两轮毂电动机小车电子差速系统研究
陈玉，李声晋，卢 刚，陈秀霞
(两北工大学，陕西西安710072)
摘要：通过对电机驱动理论及传统电子差速方法进行分析，对无线跟随小车提出了基于两轮毂电动机驱动的电子差速系统设计并给出了控制器总体设计思路。建立小车电子差速转向模型，计算电差速过程中随着转向角度变化内外车轮的转速，同时对小车匀速前进、加减速运行等状态下的电子差速模式进行分析，确定具体运行状态下的控制策略。对两台55 w的四对极电机进行了仿真分析和空载实验。实验结果表明，小车控制器设计合理，电子差速模型正确，控制策略可行。
关键词：电子差速；无刷直流轮毂电动机；控制策略
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)05-0022-03
0引 言
电子差速(以下简称ED)是一种完全用电控方式控制各个车轮的转速，使车轮以不同速度转动，以达到转向的目的，同时保证车轮不发生滑动或者滑移，作纯滚动运行的技术。在无线跟随小车的转向系统中采用电子差速控制系统，取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，接收转向控制指令后，使用电子线路控制内外车轮之间的速度差，实现转向。对于电机驱动控制系统，目前经常采用驱动电机与减速器相连再带动车轮的方式，车轮速度的计算必须通过对一系列减速器的减速比计算，才能得到和电机转速之间的关系。这种复杂的计算方法对于无线跟随小车丧失了电子控制的实时性，如果电机转速和车轮转速能够保持实时一致，电子差速的功能就可以得到****的体现。为了提高小车跟随的灵活性和运行效率，同时基于能量传递效率和车体空间限制等考虑，本文采用两轮毂电动机驱动方式，电动机安装在车轮的轮毂内，输出转矩直接传输到车轮，舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥、差速器等机械部件，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗[1-2]。直接使用轮毂电动机提供转向动力，同样功率要求时，驱动功率可以由多个电动机提供，降低了单个驱动电动机的功率，进而降低对功率器件的要求；可以对各个驱动电机进行单独控制，有利于提高小车的操纵性和稳定性。
本文在已经设计完成的无线跟随小车样车基础上研究电子差速问题，设计了电机驱动和电子差速控制器。采用基于DSP控制的轮式驱动控制系统，根据车载传感器所采集的信息，由控制CPU做出判断，分别对左右轮毂电动机进行差速控制，控制系统各分支机构通过CAN总线进行通信。
1电子差速模型分析
无线跟随小车使用两个后轮作为驱动系统的动力源，前轮为控制方向的随动轮。样车如图1所示。
1.1转向原理
电子差速转向系统取消了机械差速器和减速装置，通过电子线路调整电机转速，从而改变车轮转速实现差速转向。需要转向时，转向的内侧车轮转速小于外侧车轮转速，相同时间内，内侧车轮驶过的距离比外侧车轮驶过的距离小，车体必然向内侧偏转，从而实现转向。
小车转向过程如下：控制器接收传感器的模拟量输入(转向指令)，计算转向时相应的两个车轮的转速，令内外侧车轮产生速度差，实现转向。
1．2转向模型
参考Acke an—Jeant模型[3]建立小车的转向模型如图2所示。其中，E为车身长；
W为车身宽；R为小车转向半径；δ为转向角度。
为了研究小车转向时的车速、转向角与每一个车轮速度之间的关系，我们作如下假设，以忽略地面、轮胎差异等因素对车轮速度的影响：
(1)车体刚性；
(2)车轮纯滚动，即不考虑发生滑移、滑转和轮胎离开地面的运行状态；
(3)轮胎侧向变形与侧向力成正比，即不考虑轮胎材质与结构的非线性以及因垂直载荷不同造成的轮胎侧向弹性系数的变化。
在上述假设条件下，当小车需按δ角进行转向时，令V为当前小车运转速度，Rin为内轮转向半径，Rout为外轮转向半径，根据小车转向模型有：
2 电子差速实现方式
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