獨立轉向電子差速等問題具有一定的借鑒意義.

關鍵詞：輪轂電機；電子差速；MATLAB/Simulink 仿真

中圖分類號：U469.720.3 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.012

0 引言

日益嚴重的環境污染和能源短缺等問題給汽車行業帶來了巨大的影響，發展純電動汽車被世界各國廣泛認為是解決環境污染最有效的方式之一[1].輪轂電動汽車采用輪轂電機直接驅動車輪轉動，各個車輪獨立可控，動力傳動的硬件連形式改為軟連接形式，跟傳統的內燃機相比，減少了離合器、差速器、傳動軸等傳動裝置，使得汽車結構大為簡化，整車質量減輕，提高了傳動效率，滿足電動汽車發展的新方向[2].

孫明江[3]通過CarSim軟件和MATLAB/simulink軟件對電動汽車差速進行聯合仿真，以采集輪速控制模塊和目標轉速之差作為輸入，采用PID控制算法，計算出各個車輪所需的驅動力矩.實驗結果表明提高了電動汽車的穩定性，最終實現電動汽車電子差速.丁張根等[4]提出CANoe和MATLAB聯合仿真，能夠實現電動機正反轉、轉速控制.對研究輪轂電機電動車電子差速控制奠定了良好的基礎.

本文以阿克曼轉向原理計算出左右車輪所需的轉速，結合文獻[4]實現的節點之間通訊快速、穩定、可靠，可以實現整車控制器控制各個輪轂電機的轉速.在MATLAB/simulink中建立電動汽車低速、靜態轉向的仿真模型，在實驗仿真中要求車速不高于16 m/s，實驗仿真結果表明四輪輪轂電機在電動汽車低速轉向中滿足實驗要求.但是阿克曼轉向原理也存在弊端，電動汽車在轉向角為20°時右前車輪仿真轉速為16.5 m/s，超過電動汽車實際最高轉速16 m/s，不符合實驗要求.

1 輪轂電機電動實驗車結構簡圖

輪轂電機電動汽車結構簡圖如圖1所示，由4塊12 V的鉛酸蓄電池串聯為48 V作為整車的主電源，分別給4個650 W的輪轂電機供電，每個輪轂電機獨立可控，當控制器接收來自駕駛員的操作命令，并做出相應的反應.汽車轉向時控制器采集方向盤轉角，求出左右車輪轉向角度，根據阿克曼轉向模型控制算法計算出各個車輪的速度，主控制器向各個輪轂電機控制器發出控制命令，無刷控制器調整相應電機的轉速，達到電子差速低速轉向的功能[5].

2 電動汽車電子差速分析

汽車在行駛的過程嚴格按照駕駛員的意愿改變方向稱之為汽車轉向.由于輪轂電機直接安裝在電動車輪內，與傳統汽車相比減少了離合器、變速箱、傳動軸差速器、半軸[6]，極大的簡化了傳動結構，減輕了整車質量，從而提高了傳動效率，增加了續航里程，減小了環境污染.當汽車按直線行駛時只需要保證各個車輪的轉速相等即可；汽車在轉彎時為避免側滑現象，就必須保證各車輪相對于汽車旋轉中心的角速度相等[7].轉彎的時候整車控制器采集轉角傳感器轉角信息，通過阿克曼轉向原理計算出各個車輪所需的實際轉速，控制輪轂電機以不同的轉速轉動，從而達到差速的目的.又因為各個車輪獨立可控，可以容易實現調節車輪轉速、汽車轉向的力傳動特性和角傳遞特性，電動汽車轉向控制流程圖如圖2所示.

3 建立差速模型

本文根據阿克曼原理建立輪轂電機電動汽車低速轉向模型，該轉向模型認為車體為剛體且不考慮輪胎非線性影響，轉向時只考慮前輪轉向后輪不轉向，以此簡化轉向模型，更好的進行公式的推導，模型如圖3所示.

圖3中，O點為四個車輪的旋轉中心的交點，C為左右車輪輪距，L為前后軸距，A和B分別為前軸和后軸到質心的距離，δ為阿克曼轉角無法通過實際測得，β為車輛縱向行駛速度與車輛行駛速度的夾角，δ1和δ2為轉向車輪的轉向角度；V 為車輛實際速度，Vx為車輛前進速度，Vy為車輛側向速度，V1—V4為各個車輪縱向平移速度，R1—R4為對應的轉動半徑，R為質心運動的半徑[8]，R0為車輛前軸轉動半徑，ω為垂直速度.

由圖中的幾何關系可以得：

計算出各個車輪的轉速，就可以設計相應的硬件設計和軟件仿真實驗.

4 基于MATLAB/simulink建模仿真及結果分析

4.1 仿真建模

根據阿克曼轉向模型分析，在MATLAB2010版本中建立chasu.mdl文件，其中軸距L=2 m，后軸到質心的距離B=0.6 m，輪距C=0.6 m，模型仿真模型如圖4所示[9].取文獻[10]中整車參數在simulink中仿真.

4.2 仿真結果

在輸入不同車速時，以左輪轉向角度為參照，記錄下不同車速對應不同轉向角下的車速在MATLAB中仿真得出4個車輪的轉速如圖5—圖7所示.其中圖5—圖7左側圖為L=2.00 m，B=0.60 m，C=0.60 m所仿真的結果圖；右側圖為L=2.70 m，B=1.45 m，C=1.56 m所仿真的結果圖.

在模型中輸入不同的車速和轉角，就可以得出相對應各個車輪的車速.由圖可知在電動車左轉向的時候，其車速是外側車速大于內側車速，滿足[V=ω*R].在通過整車控制器控制電機控制器輸出相應的電機轉速，從而實現電子差速和轉向.

5 結論

根據MATLAB/simulink仿真結果可知，這種仿真模型適合于低速、靜態下的電動汽車轉向仿真，且電動汽車四輪車速不同達到差速的目的，為電子差速控制提供可靠理論依據.從不同的車型仿真對比中可以發現當車輛轉向的時候外側轉速大于內側轉速，符合車輛轉向實際情況.當車輪轉向角、轉速達到一定值時，外側車輪速度將保持不變.如轉向角為20°時，輸入車速為15 m/s的時候，仿真得出右前輪車速為16.5 m/s超過實際車輪最大轉速16 m/s，在繼續增大轉向角度和輸入車速對設計的低速差速器沒有太大意義，同時電動車差速效果差且出現車輪打滑現象.從實驗也證明了阿克曼原理適合于低速轉向.

參考文獻

[1]蔣鳴雷，張欣，楊慶保. 純電動汽車低速轉向差速控制方法研究[J]. 北京汽車，2014（2）：20-23.

[2]李周清. 外轉子永磁輪轂電機的設計研究[J]. 機電工程技術，2012，41（3）：1-6.

[3]孫明江. 輪轂電機電動汽車電子差速控制研究[D].錦州：遼寧工業大學，2016.

[4]丁張根，羅文廣. 基于CANoe-MATLAB的電動機仿真控制的研究[J]. 廣西科技大學學報，2014，25（2）：58-63.

[5]楊慶保. 純電動汽車整車控制器研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[6]沈世輝，段靜，史添添，等. 四輪轂驅動電動汽車電子差速控制的研究[J]. 南陽理工學院學報，2016，8（6）：38-42.

[7]趙艷娥，張建武. 輪轂電機驅動電動汽車電子差速系統研究[J]. 系統仿真學報，2008，20（18）：4767-4771.

[8]楊慶保. 純電動汽車整車控制器研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[9]靳彪，張欣，楊慶保. 純電動汽車低速轉向差速控制模型[J]. 北京交通大學學報，2013，37（4）：158-161.

[10]方春杰. 純電動汽車質心側偏角估計及仿真分析[J]. 汽車工程師，2017（11）：34-37.