四轮独立驱动电动车的运动和控制系统的设计方法研究

中国科技论文在线四轮独立驱动电动车的运动和控制系统的 设计方法研究张政 1，邹家军 21 长春工程学院机电学院，长春（130012） 2 中北大学材料科学与工程学院，太原（030051）E-mile:happy2008zzj@摘 要：随着世界能源危机的加剧，研究新型的能源汽车成为一个趋势，电动汽车是新能 源汽车的研究方向之一。电动汽车是当今汽车行业发展的重要趋势,它涉及到车辆工程、电 机驱动技术、控制技术、电池技术等众多领域的核心技术,其发展得到了国内外大型研究机 构的大力推动,成为当前相关领域的研究热点。设计一个四轮独立驱动的电动小车的单片机 控制系统，实现四轮驱动小车的电机速度的闭环控制。同时分析电动小车运动学假设模型， 制定出电动小车四轮的控制算法，从而实现电动小车的差速转向。 关键词：四轮独立驱动；计算机算法控制；差速转向；电动控制；轮毂电机1 引言随着世界能源危机的加剧， 研究新型的能源汽车成为一个趋势， 电动汽车是新能源汽车 的研究方向之一。电动汽车是当今汽车行业发展的重要趋势,它涉及到车辆工程、电机驱动 技术、控制技术、电池技术等众多领域的核心技术,其发展得到了国内外大型研究机构的大 力推动,成为当前相关领域的研究热点。而轮毂电机作为驱动源的四轮电动汽车是电动汽车 的一个最为简单可行的实施方案。 当前电动汽车(EV)产业的兴起和发展， 本文针对电动车辆发展的理想车型——四轮独立 驱动电动车的运动和控制系统的设计方法进行了相关的理论研究。 本文参照电动汽车的设计 方法，在机械结构学和控制系统的基础上，设计一个四轮独立驱动，前轮转向、后轮固定的 电动小车的理论控制方案， 并用轮毂电机作为独立驱动源， 实现小车的调速行驶和差速转向 的功能。 本文提出了基于四轮轮毂电机独立驱动的电动汽车的差速系统的设计， 电机控制驱 动系统是电动汽车差速系统的核心技术，本文对其算法流程图进行了分析和设计2 电动小车的设计2.1 电动小车的构成设计由机车车身和控制系统组成。2.2 机车本身的设计机车车身的设计参照电动汽车的设计理念，主体部件包括车架，4 个可以同时作为车轮 的独立的轮毂电机，前轮，后轮。其中两个前轮采用梯形结构和可转向的转向结构的设计， 两个后轮由主轴联动并固定。2.3 电动小车控制系统的主体构件控制芯片单片机 AT89C51 和形 RC 滤波电路， 个独立驱动的轮毂电机， 4 电动小车控制 系统的流程框架图如图所示：[2]-1-

中国科技论文在线输入单片机 控制芯片滤波信号滤波电路稳定，单一信号电机控制 电路速度 V轮毂 电机电动小车轮毂转速差 V图1 电动小车控制系统的流程框架图3 电动小车的运动学模型根据机械原理学的转向梯形结构和汽车工业设计的结构设计[4]，可以建立小车模型如 图：图2 电动小车的运动学模型电动小车的前轮转向，后轮固定。为了避免转向时后轮的滑动(包括侧滑,纵向滑移和滑 转)，转动中心与两后轮的中心轴线设计在一条直线上，如上图，进行速度分析，需要满足 以下条件：    -2-

中国科技论文在线3.1 前轮转角关系=(R+0.5B)/L =(R-0.5B)/L = (1) (2) (3)当小车车身底盘的宽度和长度确定后，上式(3)的值为一个常数，与前轮的转动半径无 关。 从上式可以看出，要实现无滑移纯滚动的转向，两前轮的转动角度应有一定的差值，并 且角度的余切差值是一固定的常数，该差值仅与小车车身的设计有关。因而当转弯半径 R 很大时，对应的转角 、 变得很小，两个角度之间的角度差也将相应的缩小 。3.2 四轮转速与质心轨迹之间的关系在上述模型中，假定电动小车质心 O 的速度为 ，转向角速度为 心 旋转，各点的速度为该点到 距离与角速度 ,车身各点绕旋转中的乘积。假设电动小车的质心作运动轨 、 、迹为 y=x2 的转向，设前外侧轮、前内侧轮、后外侧轮、后内侧轮的车轮速度分别为 、 = 由2，当质心的运动轨迹为 y=x2 时，则有： · ; = · ; = · ; = · ; = ·=R2+b2;2=L2+(R+ )22=L2+(R-)2;= R+;= R-;可得：= =·; (R+ );= =· (R- ).;=·;4 差速控制系统设计电动小车最基本的运动包括直线行驶和曲线转向两种， 其中曲线转向又包括圆弧转向和 不规则曲线转向（非圆弧转向） 。根据前面建立的四轮转向模型和前轮转向模型，分析电动 小车在进行直线行驶和曲线转向时四轮的运动状态，以此作为设计差速控制系统的依据.[1]4.1 直线行驶直线行驶是电动小车行驶的最基本的运动之一。 在行驶的过程中， 只需保证前后四轮的 运转速度一致， 即可实现小车的稳定顺利运行。 这时四轮的速度以右前轮的速度为标准速度 ，电动小车的四轮速度控制逻辑图如图所示：-3-

中国科技论文在线开始读取 、 、判断 = = =Y四轮运行N 令 ==令退出 图3 直线运动控制逻辑图4.2 曲线转向4.2.1 圆弧转向 圆弧转向，是一种特殊的曲线转向。在电动小车的圆弧转向过程中，小车各轮的转向半 径是相同的。在小车圆弧转向的转向半径确定之后，跟据前面建立的四轮转向模型可知，其 余各轮的转速是确定的。这种情况下，各轮速度的控制也是以其中一轮-----右前轮的速度 为标准，其他几轮的速度分别为 = = ; ; 与= ; 上述式中， 、 、 是经过计算得到的另外三个驱动轮的即时速度 右前轮的即时速度 的比值。这种情况下，电动小车的四轮速度控制逻辑图如图所示:-4-

中国科技论文在线开始读取 、 、 、= = =N判断= = =判断Y Y 判断 正确 四轮运行N 令 =退出 图4 圆弧转向运动控制逻辑图4.2.2 不规则曲线转向 不规则曲线转向时电动小车运动中最为复杂的运动， 在电动小车沿不规则曲线 （非圆弧 曲线）作转向运动时，各轮毂的转向半径和速度是不相同的，且没有一定的线性关系。 对于电动小车的不规则曲线转向的分析， 可在电动小车的直线行驶和圆弧转向的分析基 础上进行。 电动小车四轮的速度是随着曲线的曲率变化不断变化， 这时在运动过程中除了单 片机的即时计算之外，还要对直接控制速度的 PWM 波进行保持，这时四轮的速度控制仍以 右前轮的速度      -5-为标准，其系统的控制逻辑图如图所示：

中国科技论文在线开始读取 、 、 、转向指令= = = N判断 == 状态判断 =加速减速匀速YPSW 保持不变四轮 运行Y判断速度 正确计算N令=退出 图5 不规则转向运动控制逻辑图5.结束语本文根据机械原理学和汽车工业设计的方法设计了简化的机械结构模型和控制系统， 同 时建立电动小车的运动学模型， 结合电机控制和汽车控制理论设计出小车控制算法， 减少了 电动小车转向时四轮和地面间的平移滑动。 电动小车在自动获取转向角度后能通过算法自动 确定转向， 本文中对电动小车的运动和速度控制系统的设计方法的研究只是理论上的方案设 计，对于实际电动小车的仿真性研究，是下一步工作的重点。对于实际的研究，应该制作电 动小车，然后根据小车的实际运动情况来判断。 -6-

中国科技论文在线参考文献[1]高时芳.四轮独立驱动电动汽车的电子差速系统研究[D].西北工业大学.2006 年 [2]靳立强、王庆年、宋传学.四轮独立驱动电动汽车动力学控制系统仿真[J].吉林大学学报.2004 年 04 期.Page28-34 [3]陶桂林、马志云、周理兵、韩军.电动汽车新型直接轮式驱动控制系统的可行性研究[J].电气传动.2004 年 06 期.Page47-50 [4]吕明.独立悬架轮毂驱动电动汽车转向状态下的四轮差速研究及其转向梯形机构的设计 [J].西北工业大 学.2006 年 [5]王铁成、崔淑梅、程远、程树康.电动汽车动力性能的仿真研究[J].哈尔滨工业大学学报.2003 年 07 期Design Of Movement And Control System in Four-wheel Drive Electric VehicleZhang Zheng1, Zou Jiajun21 Mechanical and Electrical Engineering of Changchun Institute of Technology，Changchun (130012) 2 Materials Science and Engineering of North University of China, Taiyuan (030051) Abstract As the world energy crisis intensifies, the research into new energy vehicles becomes a trend. Electric vehicle is a new research direction in energy vehicles. Electric cars are an important trend in the development of the automotive industry today.It involves vehicle engineering, motor drive technology, control technology, battery technology. Its development has been strong at home and abroad to promote large-scale research institutions has become the hot spot-related research in the field. Design a four-wheel independent drive electric car MCU control system, four-wheel drive car to achieve closed-loop control of motor speed. Simultaneously analysis of hypothetical models of kinematics, to develop the control algorithm in order to achieve differential speed steering . Keywords:four-wheel drive;Computer Algorithm Control;Differential Steering;Electric control;wheel hub motor-7-

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