兩輪轂電動機小車電子差速系統研究
陳玉，李聲晉，盧 剛，陳秀霞
(兩北工大學，陜西西安710072)
摘要：通過對電機驅動理論及傳統電子差速方法進行分析，對無線跟隨小車提出了基于兩輪轂電動機驅動的電子差速系統設計并給出了控制器總體設計思路。建立小車電子差速轉向模型，計算電差速過程中隨著轉向角度變化內外車輪的轉速，同時對小車勻速前進、加減速運行等狀態下的電子差速模式進行分析，確定具體運行狀態下的控制策略。對兩臺55 w的四對極電機進行了仿真分析和空載實驗。實驗結果表明，小車控制器設計合理，電子差速模型正確，控制策略可行。
關鍵詞：電子差速；無刷直流輪轂電動機；控制策略
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05-0022-03
0引 言
電子差速(以下簡稱ED)是一種完全用電控方式控制各個車輪的轉速，使車輪以不同速度轉動，以達到轉向的目的，同時保證車輪不發生滑動或者滑移，作純滾動運行的技術。在無線跟隨小車的轉向系統中采用電子差速控制系統，取消了轉向盤和轉向車輪之間的機械連接，接收轉向控制指令后，使用電子線路控制內外車輪之間的速度差，實現轉向。對于電機驅動控制系統，目前經常采用驅動電機與減速器相連再帶動車輪的方式，車輪速度的計算必須通過對一系列減速器的減速比計算，才能得到和電機轉速之間的關系。這種復雜的計算方法對于無線跟隨小車喪失了電子控制的實時性，如果電機轉速和車輪轉速能夠保持實時一致，電子差速的功能就可以得到****的體現。為了提高小車跟隨的靈活性和運行效率，同時基于能量傳遞效率和車體空間限制等考慮，本文采用兩輪轂電動機驅動方式，電動機安裝在車輪的輪轂內，輸出轉矩直接傳輸到車輪，舍棄了傳統的離合器、減速器、傳動橋、差速器等機械部件，使整車重量減輕，降低了機械傳動損耗[1-2]。直接使用輪轂電動機提供轉向動力，同樣功率要求時，驅動功率可以由多個電動機提供，降低了單個驅動電動機的功率，進而降低對功率器件的要求；可以對各個驅動電機進行單獨控制，有利于提高小車的操縱性和穩定性。
本文在已經設計完成的無線跟隨小車樣車基礎上研究電子差速問題，設計了電機驅動和電子差速控制器。采用基于DSP控制的輪式驅動控制系統，根據車載傳感器所采集的信息，由控制CPU做出判斷，分別對左右輪轂電動機進行差速控制，控制系統各分支機構通過CAN總線進行通信。
1電子差速模型分析
無線跟隨小車使用兩個后輪作為驅動系統的動力源，前輪為控制方向的隨動輪。樣車如圖1所示。
1.1轉向原理
電子差速轉向系統取消了機械差速器和減速裝置，通過電子線路調整電機轉速，從而改變車輪轉速實現差速轉向。需要轉向時，轉向的內側車輪轉速小于外側車輪轉速，相同時間內，內側車輪駛過的距離比外側車輪駛過的距離小，車體必然向內側偏轉，從而實現轉向。
小車轉向過程如下：控制器接收傳感器的模擬量輸入(轉向指令)，計算轉向時相應的兩個車輪的轉速，令內外側車輪產生速度差，實現轉向。
1．2轉向模型
參考Acke an—Jeant模型[3]建立小車的轉向模型如圖2所示。其中，E為車身長；
W為車身寬；R為小車轉向半徑；δ為轉向角度。
為了研究小車轉向時的車速、轉向角與每一個車輪速度之間的關系，我們作如下假設，以忽略地面、輪胎差異等因素對車輪速度的影響：
(1)車體剛性；
(2)車輪純滾動，即不考慮發生滑移、滑轉和輪胎離開地面的運行狀態；
(3)輪胎側向變形與側向力成正比，即不考慮輪胎材質與結構的非線性以及因垂直載荷不同造成的輪胎側向彈性系數的變化。
在上述假設條件下，當小車需按δ角進行轉向時，令V為當前小車運轉速度，Rin為內輪轉向半徑，Rout為外輪轉向半徑，根據小車轉向模型有：
2 電子差速實現方式
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