单位文秘网 2021-07-06 08:16:52 点击: 次
摘要:对电动轮驱动汽车的差速问题进行了深入分析,提出对驱动电机采用转矩指令控制、转速随动的方法实现电动轮系统的自适应差速。开发了电动轮驱动试验车。进行了转向行驶、路面不平及车轮半径不等等工况的道路试验。试验结果表明,电动轮汽车在各种行驶路面及行驶工况下都能保持良好的差速性能,具有自适应差速特性。
关键词:电动轮驱动;电子差速;自适应差速;电机
引言
电动轮驱动汽车利用多个独立控制的电机分别驱动四个车轮,动力源与车轮以及车轮与车之间没有机械传动环节,取消了传统汽车的离合器、变速器、传动轴、等速万向节及差速器等部件,因而,电动轮驱动汽车具有传动效率高、空间布置灵活、易于实现底盘系统的电子化和主动化等优点。而各驱动轮之间的差速技术是电动轮驱动系统必须实现的一项关键技术。从现有的文献分析,电子差速技术的主要实现途径有以下两种:
(1)通过整车控制器调节各驱动电机的转矩和转速实现差速。一种方法是采用车轮转速为控制变量,这种方法对控制对象很难做到估算准确,且受外界影响大,对电机的要求高;另一种方法是以各驱动轮滑转率相等为控制目标,这种方法克服了前一种方法的不足,但不能实现对小滑转率的实时检测和控制。
(2)通过改变电机结构来实现差速。目前使用的驱动电机主要有双转子轴向磁通电机、反相双转子电机和复合多相双转子电机。这种实现方法使驱动系统结构复杂,不能充分发挥电动轮驱动的优势,同时各轮驱动力难以实现独立控制。
从以上分析可知,目前电动轮驱动汽车的差速问题还没有得到有效解决。
一、电动轮驱动汽车差速技术的实现方法
(一)差速问题分析
传统汽车的差速问题主要是指车轮线速度不能与该车的轮心速度相协调,或者说车轮滚过的距离不等于车轮轮心沿平行于行驶路面轨迹移动的距离,引起车轮拖滑或滑转,从而导致功率循环或汽车不能正常行驶,即不满足下式:
(1)
式中μi为第ωi个车轮的速度;为第γωi个车轮的旋转角速度;为第i个车轮的滚动半径;Si 为车轮轮心沿平行于行驶路面的轨迹移动的距离。
当汽车在转向或不平路面行驶时,要求各轮转速不同,并要与轮心速度相协调。
(二)自适应差速技术的实现方法
在分析传统汽车车轮受力时,一般将车轮作为一个系统来考虑,认为在旋转方向上的受力有传动系传来的驱动力矩Tq,制动系统作用于车轮的制动力矩Tb,以及路面作用于车轮的反力Fd对轮心形成的力矩Td。其受力情况如图1所示,受力方程为
(2)
上式中,Iw 为车轮的转动惯量;ω为车轮转速;rw 为各车轮滚动半径。
但是该受力方程没有考虑车体通过悬架与车轮的相互作用力,因此无法表达汽车从动轮的运动,以及各车轮驱动力不等(如装限滑差速器)而车轮转动速度相等的情况或者车轮驱动转矩相等而转速却不等的情况。在研究电动轮驱动汽车的差速问题时,由于各车轮之间无机械连接,各轮运动状态相互独立,上述受力方程无法准确表达电动轮的运动学状态。
在考虑汽车车体与车轮相互作用力时,汽车的受力如图2所示。此时电动轮驱动汽车车轮的动力学方程为
(3)
上式中,Tm为电机驱动转矩,N?m;ig 为电机与车轮之间的传动比;mw 为车轮的质量,kg;υw 为第i个车轮轮心处的速度,m/s。
上式(3)中右侧最后一项即为汽车车体与车轮的相互作用力,其含义为由于轮心处加速度和车轮转动时的切向加速度不同而导致的相互作用惯性力,其中ξ为作用系数,其取值如下:
(4)
由式(4)可知,当车轮旋转线速度大于轮心速度时,式(3)与式(2)相同。式(3)是汽车上车轮的完整运动学方程,它既反映了由动力传动系传到车轮的驱动转矩对车轮运动的影响,也反映了由于车体与车轮装配在一起,车体与车轮相互作用力对车轮运动的影响。
从以上分析可知,由于电动轮驱动汽车各车轮之间没有机械连接,车轮运动状态相互独立,所以当以车轮转速为控制参数时,为保证转向时的转速协调,以理想汽车转向模型生成各轮理想转速并以此控制车轮转速,这其实相当于重新将各车轮转速互相联系起来,由于车轮转动参数的互相约束,因而导致四个车轮运动自由度不足。当生成的目标转速的理想汽车转向模型不符合汽车实际运动学状态时,便会导致车轮的转速不协调,从而导致车轮拖滑或滑转。从另一个角度考虑,若以电机传给车轮的驱动转矩为控制参数,而不对车轮转速进行控制,使其随受力状态而自由转动,则四个车轮就有四个转动自由度。由于每个电动轮运动学状态相互独立,各自均满足式(3)及前述分析,故此时不存在各车轮转速不协调而引起的差速不好的问题。
根据以上的分析,提出对驱动电机采用按转矩指令进行控制并使转速随动的策略,以期实现各车轮的自适应差速。整车控制系统只是根据汽车的运动状态输出驱动电机的转矩指令信号,而电动轮系统的转速则由电机转矩与电动轮系统的平衡点决定。
二、电动轮驱动试验车的开发
独立驱动试验车能为验证自适应差速方案提供测试平台,检验自适应方案是否可行。
将夏利7100家用微型轿车改装为电动轮驱动试验车,其具体改装方案如下:拆掉原车动力总成,在其位置布置两台交流带减速电机;在汽车的后排座椅处布置三组镍氢电池作为整车动力源;在驾驶室的换挡手柄位置布置两台伦茨交流电机控制器,用于控制电机;拆下原油门踏板,装上一个电子油门。表1为改装后的电动轮汽车的主要参数。
选用霍耳效应式传感器和T10F非接触式扭矩传感器分别采集转速和驱动扭矩。数据采集采用实验室的DSPACE系统。
三、结果验证
(一)验证方法
电动轮驱动汽车的差速性能指防止汽车转向或路面不平引起的车轮拖滑的性能。验证电动轮驱动汽车的差速性能是否理想,也就是验证各车轮转速能否与各轮轮心速度相协调。验证方法如下:汽车行驶时,采集车轮转速并进行积分,得出各轮轮心经过的距离,并将其与车轮实际滚过的距离相比较,若车轮滚过的距离与轮心经过的距离相等,则表明汽车没有出现车轮拖滑,差速性能良好,否则相反。
(二)试验工况
1、汽车转向行驶。此时汽车发生横摆,各轮轮心速度不同,要求各轮线速度与之相适应,导致各轮转速不同。
2、汽车行驶于不平路面。此时由于各轮轮心经过的轨迹长度不同,要求各轮旋转线速度不同而导致各轮转速不同。
3、汽车各车轮滚动半径不同。此时各轮轮心经过的轨迹长度虽然相同,但由于车轮半径不同,要求各轮转速不同。
(三)汽车转向时的差速性能试验
选定广州某大学岭校区中央大道上的转盘为试验地点。首先单轮驱动并使其绕转盘一周,并要求车轮与转盘边缘保持100mm 左右的距离,这样可以得出转盘的周长进而得出其半径。在进行差速试验时以该周长作为汽车内轮轮心经过的距离。
1、第一组数据
内外轮的转速变化和转速差变化如图3和图4所示。
内外轮行驶轨迹参数如表2所示。
从表2中可以看出,实际外轮行驶半径非常接近理论转弯半径;理论内外半径差与实际内外半径差的最大误差为0.66。这说明转向行驶过程中两车轮均没有出现拖滑或滑转,汽车差速性能良好。
2、第二组数据
内外轮的转速变化和转速差变化如图5和图6所示。
内外轮的行驶轨迹参数如表3所示。
从表3中可以看出,实际外轮行驶半径也同样非常接近理论半径;实际内外半径差与理论内外半径差也非常接近,其相对误差为0.058 。这说明汽车行驶时,内外轮均做纯滚动,没有出现拖滑现象,汽车差速性能良好。
可见以上两组数据均得到了同样的效果,即汽车在转向行驶时,内外轮实际运动参数符合汽车车轮做纯滚动时的理论运动关系。说明在汽车行驶时内外两车轮均做纯滚动,没有出现拖滑。因此可以证明按转矩指令对电动轮进行控制,汽车转向时,各车轮可以实现自适应差速,使各自转速与轮心速度相适应。
(四)不平路面行驶时的差速试验
试验时汽车左轮跨过沙袋行驶而右轮行驶于水平路面。试验时事先测定由于跨过沙袋行驶而引起的行驶距离增加量。
图7为汽车越过沙袋行驶时两车轮转速变化曲线。从图7中可以看出左轮驶上沙袋后,车速明显降低,但左轮转速较右轮转速降低得少,从而两轮形成转速差。表4为两轮行驶轨迹的长度及差值(即行驶距离及距离差)。实际测量两轨迹差值约为96mm,而按转速积分后所得的两轨迹差为94.8mm。可见两轮实现了很好的自适应差速。
(五)汽车不等滚动半径行驶时的差速试验
通过减小汽车左轮气压,从而使车轮的滚动半径减小。试验时右轮的滚动半径为260mm,左前轮的滚动半径为250mm。试验时汽车沿直线行驶,若两车轮行驶距离与由转速积分所得距离相等,则表明汽车实现了自适应差速。
图8所示为汽车沿直线行驶时两车轮的转速变化曲线,从图8中可以看出,左轮转速明显高于右轮转速,这是由于两者滚动半径不等所致。图9为两车轮线速度的对比,可以看出二者非常接近。
表5所示为两轮行驶轨迹长度及差值。由表5可见两轮行驶轨迹长度几乎相等。其距离差值只有0.08m,二者误差只
有0.17%
四、结论
(1)从电动轮驱动汽车在转向行驶、行驶于不平路面以及车轮半径不等时的差速试验结果及分析可以看出,对驱动电机按转矩指令控制而转速随动的方法进行控制,电动轮驱动汽车各车轮转速与相应的轮心速自动保持协调,可实现自适应差速,不会现车轮拖滑或滑转现象。本文提出的解决电动轮驱动汽车电子差速问题的控制策略得到验证。
(2)上述控制策略,与车速或车轮转速,与车轮位置是前轮还是后轮均没有关系,车轮转速由所受负载与驱动转矩的平衡点决定,因此所提出的电子差速控制策略只要在低速时得到验证,则在高速时也会保持同样的差速性能。
参考文献:
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