借助计算机仿真技术研究分布式轮毂电机在大型运载车辆中的应用
2021-03-03许虎富晓乾焦正扬郝兴明
许虎 富晓乾 焦正扬 郝兴明
摘 要：本文是在“2019年第十届全国大学生方程式大赛”的方程式车辆基础上对轮毂电机应用进行了分析研究，对轮毂电机的发展历史，在运载车辆的应用可行性，电机对车辆的操控影响进行了探究。在新能源汽车政策的大背景下，探索新的发展方向，推广运载新能源车辆在实际生产活动中的广泛运用。
关键词：大学生方程式 轮毂电机 新能源汽车 运载车辆
Computer Simulation Technology Applied to Study the Application of Distributed In-wheel Motors in Large Vehicles
Xu Hu，Fu Xiaoqian，Jiao Zhengyang，Hao Xingming
Abstract：This article analyzes and researches the application of in-wheel motors based on the formula vehicles of the "10th National Formula Student Contest in 2019"， the development history of in-wheel motors， the feasibility of application in transportation vehicles， and the impact of the control of the motor to the vehicle. Under the general background of the new energy vehicle policy， the article explores new development directions and promotes the wide application of new energy vehicles in actual production activities.
Key words：Formula Student， in-wheel motor， new energy vehicle， transportation vehicle
1 引言
近几年来随着国家新能源政策的推行，电动汽车技术迎来了快速的发展。电动汽车受到社会和市场的青睐，主要得益于电机体积小效率高，可低转速输出全部扭矩等特点。不可置否，电动汽车的推广仍受到电池续航里程短，电控系统不完善等困扰。为此，我们决定从电控系统入手，借助于计算机仿真技术，结合本专业所学知识，主动深入实践，通过车辆仿真软件，解决电动汽车在不同路况下，各个驱动轮的扭矩分配问题。提高车辆的通过性。使得轮毂电机与运载车辆有机结合，充分发挥出电机的优势。
2 轮毂电机的设计理念
得益于先天结构优势，轮毂电机有以下优点。
（1）增加驱动系统冗余度，每个车轮都是独立的，某个车轮出现问题时，剩余车轮轮仍能驱动车辆，保持一定的机动性，提升车辆的可靠性。（2）提高车辆转向性能。相比于机械转向机构，独立的电动轮结构使得线控转向和全轮转向变得更易实现，能有效减小车辆转向半径;一定条件下，利用电机的反转能力，能够实现类似履带车辆的滑差转向，甚至原地转向。（3）提升车辆的模块化、通用化设计水平。不同功能的车辆可以使用相同的底盘系統，其中的电动轮具有通用性和互换性，能有效降低前期开发及后期维护成本。（4）提高驱动系统效率。简化了复杂的机械传动装置后，电机与车轮相连，缩短了动力传输路径。（5）集成电控系统，提升车辆控制性能。作为执行器，电机响应快速精确，能实现性能更优的动力学控制，而且冗余的执行器丰富了控制系统的设计自由度，以挖掘更大的性能潜力。
3 轮毂电机的结构与性能分析
轮毂电机驱动系统改变了车辆底盘结构，带来综合性能提升潜力的同时，也给车辆操纵稳定性带来两个主要的问题：
（1）改变了车辆结构参数和力学参数，导致车辆动力学特性发生了变化。简化了传动装置后，增加的动力电池组、控制器单元等器件，使车辆质心位置、转动惯量等参数发生改变;电机增加了簧下质量，轮毂电机及减速器集成部件会给每个车轮增加100～400公斤的重量。这些因素使得车辆操纵稳定性发生了变化，需要进行深入的理论分析。
（2）更多的执行器给动力学控制带来了更多的自由度，需要对这些执行器进行协调控制，才能够充分发掘潜力。首先，执行器的数量发生了变化，传统ESP的执行器是机械制动器，电动轮的执行器包括轮毂电机和制动器，因此需要协调单一电动轮内的驱动和制动转矩;其次，执行器之间的关系发生了变化，传统ESP一般是基于某种规则建立各制动器之间的关系，而电动轮之间是真正的独立可控。
（3）借助vi-grade对于轮毂电机的仿真实验。
图2为仿真软件VI-grade的操作界面，可实现车辆各个参数的标定，结合simulink联合仿真。算出最优解，使得设计更加合理。
引入仿真软件VI-grade，在设计阶段及结尾验证期间辅助项目进行，节省时间使得设计更严谨。在CarRealTime版块完成关于电机参数，悬架参数等的设定。确定车辆模型后，结合Simulink联合仿真。使用stm32单片机作为整车控制板，控制各个轮毂电机的协同运动。
（4）轮毂电机的电路控制原理及参数分析。
下面是控制小车每个车轮独立运行的部分pid控制代码。
函数功能：按键修改小车运行状态
入口参数：无
返回 值：无
**********************************/
void Key（void）
{
int tmp，tmp2，Position_Amplitude=390，Velocity_Amplitude=10;
static u8 mode=0;
tmp=click_N_Double（100）;
if（Menu_MODE==1） //改变运行位置
{
if（tmp==1）Target_Position+=Position_Amplitude;
if（tmp==2）Target_Position-=Position_Amplitude;
}
else //改变运行速度
{
if（tmp==1）Target_Velocity+=Velocity_Amplitude;
if（tmp==2）Target_Velocity-=Velocity_Amplitude;
}
if（Target_Velocity>70）Target_Velocity=70; //速度最大值限幅
if（Target_Velocity<0）Target_Velocity=0; //速度最小值限幅
if（Menu_MODE==1） mode=3;
else mode=2;
tmp2=Long_Press（）; //长按用户按键，选择需要修改的参数
if（tmp2==1）
{
Menu_PID++;
if（Menu_PID>mode） Menu_PID=1;
}
}
/**********************************
函数功能：异常关闭电机
入口参数：倾角和电压
返回 值：1：异常 0：正常
**********************************/
4 结语
近几年来随着国家新能源政策的推行，电动汽车技术迎来了快速的发展。电动汽车受到社会和市场的青睐，主要得益于电机体积小效率高，可低转速输出全部扭矩等特点。不可置否，电动汽车的推广仍受到电池续航里程短，电控系统不完善等困扰。在各个驱动轮的扭矩分配问题上仍然有很多需要去完善。使得轮毂电机与运载车辆有机结合，充分发挥出电机的优势。
基金项目：2020年山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目立项项目编号2020869。
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