双轮驱动差速控制试验平台设计及仿真

Tf
din
d
dout
R fin
Rfout
dout
d
Rf
e
K
CG
e
lf
dБайду номын сангаасn
lr
R rin
Tr
r
R
Rrout
图 2-1
汽车转向几何关系示意图
由图2-1，根据其几何关系推导，可有如下关系：
Rfin
lf lr e sin fin
Rfout
lf l r e sin fout
Rrin Rfin
关键词：电子差速器；89C51；Proteus 仿真 1 引言 当车辆行驶在转弯路面或弯道时， 为了达到转向的目的， 车辆转向时内外轮应当具有一 定的速度差，即差速。 电子差速转向控制是双轮电动机驱动汽车的关键技术之一。 电动轮驱动汽车轮心通过悬 架与车体相连， 车轮轮心的水平速度与车体该处的水平速度相等， 但由于悬架的上、 下运动， 还会引起轮心产生垂向速度， 这两个速度分量的合成即为实际轮心速度， 由此可见在转向时， 各轮轮心速度是不相等的，为此也要求各轮转速也不相同，并与相应轮心速度相协调[1]。对 电动轮驱动的电动汽车，各车轮之间没有机械连接，运动状态相互独立，那么电动车各车轮 在汽车转向时同样要满足车轮旋转线速度与该车轮的轮心速度相协调的关系。 只有满足这一 前提，才能说解决了电动轮汽车的差速问题[2]。 2 双轮驱动电动汽车差速控制试验平台 2.1 试验平台结构 差速控制系统试验平台由模拟驾驶台、差速控制器、左右轮电机驱动单元、左右轮牵引 电机等部分组成。 其中模拟驾驶平台由 Labview 软件搭建构成， 主要完成电动汽车车速与转 角的数值给定， 并将其传递给下位机单片机， 输入信号是由 Labview 驾驶员界面车轮转速和 转角信号， Labview 将车轮转速和转角变为 2 进制码通过 RS232 传递给下位单片机； 差速控 制器主要由 MCS-51 系列单片机 AT89C51 以及外围电路构成，主要完成左右轮电机速度的 计算。将 Ackermann 差速模型通过 Keil u Vision4 软件写入 AT89C51 单片机中，单片机将上 位机发来的转速和转角信号通过计算最终转换成数字信号传递给左右电机控制单元。 同时通 过编写其他控制程序可以实现控制变频器的启停， 及紧急制动。 另外通过矩阵键盘可以向差 速器输入车速以及转角信号， 以实现不使用上位机便可对左右轮速进行直接的控制， 输入信 号是由上位机发来的当前车轮转速和转角的数字信号， 输出信号是单片机通过计算出的左右 轮速的数字信号； 左右轮电机驱动单元是由 D/A0832 转换电路和西门子 6se70 变频器以及外 围电路构成， 主要完成左右轮电机的电源信号给定， D/A0832 将单片机送出的左右轮速的数
参考文献 [1] 丁惜瀛,张钦爽,覃艳丽,苑克臣．基于转矩分配的电动汽车横摆稳定性控制[J]．功率变流技术 2011(05) pp.5． [2] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2007． [3] 赵艳娥， 张建武． 轮毂电机驱动电动汽车电子差速系统研究[J]． 系统仿真学报， 2008， 12(2)： 4769-4770． [4] 罗少文．我国新能源汽车产业发展战略研究[D]．上海：复旦大学，2008． [5] 陈小辉．陕西省新能源领域发展技术路线研究[D]．陕西：西安理工大学，2010．
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字信号转换成 0~10V 的模拟电压信号送给 6se70 变频器，变频器通过预先设置好的功能将 0~10V 的电压信号转换成左右轮驱动电机的驱动信号；左右牵引电机由三相异步电机构成， 完成速度输出的快速响应，能够及时准确的驱动车轮，使汽车顺利转弯，异步电机直接与变 频器相连，变频器将驱动信号传递给异步电机，异步电机快速响应，及时准确的将转速传递 给车轮[3]。 2.2 差速模型 图 2-1 为汽车转向的几何关系示意图。汽车转向时，以整车质心速度为参考，计算每个 车轮绕转向中心的线速度， 进而得出每个车轮需要的电机转速， 通过向电机控制器发出电压 指令实现电机转速调节，而调整车轮转速，合理的分配每个电机的输出转速，实现车轮的纯 滚动转向行驶。 设左转向时方向盘转角为正，右转向时方向盘转角为负，在车辆低速转向行驶时，电子 差速器可依据 Ackermann 转角的几何关系进行设计。
图 3-2 轮速给定信号输出程序仿真结果
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为了验证试验平台差速计算的准确性， 对不同的方向盘转角与汽车速度的输入下进行了 仿真，其结果如表 3-1 所示
表 3-1 不同的给定计算出的对应的轮速 方向盘转角 汽车速度 汽车转矩 内轮转速 （计算） 4 6 10 20 25 15 200 210 310 19 23 13 内轮转速 （仿真） 19 23 13 外轮转速 （计算） 21 27 17 外轮转速 （仿真） 21 27 17
2
即， vin v 1 tan fin

Tf Tf ，同理， vout v 1 tan fout 2l 2l
。
因此，汽车转向时，以整车质心速度为参考，计算每个车轮绕转向中心的线速度，进而 得出每个车轮需要的电机转速， 通过向电机控制器发出电压指令实现电机转速调节， 而调整 车轮转速，合理的分配每个电机的输出转速，实现车轮的纯滚动转向行驶[4-5]。 3 差速器设计 差速器实现的功能是接收上位机传来的车速及方向盘转角信号，通过 89C51 中 Ackerman 差速模型计算出左右驱动电机的转速算，最后通过 DAC0832 芯片进行数模转换， 转换为电压信号传到 6se70 型变频器中，从而控制电机转速。其总体结构如图 3-1 所示。
Tf 2
Rrout Rfout
Tf 2
(2-1) 由内外车轮转向角可计算出内外车轮轮速，根据Ackerman转角关系计算法： v为给定车速， l lf lr 。 tan fin
l ，又有 Rin
(2-2) (2-3)
T 2 Rin T f 2πRin πT f l Tf 1 f 2l Rin 2l 2 Rin 2 Rin 2πRin vin Cin 2 πRin πT f v C 2πRin in 为内轮转角， out 为外轮转角，一般可近似认为 fin fout f 1 tan fin Tf 1
由表 3-1 可以得出，通过模型计算出来的内、外轮转速与仿真所得到的数据进行比较， 在误差允许范围内，差速系统试验平台是可行的。 5 结论 实现了电动汽车电子差速系统试验平台设计，硬件上采用 89C51 单片机作为控制系统 核心、以 6SE70 变频器为驱动系统核心、配合运算放大电路、D/A 转换输出电路、单片机 与 PC 机串口通讯电路，以及各种保护电路。软件上采用单片机汇编语言程序，由差速控制 程序、串口通讯程序、速度给定输出程序以及 Labview 的车速方向盘转角的给定界面。最后 利用 Proteus 对差速器进行仿真，验证了差速系统试验平台的可行性。
双轮驱动差速控制试验平台设计及仿真
王 涛，丁惜瀛，张 擎，王亚楠
（沈阳工业大学电气工程学院 辽宁 沈阳 110870）
摘要：本文以双轮驱动电动汽车为对象，推导了电动汽车双轮驱动差速模型,设计了双轮驱动差速控制 试验平台, 采用 89C51 单片机作为差速控制器的主控芯片,以 PC 机作为驾驶平台,采用 RS232 作为驾驶平台 与差速器通讯接口，并利用 Protues 软件对差速控制系统的硬件及软件进行了验证与仿真,仿真结果验证了 试验平台的有效性。
作者简介：王涛，男，沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 ，邮编 110870 ，电话 15040249387，邮
箱 wtsnail@
基金支持: 沈阳市科学技术项目(F12-277-1-11)
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图 3-1 硬件总体结构图
差速器主要由 4 部分构成：上位机信号输入电路，完成 PC 与 89C51 的通讯接口；差速 计算部分，由 89C51 与其外围电路构成；速度信号输出电路，完成数模转换的功能，由 DAC0832 芯片实现；用于扩展功能的矩阵键盘及用于报警电路的灯泡及蜂鸣器。 4 仿真分析 差速模型中，L=2.4m，在给定的汽车速度为 20m/s，转角为 8 度，转矩 197N·m 时，x32 单元存放的是计算后的外轮转速为 22，0x33 中存放的是计算后的内轮转速为 18，仿真结果 如图 3-2 所示。可见本次仿真的结果是成功的。