用于电动轮驱动汽车的差动助力转向

第39卷　第1期吉林大学学报(工学版)　Vol.39　No.1 2009年1月Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)　J an.2009用于电动轮驱动汽车的差动助力转向

王庆年1，王军年1，靳立强1，胡长健1，张向忠2

(1.吉林大学汽车工程学院，长春130022;2.装甲兵技术学院基础部，长春130117)

摘　要：根据电动轮汽车的各轮独立驱动特点，提出一种针对电动轮汽车的新型助力转向方式。着重讨论了差动助力转向的基本原理和可行性。应用Matlab及Simulink建立了整车和转向系模型，给出了目标扭矩分配的特性曲线及左右转向轮的扭矩输出的控制算法，并进行了仿真验证。结果表明：对于电动轮驱动汽车，所提出的差动助力转向方法满足了转向轻便和驾驶路感要求，可以在保留传统机械转向系的前提下，成功应用于四轮独立驱动的电动汽车，提高电动轮汽车整车性能优势并降低成本。

关键词：车辆工程；电动汽车；差动助力转向；仿真分析；电动轮；差动扭矩

中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:167125497(2009)0120001206

Differential assisted steering applied on electric vehicle

with electric motored wheels

WAN G Qing2nian1,WAN G J un2nian1,J IN Li2qiang1,HU Chang2jian1,ZHAN G Xiang2zhong2 (1.College of A utomotive Engineering,J ilin Universit y,Changchun130022,China;2.De partment of Fundamental Courses,I nsitute of A rmed V ehicle Technology,Changchun130117,China)

Abstract:A novel power assisted steering system was p ropo sed for t he elect ric vehicle(EV)wit h electric motored wheels which feat ures t he independent driving of individual wheel.Wit h focus on t he differential assisted steering(DAS)system,it s working p rinciples were int roduced and it s feasibility was discussed.A dynamics model for t he vehicle including t he steering system was built based on Matlab/Simulink.The characteristic curve of t he target torque dist ribution and t he cont rol algorit hm for t he torque outp ut of left and right steering wheels were p resented and simulated.The result s show t hat t he propo sed DAS system meet s t he demands of t he EV wit h elect ric motored wheels on t he steering maneuverability and t he road feel during driving.So,it may be applied on t he42wheel independent motored EV on condition t hat t he t raditional mechanical st ruct ure of t he steering system is maintained.The proposed DAS system enhances t he performance of t he whole EV wit h motored wheels and is characterized by reduced cost and complexity.

K ey w ords:vehicle engineering;elect ric vehicles(EV);differential assisted steering;simulation analysis;elect ric2motored wheel;differential torque

收稿日期:2008201205.

基金项目:“863”国家高技术研究发展计划项目(2006AA11A129)；吉林大学“985工程”研究生创新基金项目(20080213).

作者简介：王庆年(19522)，男，教授，博士生导师.研究方向：混合动力汽车驱动理论与关键技术.

E2mail:wqn@jlu.edu.

通信作者：王军年(19812)，男，博士研究生.研究方向：电动汽车四轮独立驱动技术.E2mail:anian8169@163

吉林大学学报(工学版)第39卷

对于四轮独立电动轮驱动汽车，由于左右转向轮是由独立的轮式电机驱动，故每个车轮的驱动力可以单独控制，又由于主销横向偏距的存在，使轮胎印迹上的纵向力产生绕主销的力矩。传统车的左右转向轮是通过机械式转向梯形相连接的，一般良好路面上左右转向轮驱动力产生的绕主销的力矩大小大体相等，方向相反，故而相互抵消。而电动轮驱动汽车由于各轮扭矩独立可控，转弯时左右转向轮的驱动力可以不相等，那么驱动力对主销轴线的力矩将不再互相抵消，也就是说驱动转向力矩不再为零，由于两转向轮是通过转向梯形相连接的，驱动转向力矩将会驱动两转向轮转向，因此对电动轮驱

动的汽车，理论上按照一定规律时时控制左右转向轮的输出扭矩，将可以利用产生的驱动转向力矩实现助力转向的作用。作者在理论上分析了差动助力转向的助力原理，通过建模仿真验证了该理论的可行性，并借鉴电动助力转向助力特性及控制策略给出差动助力转向的扭矩分配特性曲线及控制算法，从而完善对差动助力转向理论可行性及特性分析的论证过程，为后续的助力控制器的开发及实车试验等打下基础。

1　差动助力转向基本原理

1.1　系统结构

图1为电动轮汽车差动助力转向结构及原理简图。它只是在传统无助力机械式转向系统的基

础上，在转向轴上安装了扭矩转角传感器。可以说，其结构与传统机械转向系统几乎无差别

。

图1　差动助力转向系统结构及原理图

Fig.1　Schem atic diagram and conf iguration

of DAS system

助力控制器通过扭矩转角传感器获取方向盘输入扭矩及方向盘转角进行助力控制，并通过仪表板车速表获取车速信息对助力大小及方向进行修正，以改善驾驶员在不同车速转向时的路感。轮式电机的扭矩转速传感信号通过CAN 总线送入ECU 。据此,ECU 完成了对两个电动轮输出扭矩差的闭环控制[1]。1.2　助力原理

为便于叙述，将左右转向轮的驱动力绕各自主销轴线力矩的差值定义为驱动转向力矩。对于传统汽车，由于左右转向轮上的纵向力通常大致相等，故驱动转向力矩近似为零。在研究转向特性时一般将该力矩忽略[2]。

而对于电动轮驱动汽车，由于每个车轮的驱动力可以单独控制，故而左右转向轮的驱动力可以不相等，即驱动转向力矩不再为零，由于两转向轮是通过转向梯形相连接的，驱动转向力矩将会驱动两转向轮转向。因此对电动轮驱动的汽车在转向运动时，通过控制器控制左右转向轮的驱动转向力矩的分配，将可以利用驱动转向力矩产生的转向的作用提供助力，从而解决转向轻便性问题。

如图1所示，设转向轮的主销偏移距为r σ，则左右转向轮驱动力绕主销轴线的力矩分别为

T st1=F t1・r σ(1)T st3=F t3・r

σ(2)则产生的驱动转向力矩为

T st =T st1-T st3=(F t1-F t3)・r σ

(3)

设左右车轮的驱动转矩分别为T 1、T 3，则在纵向滑移率线形范围内，驱动转向力矩与左右车轮驱动转矩的关系为

T st =(T 1-T 3)・r σr w =ΔT ・

r σr w

(4)

式中:ΔT 为左右转向轮的驱动转矩之差，是控制器的控制对象;r w 为车轮滚动半径。

2　差动助力转向助力特性的确定

汽车转向系一直存在着转向“轻”与“灵”的矛盾。为此常将转向器设计成变传动比，在转向盘

小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻”为主。然而由于力传动比不能随车速变化，所以

这种方法不能从根本上解决这一矛盾。另外，转向“轻便性”与“路感”也是一对矛盾。转向轻便意味着驾驶员在驾驶汽车，停车泊位和低速转向时

・

2・

第1期王庆年，等：用于电动轮驱动汽车的差动助力转向

可以减少体力消耗，然而过分追求转向轻便，自然

会丧失“路感”，因为只有“路感”清晰，驾驶员才会

感到“心中有数”[223]，从而减少高速行驶时的误

操作，提高行车安全性。

同电动助力转向系统一样，差动助力转向提

供的助力大小由于可以实时调节与控制，因此可

以很好地解决上述矛盾。由此产生的助力规律

为:|ΔΤ|随|T SW|的增大而增大(见图2(a)),

|ΔT|随v的增大而减小(见图2(b))，各符号含

义见图1。最终的助力特性曲线如图2(c)所示

。

图2　驱动转向助力特性

Fig.2　Assisted ch aracteristic of DAS

如图2所示，参考电动助力转向特性曲线的制定，对图中几个特征点说明如下[1]:

(1)为避免中间位置转向过于灵敏，对于轿车，开始助力时的转向盘输入转矩|T SW0|=1N・m。

(2)受驾驶员极限体力限制，达到最大助力扭矩时的转向盘输入转矩|T SW max|=7N・m。

欧拉好猫电动汽车(3)提供最大助力的左右轮扭矩分配差|ΔT|应由原地转向时的最大阻力矩通过下式求得

T PK=f

G3f

|ΔT|max・rσ

r w =T PK-T SW・i

(5)

式中:f为轮胎与路面间的滑动摩擦因数，这里取0.8;G f为转向轴负荷,N;p为轮胎气压,Pa;i为转向系统的传动比。

(4)助力特性曲线选择较为优越的二次曲线型助力曲线。确定几组典型车速下的助力特性曲线后，其余车速则通过线性插值获取。

3　差动助力转向系统模型的建立差动助力转向系统模型由机械转向系模型、电机模型和控制器模型组成。

3.1　机械转向系模型及电机模型

3.1.1　转向系动力学微分方程

如图1所示，对真实转向系进行简化后，建立了3自由度转向系模型[425]，其动力学微分方程为

J Cδ・・SW+B Cδ・SW+K CδSW-

Y R

r P

=T SW(6) M R Y・・R+B R Y・R+ηF

K C

r P

Y R

r P

-δSW+

C F R+ηB

T K L1

N L1

T K L3

N L3

=0(7) J FW1δ・・FW1+B FW1δ・FW1+C F FW1+A T1=T K L1

(8)

J FW3δ・・FW3+B FW3δ・FW3+C F FW3+A T3=T K L3

(9)

T K L1=K SL1

Y R

N L1

δFW1(10)

T K L3=K SL3

Y R

N L3

-δFW3(11)

T SC=K CδSW-

Y R

r P

(12)式中:J C为转向盘、转向柱等效转动惯量;B C为转向柱阻尼;K C为转矩传感器扭转刚度;δSW为转向盘转角;T SW为转向盘输入转矩;T SC为传感器检测得到的转向盘转矩;M R为齿条质量;B R为齿条阻尼;Y R为齿条位移;r P为小齿轮半径;ηF、

B分别为转向器正、逆向传动效率;C F R为转向器干摩擦力矩;T K L1、T K L3分别为左、右转向轮主销传递的力矩;K SL1、K SL3分别为左、右转向轮主销的扭转刚度;N L1、N L3分别为转向器左、右转向轮传动比;J FW1、J FW3分别为左、右转向轮绕其主销的转动惯量;B FW1、B FW3分别为左、右转向轮主销黏性阻尼;δFW1、δFW3分别为左、右转向轮转角;

C F FW1、C F FW3分别为左、右转向轮绕主销干摩擦力矩;A T1、A T3分别为左、右转向轮绕主销的回正力矩。

3.1.2　回正力矩及摩擦阻力矩计算

前轮绕主销的回正力矩是由轮胎与地面之间的侧向力、纵向力、轮胎回正力矩及前轴重力产生

・

吉林大学学报(工学版)第39卷

的。其中侧向力、纵向力及轮胎回正力矩依据M F 2Tyre 模型计算得到；各项回正力矩计算如

下:

轮胎侧向力产生的回正力矩

M sy =F s ・r w sin τco s

σ(13)轮胎纵向力产生的回正力矩

M sx =F t ・r σcos τco s σ(14)轮胎自身回正力矩在绕主销方向的分量M zz =M z ・cos τco s

σ(15)

前轴重力引起的绕主销的回正力矩

M sz =F z ・co s τsin σsin δFW cos

σ(r σ+r w tan σ)

(16)

式中:F s 为轮胎侧向力;F t 为轮胎纵向力;F z 为轮胎垂直载荷;M z 为轮胎自身回正力矩;τ为主销后倾角;σ为主销内倾角;δFW 为转向轮转角。

干摩擦力矩包括转向器干摩擦力矩及转向主销干摩擦力矩。转向器干摩擦力矩较小，通常在1N ・m 左右；转向主销干摩擦力矩表示如下[2]

C F FW

=(V P ・sign (δ・

FW )-C F ′FW )×

(1-e -|δFW -δ′FW |/V D )+C F ′FW

(17)

式中:C F ′FW 为干摩擦力矩上一步长计算值;V P 、V D 为前轴左右轮绕其主销干摩擦力矩的幅值和变化系数;δ′FW 为前轮转角的上一步长计算值。3.1.3　电机模型

永磁同步电机广泛地应用于电驱动车轮，由于其扭矩闭环控制较电流闭环控制响应迅速，因此，电机的动力学响应可以简化为一个二阶系统,

用传递函数的形式表达为:1

2ζ2s 2+2ζs +1

。

3.2　控制器模型

差动助力转向助力控制采用的扭矩分配控制策略如图3所示。

图3　差动助力转向控制策略

Fig.3　B lock diagram of control strategy of DAS system

转向时，助力控制器接受来自仪表和扭矩转

角传感器的车速信号v 、转向盘转矩信号T SC ，控制器依据制定好的助力特性图线性插值出对应于T SC 和v 的左右转向轮目标驱动扭矩差ΔT zl ，最后通过轮边非接触式扭矩传感器将检测到的左右两轮驱动扭矩取差后送入永磁同步电机动态误差主动补偿PID 控制器，得到最终的两轮驱动扭矩差值，再经扭矩分配单元判断转向盘方向来决定哪个轮增大扭矩，哪个轮减小扭矩；最终将分配好的扭矩送入两个电机。为了提高快速响应性，需将转矩转角传感器测得的转向盘输入转矩进行相位超前处理，采用相位超前模块传递函数为[1]

G c (s )=9Ts +1

Ts +1

，其中1<9<15

相位超前角由9决定。

当转向盘回正时，回正控制模块依据来自传感器的转向盘转角信号δSC 与0的差值，经积分分离式PID 控制计算出对应的回正助力矩，以克服转向系统中的摩擦阻力，实现快速回正并防止回正摆头造成的车身姿态的不稳定[6]。

4　仿真验证

4.1　仿真参数

建立的17自由度整车模型由于参数较多，这里只给出整车基本参数及转向系统参数，如表1和表2所示。4.2　转向轻便性及路感分析

为验证差动助力转向的可行性及助力效果，分别进行了不同车速下、有差动助力转向与无差动助力转向情况下的仿真验证。

表1　整车基本参数

T able 1　P arameters of whole vehicle

整车质量

M t /kg 1483整车绕Z 轴的转动惯量I zz /(kg ・m 2)1810整车绕X 轴的转动惯量I xx /(kg ・m 2)347整车绕Y 轴的转动惯量I yy /(kg ・m 2)1676车轮转动惯量I w /(kg ・m 2) 1.85轮式电机转动惯量I d /(kg ・m 2)

0.12轮距

B /m 1.438前轴到质心的距离L f /m 1.225后轴到质心的距离L r /m 1.437质心高度H 0/m 0.49车轮半径

r w /m 0.285轮胎气压

p /MPa

0.23

・

4・

第1期王庆年，等：用于电动轮驱动汽车的差动助力转向

表2　转向系统参数

T able 2　P arameters of steering system

转向盘、转向柱等效转动惯量J C /(kg ・m 2)0.029转向柱阻尼B C /(N ・ms ・rad -1)0.023转矩传感器扭转刚度K C /(N ・m ・rad -1)

139.82小齿轮半径r P /m 0.0088齿条质量M R /kg 2.57齿条阻尼

B R /(N ・ms ・m -1)

8转向器至两前轮的传动比N l

0.144两主销的扭转刚度K S L /(N ・ms ・rad -1)49940两前轮绕主销转动惯量J FW /(kg ・m 2)0.82两前轮主销黏性阻尼B FW /(N ・ms ・rad -1)

88.13转向器正向传动效率ηF 0.9转向器逆向传动效率ηB 0.7主销内倾角σ/(°)8主销后倾角τ/(°

)3主销横向偏移距

r σ/m

0.07

转向盘转角输入波形为三角波，如图4所示；车速为30km/h 时，有、

无差动助力转向两种情况下的转向手力与转向盘转角之间的关系对比如图5所示；有差动助力转向时，车速分别为30km/h 和

50km/h 时的转向手力与转向盘转角之

间关系的对比如图6所示。

图4　转向盘角输入波形

Fig.4　Steering angle input of

steering wheel

图5　车速为30km/h 时转向轻便性仿真结果

Fig.5　Steering effort at speed of 30km/h

图6　不同车速下路感对比

Fig.6　Contrast in road feel at different vehicle speeds

图5的仿真结果表明，由左右转向轮驱动扭

矩差产生的驱动转向力矩可以向其他动力转向一样，明显地降低了转向操作时的驾驶员转向手力，提高了转向轻便性，减轻了体力消耗。

由图6可见，转向为同转角时，车速的提高，转向盘的转矩也相应提高，在不改变转向系角传动比的条件下，相对地降低了力传动比，从而不仅保证了中高速度下的准确转向，并且一定程度上防止了驾驶员的误操作，增强了路感，提高了行车安全性。4.3　助力跟踪性能分析

为验证由左右转向轮扭矩差提供的助力转矩对转向盘转矩的跟踪性能，图7给出了车速在30km/h 的驱动扭矩差与转向盘转矩的变化曲线。从图7

可见，在转向过程中，左右转向轮驱动扭矩差的变化趋势与转向盘转矩的变化趋势相当吻合，反映出由驱动扭矩差产生的驱动转向力矩可以很好地跟踪转向盘转矩的变化[7]。转向操作时，无助力滞后感，转向平稳。

图7　车速为30km/h 时助力的跟踪效果

Fig.7　T racking perform ance results at 30km/h speed

・

5・

用于电动轮驱动汽车的差动助力转向

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