許虎　富曉乾　焦正揚(yáng)　郝興明

摘 要：本文是在“2019年第十屆全國大學(xué)生方程式大賽”的方程式車輛基礎(chǔ)上對(duì)輪轂電機(jī)應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，對(duì)輪轂電機(jī)的發(fā)展歷史，在運(yùn)載車輛的應(yīng)用可行性，電機(jī)對(duì)車輛的操控影響進(jìn)行了探究。在新能源汽車政策的大背景下，探索新的發(fā)展方向，推廣運(yùn)載新能源車輛在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中的廣泛運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式 輪轂電機(jī) 新能源汽車 運(yùn)載車輛

Computer Simulation Technology Applied to Study the Application of Distributed In-wheel Motors in Large Vehicles

Xu Hu，F(xiàn)u Xiaoqian，Jiao Zhengyang，Hao Xingming

Abstract：This article analyzes and researches the application of in-wheel motors based on the formula vehicles of the "10th National Formula Student Contest in 2019"， the development history of in-wheel motors， the feasibility of application in transportation vehicles， and the impact of the control of the motor to the vehicle. Under the general background of the new energy vehicle policy， the article explores new development directions and promotes the wide application of new energy vehicles in actual production activities.

Key words：Formula Student， in-wheel motor， new energy vehicle， transportation vehicle

1 引言

近幾年來隨著國家新能源政策的推行，電動(dòng)汽車技術(shù)迎來了快速的發(fā)展。電動(dòng)汽車受到社會(huì)和市場(chǎng)的青睞，主要得益于電機(jī)體積小效率高，可低轉(zhuǎn)速輸出全部扭矩等特點(diǎn)。不可置否，電動(dòng)汽車的推廣仍受到電池續(xù)航里程短，電控系統(tǒng)不完善等困擾。為此，我們決定從電控系統(tǒng)入手，借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合本專業(yè)所學(xué)知識(shí)，主動(dòng)深入實(shí)踐，通過車輛仿真軟件，解決電動(dòng)汽車在不同路況下，各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的扭矩分配問題。提高車輛的通過性。使得輪轂電機(jī)與運(yùn)載車輛有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮出電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

2 輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)理念

得益于先天結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，輪轂電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余度，每個(gè)車輪都是獨(dú)立的，某個(gè)車輪出現(xiàn)問題時(shí)，剩余車輪輪仍能驅(qū)動(dòng)車輛，保持一定的機(jī)動(dòng)性，提升車輛的可靠性。（2）提高車輛轉(zhuǎn)向性能。相比于機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，獨(dú)立的電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)使得線控轉(zhuǎn)向和全輪轉(zhuǎn)向變得更易實(shí)現(xiàn)，能有效減小車輛轉(zhuǎn)向半徑;一定條件下，利用電機(jī)的反轉(zhuǎn)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)類似履帶車輛的滑差轉(zhuǎn)向，甚至原地轉(zhuǎn)向。（3）提升車輛的模塊化、通用化設(shè)計(jì)水平。不同功能的車輛可以使用相同的底盤系統(tǒng)，其中的電動(dòng)輪具有通用性和互換性，能有效降低前期開發(fā)及后期維護(hù)成本。（4）提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。簡化了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置后，電機(jī)與車輪相連，縮短了動(dòng)力傳輸路徑。（5）集成電控系統(tǒng)，提升車輛控制性能。作為執(zhí)行器，電機(jī)響應(yīng)快速精確，能實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)的動(dòng)力學(xué)控制，而且冗余的執(zhí)行器豐富了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度，以挖掘更大的性能潛力。

3 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能分析

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變了車輛底盤結(jié)構(gòu)，帶來綜合性能提升潛力的同時(shí)，也給車輛操縱穩(wěn)定性帶來兩個(gè)主要的問題：

（1）改變了車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致車輛動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生了變化。簡化了傳動(dòng)裝置后，增加的動(dòng)力電池組、控制器單元等器件，使車輛質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)發(fā)生改變;電機(jī)增加了簧下質(zhì)量，輪轂電機(jī)及減速器集成部件會(huì)給每個(gè)車輪增加100～400公斤的重量。這些因素使得車輛操縱穩(wěn)定性發(fā)生了變化，需要進(jìn)行深入的理論分析。

（2）更多的執(zhí)行器給動(dòng)力學(xué)控制帶來了更多的自由度，需要對(duì)這些執(zhí)行器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，才能夠充分發(fā)掘潛力。首先，執(zhí)行器的數(shù)量發(fā)生了變化，傳統(tǒng)ESP的執(zhí)行器是機(jī)械制動(dòng)器，電動(dòng)輪的執(zhí)行器包括輪轂電機(jī)和制動(dòng)器，因此需要協(xié)調(diào)單一電動(dòng)輪內(nèi)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;其次，執(zhí)行器之間的關(guān)系發(fā)生了變化，傳統(tǒng)ESP一般是基于某種規(guī)則建立各制動(dòng)器之間的關(guān)系，而電動(dòng)輪之間是真正的獨(dú)立可控。

（3）借助vi-grade對(duì)于輪轂電機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)。

圖2為仿真軟件VI-grade的操作界面，可實(shí)現(xiàn)車輛各個(gè)參數(shù)的標(biāo)定，結(jié)合simulink聯(lián)合仿真。算出最優(yōu)解，使得設(shè)計(jì)更加合理。

引入仿真軟件VI-grade，在設(shè)計(jì)階段及結(jié)尾驗(yàn)證期間輔助項(xiàng)目進(jìn)行，節(jié)省時(shí)間使得設(shè)計(jì)更嚴(yán)謹(jǐn)。在CarRealTime版塊完成關(guān)于電機(jī)參數(shù)，懸架參數(shù)等的設(shè)定。確定車輛模型后，結(jié)合Simulink聯(lián)合仿真。使用stm32單片機(jī)作為整車控制板，控制各個(gè)輪轂電機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

（4）輪轂電機(jī)的電路控制原理及參數(shù)分析。

下面是控制小車每個(gè)車輪獨(dú)立運(yùn)行的部分pid控制代碼。

函數(shù)功能：按鍵修改小車運(yùn)行狀態(tài)

入口參數(shù)：無

返回? 值：無

**********************************/

void Key（void）

{

int tmp，tmp2，Position_Amplitude=390，Velocity_Amplitude=10;

static u8 mode=0;

tmp=click_N_Double（100）;

if（Menu_MODE==1）? //改變運(yùn)行位置

{

if（tmp==1）Target_Position+=Position_Amplitude;

if（tmp==2）Target_Position-=Position_Amplitude;

}

else? ? ? ? ? ? ?//改變運(yùn)行速度

{

if（tmp==1）Target_Velocity+=Velocity_Amplitude;

if（tmp==2）Target_Velocity-=Velocity_Amplitude;

}

if（Target_Velocity>70）Target_Velocity=70; //速度最大值限幅

if（Target_Velocity<0）Target_Velocity=0;? ?//速度最小值限幅

if（Menu_MODE==1）? mode=3;

else mode=2;

tmp2=Long_Press（）;? ? ? ? //長按用戶按鍵，選擇需要修改的參數(shù)

if（tmp2==1）

{

Menu_PID++;

if（Menu_PID>mode）? Menu_PID=1;

}

}

/**********************************

函數(shù)功能：異常關(guān)閉電機(jī)

入口參數(shù)：傾角和電壓

返回? 值：1：異常? 0：正常

**********************************/

4 結(jié)語

近幾年來隨著國家新能源政策的推行，電動(dòng)汽車技術(shù)迎來了快速的發(fā)展。電動(dòng)汽車受到社會(huì)和市場(chǎng)的青睞，主要得益于電機(jī)體積小效率高，可低轉(zhuǎn)速輸出全部扭矩等特點(diǎn)。不可置否，電動(dòng)汽車的推廣仍受到電池續(xù)航里程短，電控系統(tǒng)不完善等困擾。在各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的扭矩分配問題上仍然有很多需要去完善。使得輪轂電機(jī)與運(yùn)載車輛有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮出電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

基金項(xiàng)目：2020年山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目立項(xiàng)項(xiàng)目編號(hào)2020869。

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