劉 桓

(蘭州文理學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院,蘭州 730030)

0 引 言

民用大噸位多軸載貨汽車或特殊用途車輛、軍用多軸輪式裝甲車輛發(fā)展迅速,研究多軸車輛轉(zhuǎn)向非常迫切[1-2]。國內(nèi)外很多重型汽車、特種汽車制造廠商紛紛采用多輪轉(zhuǎn)向提高多軸車輛轉(zhuǎn)向性能[1-3]。

軌跡轉(zhuǎn)向是輪式車輛傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向模式,具有結(jié)構(gòu)工藝性好,易加工制造等優(yōu)點(diǎn)。隨著車軸數(shù)目增多,車輛轉(zhuǎn)向控制越來越復(fù)雜[4-5]。速差轉(zhuǎn)向常用于履帶車輛,是輪式車輛領(lǐng)域快速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。采用速差轉(zhuǎn)向能夠?qū)崿F(xiàn)車輛原地轉(zhuǎn)向與零半徑轉(zhuǎn)向,提高車輛機(jī)動(dòng)性[6-7]。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛若采用軌跡轉(zhuǎn)向方式,其轉(zhuǎn)向桿系布置復(fù)雜,占用空間大;若采用速差轉(zhuǎn)向方式,忽略輪式車輛與履帶車輛差異,輪式車輛特點(diǎn)得不到充分利用。因此,本文綜合考慮輪式車輛特點(diǎn)和特種車輛轉(zhuǎn)向需求,著重考慮了基于軌跡轉(zhuǎn)向和速差轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方案。

1 車輛總體結(jié)構(gòu)及電傳動(dòng)方案

圖1為8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖。動(dòng)力電池組為電源,輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在車輪內(nèi)部獨(dú)立驅(qū)動(dòng)各輪。

圖1 8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖

整車控制結(jié)構(gòu)主要由中央控制器、電機(jī)控制器和CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)等部分組成。中央控制器是整車的大腦,是上層控制器,根據(jù)駕駛員操作信號(hào),綜合車速等傳感器信號(hào),執(zhí)行控制策略,實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)調(diào)控制。電機(jī)控制器是下層控制器,主要功能是根據(jù)中央控制器指令參數(shù),執(zhí)行電機(jī)控制算法,實(shí)時(shí)控制輪轂電機(jī)運(yùn)行,同時(shí)將電機(jī)信息反饋給中央控制器。CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上、下層控制器之間信息通訊,是連接上、下層控制器的紐帶。

2 8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛轉(zhuǎn)向方案

2.1 軌跡轉(zhuǎn)向

軌跡轉(zhuǎn)向指采用獨(dú)立于傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改變導(dǎo)向輪角度,進(jìn)而改變車輛行駛方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向。由于導(dǎo)向輪可無級(jí)改變方向,因此車輛轉(zhuǎn)向半徑能夠無級(jí)變化,且與車輛行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)是否無級(jí)變速無關(guān)。圖2為軌跡轉(zhuǎn)向原理,O為轉(zhuǎn)向中心。

圖2 軌跡轉(zhuǎn)向原理

2.2 速差轉(zhuǎn)向

速差轉(zhuǎn)向指采用主動(dòng)改變內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速形成兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用速差轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向半徑難以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變化。圖3為速差轉(zhuǎn)向原理,O為轉(zhuǎn)向中心,vin為內(nèi)側(cè)車輪速度,vout為外側(cè)車輪速度。

圖3 速差轉(zhuǎn)向原理

2.3 基于軌跡轉(zhuǎn)向和速差轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方案

基于軌跡轉(zhuǎn)向和速差轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方案是指在一般工況下采用雙前橋轉(zhuǎn)向方式,在特殊工況(零半徑轉(zhuǎn)向)下采用速差轉(zhuǎn)向方式。

雙前橋轉(zhuǎn)向是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上增加一個(gè)轉(zhuǎn)向前橋,采用搖臂機(jī)構(gòu)連接兩轉(zhuǎn)向橋, 實(shí)現(xiàn)各轉(zhuǎn)向輪協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向。雙前橋轉(zhuǎn)向是汽車多軸轉(zhuǎn)向中較成熟的一種,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,轉(zhuǎn)向可靠迅速, 廣泛應(yīng)用于重型載貨汽車、多軸拖車、多軸掛車以及軍用車輛等[8-9]。

假設(shè)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車速較低且勻速行駛,采用Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行分析。為簡化模型,認(rèn)為車體是剛性的;不考慮輪胎滑移和滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),車輪只做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng);不考慮輪胎材質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的非線性,輪胎側(cè)向變形和側(cè)向力成正比;瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心位于雙后橋中心線上。圖4為雙前橋轉(zhuǎn)向原理,O為轉(zhuǎn)向中心,C為車輛質(zhì)心。圖4中,B為輪距;L1為第一前軸與轉(zhuǎn)向中心距離;L2為第二后軸與轉(zhuǎn)向中心距離;L3為質(zhì)心與轉(zhuǎn)向中心距離;v為車輛行駛速度;v1～v8分別為各個(gè)車輪縱向平移速度;R為車輛轉(zhuǎn)彎半徑;R1～R8為各個(gè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑;δ為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

圖4 雙前橋轉(zhuǎn)向原理

3 電子差速控制器設(shè)計(jì)

電子差速控制器將加速踏板信號(hào)解析為期望車速值,再根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)等解析為各個(gè)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)期望轉(zhuǎn)速值,然后經(jīng)電機(jī)控制器得到各個(gè)輪轂電機(jī)期望轉(zhuǎn)矩值,完成驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配。電子差速控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 電子差速控制結(jié)構(gòu)框圖

3.1 駕駛員操作命令解析

加速踏板信號(hào)解析函數(shù):

(1)

式中:vmax為車輛最高行駛速度值;α為加速踏板行程;α0為加速踏板最小有效行程;αmax為加速踏板最大有效行程。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)解析函數(shù):

(2)

式中:δ′為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào);δ0為最小轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;δmax為最大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。其中δ的符號(hào)代表轉(zhuǎn)向,正號(hào)代表右轉(zhuǎn),負(fù)號(hào)代表左轉(zhuǎn)。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分配

3.2.1 直線行駛工況

車輛直線行駛時(shí),根據(jù)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輛車速之間的換算關(guān)系,得到兩側(cè)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速期望值,電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

設(shè)某一時(shí)刻期望車速值為v,則左右側(cè)各輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定:

(3)

3.2.2 轉(zhuǎn)向行駛工況

一般工況車輛采用雙前橋轉(zhuǎn)向方式,由速度瞬心定理各個(gè)車輪行駛速度應(yīng)滿足:

(4)

由阿克曼轉(zhuǎn)向模型可得:

(5)

將式(5)代入式(4)可得:

(6)

則左右側(cè)各輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定:

(7)

特殊工況(零半徑轉(zhuǎn)向)車輛采用速差轉(zhuǎn)向方式,其轉(zhuǎn)向原理與履帶車輛轉(zhuǎn)向原理一樣。本文只考慮零半徑轉(zhuǎn)向,設(shè)置零半徑轉(zhuǎn)向檔位。該檔位時(shí)加速踏板信號(hào)依然解析為期望車速值,而轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)只決定兩側(cè)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速期望值的正負(fù),即兩側(cè)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)期望轉(zhuǎn)速值大小相等,方向相反。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角解析算法:

(8)

兩側(cè)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)期望轉(zhuǎn)速值:

(9)

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真過程中,假設(shè)8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛向左轉(zhuǎn)向行駛,則驅(qū)動(dòng)輪1、驅(qū)動(dòng)輪3、驅(qū)動(dòng)輪5、驅(qū)動(dòng)輪7為內(nèi)輪,驅(qū)動(dòng)輪2、驅(qū)動(dòng)輪4、驅(qū)動(dòng)輪6、驅(qū)動(dòng)輪8為外輪。由于各輪之間具有相似性,為簡化仿真波形,故本文只給出以驅(qū)動(dòng)輪1、驅(qū)動(dòng)輪2為例的仿真結(jié)果,其他驅(qū)動(dòng)輪的仿真結(jié)果不再贅述。ω2與ω1轉(zhuǎn)速差隨轉(zhuǎn)向角和車速變化曲線如圖6所示。車輛轉(zhuǎn)向行駛后,內(nèi)輪轉(zhuǎn)速先減小后增大,外輪轉(zhuǎn)速逐漸增大,且轉(zhuǎn)速的變化隨著轉(zhuǎn)向角的增加而變大。外輪轉(zhuǎn)速之差隨轉(zhuǎn)向角的增加而增加,且轉(zhuǎn)向角越大,轉(zhuǎn)速的增加量越大。

圖6 ω2與ω1轉(zhuǎn)速差隨轉(zhuǎn)向角和車速變化曲線

8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括直流電源、永磁無刷直流電機(jī)、測功機(jī)系統(tǒng)總成、中央控制器、電機(jī)控制器等。中央控制器以TMS320F28335芯片為控制核心,輔以CAN總線通訊接口等外圍電路。永磁無刷直流電機(jī)參數(shù):額定電壓DC96 V,額定功率3 kW,額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min,相電阻0.3 Ω,相電感0.85 mH,極對數(shù)23對。圖7為8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。

圖7 8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

以驅(qū)動(dòng)輪1、驅(qū)動(dòng)輪2為例,考察不同轉(zhuǎn)向下電子差速控制結(jié)果。圖8(a)、圖8(b)為同一轉(zhuǎn)速下不同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速波形,圖8(c)為零半徑轉(zhuǎn)向下驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速波形?？梢?各驅(qū)動(dòng)輪根據(jù)差速策略分配轉(zhuǎn)速。

圖8 不同轉(zhuǎn)向情況各驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速波形

5 結(jié) 語

8×8輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特種車輛既有輪式車輛特點(diǎn),又需滿足特種車輛轉(zhuǎn)向要求,本文著重考慮了基于軌跡轉(zhuǎn)向和速差轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方案。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各驅(qū)動(dòng)輪可根據(jù)駕駛員意圖實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速分配,滿足車輛行駛要求,為下一步樣車試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。