后轮独立驱动电动汽车四轮转向系统的研究

刘长生

摘 要：后轮独立驱动电动汽车再研究后可以实现四轮转向，其中前轮和后轮转向可以经过差速转向和常规转向实现。确立了动力学模型，将常规的四轮转向汽车用作参考模型，并且将PID控制器设计为捕获驱动后轮转向所需要的的差动转矩，仿真效果表明，差速转向可以实现后轮转向。

关键词：后轮独立驱动;四轮转向系统;电动汽车

根据电机的类型，独立驱动器可以分为轮侧电机驱动器和轮毂电机驱动器。驱动和传动都集成到轮毂电机驱动汽车的轮毂中，这大大简化了车辆的机械结构并提升了车辆的空间使用效率。差动转向技术是使车辆能够通过控制两侧独立驱动车轮的驱动力矩来实现转向的新技术。独立的后轮驱动与差动转向技术相结合，不仅有效提高了低速行驶时的机动性，而且还有效地降低了高速行驶时的甩尾和侧滑现象，此外，可以主动提升汽车的操纵稳定性和安全性。

一、车辆模型

目前国内外大学和研究机构研究和开发的热点是四轮独立驱动电动汽车。四轮独立驱动电动汽车可独立控制四轮驱动力矩，转矩和速度可轻松测量，这对车辆控制非常有利。汽车的四轮转向控制是主动安全控制的重要研究内容之一，因为它可以有效地减小车辆的转向半径并提高转向稳定性，四轮独立驱动电动汽车具有四轮转向功能是车辆主动安全控制的理想载体。本文研究的传统转向后轮独立驱动差速转向车辆可以被认为是一个具有一个车身和两个后轮的系统，仅忽略车辆沿y轴的横向运动和绕z轴的横摆运动，而不考虑悬架对车身运动的影响，偏侧特性在线性范围内。还研究了四轮转向控制策略，使用CarSim与Matlab/Simulink建立了车辆模型和控制策略，并进行了仿真测试。

内燃机模型是CarSim中的车辆模型，并且该模型已修改为四轮独立驱动电动汽车模型。Simulink用于构建四轮驱动力分配器和四轮角分配器，四轮驱动力分配装置通过基于驾驶员的目标速度和实际车辆的反馈速度来计算车辆所需的总目标驱动转矩来分配四轮驱动转矩，四轮角分配器根据驾驶员的方向盘角度计算并分配四轮角大小，四轮转角控制基于阿克曼的转角控制原理。

二、参考模型以及PID控制器

给设状态空间变量xd（t）= [βd，γd] T，并且系统输入为后轮旋转角度，则相应的状态方程。PID控制结构简单易实现，通常在生产中使用。它由三部分组成，比例、微分和积分。当发生偏差阶跃时，比例（P）控制可以快速响应该误差，从而减小了稳态误差，但是无法消除稳态误差。只要系统中存在错误，积分（I）控制就会继续累积。因此，只要有足够的时间，积分控制就可以完全消除稳态误差。但是，如果积分功能过强，则可能会增加系统过冲并导致系统振荡。差动（D）控制可减少过冲量、克服振动，提高系统稳定性并加快系统动态响应速度。通过减少调整时间来提高动态系统性能。将前轮和后轮角度提供给参考模型后，该模型将对质量滑移角和偏航率的中心产生响应。该响应与实际车辆模型的响应之间的差异可以通过PID控制后的PID获得。后轮差动力矩与转矩和前轮角度一起提供给实际车辆模型，以次形成闭环控制系统。

三、四轮转向系统的仿真分析

仿真参数为：dr=1.486m，R=0.304m，m=1111kg，k1=-95202.8N/rad，k2= -63947.18N/rad，Iz=2031.4kgm2，a=1.04m，b=1.56m，δf=0.3rad，δr= 0.08rad。通過仿真获得的诸如质心偏角和横摆角速的曲线，PID控制下的实际车辆模型的响应曲线基本上与参考模型匹配。然后，所需的差动转矩在-400到470 Nm之间变化，并且完全在电动机可以提供的转矩范围内。这意味着，在PID控制器的操作下，配备有独立于常规前轮转向的后轮驱动差速转向的车辆可以成功实现四轮转向，并具有与常规四轮转向相同的转向特性。

1.车辆控制结论

使用CarSim和Matlab / Simulink，建立四轮独立驱动电动汽车的四轮转向控制模型，基于Ackermann转向原理设计四轮驱动力分配器和四轮角分配器，并进行仿真实验验证结果。研究的四轮转向控制策略使四轮独立驱动电动汽车能够确保出色的转向稳定性，该研究方法对四轮独立驱动电动汽车的四轮转向控制具有一定的参考价值。研究结果表明，在阿克曼角原理的控制下，电动汽车可以更好地完成四轮转向模式。

四、独立电驱动汽车的概述

电动汽车的动力是电力供应，目前市场上的电动汽车分为单驱动电机和多驱动电机，其结构相对简单，以车身、车身和电动驱动为中心结构。电动汽车的动力分配比燃料汽车更合理，并且由于传统汽车的完整性，驱动器和车轮集成在动力分配中，并且电动汽车是四轮独立的，这使得控制更加灵活。电驱动电动汽车的出现显示了汽车领域新能源的巨大潜力。由于电动汽车的启动速度相对较慢，因此它们仍处于探索阶段，许多技术还不够成熟，还有改进的空间。当前，市场上最普通的电动车辆是缺少内燃机，该内燃机不能去除传统的变速器和其他部件。在独立式电动车辆的情况下，其结构构造更简单。

结语

综上所述，前轮的常规转向-通过构建后轮差速转向的四轮转向车辆模型，并以传统的四轮转向为参考模型，使用PID控制来进行允许正确跟踪车轮转向车辆的响应特性，该研究为差速转向应用提供了理论基础，以及对四轮转向控制策略，使用CarSim与Matlab/Simulink建立了车辆模型和控制策略，并进行了仿真测试。

参考文献

[1]杨标，田杰，叶志恒，孙国强.后轮独立驱动电动汽车四轮转向系统的研究[J].科技经济导刊，2019，27（10）：48+26.

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