两轮毂电动机小车电子差速系统研究

两轮毂电动机小车电子差速系统研究 (两北工大学，陕西西安710072)

摘要：通过对电机驱动理论及传统电子差速方法进行分析，对无线跟随小车提出了基于两轮毂电动机驱动的电子差速系统设计并给出了控制器总体设计思路。建立小车电子差速转向模型，计算电差速过程中随着转向角度变化内外车轮的转速，同时对小车匀速前进、加减速运行等状态下的电子差速模式进行分析，确定具体运行状态下的控制策略。对两台55 w的四对极电机进行了仿真分析和空载实验。实验结果表明，小车控制器设计合理，电子差速模型正确，控制策略可行。 关键词：电子差速；无刷直流轮毂电动机；控制策略

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)05-0022-03

0引 言

电子差速(以下简称ED)是一种完全用电控方式控制各个车轮的转速，使车轮以不同速度转动，以达到转向的目的，同时保证车轮不发生滑动或者滑移，作纯滚动运行的技术。在无线跟随小车的转向系统中采用电子差速控制系统，取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，接收转向控制指令后，使用电子线路控制内外车轮之间的速度差，实现转向。对于电机驱动控制系统，目前经常采用驱动电机与减速器相连再带动车轮的方式，车轮速度的计算必须通过对一系列减速器的减速比计算，才能得到和电机转速之间的关系。这种复杂的计算方法对于无线跟随小车丧失了电子控制的实时性，如果电机转速和车轮转速能够保持实时一致，电子差速的功能就可以得到最好的体现。为了提高小车跟随的灵活性和运行效率，同时基于能量传

递效率和车体空间限制等考虑，本文采用两轮毂电动机驱动方式，电动机安装在车轮的轮毂内，输出转矩直接传输到车轮，舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥、差速器等机械部件，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗[1-2]。直接使用轮毂电动机提供转向动力，同样功率要求时，驱动功率可以由多个电动机提供，降低了单个驱动电动机的功率，进而降低对功率器件的要求；可以对各个驱动电机进行单独控制，有利于提高小车的操纵性和稳定性。

本文在已经设计完成的无线跟随小车样车基础上研究电子差速问题，设计了电机驱动和电子差速控制器。采用基于DSP控制的轮式驱动控制系统，根据车载传感器所采集的信息，由控制CPU做出判断，分别对左右轮毂电动机进行差速控制，控制系统各分支机构通过CAN总线进行通信。 1电子差速模型分析

无线跟随小车使用两个后轮作为驱动系统的动力源，前轮为控制方向的随动轮。样车如图1所示。

1.1转向原理

电子差速转向系统取消了机械差速器和减速装置，通过电子线路调整电机转速，从而改变车轮转速实现差速转向。需要转向时，转向的内侧车轮转速小于外侧车轮转速，相同时间内，内侧车轮驶过的距离比外侧车轮驶过的距离小，车体必然向内侧偏转，从而实现转向。

小车转向过程如下：控制器接收传感器的模拟量输入(转向指令)，计算转向时相应的两个车轮的转速，令内外侧车轮产生速度差，实现转向。

1．2转向模型

参考Acke an—Jeant模型[3]建立小车的转向模型如图2所示。其中，E为车身长；

W为车身宽；R为小车转向半径；δ为转向角度。

为了研究小车转向时的车速、转向角与每一个车轮速度之间的关系，我们作如下假设，以忽略地面、轮胎差异等因素对车轮速度的影响： (1)车体刚性；

(2)车轮纯滚动，即不考虑发生滑移、滑转和轮胎离开地面的运行状态；

(3)轮胎侧向变形与侧向力成正比，即不考虑轮胎材质与结构的非线性以及因垂直载荷不同造成的轮胎侧向弹性系数的变化。

在上述假设条件下，当小车需按δ角进行转向时，令V为当前小车运转速度，Rin为内轮转向半径，Rout为外轮转向半径，根据小车转向模型有：

2 电子差速实现方式 2.1控制方式

现有的电机控制器大都采用直接转矩控制方式。在两轮独立驱动系统中，如果采用直接转矩控制，由于路况的变化及其它随机因素的影响，轮毂电动机控制器必然将花费大量时间和计算能力对路面进行预测与处理，通过不断修正电机的转矩来控制两侧电机转速，以满足在小车直线行驶时电机速度一致性和转向时

电机形成稳定转速差的要求。同时，直接转矩控制方式对轮毂电动机控制器的要求过于苛刻，也无法保证在实际运行中取得令人满意的效果。因此，本文尝试采用速度控制方式。 2.2差速执行方案

无线跟随小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。根据不同的运行方式，转向时小车的速度状态要作相应的变化和调整。下面将讨论小车在加减速运行和匀速前进时电子差速方案的实现。 (1)两轮速度协调

小车在直线前进时，由于路面高低不平、轮胎参数差异等因素的影响，两个车轮的转速往往不同。如果不进行纠正，就会使小车向转速较慢的那一方转向，如果两轮车速相差较大更会引起小车行驶的不稳定。利用PID调速方法对电机转速进行闭环控制，可提高电机调速响应快速性和调速稳定性，有利于两台轮毂电动机转速的一致性协调。 (2)加减速运行

当小车在加速(减速)前进时，其所接收到的速度指令在不断变化，控制器根据速度指令的变化改变PwM占空比输出，轮毂电动机的转速也相应变化。在加速(减速)过程中接收到转向指令时，如果保持电机处于加速(减速)状态同时进行转向操作，将会导致小车转向过程中的不稳定。

为解决这个问题，本文采取的是记录转向指令发生时刻的PwM占空比值和车速，并保持PwM占空比值不变。根据车速和转向角度计算两个车轮各自的转速，并开始实施转向；转向结束后，PwM占空比值从转向指令发生时刻记录的数据开始随着加速(减速)指令变化，车速也随之作相应变化。 (3)匀速运行

匀速运行是加减速运行的一种特殊情况。加减速运行时的方案同样适用，只需执行电子差速方案中的速度计算指令，并据此调整电机的PwM占空比值即可实现转向。 (4)总体差速执行方案

如上文所述，无线跟随小车运行时需要在多种运行状态下进行转向控制和速度计算，图3是转向时的总体差速执行方案框图。

3电机的控制驱动 3.l转向控制系统

小车电子差速转向控制系统需要进行差速计算和两个轮毂电动机的速度控制。主控制器接收超声波传感器的转向指令，进行差速计算后将速度指令分别送至两轮毂电动机控制器，轮毂电动机控制器根据速度指令调整电机的转速。速度传感器定时检测电机转速并反馈给轮毂电动机控制器，轮毂电动机控制器利用PID算法不断修正电机转速，使其达到期望的转速值，同时轮毂电动机控制器还将速度值反馈至主控制器，为下一次的差速计算做准备。转向总体控制框图如图4所示。

3．2控制器结构

电机控制器主要包括电源、控制、驱动、功率以及过电流保护五部分。其结构原理框图如图5所示。

4仿真分析 4.l车轮转速计算

无线跟随小车样车车体长L=0.28 m，车体宽W=O.235 m，依据差速计算式(6)、式(7)，根据不同的转向角度δ计算得到车轮的速度分配为：

4.2仿真分析

根据上述分析，对两轮毂电动机驱动无线跟随小车电子差速进行仿真。仿真对象为永磁无刷直流轮毂电动机，额定功率55 w，额定转速200 r／min，转子磁极数为4对极，车轮直径为145 mm。分别取V=O．5 m／s、V=l n1／s、y=1 5 m／s、V=2 m／s对两轮速度Vin、Vout的计算结果进行对比，如图6所示。

由图6可知，当转向角δ=O。，即小车直行时，Vin和Vout速度保持一致。随着δ在0。～80。范围内逐渐增大，Vout随着转向角度增加而逐渐增大，K。随着角度增加而逐渐减小，当δ超过60。时，处于内的轮毂电动机开始反转。而当δ在O。—一80。范围内逐渐减小(即逆时针转向时)时，定义为K。的轮毂电动机此时已经处于外侧，K。变为内侧车轮转速，分析过程与顺时针转动过程一样。可以分析知道，当转向角达到90。时，Vin趋于无穷小，Vout趋于无穷大。在实际的差速过程中要避免这种情况的出现。 5结语

本文对无线跟随小车提出了基于两轮毂电动机驱动的电子差速系统设计，建立了差速模型，确定控制策略并设计制作了电机控制器。对本文使用的无刷直流轮毂电动机进行驱动和调速控制，达到调速平滑稳定。仿真结果表明在无线跟随小车接收超声波传感器的转向指令后，通过主控制器与轮毂电动机控制器对两个车轮速度分别进行计算与调整，可实现两轮独立驱动的电子差速，表明了差速模型的正确性与控制策略的可行性。

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