兩輪轂電動(dòng)機(jī)小車(chē)電子差速系統(tǒng)研究
陳玉，李聲晉，盧 剛，陳秀霞
(兩北工大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)理論及傳統(tǒng)電子差速方法進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)線跟隨小車(chē)提出了基于兩輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子差速系統(tǒng)設(shè)計(jì)并給出了控制器總體設(shè)計(jì)思路。建立小車(chē)電子差速轉(zhuǎn)向模型，計(jì)算電差速過(guò)程中隨著轉(zhuǎn)向角度變化內(nèi)外車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，同時(shí)對(duì)小車(chē)勻速前進(jìn)、加減速運(yùn)行等狀態(tài)下的電子差速模式進(jìn)行分析，確定具體運(yùn)行狀態(tài)下的控制策略。對(duì)兩臺(tái)55 w的四對(duì)極電機(jī)進(jìn)行了仿真分析和空載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小車(chē)控制器設(shè)計(jì)合理，電子差速模型正確，控制策略可行。
關(guān)鍵詞：電子差速；無(wú)刷直流輪轂電動(dòng)機(jī)；控制策略
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)05-0022-03
0引 言
電子差速(以下簡(jiǎn)稱ED)是一種完全用電控方式控制各個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，使車(chē)輪以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，同時(shí)保證車(chē)輪不發(fā)生滑動(dòng)或者滑移，作純滾動(dòng)運(yùn)行的技術(shù)。在無(wú)線跟隨小車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用電子差速控制系統(tǒng)，取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向車(chē)輪之間的機(jī)械連接，接收轉(zhuǎn)向控制指令后，使用電子線路控制內(nèi)外車(chē)輪之間的速度差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，目前經(jīng)常采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器相連再帶動(dòng)車(chē)輪的方式，車(chē)輪速度的計(jì)算必須通過(guò)對(duì)一系列減速器的減速比計(jì)算，才能得到和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。這種復(fù)雜的計(jì)算方法對(duì)于無(wú)線跟隨小車(chē)喪失了電子控制的實(shí)時(shí)性，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)輪轉(zhuǎn)速能夠保持實(shí)時(shí)一致，電子差速的功能就可以得到****的體現(xiàn)。為了提高小車(chē)跟隨的靈活性和運(yùn)行效率，同時(shí)基于能量傳遞效率和車(chē)體空間限制等考慮，本文采用兩輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)安裝在車(chē)輪的輪轂內(nèi)，輸出轉(zhuǎn)矩直接傳輸?shù)杰?chē)輪，舍棄了傳統(tǒng)的離合器、減速器、傳動(dòng)橋、差速器等機(jī)械部件，使整車(chē)重量減輕，降低了機(jī)械傳動(dòng)損耗[1-2]。直接使用輪轂電動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，同樣功率要求時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率可以由多個(gè)電動(dòng)機(jī)提供，降低了單個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率，進(jìn)而降低對(duì)功率器件的要求；可以對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，有利于提高小車(chē)的操縱性和穩(wěn)定性。
本文在已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的無(wú)線跟隨小車(chē)樣車(chē)基礎(chǔ)上研究電子差速問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電子差速控制器。采用基于DSP控制的輪式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)車(chē)載傳感器所采集的信息，由控制CPU做出判斷，分別對(duì)左右輪轂電動(dòng)機(jī)進(jìn)行差速控制，控制系統(tǒng)各分支機(jī)構(gòu)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。
1電子差速模型分析
無(wú)線跟隨小車(chē)使用兩個(gè)后輪作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，前輪為控制方向的隨動(dòng)輪。樣車(chē)如圖1所示。
1.1轉(zhuǎn)向原理
電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了機(jī)械差速器和減速裝置，通過(guò)電子線路調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變車(chē)輪轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。需要轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向的內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速小于外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速，相同時(shí)間內(nèi)，內(nèi)側(cè)車(chē)輪駛過(guò)的距離比外側(cè)車(chē)輪駛過(guò)的距離小，車(chē)體必然向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
小車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程如下：控制器接收傳感器的模擬量輸入(轉(zhuǎn)向指令)，計(jì)算轉(zhuǎn)向時(shí)相應(yīng)的兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，令內(nèi)外側(cè)車(chē)輪產(chǎn)生速度差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
1．2轉(zhuǎn)向模型
參考Acke an—Jeant模型[3]建立小車(chē)的轉(zhuǎn)向模型如圖2所示。其中，E為車(chē)身長(zhǎng)；
W為車(chē)身寬；R為小車(chē)轉(zhuǎn)向半徑；δ為轉(zhuǎn)向角度。
為了研究小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的車(chē)速、轉(zhuǎn)向角與每一個(gè)車(chē)輪速度之間的關(guān)系，我們作如下假設(shè)，以忽略地面、輪胎差異等因素對(duì)車(chē)輪速度的影響：
(1)車(chē)體剛性；
(2)車(chē)輪純滾動(dòng)，即不考慮發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn)和輪胎離開(kāi)地面的運(yùn)行狀態(tài)；
(3)輪胎側(cè)向變形與側(cè)向力成正比，即不考慮輪胎材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的非線性以及因垂直載荷不同造成的輪胎側(cè)向彈性系數(shù)的變化。
在上述假設(shè)條件下，當(dāng)小車(chē)需按δ角進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，令V為當(dāng)前小車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，Rin為內(nèi)輪轉(zhuǎn)向半徑，Rout為外輪轉(zhuǎn)向半徑，根據(jù)小車(chē)轉(zhuǎn)向模型有：
2 電子差速實(shí)現(xiàn)方式
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