四轮毂电机电动车的电子差速控制方法

杨濛 　李睿智　 金家林

摘要：通常四轮独立驱动的电动汽车电子差速系统都是基于转矩分配进行的，本文提出了一种通过对各轮速进行转速分配的电子差速系统，利用Ackermann-Jeantand转向模型，实时计算电子差速过程中随着转角角度以及车辆速度变化的各个车轮的所需转速，并分析了转向时转向轮之间的转矩分配问题。在carsim联合matlab仿真中通过多种车辆工况仿真实验验证了所提出的算法的实用性以及可行性，仿真结果表明，整车系统动态性能良好，电子差速控制策略可以满足四轮独立驱动电动汽车的行驶要求。

关键词：电动车；轮毂电机；电子差速；控制方法

随着能源短缺的危机和环境污染的日益严重，燃油车正逐渐被新能源汽车替代，电动汽车的出现可以解决上述问题，并且已经得到了广泛的关注，在电动汽车中，对于电机驱动控制系统，大部分电动车采用驱动电机与差速器相连再带动车轮的方式，通过电机驱动机械差速器来使得内外车轮的速度差实现差速。而独立轮驱动的电动汽车会根据不同的方向转角来分配给内外侧车轮不同的驱动力矩来实现车辆的差速算法，但这种算法并不能减小车辆的转角半径而且车辆的滑移率也不能得到很好的控制。本文提出了一种电子差速算法。

电子差速即通过车辆在不同转角以及车速的情况下，计算所需要的各轮轮速，然后经过对电机的转速控制，从而实现车辆的差速算法。

1 电子差速方法

电子差速的方法是通过驾驶者输入的转角信号和油门信号传入控制器，再由控制器根据当前整车状态值计算出各轮所需转速，然后通过通信等方式分配给各轮控制器，再由各轮控制器根据所给定的轮速对电机做出调速，从而实现车辆的顺利转弯。

1.1 转向原理

四輪电子差速需要对4个轮毂电机同时进行速度控制和差速计算，是一个复杂的控制系统。其中包括方向盘转角传感器、霍尔传感器、电机控制器、4个轮毂电机。

电子差速转向系统根据当前状态实时调整电机转速。改变各轮转速实现差速。当电动车需要向右转向时，则需右侧轮速小于左侧轮速。由于左右侧的轮速差异，在同一时间内，左侧轮行驶距离大，右侧轮行驶距离小，此时整车就会向右侧转向。在控制器中过程如下：（1）方向盘的角度输出信号由通信方式传入整车控制器，在这之前，定义传入的转角信号取值范围；（2）采集油门信号，并且根据之前的油门量与速度量标定得出总的期望车速；（3）由所输入的转角信号和期望车速得出各轮所需转速，进行分配。

1.2 差速计算分析

本文电子差速方案的目的是研究汽车转向时车速、转角和各轮速之间的内在关系，因此，本文忽略了地面摩擦力不同、轮胎形变不同的其他因素，即计算电动汽车在普通路面上行驶，从而计算各个参数。为了进一步研究方向转角、车速和车轮速之间的关系，就必须简历三者之间的函数公式方程。

由此整车模型如图1所示。根据阿克曼转向模型进行公式推导，涉及到的车身参数有：前轮转向角δ，单位为度；车身长度L；车身宽W；转向半径R。内、外轮转向半径Rin、Rout；为内、外轮转弯周长Cin、Cout。

2 仿真实验分析

电动车在进行电子差速转向时，其当前的运行方式对电子差速方案的实施有着重要的影响。根据不同的工作模式，电子差速运行时，当前电动车的速度状态和转向角度指令都要作相应的变化和调整。

2.1 匀加速减速直线行进工况

仿真工况为汽车处于运直线加减速，从车身速度图来看，车身速度能很好的跟随给定速度，表示车辆速度可控。从速度对比2中得出，各轮转矩的输入在加速时提供正向转矩，减速时提供反向转矩，各轮滑移率始终保持为零，说明车轮与地面无明显滑动。从转速差值观测出，各轮轮速与给定轮速差稳态收敛，说明单个轮轮速可控。最后从稳定性方面，车辆滑移角和横摆角速度始终为零，说明车辆始终处于稳定状态

2.2 匀速蛇形行进工况

仿真实验为车辆恒速蛇形行驶，从车身速度图来看，经过加速后出现超调，但很快跟随。从速度对比2中得出，各轮转矩的在最初提供最大转矩保证车辆能快速跟随，各轮滑移率始终保持为零，说明车轮与地面无明显滑动，从转速差值中观测出，各轮轮速与给定轮速差稳态收敛，说明单个轮轮速可控。最后从稳定性方面，车辆滑移角和横摆角速度始终不超过临界值（即20%和45deg/s），说明车辆始终处于稳定状态。

3 总结

本文的电动车控制器和电子差速系统主要解决了以下问题：

1）本文使用无刷直流轮毂电机进行驱动和调速控制用于驱动四轮独立驱动的电动汽车。

2）本文所使用的联合仿真平台实现了对基于转速分配的算法仿真的验证。

3）本文所提出的基于转速分配的电子差速器适用于低速电动汽车。

参考文献：

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