李波,白艷飛,李雙雙,周佳,董洪昭
(1.北京新能源汽車股份有限公司,北京 100000;2.北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院,北京 100048)
現(xiàn)在市場(chǎng)上絕大多數(shù)的汽車都采用傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向,不可否認(rèn)前輪轉(zhuǎn)向具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、占用空間小、發(fā)展成熟等優(yōu)點(diǎn)[1]。但同時(shí)也存在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑較大、高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性能較差的缺點(diǎn)。在傳統(tǒng)汽車的架構(gòu)中,由于機(jī)械結(jié)構(gòu)固定,車輛轉(zhuǎn)向操作的靈活性受到很大限制,因此研究和設(shè)計(jì)一種全新的四輪全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
隨著新能源汽車快速發(fā)展,國內(nèi)外開展了高轉(zhuǎn)向性能汽車技術(shù)的研究,研究人員把目光從傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向(FWS)逐漸轉(zhuǎn)移到四輪轉(zhuǎn)向(4WS)和線控轉(zhuǎn)向(SBW)[2]。與傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向相比,四輪轉(zhuǎn)向和線控轉(zhuǎn)向可以改善汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性和角傳遞特性。四輪轉(zhuǎn)向車輛具有四輪轉(zhuǎn)角可調(diào)、四輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控的特點(diǎn),提高了機(jī)動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向靈活性和操縱穩(wěn)定性[3-4];而線控轉(zhuǎn)向使轉(zhuǎn)向盤輸入與汽車前輪轉(zhuǎn)角之間擺脫了機(jī)械系統(tǒng)的限制,提升了轉(zhuǎn)向特性的優(yōu)化空間[5-6]。
純電動(dòng)汽車的發(fā)展使兩種技術(shù)結(jié)合成為可能,以電能為動(dòng)力源,通過線控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)獨(dú)立控制,使得四輪全方位轉(zhuǎn)向的構(gòu)想得以實(shí)現(xiàn)。李萍等[7]研究四輪轉(zhuǎn)向汽車中滿足阿克曼理論的轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì),提出一種基于MATLAB計(jì)算的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。夏光等[8]分析了全液壓轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向偏差機(jī)理,提出一種基于轉(zhuǎn)向效率的期望轉(zhuǎn)向曲線及其可行域確定方法,設(shè)計(jì)了一種線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向同步,消除轉(zhuǎn)向偏差。J. W. Yong等[9]運(yùn)用滑膜控制設(shè)計(jì)了一種四輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩集成控制算法。M. Demirci等[10]設(shè)計(jì)了一種基于拉格朗日神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)最優(yōu)控制器,用于四輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩的協(xié)調(diào)控制。付翔等[11]提出一種主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)矩分配的協(xié)調(diào)控制方法,其設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)改善四輪轉(zhuǎn)向車輛高速工況下的轉(zhuǎn)向靈敏度不足問題有很好的效果。
新興的兩種轉(zhuǎn)向技術(shù)相較于傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向均具有一定的優(yōu)越性,但如何將兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)合理地集中到一起,成為了一個(gè)亟待解決的問題[12]。本文以設(shè)計(jì)一個(gè)全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究目標(biāo),對(duì)一體化電動(dòng)輪關(guān)鍵零部件即獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行有關(guān)設(shè)計(jì),對(duì)多模式下的上層分配策略進(jìn)行相應(yīng)的分析,并對(duì)下層執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的控制算法進(jìn)行有關(guān)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了設(shè)計(jì)方案的可靠性。
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制,使轉(zhuǎn)向車輪理論上可以實(shí)現(xiàn)360°的全方位轉(zhuǎn)向[13-14]。本文所要研發(fā)的全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),是以一體化電動(dòng)車輪模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要由獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向臂、輪轂電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)懸架等零部件組成,具體如圖1所示。
圖1 一體化電動(dòng)輪模塊
單個(gè)車輪模塊集驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和主動(dòng)高度調(diào)節(jié)功能于一身,高集成可拓展的模塊化設(shè)計(jì)為四輪全方位線控轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車提供了一種可行的解決方案。
獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)一體化電動(dòng)車輪全方位轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵所在,獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速器進(jìn)行減速增扭后直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)向臂旋轉(zhuǎn)?;诖朔桨福惑w化電動(dòng)車輪可實(shí)現(xiàn)360°獨(dú)立轉(zhuǎn)向功能。圖2所示為獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維模型的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2 獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)剖面圖
具體實(shí)現(xiàn)過程:當(dāng)車輪控制器接收到方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)后,轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)立刻按照設(shè)定的程序輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩,輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速增扭后,由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸通過鍵傳動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)法蘭盤及與之固連的盤式軸承內(nèi)圈,進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向大臂及轉(zhuǎn)向車輪旋轉(zhuǎn)。其中:轉(zhuǎn)角傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)角,即車輪轉(zhuǎn)角;滑環(huán)可保證線束和管路不產(chǎn)生纏繞;盤式軸承可用以承受車輪模塊的垂向載荷。
首先分別采用半經(jīng)驗(yàn)公式、雷索夫公式、塔布萊克公式計(jì)算靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩,進(jìn)行關(guān)鍵零部件的選型,比較計(jì)算結(jié)果,選取最大值用于校準(zhǔn)計(jì)算[15-16]。
半經(jīng)驗(yàn)公式:
式中:μ為輪胎與地面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)(良好路面,取μ=0.9);G1為單軸載荷(整車質(zhì)量為576 kg,則單軸載荷為2822.4 N);P為輪胎氣壓(GB/T 2978-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)型輪胎胎壓為0.24~0.25 MPa,取P=0.24 MPa)。
綜上計(jì)算,選取雷索夫公式計(jì)算結(jié)果用于關(guān)鍵零部件的選型。為保證電動(dòng)機(jī)有足夠大的功率克服原地轉(zhuǎn)向阻力矩,以雷索夫公式的計(jì)算結(jié)果為參考值進(jìn)行考慮。在此基礎(chǔ)上還要考慮滑環(huán)外定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間需要的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,大小約為10 N·m。
綜合考慮,選擇型號(hào)為FM04C的轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī),功率為350 W,峰值轉(zhuǎn)矩為3.2 N·m。這樣減速器傳動(dòng)比的大小就可以確定,i =Mr/Tm=188.58÷3.2=58.9,因此選擇減速比大小為60:1 的 蝸 輪 蝸桿減速器。
圖3 零部件實(shí)物圖
通過有限元分析軟件ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)的有關(guān)零部件進(jìn)行了靜力分析,通過合理地劃分網(wǎng)格、施加力和約束,分析結(jié)果如圖4所示。結(jié)果滿足使用要求。
圖4 零部件靜力分析
道路環(huán)境復(fù)雜多變,這就要求傳統(tǒng)車輛駕駛員不僅要具有高超的技術(shù)及豐富的經(jīng)驗(yàn),還要在駕駛車輛過程中保持注意力高度集中。而車輛四輪全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則可以通過4個(gè)車輪轉(zhuǎn)角的合理分配,對(duì)不同環(huán)境采用不同的駕駛模式,降低駕駛員的負(fù)擔(dān),減少意外事故發(fā)生的可能性。
通過對(duì)4個(gè)車輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行特定的組合,整車可實(shí)現(xiàn)前輪阿克曼轉(zhuǎn)向、四輪阿克曼轉(zhuǎn)向、楔形行駛、原地轉(zhuǎn)向等駕駛模式,具備極高的機(jī)動(dòng)靈活性[17]。整車轉(zhuǎn)向模式示意圖如圖5所示。
圖5 轉(zhuǎn)向模式
傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車多采用阿卡曼轉(zhuǎn)向原理,如圖5(a)所示,汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí),所有車輪繞一個(gè)瞬時(shí)中心點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)[18]。左前輪轉(zhuǎn)角與右前輪轉(zhuǎn)角并不相等且滿足如下關(guān)系式:
式中:δfl為左前輪轉(zhuǎn)角;δfr為右前輪轉(zhuǎn)角;K為主銷中心距;L為車輪輪距。
當(dāng)4個(gè)車輪同時(shí)參與轉(zhuǎn)向時(shí),也可采用阿克曼轉(zhuǎn)向原理。為提高車輛在低速時(shí)的可操控性和高速時(shí)的穩(wěn)定性,前后車輪轉(zhuǎn)向角度由車體縱向速度決定,后輪轉(zhuǎn)角通過前輪轉(zhuǎn)角和縱向速度構(gòu)成的比例參數(shù)獲得。低速工況下,前后輪轉(zhuǎn)角方向相反,以減小轉(zhuǎn)彎半徑;中高速工況下,前后輪轉(zhuǎn)角方向相同,可以減小轉(zhuǎn)向時(shí)的質(zhì)心側(cè)偏角以保持車身穩(wěn)定。
假設(shè)四輪轉(zhuǎn)向的瞬時(shí)中心在車輛質(zhì)心的水平延長(zhǎng)線上,如圖5(b)所示,則滿足如下關(guān)系:
式中:δfl為左前輪轉(zhuǎn)角;δfr為右前輪轉(zhuǎn)角;δrl為左后輪轉(zhuǎn)角;δrr為右后輪轉(zhuǎn)角;δ為等效前輪轉(zhuǎn)角;a、b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離;B1、B2分別為前、后輪輪距。
如圖5(c)所示,當(dāng)前、后輪進(jìn)行同相位、同角度的轉(zhuǎn)向,如同時(shí)向左轉(zhuǎn)動(dòng)45°,即為楔形轉(zhuǎn)向模式,可進(jìn)行快速換道,使車輛實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的無橫擺行走,提高車輛高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。對(duì)于楔形行駛模式下的方向盤轉(zhuǎn)角與車輪的轉(zhuǎn)角傳動(dòng)比,比率越低,汽車反應(yīng)越靈敏;比率越高,車輪轉(zhuǎn)向達(dá)到指定距離方向盤所需的旋轉(zhuǎn)幅度越大。如果傳動(dòng)比太小,會(huì)使得楔形轉(zhuǎn)向過于靈敏而導(dǎo)致產(chǎn)生不安全因素,因此楔形模式下的方向盤與車輪傳動(dòng)比不宜設(shè)置過小。同時(shí)考慮到楔形模式多用于變道超車或狹窄路面駕駛環(huán)境,為了避免給駕駛員帶來過大的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān),將楔形的傳動(dòng)比設(shè)置為類似于傳統(tǒng)車輛常規(guī)的傳動(dòng)比14:1,即駕駛員使方向盤轉(zhuǎn)420°時(shí),車輪轉(zhuǎn)角為30°。并且當(dāng)車輪轉(zhuǎn)角超過30°時(shí),車輪保持在最大轉(zhuǎn)角不變。
當(dāng)行經(jīng)狹窄巷道或鄉(xiāng)間小路并偶遇前方來車,需有一方讓行才可通過時(shí),倒車是唯一的選擇。而通過原地轉(zhuǎn)向模式,則可在運(yùn)動(dòng)受限的狹窄空間下進(jìn)行掉頭轉(zhuǎn)向操作,提高了車輛在狹窄空間下的機(jī)動(dòng)性能。
已知實(shí)車前后軸距L為1560 mm,左右輪距B為1254 mm,則原地轉(zhuǎn)向直徑D=(L2+B2)1/2≈2002 mm。定義車輪轉(zhuǎn)角以逆時(shí)針方向?yàn)檎?,則各車輪轉(zhuǎn)角為:
永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、體積小、功率因數(shù)高等特點(diǎn),在工業(yè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[19],故轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)采用型號(hào)為FM04C的永磁同步電動(dòng)機(jī)。為使系統(tǒng)便于分析,作如下幾點(diǎn)假設(shè):1)忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和;2)不計(jì)渦流和磁滯損耗;3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組。建立永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型如下。
電壓方程:
實(shí)際輸入電動(dòng)機(jī)電樞繞組的是三相交流電流iU、iV、iW,因此需要經(jīng)過坐標(biāo)變換求出id和iq。經(jīng)過Clark、Park變換,完成由靜止的abc坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系的變換(等功率變換)為:
矢量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量相位和幅值的控制。當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和直、交軸電感確定后,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量is,而is的大小和相位又取決于id和iq,通過控制id和iq便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩[20]。其中,id和iq為定子電流兩個(gè)互為正交的分量,分別代表了電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。
為實(shí)現(xiàn)PMSM對(duì)目標(biāo)車輪轉(zhuǎn)角快速而精確的響應(yīng),采用位置速度電流三閉環(huán)控制,分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。如圖6所示,以目標(biāo)轉(zhuǎn)角δ與實(shí)際車輪轉(zhuǎn)角δi的差值作為位置環(huán)的輸入,其輸出信號(hào)作為目標(biāo)速度u,并與實(shí)際車輪轉(zhuǎn)速ui計(jì)算偏差后,作為速度環(huán)的輸入。
圖6 位置速度電流三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖
速度控制器的輸出即為目標(biāo)電流(轉(zhuǎn)矩),由式(12)坐標(biāo)變換得來的實(shí)際電流信號(hào)與目標(biāo)電流的差值經(jīng)電流環(huán)、反Park變換和空間矢量脈寬調(diào)制后,即可得到作用在電動(dòng)機(jī)三相電壓的指令值,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制[21-22]。
圖7所示為試驗(yàn)平臺(tái)所采用的轉(zhuǎn)向控制器實(shí)物圖,主要由電源芯片、MCU、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、Can芯片等組成,控制邏輯如圖8所示。
圖7 轉(zhuǎn)向控制器
圖8 轉(zhuǎn)向控制器電氣架構(gòu)圖
在完成轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的理論分析和數(shù)學(xué)建模后,本文利用Carsim與Simulink對(duì)楔形行駛及原地轉(zhuǎn)向兩種典型的轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行了聯(lián)合建模仿真,研究車輛的運(yùn)動(dòng)情況及關(guān)鍵參數(shù)的變化,以獲取最直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。車輛的有關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 整車參數(shù)表
4.1.1 楔形行駛仿真由圖9可以看出,當(dāng)車輛進(jìn)行45°楔形行駛時(shí),質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡近似是一條斜率為-1的直線,而橫擺角速度在0附近進(jìn)行波動(dòng),能夠保證車輛行駛安全性,滿足預(yù)期的設(shè)想。
圖9 45°楔形行駛
4.1.2 原地轉(zhuǎn)向仿真
圖10為Carsim與Simulink聯(lián)合仿真的結(jié)果,通過設(shè)定4個(gè)車輪轉(zhuǎn)角并給予不同的驅(qū)動(dòng)力矩,仿真結(jié)果表明車輛質(zhì)心的軌跡始終為一個(gè)點(diǎn),即車輛繞著質(zhì)心原地旋轉(zhuǎn),說明了原地轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)靈活性。
圖10 原地轉(zhuǎn)向
基于在Simulink中搭建的永磁同步電動(dòng)機(jī)模型,采用位置速度電流三閉環(huán)控制策略進(jìn)行定轉(zhuǎn)角控制仿真,如圖11所示[23-25]。通過給定一個(gè)90°的階躍參考位置信號(hào),從圖12(a)中可以看到實(shí)際位置在極短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地跟隨上參考位置,并且沒有超調(diào)量和靜態(tài)誤差。在此之后實(shí)際位置、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和三相電流均趨于穩(wěn)定。具體結(jié)果如圖12所示。
圖11 PMSM三閉環(huán)仿真
圖12 仿真結(jié)果圖
基于前文設(shè)計(jì)的全方位線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),搭建的一體化電動(dòng)輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖13所示。臺(tái)架主要由一體化電動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向控制器、12 V蓄電池、支撐架等組成。
圖13 一體化電動(dòng)輪試驗(yàn)臺(tái)架
通過可視化調(diào)試工具FreeMaster進(jìn)行在線調(diào)試,借助可視化窗口可直觀地觀測(cè)到相應(yīng)參數(shù)的變化情況,從而驗(yàn)證控制器燒錄程序的合理性及可靠性。
從圖14的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出,通過給定90°的目標(biāo)車輪轉(zhuǎn)角,在位置速度電流三閉環(huán)控制的模式下,實(shí)際車輪轉(zhuǎn)角(轉(zhuǎn)速、電流)都可以在極短的時(shí)間內(nèi)跟隨上目標(biāo)轉(zhuǎn)角(轉(zhuǎn)速、電流)并保持穩(wěn)定,并且實(shí)際車輪轉(zhuǎn)角與目標(biāo)轉(zhuǎn)角的偏差最終能夠維持在2°以內(nèi),這與我們的程序設(shè)定是相一致的,表現(xiàn)出較好的跟隨效果,驗(yàn)證了一體化電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的可靠性及控制程序的合理性。
圖14 三閉環(huán)大轉(zhuǎn)角跟隨情況
為擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的束縛,探究新型的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)四輪全方位線控轉(zhuǎn)向的目標(biāo)。本文分別從以下幾個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì):1)首先,介紹了單個(gè)一體化電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)組成,對(duì)關(guān)鍵目標(biāo)——獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選型計(jì)算,并對(duì)受力部件進(jìn)行有限元靜力分析;2)針對(duì)不同駕駛模式下四輪轉(zhuǎn)角不同的情形,設(shè)定了不同的轉(zhuǎn)角分配策略,通過仿真的方式分析了典型模式下關(guān)鍵參數(shù)的變化,表明各轉(zhuǎn)向模式在不同駕駛環(huán)境的優(yōu)越性;3)為實(shí)現(xiàn)車輪的全方位線控轉(zhuǎn)向,基于永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理設(shè)計(jì)了三閉環(huán)控制策略,并進(jìn)行了相應(yīng)仿真與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文針對(duì)四輪全方位轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列的研究,證明了設(shè)計(jì)方案的可行性,為新一代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路。