文/郭瑞 李東艷

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染和能源問題日益突出，新能源汽車的設計、開發(fā)和使用引起了人們的關注。隨著控制科學和電子集成技術的發(fā)展，各種控制技術的交叉結(jié)合在工程車輛的研究中成為一種發(fā)展趨勢。工程車輛產(chǎn)品中，傳統(tǒng)的汽車其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多采用機械裝置和液壓裝置相結(jié)合的方法來控制執(zhí)行機構或者轉(zhuǎn)向離合器實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種轉(zhuǎn)向裝置機械部件安裝復雜、成本高，并且轉(zhuǎn)向機構易磨損、操控平穩(wěn)性能低、轉(zhuǎn)彎半徑大，工作效率低。

1 系統(tǒng)組成

由于工程車輛本身的工作特性，其前輪主要是起到引導汽車前進方向的引導輪，所以，電驅(qū)動汽車采用后驅(qū)式雙電機獨立驅(qū)動車輛的行走和轉(zhuǎn)向。當雙電機后輪驅(qū)動車在轉(zhuǎn)向時，驅(qū)動電機的差速問題是其關鍵技術，并且兩側(cè)由電機獨立驅(qū)動。所謂電子差動是指電子控制單元使用軟件調(diào)節(jié)每個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，使得每個驅(qū)動電機的驅(qū)動速度滿足轉(zhuǎn)彎時的約束關系，使汽車兩側(cè)驅(qū)動電機以不同速度轉(zhuǎn)動。

車輛差速轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)組成如圖1所示。集成的電子差速控制器基于電控操作裝置、制動踏板和轉(zhuǎn)速傳感器的信號。計算速度差，然后分配速度大小，通過CAN總線將速度信號發(fā)送到兩個電動機控制器，并控制兩個電動機的速度，實現(xiàn)車輛差速轉(zhuǎn)向。

2 差速轉(zhuǎn)向電子控制原理

傳統(tǒng)車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電子轉(zhuǎn)向助力器或液壓轉(zhuǎn)向助力器改變前面兩輪前進角度，前驅(qū)的車輛直接對驅(qū)動輪進行差速，后面兩輪獨立運動，受外力作用自調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保證前軸線和后軸線交于一點；而后驅(qū)車輛的后軸裝有差速器，受到前面兩輪前進角度改變，后兩輪受力不一樣，導致后兩輪轉(zhuǎn)速經(jīng)過差速器調(diào)節(jié)后不一樣，前軸軸線和后后軸軸線交于一點。兩種方式實現(xiàn)傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)向。傳統(tǒng)方式車輛的輪胎對地面的損傷很大，轉(zhuǎn)向操作性不好。

當工程車輛在轉(zhuǎn)彎時，電子差動控制器根據(jù)操作電子控制裝置發(fā)送的轉(zhuǎn)向信號計算相應的期望轉(zhuǎn)向值，同時，根據(jù)預期值計算兩側(cè)電動機的所需角速度，然后將轉(zhuǎn)速請求發(fā)送到兩側(cè)的電動機控制器，從而實現(xiàn)兩側(cè)電動機輸出所需的角速度，實現(xiàn)電子差速轉(zhuǎn)向。因為兩側(cè)輪胎的角速度由兩側(cè)電機控制，因此，電子差速轉(zhuǎn)向最終通過電機驅(qū)動的速度控制來實現(xiàn)。電子差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過控制兩側(cè)電機兩側(cè)的速度來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)車輛的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要包括車輛差速控制和電機速度控制。

電驅(qū)動汽車為了達到在各種復雜工況條件下轉(zhuǎn)向時左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩按需分配，即差速又差扭矩的目的，其差動轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)通過控制兩個獨立的電機控制器來驅(qū)動兩個獨立的輪邊電機。兩側(cè)輪邊電機分別帶動兩側(cè)輪胎獨立轉(zhuǎn)動，控制器利用編輯和標定的程序函數(shù)合理的請求兩側(cè)驅(qū)動電機速度，減少了機械傳動部件，并使其具有高傳動效率，并且結(jié)構靈活，易于實現(xiàn)行車、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子化和自動化等特點。

差速控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法是采集駕駛員轉(zhuǎn)向意圖信號和當前車速等信號，經(jīng)過濾波計算等，轉(zhuǎn)換為兩側(cè)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速請求信號，分別發(fā)送給兩側(cè)的電機控制器。兩側(cè)電機控制器采用速度閉環(huán)調(diào)節(jié)電流輸出，從而調(diào)節(jié)兩側(cè)驅(qū)動電機的速度變化，實現(xiàn)驅(qū)動輪的差速。電驅(qū)動汽車的車體為剛性車體，差速轉(zhuǎn)向控制時需考慮驅(qū)動輪的滑移、滑轉(zhuǎn)，涉及到電子差速部分的基本控制包括以下幾部分：即轉(zhuǎn)向信號的觸發(fā)控制、用于計算雙側(cè)轉(zhuǎn)角的后側(cè)電動機轉(zhuǎn)向控制算法部分、電子差動控制算法和電動機轉(zhuǎn)速控制程序。

首先，駕駛員操作以激活電子控制裝置的轉(zhuǎn)向功能，并且轉(zhuǎn)向電子控制器根據(jù)該信號，判斷出駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖信號和車速，在當前車速下，計算出兩側(cè)電機的期望轉(zhuǎn)速，然后，電子差動控制算法根據(jù)驅(qū)動輪的相應轉(zhuǎn)速信息和當前車速信息計算兩側(cè)驅(qū)動輪的期望速度。最后，電機控制器通過程序文件使用Vleft和Vright作為速度期望變量值，來實時控制電機。

圖1：車輛差速轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)組成圖

圖2：差動轉(zhuǎn)向控制流程圖

電機控制器的輸出接口可輸出開關量，模擬量和PWM波形等信號，適合于交流感應電機，無刷直流電機等設備的控制。因此，它可以用于獨立驅(qū)動電機的汽車控制系統(tǒng)。在控制的整體方案設計中，根據(jù)控制系統(tǒng)的特性，直流永磁電機的正反旋轉(zhuǎn)可以由兩個電平信號控制。PWM 信號控制直流永磁電機的速度，控制系統(tǒng)中對應模塊來實現(xiàn)左右輪驅(qū)動電機的獨立控制是完全可以的。在控制系統(tǒng)的輸入量中，采集的開關量和模擬量信號由A/D 模塊轉(zhuǎn)化為便于運作算的數(shù)字信號。包括電控裝置轉(zhuǎn)向信號，左右驅(qū)動電機角度反饋信號，左右驅(qū)動電機速度反饋信號，制動踏板信號轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量被提供給驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)向角控制模塊和電子差動控制器以進行處理。此外，在驅(qū)動控制系統(tǒng)中加入對電機運行整個過程中的故障信號檢測模塊，防止由于過壓過流等故障而燒壞電機。

3 具體實施方式

駕駛員通過操作轉(zhuǎn)向裝置發(fā)送指令，控制器通過采集操作轉(zhuǎn)向相應的開關量和模擬量輸入及車速傳感器的車速信號（電機的轉(zhuǎn)速信號），將其進行數(shù)據(jù)相應濾波、計算等，轉(zhuǎn)換為請求轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換為符合CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。電機控制器的CAN收發(fā)器對接收到的CAN數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，發(fā)給電機控制器。電機控制器根據(jù)請求轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過程序文件傳遞函數(shù)，轉(zhuǎn)為為電流數(shù)據(jù)，驅(qū)動ΙGBT,調(diào)節(jié)電機實際電流大小，同時采集轉(zhuǎn)速信號，增益后再用于調(diào)節(jié)電流大小，從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。

工程車輛差動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)內(nèi)部控制流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行初始化程序。在芯片內(nèi)部設置一些寄存器，然后在系統(tǒng)上執(zhí)行校準自檢。如果發(fā)現(xiàn)故障判定類型和等級，該工作允許繼續(xù)工作后，然后進入中斷等待循環(huán)，檢測輸入量值的閾值。當控制器采集到電控裝置發(fā)送的轉(zhuǎn)向信號超過設定閾值或濾波周期后，確定為駕駛員意圖轉(zhuǎn)向；與此同時讀取存儲在存儲器中的每個傳感器信號值，并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)向子程序以確定轉(zhuǎn)向模式，并將點開轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)角值輸入給到差速轉(zhuǎn)向子程序或函數(shù)，差速轉(zhuǎn)向子程序或函數(shù)運算結(jié)果為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)角和目標轉(zhuǎn)速。計算左右驅(qū)動電機的速度，發(fā)給電機控制器，控制與電機速度對應的端口輸出，并改變ΙGBT的PWM占空比，以改變兩側(cè)驅(qū)動電機的電流。實現(xiàn)目標的差速轉(zhuǎn)向，差速轉(zhuǎn)向完成后，此時當轉(zhuǎn)向動作完成后，電子控制系統(tǒng)輸入模塊繼續(xù)檢測電控裝置的信號，當控制系統(tǒng)接收到裝置回位信號后，此時電機控制器PWM輸出回到非轉(zhuǎn)向狀態(tài)，系統(tǒng)默認此次轉(zhuǎn)向動作完成，控制程序返回中斷，并重新檢測電控裝置的轉(zhuǎn)向信號。

4 結(jié)語

本文研究的工程車輛采用差動轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向性能好，可實現(xiàn)工程車輛的柔性轉(zhuǎn)向。電機驅(qū)動為無級變速的，轉(zhuǎn)向靈活和響應迅速，減少了對輪胎的磨損，同時，還可以進行制動動能的能量回饋。驅(qū)動電機以低速和高扭矩運行，整機的智能和操作的人性化將更高。