工程车辆差速转向电控系统

文/郭瑞 李东艳

随着工业的快速发展，环境污染和能源问题日益突出，新能源汽车的设计、开发和使用引起了人们的关注。随着控制科学和电子集成技术的发展，各种控制技术的交叉结合在工程车辆的研究中成为一种发展趋势。工程车辆产品中，传统的汽车其转向系统大多采用机械装置和液压装置相结合的方法来控制执行机构或者转向离合器实现转向，这种转向装置机械部件安装复杂、成本高，并且转向机构易磨损、操控平稳性能低、转弯半径大，工作效率低。

1 系统组成

由于工程车辆本身的工作特性，其前轮主要是起到引导汽车前进方向的引导轮，所以，电驱动汽车采用后驱式双电机独立驱动车辆的行走和转向。当双电机后轮驱动车在转向时，驱动电机的差速问题是其关键技术，并且两侧由电机独立驱动。所谓电子差动是指电子控制单元使用软件调节每个驱动电机的转速和输出功率，使得每个驱动电机的驱动速度满足转弯时的约束关系，使汽车两侧驱动电机以不同速度转动。

车辆差速转向电子控制系统组成如图1所示。集成的电子差速控制器基于电控操作装置、制动踏板和转速传感器的信号。计算速度差，然后分配速度大小，通过CAN总线将速度信号发送到两个电动机控制器，并控制两个电动机的速度，实现车辆差速转向。

2 差速转向电子控制原理

传统车辆的转向系统由电子转向助力器或液压转向助力器改变前面两轮前进角度，前驱的车辆直接对驱动轮进行差速，后面两轮独立运动，受外力作用自调节转速，保证前轴线和后轴线交于一点；而后驱车辆的后轴装有差速器，受到前面两轮前进角度改变，后两轮受力不一样，导致后两轮转速经过差速器调节后不一样，前轴轴线和后后轴轴线交于一点。两种方式实现传统汽车的转向。传统方式车辆的轮胎对地面的损伤很大，转向操作性不好。

当工程车辆在转弯时，电子差动控制器根据操作电子控制装置发送的转向信号计算相应的期望转向值，同时，根据预期值计算两侧电动机的所需角速度，然后将转速请求发送到两侧的电动机控制器，从而实现两侧电动机输出所需的角速度，实现电子差速转向。因为两侧轮胎的角速度由两侧电机控制，因此，电子差速转向最终通过电机驱动的速度控制来实现。电子差速转向系统可以通过控制两侧电机两侧的速度来调节转速，从而实现车辆的平稳转向。电子差速转向控制系统主要包括车辆差速控制和电机速度控制。

电驱动汽车为了达到在各种复杂工况条件下转向时左右驱动轮的转速和转矩按需分配，即差速又差扭矩的目的，其差动转向电子控制系统通过控制两个独立的电机控制器来驱动两个独立的轮边电机。两侧轮边电机分别带动两侧轮胎独立转动，控制器利用编辑和标定的程序函数合理的请求两侧驱动电机速度，减少了机械传动部件，并使其具有高传动效率，并且结构灵活，易于实现行车、转向系统的电子化和自动化等特点。

差速控制系统的实现方法是采集驾驶员转向意图信号和当前车速等信号，经过滤波计算等，转换为两侧驱动电机的转速请求信号，分别发送给两侧的电机控制器。两侧电机控制器采用速度闭环调节电流输出，从而调节两侧驱动电机的速度变化，实现驱动轮的差速。电驱动汽车的车体为刚性车体，差速转向控制时需考虑驱动轮的滑移、滑转，涉及到电子差速部分的基本控制包括以下几部分：即转向信号的触发控制、用于计算双侧转角的后侧电动机转向控制算法部分、电子差动控制算法和电动机转速控制程序。

首先，驾驶员操作以激活电子控制装置的转向功能，并且转向电子控制器根据该信号，判断出驾驶员的转向意图信号和车速，在当前车速下，计算出两侧电机的期望转速，然后，电子差动控制算法根据驱动轮的相应转速信息和当前车速信息计算两侧驱动轮的期望速度。最后，电机控制器通过程序文件使用Vleft和Vright作为速度期望变量值，来实时控制电机。

图1：车辆差速转向电子控制系统组成图

图2：差动转向控制流程图

电机控制器的输出接口可输出开关量，模拟量和PWM波形等信号，适合于交流感应电机，无刷直流电机等设备的控制。因此，它可以用于独立驱动电机的汽车控制系统。在控制的整体方案设计中，根据控制系统的特性，直流永磁电机的正反旋转可以由两个电平信号控制。PWM 信号控制直流永磁电机的速度，控制系统中对应模块来实现左右轮驱动电机的独立控制是完全可以的。在控制系统的输入量中，采集的开关量和模拟量信号由A/D 模块转化为便于运作算的数字信号。包括电控装置转向信号，左右驱动电机角度反馈信号，左右驱动电机速度反馈信号，制动踏板信号转换为相应的数字量被提供给驱动马达转向角控制模块和电子差动控制器以进行处理。此外，在驱动控制系统中加入对电机运行整个过程中的故障信号检测模块，防止由于过压过流等故障而烧坏电机。

3 具体实施方式

驾驶员通过操作转向装置发送指令，控制器通过采集操作转向相应的开关量和模拟量输入及车速传感器的车速信号（电机的转速信号），将其进行数据相应滤波、计算等，转换为请求转速数据，通过CAN收发器转换为符合CAN总线协议的数据发送出去。电机控制器的CAN收发器对接收到的CAN数据进行数据转换，发给电机控制器。电机控制器根据请求转速数据，通过程序文件传递函数，转为为电流数据，驱动ΙGBT,调节电机实际电流大小，同时采集转速信号，增益后再用于调节电流大小，从而实现差速转向。

工程车辆差动转向控制系统内部控制流程如图2所示。系统上电后，首先执行初始化程序。在芯片内部设置一些寄存器，然后在系统上执行校准自检。如果发现故障判定类型和等级，该工作允许继续工作后，然后进入中断等待循环，检测输入量值的阈值。当控制器采集到电控装置发送的转向信号超过设定阈值或滤波周期后，确定为驾驶员意图转向；与此同时读取存储在存储器中的每个传感器信号值，并驱动电机转向子程序以确定转向模式，并将点开转向装置的转角值输入给到差速转向子程序或函数，差速转向子程序或函数运算结果为驱动电机转角和目标转速。计算左右驱动电机的速度，发给电机控制器，控制与电机速度对应的端口输出，并改变ΙGBT的PWM占空比，以改变两侧驱动电机的电流。实现目标的差速转向，差速转向完成后，此时当转向动作完成后，电子控制系统输入模块继续检测电控装置的信号，当控制系统接收到装置回位信号后，此时电机控制器PWM输出回到非转向状态，系统默认此次转向动作完成，控制程序返回中断，并重新检测电控装置的转向信号。

4 结语

本文研究的工程车辆采用差动转向电控系统，转向性能好，可实现工程车辆的柔性转向。电机驱动为无级变速的，转向灵活和响应迅速，减少了对轮胎的磨损，同时，还可以进行制动动能的能量回馈。驱动电机以低速和高扭矩运行，整机的智能和操作的人性化将更高。