張家祺，馬琳，張磊，焦向陽，趙芳華，李潔

（1.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

基于霍爾傳感器的電動車差速轉(zhuǎn)向的設(shè)計與研究

張家祺1，馬琳2，張磊2，焦向陽1，趙芳華1，李潔1

（1.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

由于電動車可在多個車輪上放置輪轂電機，且電機轉(zhuǎn)速控制易于實現(xiàn)，這使得電動車相對于傳統(tǒng)汽車具有了一個不可比擬的優(yōu)勢．電動車輪轂電機的速度控制方案，是實現(xiàn)電動車運動方向和運動軌跡控制的核心．霍爾元件以其非接觸傳感性質(zhì)及對工作環(huán)境的廣泛適用性被電動車采用為傳感元件．通過確定基于霍爾傳感器的電動車差速轉(zhuǎn)向的控制方案，由加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾采集控制信號，通過單片機向輪轂電機控制器輸出控制信號，進而控制輪轂電機的轉(zhuǎn)速．推導(dǎo)出加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾雙輸入量下，左右輪轂電機線性控制關(guān)系式，同時實現(xiàn)了方向盤靈敏度在不同車速下的有效調(diào)節(jié)，提高了車輛的安全性．

電動車；霍爾；輪轂電機；差速轉(zhuǎn)向；靈敏度；單片機

隨著世界石油資源的日漸枯竭，傳統(tǒng)汽車的使用成本日益提高，且其帶來的環(huán)境破壞也為世人所詬病，以電能為代表的新一代代步工具必將成為傳統(tǒng)汽車的掘墓人．輪轂電機和電池技術(shù)的不斷發(fā)展也為電動車的發(fā)展提供了基礎(chǔ)的技術(shù)保障．

與傳統(tǒng)的汽車不同，由于當(dāng)今電動車通常采用輪轂電機，且可在多個車輪上放置輪轂電機，這就使得電動車具有了一個傳統(tǒng)汽車不可比擬的優(yōu)勢，即可以通過控制不同車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，來實現(xiàn)車輛的運動軌跡的有效控制．

1 電動車差速轉(zhuǎn)向的速度相關(guān)性分析

以電動汽車前輪為轉(zhuǎn)向輪，并在前輪內(nèi)放置輪轂電機，形成雙輪轂電機驅(qū)動，通過左右輪轂電機轉(zhuǎn)速的控制實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，進而實現(xiàn)車輛運動軌跡的控制．

本次研究的差速轉(zhuǎn)向方案中，地面因素、輪胎差異忽略不計．研究中，假設(shè)4個車輪繞同一轉(zhuǎn)動中心無滑動旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，圖中，Rl、Rr分別為左、右前輪的轉(zhuǎn)彎半徑，B為車輪寬度，Ri為內(nèi)輪外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑，l為前后軸距，w為左右車輪的輪距，則

圖1 車輛前行左轉(zhuǎn)Fig.1The vehicle turn left

2 基于霍爾傳感器的輪轂電機速度控制方案

2.1 輪轂電機速度控制框圖

目前市場上電動車的輪轂電機速度控制傳感器，基本都采用霍爾元件，其非接觸傳感性質(zhì)，使其對工作環(huán)境具有廣泛的適用性．本研究在車輛加速，和方向盤轉(zhuǎn)動兩方面均采用霍爾傳感器，并分別稱為加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾，其電壓值分別用VIS和VIT表示，如圖2所示．

圖2 輪轂電機速度控制方案Fig.2The speed control scheme for hub motor

鑒于目前輪轂電機控制器的技術(shù)較為成熟，本研究采用通用輪轂電機控制器控制輪轂電機轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)向霍爾傳感器和加速霍爾傳感器的信號通過單片機轉(zhuǎn)換為左、右輪轂電機控制器的信號電壓并分別用VOL和VOR實現(xiàn)對左右輪轂電機的速度控制，如圖2所示．

2.2 方向盤靈敏度調(diào)整方案

車輛在低速轉(zhuǎn)向或泊車時通常轉(zhuǎn)彎半徑較小，這時的左、右前輪轉(zhuǎn)速比i較大，而高速行進過程中的急速轉(zhuǎn)向，往往是造成車輛側(cè)翻的決定性誘因[1-2]，因此高速運動過程中，方向盤的靈敏度不宜過高．傳統(tǒng)的剛性機械操控難以實現(xiàn)這種不同運行速度下方向盤靈敏度的調(diào)整，往往通過降低助力轉(zhuǎn)向，來提高轉(zhuǎn)向力矩，從而相對降低靈敏度[3-4]，但緊急情況下，人的下意識動作，其動作幅度，依然不會因阻力矩的加大而減小．

電動車在這方面則有先天優(yōu)勢，通過對加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾的電壓值的分析，可以通過模擬電路、單片機等，可以很方便的對輪轂電機控制器的控制電壓的進行調(diào)節(jié)，進而控制輪轂電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，并實現(xiàn)方向盤靈敏度的控制．

3 輪轂電機速度及方向盤靈敏度調(diào)節(jié)參數(shù)分析

3.1 控制器輸入電壓與輪轂電機轉(zhuǎn)速

電機在電磁轉(zhuǎn)矩作用下的速度調(diào)節(jié)曲線如圖所示，當(dāng)電壓較小時，電磁轉(zhuǎn)矩不能克服負載轉(zhuǎn)矩使電機運轉(zhuǎn)，當(dāng)電壓達到門限電壓時V0，電機才開始運轉(zhuǎn)，如圖3所示，所以，電機轉(zhuǎn)速存在調(diào)節(jié)死區(qū)．同時，因為靜摩擦的存在，速度調(diào)節(jié)曲線不通過坐標(biāo)原點[5]．

電動車啟動時，應(yīng)保持車輛處于低速運動狀態(tài)，故控制器輸入電壓應(yīng)使其輸出電壓大于輪轂電機門限電壓，設(shè)加速霍爾的電壓范圍是VISmin～VISmax，轉(zhuǎn)向霍爾的電壓范圍是VITmin～VITmax．為實現(xiàn)由轉(zhuǎn)向霍爾控制電動車左右轉(zhuǎn)向，將電動車直線前行時，即左、右前輪同相且同轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)向霍爾的電壓值設(shè)為其輸出電壓范圍的中間值VITmed，即

圖3 輪轂電機速度調(diào)節(jié)曲線Fig.3The speed regulating curve for hub motor

此時，加速霍爾的電壓值與左、右控制器電壓值呈線性關(guān)系，故與左右輪轂電機轉(zhuǎn)速也呈線性關(guān)系，如圖4所示．

圖4 控制器加速調(diào)節(jié)曲線Fig.4 The acceleration regulating curve for controller

圖5 低速時控制器轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)曲線Fig.5The steering regulating curve in low speed for controller

圖6 高速時控制器轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)曲線Fig.6The steering regulating curve in high speed for controller

3.2 方向盤靈敏度調(diào)節(jié)方案

若加速霍爾電壓為VISmin，即車輛處于低速下，如圖5，左側(cè)輪轂電機電壓為電機門限電壓V0，右側(cè)輪轂電機電壓為V0i．

由于方向盤與加速霍爾直接聯(lián)接，方向盤輸入轉(zhuǎn)角直接與加速霍爾電壓值正相關(guān)，而加速霍爾電壓值與輪轂電機轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，如圖5所示，且由式(3)得

同時隨著車速的提高，若加速霍爾電壓為VISmax，仍然令左右輪轂電機控制器半電壓差為VHD即車輛處于高速下，轉(zhuǎn)向霍爾對控制器輸入電壓的影響減弱，如圖6所示，從而達到高速運行時，降低方向盤靈敏度的目的．

3.3 實現(xiàn)差速控制各參數(shù)關(guān)系推導(dǎo)

左、右輪轂電機控制電壓與加速霍爾，轉(zhuǎn)向霍爾的電壓呈線性關(guān)系

式中：a1，a2，b1，b2，c1，c2為待定系數(shù)，其他參數(shù)含義如前所述．

將圖3至圖6所示坐標(biāo)點帶入上式，求得各待定系數(shù)如下

式(6)～式(13)各式中參數(shù)含義如前述．

將式(6)和式(7)寫入單片機即可實現(xiàn)上述電動車差速轉(zhuǎn)向控制，并可實現(xiàn)方向盤靈敏度在不同車速下的有效調(diào)節(jié)．

4 實驗及結(jié)果

對上述理論研究進行實驗，設(shè)定左右前輪轉(zhuǎn)速比i=1.3，采用1 kW無刷直流輪轂，其控制門電壓V0=1.4 V，霍爾傳感器輸入電壓為5 V時，輸出電壓為VO=0.85 V4.5 V，但因輸入電壓低于5 V，故，其實際輸出電壓VO=0.8V3.5V帶入式(4)和式(5)，得

將上述結(jié)果帶入式(8)～式(13)，得

帶入式(6)和式(7)，得

將式(14)，式(15)的典型數(shù)據(jù)點列表，如表1所示．

表1 典型數(shù)據(jù)表VTab.1Table of typical data

5 結(jié)論

通過對基于霍爾傳感的電動車差速控制及方向盤靈敏度的分析與研究，提出了雙前輪輪轂電機差速控制方案，并提出了加速霍爾和轉(zhuǎn)向霍爾雙輸入量下，左右輪轂電機線性控制關(guān)系式，同時實現(xiàn)了方向盤靈敏度在不同車速下的有效調(diào)節(jié)．

[1]楊濤，宋丹丹．汽車急轉(zhuǎn)向安全車速的研究[J]．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009（17）：100-103．

[2]徐耀耀，翁建生，金智林，等．基于主動轉(zhuǎn)向和差動制動的車輛防側(cè)翻控制[J]．計算機仿真，2011，28（6）：330-334．

[3]蔣勵，余卓平，高曉杰．寶馬主動轉(zhuǎn)向技術(shù)概述[J]．汽車技術(shù)，2006（4）：1-4．

[4]邱明．汽車可變轉(zhuǎn)向比電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理與仿真[J]．機電工程，2004，21（8）：47-49．

[5]張慶鄉(xiāng)．電動汽車輪轂電機設(shè)計與控制器研究[D]．淄博：山東理工大學(xué)，2012：12．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Design and research of electric vehicle differential steering based on Hall sensor

ZHANG Jiaqi1，MA Lin2，ZHANG Lei2，JIAO Xiangyang1，ZHAO Fanghua1，LI Jie1

(1.Schoolof ArchitectureandArtisticDesign,Hebei Universityof Technology,Tianjin300401,China;2.School ofControl Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Forelectric vehicles,hubmotorcan be placed on a pluralityofwheels.Anditis easy to implementmotor speed control,so the electric vehicle compared with the traditional vehicle has an unparalleled advantage.The speed control scheme of hub motor for electric vehicle is the core to realize electric vehicle motion direction and the motion trajectory control.Hall element is used as the sensing element of electric vehicle for its non contact sensing properties and widely adaptability to the working environment.By determining the control scheme of electric differential steering based on Hall sensor,collecting control signal by acceleration Hall and steering Hall,outputting the control signal from the singlechip to the hub motor controller,and controlling the hub motor speed.Under the double inputs of the accelerated Holl and turned to Holl,left and right hub motor linear control relationship can be derived.It proves to be the effective adjustment of wheel sensitivity at varying speeds,and improves the safety of vehicles.

electric vehicle;Hall sensor;hub motor;differential steering;sensitivity;singlechip

TM33

A

1007-2373(2015)04-0028-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.006

2014-10-11

河北省自然科學(xué)基金（E2012202133）

張家祺（1963-），男（漢族），副教授.