四輪全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計與控制方法研究

李波，白艷飛，李雙雙，周佳，董洪昭

（1.北京新能源汽車股份有限公司，北京 100000；2.北京工商大學 人工智能學院，北京 100048）

0 引言

現(xiàn)在市場上絕大多數(shù)的汽車都采用傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向，不可否認前輪轉(zhuǎn)向具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、占用空間小、發(fā)展成熟等優(yōu)點[1]。但同時也存在低速行駛時轉(zhuǎn)彎半徑較大、高速行駛時轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性能較差的缺點。在傳統(tǒng)汽車的架構(gòu)中，由于機械結(jié)構(gòu)固定，車輛轉(zhuǎn)向操作的靈活性受到很大限制，因此研究和設計一種全新的四輪全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有重大的理論意義和應用價值。

隨著新能源汽車快速發(fā)展，國內(nèi)外開展了高轉(zhuǎn)向性能汽車技術的研究，研究人員把目光從傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向（FWS）逐漸轉(zhuǎn)移到四輪轉(zhuǎn)向（4WS）和線控轉(zhuǎn)向（SBW）[2]。與傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向相比，四輪轉(zhuǎn)向和線控轉(zhuǎn)向可以改善汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性和角傳遞特性。四輪轉(zhuǎn)向車輛具有四輪轉(zhuǎn)角可調(diào)、四輪轉(zhuǎn)矩獨立可控的特點，提高了機動車輛的轉(zhuǎn)向靈活性和操縱穩(wěn)定性[3－4]；而線控轉(zhuǎn)向使轉(zhuǎn)向盤輸入與汽車前輪轉(zhuǎn)角之間擺脫了機械系統(tǒng)的限制，提升了轉(zhuǎn)向特性的優(yōu)化空間[5-6]。

純電動汽車的發(fā)展使兩種技術結(jié)合成為可能，以電能為動力源，通過線控技術可以實現(xiàn)各系統(tǒng)獨立控制，使得四輪全方位轉(zhuǎn)向的構(gòu)想得以實現(xiàn)。李萍等[7]研究四輪轉(zhuǎn)向汽車中滿足阿克曼理論的轉(zhuǎn)向梯形設計，提出一種基于MATLAB計算的設計觀點和設計方法。夏光等[8]分析了全液壓轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向偏差機理，提出一種基于轉(zhuǎn)向效率的期望轉(zhuǎn)向曲線及其可行域確定方法，設計了一種線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向同步，消除轉(zhuǎn)向偏差。J. W. Yong等[9]運用滑膜控制設計了一種四輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩集成控制算法。M. Demirci等[10]設計了一種基于拉格朗日神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應最優(yōu)控制器，用于四輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩的協(xié)調(diào)控制。付翔等[11]提出一種主動后輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)矩分配的協(xié)調(diào)控制方法，其設計的控制系統(tǒng)對改善四輪轉(zhuǎn)向車輛高速工況下的轉(zhuǎn)向靈敏度不足問題有很好的效果。

新興的兩種轉(zhuǎn)向技術相較于傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向均具有一定的優(yōu)越性，但如何將兩種技術的優(yōu)勢合理地集中到一起，成為了一個亟待解決的問題[12]。本文以設計一個全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究目標，對一體化電動輪關鍵零部件即獨立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進行有關設計，對多模式下的上層分配策略進行相應的分析，并對下層執(zhí)行電動機的控制算法進行有關仿真及實驗驗證，證明了設計方案的可靠性。

1 全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計

1.1 面向一體化電動輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，使轉(zhuǎn)向車輪理論上可以實現(xiàn)360°的全方位轉(zhuǎn)向[13-14]。本文所要研發(fā)的全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是以一體化電動車輪模塊作為整個系統(tǒng)的核心，主要由獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)、轉(zhuǎn)向臂、輪轂電動機、主動懸架等零部件組成，具體如圖1所示。

圖1 一體化電動輪模塊

單個車輪模塊集驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動和主動高度調(diào)節(jié)功能于一身，高集成可拓展的模塊化設計為四輪全方位線控轉(zhuǎn)向電動汽車提供了一種可行的解決方案。

獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設計是實現(xiàn)一體化電動車輪全方位轉(zhuǎn)向的關鍵所在，獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用轉(zhuǎn)向電動機輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速器進行減速增扭后直接帶動轉(zhuǎn)向臂旋轉(zhuǎn)?；诖朔桨福惑w化電動車輪可實現(xiàn)360°獨立轉(zhuǎn)向功能。圖2所示為獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)三維模型的結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖2 獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)剖面圖

具體實現(xiàn)過程：當車輪控制器接收到方向盤轉(zhuǎn)角信號后，轉(zhuǎn)向電動機立刻按照設定的程序輸出相應的轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速增扭后，由轉(zhuǎn)向傳動軸通過鍵傳動帶動傳動法蘭盤及與之固連的盤式軸承內(nèi)圈，進而帶動轉(zhuǎn)向大臂及轉(zhuǎn)向車輪旋轉(zhuǎn)。其中：轉(zhuǎn)角傳感器可準確測量傳動軸轉(zhuǎn)角，即車輪轉(zhuǎn)角；滑環(huán)可保證線束和管路不產(chǎn)生纏繞；盤式軸承可用以承受車輪模塊的垂向載荷。

1.2 動力系統(tǒng)校核及選型

首先分別采用半經(jīng)驗公式、雷索夫公式、塔布萊克公式計算靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩，進行關鍵零部件的選型，比較計算結(jié)果，選取最大值用于校準計算[15-16]。

半經(jīng)驗公式：

式中：μ為輪胎與地面的滑動摩擦因數(shù)（良好路面，取μ=0.9）；G1為單軸載荷（整車質(zhì)量為576 kg，則單軸載荷為2822.4 N）；P為輪胎氣壓（GB/T 2978-2008標準規(guī)定標準型輪胎胎壓為0.24～0.25 MPa，取P=0.24 MPa）。

綜上計算，選取雷索夫公式計算結(jié)果用于關鍵零部件的選型。為保證電動機有足夠大的功率克服原地轉(zhuǎn)向阻力矩，以雷索夫公式的計算結(jié)果為參考值進行考慮。在此基礎上還要考慮滑環(huán)外定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間需要的啟動轉(zhuǎn)矩，大小約為10 N·m。

綜合考慮，選擇型號為FM04C的轉(zhuǎn)向電動機，功率為350 W，峰值轉(zhuǎn)矩為3.2 N·m。這樣減速器傳動比的大小就可以確定，i =Mr/Tm=188.58÷3.2=58.9，因此選擇減速比大小為60：1 的 蝸 輪 蝸桿減速器。

圖3 零部件實物圖

通過有限元分析軟件ANSYS對設計的有關零部件進行了靜力分析，通過合理地劃分網(wǎng)格、施加力和約束，分析結(jié)果如圖4所示。結(jié)果滿足使用要求。

圖4 零部件靜力分析

2 四輪轉(zhuǎn)向控制算法研究

道路環(huán)境復雜多變，這就要求傳統(tǒng)車輛駕駛員不僅要具有高超的技術及豐富的經(jīng)驗，還要在駕駛車輛過程中保持注意力高度集中。而車輛四輪全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則可以通過4個車輪轉(zhuǎn)角的合理分配，對不同環(huán)境采用不同的駕駛模式，降低駕駛員的負擔，減少意外事故發(fā)生的可能性。

通過對4個車輪轉(zhuǎn)角進行特定的組合，整車可實現(xiàn)前輪阿克曼轉(zhuǎn)向、四輪阿克曼轉(zhuǎn)向、楔形行駛、原地轉(zhuǎn)向等駕駛模式，具備極高的機動靈活性[17]。整車轉(zhuǎn)向模式示意圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向模式

2.1 前輪轉(zhuǎn)向

傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車多采用阿卡曼轉(zhuǎn)向原理，如圖5（a）所示，汽車轉(zhuǎn)向行駛時，所有車輪繞一個瞬時中心點做圓周運動[18]。左前輪轉(zhuǎn)角與右前輪轉(zhuǎn)角并不相等且滿足如下關系式：

式中：δfl為左前輪轉(zhuǎn)角；δfr為右前輪轉(zhuǎn)角；K為主銷中心距；L為車輪輪距。

2.2 阿克曼四輪轉(zhuǎn)向

當4個車輪同時參與轉(zhuǎn)向時，也可采用阿克曼轉(zhuǎn)向原理。為提高車輛在低速時的可操控性和高速時的穩(wěn)定性，前后車輪轉(zhuǎn)向角度由車體縱向速度決定，后輪轉(zhuǎn)角通過前輪轉(zhuǎn)角和縱向速度構(gòu)成的比例參數(shù)獲得。低速工況下，前后輪轉(zhuǎn)角方向相反，以減小轉(zhuǎn)彎半徑；中高速工況下，前后輪轉(zhuǎn)角方向相同，可以減小轉(zhuǎn)向時的質(zhì)心側(cè)偏角以保持車身穩(wěn)定。

假設四輪轉(zhuǎn)向的瞬時中心在車輛質(zhì)心的水平延長線上，如圖5（b）所示，則滿足如下關系：

式中：δfl為左前輪轉(zhuǎn)角；δfr為右前輪轉(zhuǎn)角；δrl為左后輪轉(zhuǎn)角；δrr為右后輪轉(zhuǎn)角；δ為等效前輪轉(zhuǎn)角；a、b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離；B1、B2分別為前、后輪輪距。

2.3 楔形行駛

如圖5（c）所示，當前、后輪進行同相位、同角度的轉(zhuǎn)向，如同時向左轉(zhuǎn)動45°，即為楔形轉(zhuǎn)向模式，可進行快速換道，使車輛實現(xiàn)“點對點”的無橫擺行走，提高車輛高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。對于楔形行駛模式下的方向盤轉(zhuǎn)角與車輪的轉(zhuǎn)角傳動比，比率越低，汽車反應越靈敏；比率越高，車輪轉(zhuǎn)向達到指定距離方向盤所需的旋轉(zhuǎn)幅度越大。如果傳動比太小，會使得楔形轉(zhuǎn)向過于靈敏而導致產(chǎn)生不安全因素，因此楔形模式下的方向盤與車輪傳動比不宜設置過小。同時考慮到楔形模式多用于變道超車或狹窄路面駕駛環(huán)境，為了避免給駕駛員帶來過大的轉(zhuǎn)向負擔，將楔形的傳動比設置為類似于傳統(tǒng)車輛常規(guī)的傳動比14:1，即駕駛員使方向盤轉(zhuǎn)420°時，車輪轉(zhuǎn)角為30°。并且當車輪轉(zhuǎn)角超過30°時，車輪保持在最大轉(zhuǎn)角不變。

2.4 原地轉(zhuǎn)向

當行經(jīng)狹窄巷道或鄉(xiāng)間小路并偶遇前方來車，需有一方讓行才可通過時，倒車是唯一的選擇。而通過原地轉(zhuǎn)向模式，則可在運動受限的狹窄空間下進行掉頭轉(zhuǎn)向操作，提高了車輛在狹窄空間下的機動性能。

已知實車前后軸距L為1560 mm，左右輪距B為1254 mm，則原地轉(zhuǎn)向直徑D=（L2+B2）1/2≈2002 mm。定義車輪轉(zhuǎn)角以逆時針方向為正，則各車輪轉(zhuǎn)角為：

3 永磁同步電動機控制算法研究

永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小、功率因數(shù)高等特點，在工業(yè)領域得以廣泛應用[19]，故轉(zhuǎn)向電動機采用型號為FM04C的永磁同步電動機。為使系統(tǒng)便于分析，作如下幾點假設：1）忽略電動機鐵心的飽和；2）不計渦流和磁滯損耗；3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。建立永磁同步電動機數(shù)學模型如下。

3.1 三相靜止坐標系下的數(shù)學模型

電壓方程：

3.2 永磁同步電動機d-q軸數(shù)學模型

實際輸入電動機電樞繞組的是三相交流電流iU、iV、iW，因此需要經(jīng)過坐標變換求出id和iq。經(jīng)過Clark、Park變換，完成由靜止的abc坐標系到同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系的變換（等功率變換）為:

3.3 矢量控制

矢量控制實際上是對電動機定子電流矢量相位和幅值的控制。當永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動機的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量is，而is的大小和相位又取決于id和iq，通過控制id和iq便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩[20]。其中，id和iq為定子電流兩個互為正交的分量，分別代表了電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。

為實現(xiàn)PMSM對目標車輪轉(zhuǎn)角快速而精確的響應，采用位置速度電流三閉環(huán)控制，分別實現(xiàn)電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。如圖6所示，以目標轉(zhuǎn)角δ與實際車輪轉(zhuǎn)角δi的差值作為位置環(huán)的輸入，其輸出信號作為目標速度u，并與實際車輪轉(zhuǎn)速ui計算偏差后，作為速度環(huán)的輸入。

圖6 位置速度電流三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

速度控制器的輸出即為目標電流（轉(zhuǎn)矩），由式（12）坐標變換得來的實際電流信號與目標電流的差值經(jīng)電流環(huán)、反Park變換和空間矢量脈寬調(diào)制后，即可得到作用在電動機三相電壓的指令值，實現(xiàn)電動機的控制[21-22]。

圖7所示為試驗平臺所采用的轉(zhuǎn)向控制器實物圖，主要由電源芯片、MCU、電動機驅(qū)動芯片、Can芯片等組成，控制邏輯如圖8所示。

圖7 轉(zhuǎn)向控制器

圖8 轉(zhuǎn)向控制器電氣架構(gòu)圖

4 仿真與臺架測試

4.1 轉(zhuǎn)向模式仿真

在完成轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的理論分析和數(shù)學建模后，本文利用Carsim與Simulink對楔形行駛及原地轉(zhuǎn)向兩種典型的轉(zhuǎn)向模式進行了聯(lián)合建模仿真，研究車輛的運動情況及關鍵參數(shù)的變化，以獲取最直觀的實驗數(shù)據(jù)。車輛的有關參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)表

4.1.1 楔形行駛仿真由圖9可以看出，當車輛進行45°楔形行駛時，質(zhì)心運動軌跡近似是一條斜率為-1的直線，而橫擺角速度在0附近進行波動，能夠保證車輛行駛安全性，滿足預期的設想。

圖9 45°楔形行駛

4.1.2 原地轉(zhuǎn)向仿真

圖10為Carsim與Simulink聯(lián)合仿真的結(jié)果，通過設定4個車輪轉(zhuǎn)角并給予不同的驅(qū)動力矩，仿真結(jié)果表明車輛質(zhì)心的軌跡始終為一個點，即車輛繞著質(zhì)心原地旋轉(zhuǎn)，說明了原地轉(zhuǎn)向的機動靈活性。

圖10 原地轉(zhuǎn)向

4.2 永磁同步電動機三閉環(huán)仿真

基于在Simulink中搭建的永磁同步電動機模型，采用位置速度電流三閉環(huán)控制策略進行定轉(zhuǎn)角控制仿真，如圖11所示[23-25]。通過給定一個90°的階躍參考位置信號，從圖12（a）中可以看到實際位置在極短時間內(nèi)穩(wěn)定地跟隨上參考位置，并且沒有超調(diào)量和靜態(tài)誤差。在此之后實際位置、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和三相電流均趨于穩(wěn)定。具體結(jié)果如圖12所示。

圖11 PMSM三閉環(huán)仿真

圖12 仿真結(jié)果圖

4.3 臺架測試

基于前文設計的全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，搭建的一體化電動輪實驗臺架如圖13所示。臺架主要由一體化電動輪、轉(zhuǎn)向控制器、12 V蓄電池、支撐架等組成。

圖13 一體化電動輪試驗臺架

通過可視化調(diào)試工具FreeMaster進行在線調(diào)試，借助可視化窗口可直觀地觀測到相應參數(shù)的變化情況，從而驗證控制器燒錄程序的合理性及可靠性。

從圖14的實驗數(shù)據(jù)中可以看出，通過給定90°的目標車輪轉(zhuǎn)角，在位置速度電流三閉環(huán)控制的模式下，實際車輪轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)速、電流）都可以在極短的時間內(nèi)跟隨上目標轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)速、電流）并保持穩(wěn)定，并且實際車輪轉(zhuǎn)角與目標轉(zhuǎn)角的偏差最終能夠維持在2°以內(nèi)，這與我們的程序設定是相一致的，表現(xiàn)出較好的跟隨效果，驗證了一體化電動輪結(jié)構(gòu)的可靠性及控制程序的合理性。

圖14 三閉環(huán)大轉(zhuǎn)角跟隨情況

5結(jié)語

為擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的束縛，探究新型的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，實現(xiàn)四輪全方位線控轉(zhuǎn)向的目標。本文分別從以下幾個方面出發(fā)進行設計：1）首先，介紹了單個一體化電動輪的結(jié)構(gòu)組成，對關鍵目標——獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)進行了設計，對關鍵零部件進行了選型計算，并對受力部件進行有限元靜力分析；2）針對不同駕駛模式下四輪轉(zhuǎn)角不同的情形，設定了不同的轉(zhuǎn)角分配策略，通過仿真的方式分析了典型模式下關鍵參數(shù)的變化，表明各轉(zhuǎn)向模式在不同駕駛環(huán)境的優(yōu)越性；3）為實現(xiàn)車輪的全方位線控轉(zhuǎn)向，基于永磁同步電動機工作原理設計了三閉環(huán)控制策略，并進行了相應仿真與臺架實驗驗證。本文針對四輪全方位轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計進行了一系列的研究，證明了設計方案的可行性，為新一代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計提供了一種全新的思路。