王高平+程源文+顧士倫+余李揚(yáng)+薛文韜

摘要：該系統(tǒng)以采用電子油門控制，以自主設(shè)計(jì)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車為研究對(duì)象，給出了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的控制方案，以阿克曼轉(zhuǎn)向模型為基礎(chǔ)，對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)各輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，給出了車速和轉(zhuǎn)角對(duì)各輪轉(zhuǎn)速影響的變化趨勢(shì)，為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電子差速控制提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電子油門；無(wú)刷直流電機(jī)；四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）17-0242-02

1前沿

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車采用輪轂電機(jī)，各驅(qū)動(dòng)輪可進(jìn)行獨(dú)立控制，簡(jiǎn)化了車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了能源最大利用。并具有靈活的行駛特性，能提高整車性能。采用電子油門，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，使控制多樣化，個(gè)性化，智能化。

2設(shè)計(jì)思想

2.1系統(tǒng)總體控制

如圖1所示，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車采用MC9SXS128作為控制的CPU，主控CPU采集油門深度、剎車深度和方向盤的轉(zhuǎn)向角，依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向模型，主控CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、優(yōu)化以及計(jì)算出電動(dòng)汽車的四個(gè)輪子的速度，通過(guò)CAN總線將計(jì)算出的速度發(fā)送至輔控CPU中，輔控CPU給驅(qū)動(dòng)板發(fā)送PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

通過(guò)CAN總線，四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車中央控制器將各個(gè)車輪的速度等設(shè)定值傳送給各個(gè)車輪的控制器。同時(shí)，各個(gè)車輪的控制器以及各電機(jī)控制器將實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息通過(guò)CAN總線反饋給中央控制器。

2.2阿克曼轉(zhuǎn)向模型

圖2為阿克曼轉(zhuǎn)向模型，汽車在直線行駛或轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，每個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡都要符合它的自然運(yùn)動(dòng)軌跡，在轉(zhuǎn)彎時(shí)使四個(gè)車輪的路徑圓心交匯于后軸延長(zhǎng)線上瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，所有車輪都在同一轉(zhuǎn)向中心以至于在轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，從而使車輪與地面處于純滾動(dòng)而無(wú)滑移現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)向特性分析：直線行駛時(shí)，四個(gè)輪子的軸線都相互平行，而且垂直與汽車縱向軸心面。汽車在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，四個(gè)車輪的路徑圓心交匯于后軸延長(zhǎng)線上瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心。

運(yùn)動(dòng)分析：以目前開(kāi)發(fā)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車為例，車身長(zhǎng)度L=1.365m，車身寬度W=1.19m。設(shè)前內(nèi)輪轉(zhuǎn)速為Vin，前外輪轉(zhuǎn)速為Vout，后內(nèi)輪轉(zhuǎn)速為V3，后外輪轉(zhuǎn)速為V4。

2.3轉(zhuǎn)向角度分析

實(shí)驗(yàn)用車采用純機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成原理如圖3所示。

2.3.1分析過(guò)程

車體（實(shí)驗(yàn)用車）結(jié)構(gòu)特性簡(jiǎn)述：轉(zhuǎn)向節(jié)臂（8）與車輪方向平行，且轉(zhuǎn)向節(jié)臂與車架連接點(diǎn)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中不會(huì)相對(duì)于車身前后移動(dòng)；轉(zhuǎn)向搖臂（6）與車的運(yùn)行方向垂直（即與車身方向垂直）。所以在車的正常運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)向節(jié)臂（8）與車架連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)向搖臂（6）所在直線的距離是定值A(chǔ)（10.5cm）。

其他參數(shù)：轉(zhuǎn)向節(jié)臂（8）的長(zhǎng)度B（8.5cm），轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向搖臂（6）相對(duì)于零點(diǎn)（車直行時(shí)轉(zhuǎn)向搖臂的位置）的距離C（單片機(jī)檢測(cè)），轉(zhuǎn)向直拉桿（7）的長(zhǎng)度D（27.5cm），轉(zhuǎn)向節(jié)臂和車架連接點(diǎn)與原點(diǎn)所在中心線的距離也為定值Z（26.5cm）。

2.4分析圖解

1）直行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直行俯視簡(jiǎn)圖如圖4：

2）左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)左轉(zhuǎn)俯視簡(jiǎn)圖如圖5：

3測(cè)試分析

對(duì)前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)速Vin進(jìn)行測(cè)試：轉(zhuǎn)角變化為2、4、6…70度，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向時(shí)的車速為10、20、30…90km/h得到的Vin變化曲線為圖7所示。

從下到上依次為車速V為10、20、30、…、90km/h對(duì)應(yīng)的曲線，從圖中可以看到轉(zhuǎn)角在大于49。的時(shí)候車輪轉(zhuǎn)速為負(fù)，也就是輪轂電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)。從三維圖8可以更詳細(xì)的觀察到車速和轉(zhuǎn)角對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)Vin的影響。0～100坐標(biāo)軸是車速，0～1.4坐標(biāo)軸是轉(zhuǎn)角弧度觀察前外輪的速度變化曲線：隨著轉(zhuǎn)角和速度的增大Vout越來(lái)越大，轉(zhuǎn)角越大上升越快。

同理測(cè)試V3和V4的變化曲線，前內(nèi)輪V3當(dāng)轉(zhuǎn)向角大于66.5°時(shí)輪轂電機(jī)才開(kāi)始反轉(zhuǎn)。對(duì)比Vin和Vout，轉(zhuǎn)向時(shí)后輪和前輪有相同的變化趨勢(shì)，但V3和V4的變化幅度要小一些。

4結(jié)論

四輪驅(qū)動(dòng)對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢(shì)，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車將車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向體系中解放出來(lái)，形成一種全線控的四輪可獨(dú)立驅(qū)/制動(dòng)/轉(zhuǎn)向的先進(jìn)車輛。它具有更多的可控自由度，可以完成傳統(tǒng)汽車無(wú)法完成的原地轉(zhuǎn)向、斜行和橫向移動(dòng)等特殊功能，極大地提升了汽車的機(jī)動(dòng)性能。不僅如此，還可以通過(guò)對(duì)整車動(dòng)力學(xué)集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以完成車輪轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，從而可以保證車輛每個(gè)輪胎具有最大附著度，提高整車的操縱穩(wěn)定性。