后輪獨立驅動電動汽車四輪轉向系統的研究

劉長生

摘 要：后輪獨立驅動電動汽車再研究后可以實現四輪轉向，其中前輪和后輪轉向可以經過差速轉向和常規轉向實現。確立了動力學模型，將常規的四輪轉向汽車用作參考模型，并且將PID控制器設計為捕獲驅動后輪轉向所需要的的差動轉矩，仿真效果表明，差速轉向可以實現后輪轉向。

關鍵詞：后輪獨立驅動;四輪轉向系統;電動汽車

根據電機的類型，獨立驅動器可以分為輪側電機驅動器和輪轂電機驅動器。驅動和傳動都集成到輪轂電機驅動汽車的輪轂中，這大大簡化了車輛的機械結構并提升了車輛的空間使用效率。差動轉向技術是使車輛能夠通過控制兩側獨立驅動車輪的驅動力矩來實現轉向的新技術。獨立的后輪驅動與差動轉向技術相結合，不僅有效提高了低速行駛時的機動性，而且還有效地降低了高速行駛時的甩尾和側滑現象，此外，可以主動提升汽車的操縱穩定性和安全性。

一、車輛模型

目前國內外大學和研究機構研究和開發的熱點是四輪獨立驅動電動汽車。四輪獨立驅動電動汽車可獨立控制四輪驅動力矩，轉矩和速度可輕松測量，這對車輛控制非常有利。汽車的四輪轉向控制是主動安全控制的重要研究內容之一，因為它可以有效地減小車輛的轉向半徑并提高轉向穩定性，四輪獨立驅動電動汽車具有四輪轉向功能是車輛主動安全控制的理想載體。本文研究的傳統轉向后輪獨立驅動差速轉向車輛可以被認為是一個具有一個車身和兩個后輪的系統，僅忽略車輛沿y軸的橫向運動和繞z軸的橫擺運動，而不考慮懸架對車身運動的影響，偏側特性在線性范圍內。還研究了四輪轉向控制策略，使用CarSim與Matlab/Simulink建立了車輛模型和控制策略，并進行了仿真測試。

內燃機模型是CarSim中的車輛模型，并且該模型已修改為四輪獨立驅動電動汽車模型。Simulink用于構建四輪驅動力分配器和四輪角分配器，四輪驅動力分配裝置通過基于駕駛員的目標速度和實際車輛的反饋速度來計算車輛所需的總目標驅動轉矩來分配四輪驅動轉矩，四輪角分配器根據駕駛員的方向盤角度計算并分配四輪角大小，四輪轉角控制基于阿克曼的轉角控制原理。

二、參考模型以及PID控制器

給設狀態空間變量xd（t）= [βd，γd] T，并且系統輸入為后輪旋轉角度，則相應的狀態方程。PID控制結構簡單易實現，通常在生產中使用。它由三部分組成，比例、微分和積分。當發生偏差階躍時，比例（P）控制可以快速響應該誤差，從而減小了穩態誤差，但是無法消除穩態誤差。只要系統中存在錯誤，積分（I）控制就會繼續累積。因此，只要有足夠的時間，積分控制就可以完全消除穩態誤差。但是，如果積分功能過強，則可能會增加系統過沖并導致系統振蕩。差動（D）控制可減少過沖量、克服振動，提高系統穩定性并加快系統動態響應速度。通過減少調整時間來提高動態系統性能。將前輪和后輪角度提供給參考模型后，該模型將對質量滑移角和偏航率的中心產生響應。該響應與實際車輛模型的響應之間的差異可以通過PID控制后的PID獲得。后輪差動力矩與轉矩和前輪角度一起提供給實際車輛模型，以次形成閉環控制系統。

三、四輪轉向系統的仿真分析

仿真參數為：dr=1.486m，R=0.304m，m=1111kg，k1=-95202.8N/rad，k2= -63947.18N/rad，Iz=2031.4kgm2，a=1.04m，b=1.56m，δf=0.3rad，δr= 0.08rad。通過仿真獲得的諸如質心偏角和橫擺角速的曲線，PID控制下的實際車輛模型的響應曲線基本上與參考模型匹配。然后，所需的差動轉矩在-400到470 Nm之間變化，并且完全在電動機可以提供的轉矩范圍內。這意味著，在PID控制器的操作下，配備有獨立于常規前輪轉向的后輪驅動差速轉向的車輛可以成功實現四輪轉向，并具有與常規四輪轉向相同的轉向特性。

1.車輛控制結論

使用CarSim和Matlab / Simulink，建立四輪獨立驅動電動汽車的四輪轉向控制模型，基于Ackermann轉向原理設計四輪驅動力分配器和四輪角分配器，并進行仿真實驗驗證結果。研究的四輪轉向控制策略使四輪獨立驅動電動汽車能夠確保出色的轉向穩定性，該研究方法對四輪獨立驅動電動汽車的四輪轉向控制具有一定的參考價值。研究結果表明，在阿克曼角原理的控制下，電動汽車可以更好地完成四輪轉向模式。

四、獨立電驅動汽車的概述

電動汽車的動力是電力供應，目前市場上的電動汽車分為單驅動電機和多驅動電機，其結構相對簡單，以車身、車身和電動驅動為中心結構。電動汽車的動力分配比燃料汽車更合理，并且由于傳統汽車的完整性，驅動器和車輪集成在動力分配中，并且電動汽車是四輪獨立的，這使得控制更加靈活。電驅動電動汽車的出現顯示了汽車領域新能源的巨大潛力。由于電動汽車的啟動速度相對較慢，因此它們仍處于探索階段，許多技術還不夠成熟，還有改進的空間。當前，市場上最普通的電動車輛是缺少內燃機，該內燃機不能去除傳統的變速器和其他部件。在獨立式電動車輛的情況下，其結構構造更簡單。

結語

綜上所述，前輪的常規轉向-通過構建后輪差速轉向的四輪轉向車輛模型，并以傳統的四輪轉向為參考模型，使用PID控制來進行允許正確跟蹤車輪轉向車輛的響應特性，該研究為差速轉向應用提供了理論基礎，以及對四輪轉向控制策略，使用CarSim與Matlab/Simulink建立了車輛模型和控制策略，并進行了仿真測試。

參考文獻

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