张家祺，马琳，张磊，焦向阳，赵芳华，李洁

（1.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401；2.河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）

基于霍尔传感器的电动车差速转向的设计与研究

张家祺1，马琳2，张磊2，焦向阳1，赵芳华1，李洁1

（1.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401；2.河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）

由于电动车可在多个车轮上放置轮毂电机，且电机转速控制易于实现，这使得电动车相对于传统汽车具有了一个不可比拟的优势．电动车轮毂电机的速度控制方案，是实现电动车运动方向和运动轨迹控制的核心．霍尔元件以其非接触传感性质及对工作环境的广泛适用性被电动车采用为传感元件．通过确定基于霍尔传感器的电动车差速转向的控制方案，由加速霍尔和转向霍尔采集控制信号，通过单片机向轮毂电机控制器输出控制信号，进而控制轮毂电机的转速．推导出加速霍尔和转向霍尔双输入量下，左右轮毂电机线性控制关系式，同时实现了方向盘灵敏度在不同车速下的有效调节，提高了车辆的安全性．

电动车；霍尔；轮毂电机；差速转向；灵敏度；单片机

随着世界石油资源的日渐枯竭，传统汽车的使用成本日益提高，且其带来的环境破坏也为世人所诟病，以电能为代表的新一代代步工具必将成为传统汽车的掘墓人．轮毂电机和电池技术的不断发展也为电动车的发展提供了基础的技术保障．

与传统的汽车不同，由于当今电动车通常采用轮毂电机，且可在多个车轮上放置轮毂电机，这就使得电动车具有了一个传统汽车不可比拟的优势，即可以通过控制不同车轮的转速和转向，来实现车辆的运动轨迹的有效控制．

1 电动车差速转向的速度相关性分析

以电动汽车前轮为转向轮，并在前轮内放置轮毂电机，形成双轮毂电机驱动，通过左右轮毂电机转速的控制实现差速转向，进而实现车辆运动轨迹的控制．

本次研究的差速转向方案中，地面因素、轮胎差异忽略不计．研究中，假设4个车轮绕同一转动中心无滑动旋转，如图1所示，图中，Rl、Rr分别为左、右前轮的转弯半径，B为车轮宽度，Ri为内轮外侧转弯半径，l为前后轴距，w为左右车轮的轮距，则

图1 车辆前行左转Fig.1The vehicle turn left

2 基于霍尔传感器的轮毂电机速度控制方案

2.1 轮毂电机速度控制框图

目前市场上电动车的轮毂电机速度控制传感器，基本都采用霍尔元件，其非接触传感性质，使其对工作环境具有广泛的适用性．本研究在车辆加速，和方向盘转动两方面均采用霍尔传感器，并分别称为加速霍尔和转向霍尔，其电压值分别用VIS和VIT表示，如图2所示．

图2 轮毂电机速度控制方案Fig.2The speed control scheme for hub motor

鉴于目前轮毂电机控制器的技术较为成熟，本研究采用通用轮毂电机控制器控制轮毂电机转速，将转向霍尔传感器和加速霍尔传感器的信号通过单片机转换为左、右轮毂电机控制器的信号电压并分别用VOL和VOR实现对左右轮毂电机的速度控制，如图2所示．

2.2 方向盘灵敏度调整方案

车辆在低速转向或泊车时通常转弯半径较小，这时的左、右前轮转速比i较大，而高速行进过程中的急速转向，往往是造成车辆侧翻的决定性诱因[1-2]，因此高速运动过程中，方向盘的灵敏度不宜过高．传统的刚性机械操控难以实现这种不同运行速度下方向盘灵敏度的调整，往往通过降低助力转向，来提高转向力矩，从而相对降低灵敏度[3-4]，但紧急情况下，人的下意识动作，其动作幅度，依然不会因阻力矩的加大而减小．

电动车在这方面则有先天优势，通过对加速霍尔和转向霍尔的电压值的分析，可以通过模拟电路、单片机等，可以很方便的对轮毂电机控制器的控制电压的进行调节，进而控制轮毂电机的转速和转向，并实现方向盘灵敏度的控制．

3 轮毂电机速度及方向盘灵敏度调节参数分析

3.1 控制器输入电压与轮毂电机转速

电机在电磁转矩作用下的速度调节曲线如图所示，当电压较小时，电磁转矩不能克服负载转矩使电机运转，当电压达到门限电压时V0，电机才开始运转，如图3所示，所以，电机转速存在调节死区．同时，因为静摩擦的存在，速度调节曲线不通过坐标原点[5]．

电动车启动时，应保持车辆处于低速运动状态，故控制器输入电压应使其输出电压大于轮毂电机门限电压，设加速霍尔的电压范围是VISmin～VISmax，转向霍尔的电压范围是VITmin～VITmax．为实现由转向霍尔控制电动车左右转向，将电动车直线前行时，即左、右前轮同相且同转速时，转向霍尔的电压值设为其输出电压范围的中间值VITmed，即

图3 轮毂电机速度调节曲线Fig.3The speed regulating curve for hub motor

此时，加速霍尔的电压值与左、右控制器电压值呈线性关系，故与左右轮毂电机转速也呈线性关系，如图4所示．

图4 控制器加速调节曲线Fig.4 The acceleration regulating curve for controller

图5 低速时控制器转向调节曲线Fig.5The steering regulating curve in low speed for controller

图6 高速时控制器转向调节曲线Fig.6The steering regulating curve in high speed for controller

3.2 方向盘灵敏度调节方案

若加速霍尔电压为VISmin，即车辆处于低速下，如图5，左侧轮毂电机电压为电机门限电压V0，右侧轮毂电机电压为V0i．

由于方向盘与加速霍尔直接联接，方向盘输入转角直接与加速霍尔电压值正相关，而加速霍尔电压值与轮毂电机转速呈线性关系，如图5所示，且由式(3)得

同时随着车速的提高，若加速霍尔电压为VISmax，仍然令左右轮毂电机控制器半电压差为VHD即车辆处于高速下，转向霍尔对控制器输入电压的影响减弱，如图6所示，从而达到高速运行时，降低方向盘灵敏度的目的．

3.3 实现差速控制各参数关系推导

左、右轮毂电机控制电压与加速霍尔，转向霍尔的电压呈线性关系

式中：a1，a2，b1，b2，c1，c2为待定系数，其他参数含义如前所述．

将图3至图6所示坐标点带入上式，求得各待定系数如下

式(6)～式(13)各式中参数含义如前述．

将式(6)和式(7)写入单片机即可实现上述电动车差速转向控制，并可实现方向盘灵敏度在不同车速下的有效调节．

4 实验及结果

对上述理论研究进行实验，设定左右前轮转速比i=1.3，采用1 kW无刷直流轮毂，其控制门电压V0=1.4 V，霍尔传感器输入电压为5 V时，输出电压为VO=0.85 V4.5 V，但因输入电压低于5 V，故，其实际输出电压VO=0.8V3.5V带入式(4)和式(5)，得

将上述结果带入式(8)～式(13)，得

带入式(6)和式(7)，得

将式(14)，式(15)的典型数据点列表，如表1所示．

表1 典型数据表VTab.1Table of typical data

5 结论

通过对基于霍尔传感的电动车差速控制及方向盘灵敏度的分析与研究，提出了双前轮轮毂电机差速控制方案，并提出了加速霍尔和转向霍尔双输入量下，左右轮毂电机线性控制关系式，同时实现了方向盘灵敏度在不同车速下的有效调节．

[1]杨涛，宋丹丹．汽车急转向安全车速的研究[J]．交通标准化，2009（17）：100-103．

[2]徐耀耀，翁建生，金智林，等．基于主动转向和差动制动的车辆防侧翻控制[J]．计算机仿真，2011，28（6）：330-334．

[3]蒋励，余卓平，高晓杰．宝马主动转向技术概述[J]．汽车技术，2006（4）：1-4．

[4]邱明．汽车可变转向比电动助力转向系统原理与仿真[J]．机电工程，2004，21（8）：47-49．

[5]张庆乡．电动汽车轮毂电机设计与控制器研究[D]．淄博：山东理工大学，2012：12．

[责任编辑 杨屹]

Design and research of electric vehicle differential steering based on Hall sensor

ZHANG Jiaqi1，MA Lin2，ZHANG Lei2，JIAO Xiangyang1，ZHAO Fanghua1，LI Jie1

(1.Schoolof ArchitectureandArtisticDesign,Hebei Universityof Technology,Tianjin300401,China;2.School ofControl Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Forelectric vehicles,hubmotorcan be placed on a pluralityofwheels.Anditis easy to implementmotor speed control,so the electric vehicle compared with the traditional vehicle has an unparalleled advantage.The speed control scheme of hub motor for electric vehicle is the core to realize electric vehicle motion direction and the motion trajectory control.Hall element is used as the sensing element of electric vehicle for its non contact sensing properties and widely adaptability to the working environment.By determining the control scheme of electric differential steering based on Hall sensor,collecting control signal by acceleration Hall and steering Hall,outputting the control signal from the singlechip to the hub motor controller,and controlling the hub motor speed.Under the double inputs of the accelerated Holl and turned to Holl,left and right hub motor linear control relationship can be derived.It proves to be the effective adjustment of wheel sensitivity at varying speeds,and improves the safety of vehicles.

electric vehicle;Hall sensor;hub motor;differential steering;sensitivity;singlechip

TM33

A

1007-2373(2015)04-0028-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.006

2014-10-11

河北省自然科学基金（E2012202133）

张家祺（1963-），男（汉族），副教授.