基于Ackermann模型的轮毂电机四轮独立驱动电动汽车电子差速转向控制研究*

董铸荣，贺 萍，朱小春

（深圳职业技术学院 汽车与交通学院，广东 深圳 518055）

电动汽车电动机的驱动方案有集中驱动、分布驱动2种，分布驱动又包括车桥驱动及轮毂电机驱动，其中轮毂电机驱动更有利于实现机电一体化和现代控制技术．轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动装置等都整合到轮毂内，将电动车辆的机械部分大大简化．与电动机集中动力驱动相比，轮毂电机技术具备很大的优势，它布局更为灵活，不需要复杂的机械传动系统，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗，并具有灵活的行驶特性[1-7]，轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景．

所谓电子差速（Electronic Differential System，简称 EDS）[8]是完全采用电控方式控制各个车轮的转速，使车轮以不同速度转动，如果各车轮转速满足Ackermann转向模型条件，使电动车实现电子差速转向控制．在这个理论指导下，可以认为在省略传统的转向机构的基础上，甚至还可以省略控制车轮转角的转向电机，也能达到控制电动车转向的目的．

传统汽车电子转向系统中均采用转向电机控制转向，或者取消转向电机，采用直接使用无刷直流轮毂电机提供转向动力，结合转向运动学Ackermann模型，独立控制 4个车轮转速实现转向[9]，但文献[9]采用转向横拉杆．本文试验用四轮毂电机独立驱动电动样车无转向横拉杆设计，分别开展 4种转向电机控制方案进行转向试验对比研究，旨在探索是否能够简化转向机构而能实现电动汽车转向控制的可行性．

1 Ackermann转向模型

假设所有车轮都绕同一中心无滑移旋转，这一低速条件下的近似来源于十九世纪初马车转向机构的发明人Rudolph Ackermann，因此称之为Ackermann转向模型[10]．如图1所示，汽车低速左转弯情况，忽略惯性力，假设全部轮胎对地无滑移，车辆绕转向中心O旋转，l为前后轴距，w为左右轮距，a2为质心与后轴轴距，则所有的几何参数中，只有一个是自由变量，其它参数都可由之得出．Ackermann转向模型是内外车轮满足转向时的运动几何关系．本文以质心C的转向角d为变量，则：

图1 Ackermann转向模型

采用4个轮毂电机直接与4个主动轮连接，电机的转速等于4个主动轮的转速，左前轮Ⓐ、右前轮Ⓑ、右后轮Ⓒ、左后轮Ⓓ、质心C的转速分别是vA，vB，vC，vD，v，以v为参考速度，则有：

2 试验用电动车整车控制方案

试验用四轮独立驱动、四轮独立转向共八电机控制电动车如图2所示．该电动车的主要参数如下：轴距l为1.60 m，轮距w为1.35 m，质心与后轴轴距a2为0.80 m，车轮半径为0.225 m．电动车驱动电机是永磁直流轮毂电机，选用6个铅酸蓄电池串联给电机供电，蓄电池组额定工作电压为6×12=72V．

本文所设计的试验用电动车利用驾驶者操纵方向盘、油门踏板、制动踏板提供直线行驶、转向行驶、制动及停车等外部指令，指令通过传感器转换为电信号输入整车控制系统ECU ，整车ECU将油门信号转换为质心C的速度目标值v，将方向盘信号以2.5:1的比例转换为质心C的转向角目标值d，采用Ackermann转向模型（1）、（2）式，计算出4个车轮Ⓐ 、Ⓑ 、Ⓒ 、Ⓓ 的转速目标值vA，vB，vC，vD及转向角目标值di，do，0，0．整车ECU将上述四轮的转速、转向角目标值通过CAN总线通讯，传输给四个车轮动力系统ECU，分别控制4个车轮的轮毂驱动电机和转向电机，实现整车各种工况的控制，其整车控制框图如图3所示．同时，各轮动力系统ECU实时采样各车轮转速、转向角信号，经CAN总线通讯传输给整车控制系统ECU，实现外环闭环控制和信号采集．

图2 试验用四轮毂电机独立驱动电动汽车

图3 试验用电动车整车控制框图

3 四轮毂电机独立驱动电动车电子差速转向控制试验及结果分析

针对本研究的试验电动车，开展逐渐简化转向机构的试验方案，分别进行左右前轮转向都控制、左前轮转向不控制、右前轮转向不控制、左右前轮转向都不控制四种转向电机控制方案进行整车蛇形行驶试验对比研究，旨在探索是否能够简化转向机构而能实现电动汽车转向控制的可行性．本试验设定车轮相对直行方向右偏转，转向角为正值，反之为负值．

3.1 左右前轮转向都控制的整车蛇形行驶试验

针对图3整车控制框图所示，左右两前轮转向受各自转向电机控制，当方向盘发出蛇形行驶指令，由整车控制系统ECU计算出左右前轮的转向角目标值，分别控制左右前轮的转向电机使左右前轮偏转，从而实现整车蛇形行驶．图4为左右前轮转向角实时状态值和目标值与时间的关系曲线，由图4可以看到，左右前轮转向角有转角差，左前轮实时状态值与左前轮目标值很吻合、右前轮二值也很吻合，说明左右前轮都由转向电机控制的转向能够精确实现转向控制．

3.2 左前轮转向不控制的整车蛇形行驶试验

针对图3整车控制框图所示，将左前转向电机拆掉，左前轮成为转向自由轮，仅受左前轮毂电机的驱动控制，当方向盘发出蛇形行驶指令，由整车控制系统 ECU计算出两前轮转向角目标值，但只能控制右前轮的转向电机，即控制右前轮转向角，左前轮由轮毂电机控制转速，由电子差速转向原理实现左前轮偏转，使整车蛇形行驶．图5为试验结果，由图5可以看到，右前轮实时状态值与右前轮的目标值很吻合，但左前轮的两组数据吻合度稍差一些，说明左前轮转向不控制，能够较好实现转向控制，但控制精度不如左右前轮都转向控制的第一种试验情况．

3.3 右前轮转向不控制的整车蛇形行驶试验

针对图3整车控制框图所示，将右前转向电机拆掉，右前轮成为转向自由轮，仅受右前轮毂电机的驱动控制，图6为试验结果，左前轮目标值与左前轮的实时状态值很吻合，但右前轮的两组数据应该吻合度差一些，与上述第二种试验情况类似，说明右前轮转向不控制，能够较好实现转向控制，但控制精度不如左右前轮都转向控制的第一种试验情况．

3.4 左右前轮转向都不控制的整车蛇形行驶试验

图4 左右前轮转向控制的整车蛇形行驶试验结果

图5 左前轮转向不控制的整车蛇形行驶试验结果

图6 右前轮转向不控制的整车蛇形行驶试验结果

针对图3整车控制框图所示，将左右两前转向电机都拆掉，两前轮成为转向自由轮，仅受轮毂电机的驱动控制，当方向盘发出蛇形行驶指令，整车控制系统 ECU只能依据油门信号计算出两前轮转速目标值，控制两前轮的轮毂电机，由电子差速转向原理实现两前轮偏转，使整车蛇形行驶．图7为试验结果，由图7可以看到，方向盘发出了大角度转向指令，最大转向角目标值达75°，但车轮实时状态值只有 10°，两前轮目标值与实时状态值吻合度较差，但行驶趋势是一致的．说明左右前轮转向都不控制，难于实现转向控制．

图7 左右前轮转向都不控制的整车蛇形行驶试验结果

4 结 论

针对轮毂电机独立驱动、转向电机独立转向的试验电动车，进行基于Ackermann模型的电子差速实现转向控制研究，分别开展左右前轮转向都控制、左前轮转向不控制、右前轮转向不控制、左右前轮转向都不控制4种转向电机控制方案进行整车蛇形行驶试验对比研究，虽然转向控制精度随着转向机构的逐渐简化而降低，特别是第 4种试验情况，仅靠电子差速实现转向控制难于实现，但减少一个转向电机，保留1个转向电机是可以保证转向的精确控制．

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