雙電機電子差速模擬教學實訓平臺的設計

彭羿博 田甜 黎俊鋒 潘子健 何明興

（廣州城市理工學院汽車與交通工程學院 廣東省廣州市 510800）

為滿足應用型本科大學新能源汽車方向學生的教學需求，設計了一臺基于simulink 的雙電機電子差速模擬教學實訓平臺，該平臺可以實現以下功能：

（1）展示雙電機電子差速結構和工作原理；

（2）雙電機的聯調和協同控制；

（3）搭建了實訓臺實物，可以更直觀的進行實踐教學。

1 數學模型搭建

為了直觀地在平臺上看出車輛差速時的實際效果，實訓平臺采用轉速控制的方法去控制電機運作，對此需要對車輛的運行狀態的變化進行預測并搭建數學模型。

1.1 阿克曼轉向原理的數學模型

阿克曼原理是指在車輛轉彎時每個車輪繞同一中心轉動， 從而保證輪胎與地面之間無滑動摩擦而處于摩擦力最小的純 滾動狀態。[2]阿克曼轉向原理是在假定汽車前輪定位角為 0、汽車行 駛系統為剛性、汽車行駛中無側向力的情況下，四輪繞同一 圓心作純滾動運動。以此來做模型的簡化[3]。

圖1 為汽車阿克曼模型，由于轉向機構的特性，轉向輪并不是相互平行的，兩輪的延長線會交于一點，以便車輛可以做類圓周運動。當阿克曼系數為100%時，轉向輪延長線的焦點將在后輪輪軸的延長線上，是一種理想的轉向狀態，此時車輛轉向將以轉向輪延長線交點為圓心，做圓周運動。但現實下，100%的阿克曼系數是不適用的。真實情況下的阿克曼系數通常為30%-90%之間。

1.2 動力建模

采用后驅的比亞迪e6 的轉向模型作為參考，建立了如圖2 的阿克曼模型。

其中α 為汽車轉向角，L 為車量軸距，B 為車輛輪距，β 為右輪轉角，δ 為左輪轉角，R1為轉向內側輪的旋轉半徑，R2為轉向外側輪的旋轉半徑，阿克曼系數為60%。根據幾何關系，我們可以求出轉向時內外后驅動輪的轉向半徑。

圖2 中為左轉，則左輪為轉向內側輪，右輪為轉向外側輪，V為汽車運行速度，V3為轉向內側輪輪速，V4為轉向外側輪輪速，則有：

其中n 為減速器傳動比，N1為轉向內側輪的電機轉速，N2為轉向外側輪的電機轉速，r 為輪胎直徑。

為此我們對山羊顆粒TMR進行了研究，在對制粒工藝完成初步試驗后，設計了山羊顆粒TMR的適口性及采食行為的觀察試驗，以檢驗在生產中應用的可行性[1]，并為以顆粒TMR為基礎的飼養管理新方式提供參考；同時確定其進行可量產的成套設備和生產線開發的必要[2]。在按設計要求成功加工出山羊全混合日糧顆粒料后，為進一步優化工藝，進行了幾種不同加工方式的顆粒飼料貯存觀察。可為肉羊全混合顆粒飼料的開發應用提供參考。

在阿克曼轉向模型中，車輛將圍繞同一點，即轉向輪延長線的交點進行轉向，在沒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）聯立后可得：

圖1：汽車阿克曼模型

圖2：比亞迪e6 阿克曼模型

圖3：轉角與時間關系直角坐標圖

圖4：仿真結果

圖5：基于catia 所搭建的實物建模

由此，得出了車輛在轉向時，各后驅電機轉速與車輛轉角間的關系。

2 控制模型

在后驅雙電機乘用車上，為保證轉向時車輛的穩定性，通常需要vcu 對mcu 進行控制，從而進一步控制電機，以到達差速的目的，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，車速傳感器等，而在教學平臺的搭建中，采用STM32 單片機作為主控硬件，用MTLAB/simulink 進行控制系統的搭建，從而對整套教學平臺進行控制。

2.1 控制邏輯

角度傳感器將轉角信息讀取后，判斷是否為轉向狀態，為了排除人為因素或路面工況的干擾，設置±3°作為干擾余量。若角度變化量沒有超過3°，則認為是直線行駛，電子差速系統不會啟動，而當角度傳感器的的數值超過3°后，首先要判斷左轉還是右轉，以便確定轉向內外輪。由于外側輪的轉向半徑大于內側輪的轉向半徑，意味著外側輪在同一時間內走過的路程將大于內側輪，即轉向外側輪的輪速大于內側輪的輪速，而考慮到電機轉速上限的問題，將選擇外側輪作為參考，改變內側輪的輪速以達到差速目的。在方向盤回正，角度傳感器數值小于±3°之后，電子差速系統將停止，恢復到直線行駛的狀態。

2.2 基于simulink的控制模型

通過wheel-angle 方向盤轉角與時間的仿真結果圖4 我們可以看出，在1 至3 秒時，左右電機轉速相同，均為500n/s；在3 至7秒時，為右轉工況，此時右電機轉速隨著轉角的增大逐漸減小，左電機轉速不變，形成差速，在7 至10 秒時，為左轉工況，右電機轉速不變，左電機轉速隨著轉角的增大而減小，隨著轉角的減小而增大，形成差速。由此可以得出控制模型確實可以進行差速控制。

3 平臺設計

結合搭建的數學模型，通過catia 建模進行實物設計。建成的平臺具有功能如下：展示差速原理，并可在不同的轉速、轉角下展示差速效果。

3.1 設計方案

采用48v500w10 寸阿爾郎西洛浦輪轂電機與500w12 管電機控制器，stm32 單片機作為ecu。當平臺工作時，電機上的轉子位置傳感器將轉速信號傳遞給mcu，mcu 再通過can 通訊將轉速信息傳遞給ecu，方向盤角度傳感器將轉角信號傳遞給ecu，由ecu 通過數學模型計算出左右各電機的轉速，完成轉向差速控制，模擬出汽車在過彎時的電機運行狀態。

3.2 實物建模

圖5即為使用CATIA搭建的設計，其中1為顯示器、2為方向盤、3 為方向盤角度傳感器、4 為輪轂電機、5 為油門推桿、6 為mcu、7 為ecu、8 為電池箱。

在教學過程中，試驗臺可通過油門推桿改變電機運行轉速，轉動方向盤可改變轉向情況，電機將根據油門推桿和方向盤的狀態而改變自身的狀態。試驗臺上的顯示器會同步顯示左右各電機轉速、方向盤轉角與電池soc。試驗臺背板上會展示出阿克曼角原理圖與試驗臺電路圖，方便教學。

4 結論

在基于雙電機的電子差速模擬教學實訓平臺的設計中，我們選擇了通過阿克曼轉角模型作為差速原理，并達到了展示了不同轉角，轉速下的差速效果，達到了預期的教學目的。之后將對試驗臺進一步優化，采用更加優秀的控制模型，如；橫擺角速度控制、牽引力控制等。