基于FOC直驱的四轮差速车模结构设计
四驱FOC差速车模系统结构框架的设计研究——基于全国大学生智能车竞赛微缩电磁组的低功耗优化
1 引言第二十届全国大学生智能车竞赛微缩电磁组聚焦无线充电与低功耗两大核心议题。其中，无线充电需兼顾功率与效率，功耗则需分解为驱动功耗,主控及其外设功耗的协同优化。赛道特性表现为距离短、直线少、弯道密集且转弯半径小（典型值15cm），这对车模的转向响应、抓地力及能效提出严苛要求。
2 车模结构对比分析市面主流车模结构性能对比如表1所示：表1 车模结构性能对比
结构类型转弯抓地力适用弯道半径轮胎磨损机械损耗
舵机转向四轮强大半径中高
万向轮差速弱小半径低低
四轮差速强小半径高中
结合赛道特性，四轮差速结构在抓地力与弯道适应性上具备显著优势。但传统有刷电机需搭配齿轮减速机构，引入额外机械损耗，而无刷电机直驱方案可规避此问题。
3 实验方案与数据团队历时8轮实验，关键数据如下：- 实验1-2：空心杯电机+四轮差速（减速/直驱）- 结果：扭矩不足（减速比不足）、电机过热、驱动芯片保护频繁（DRV8244失效） - 实验3-4：万向轮+有刷减速电机（130/180型）- 结果：抓地力不足（直角弯甩尾）、响应延迟相对较慢（与龙邱2430电机相比）、电机过载冒烟（有扭矩缺口）- 实验5-7：四轮差速+有刷电机迭代 - 超磁电机：速度1.85m/s，但能耗高（无线充电下续航不足）- 2430有刷电机：速度2.0m/s（切弯优化），能效比0.204（基准线）- 实验8：四驱FOC无刷直驱（逐飞原厂800KV）- 结果：扭矩不足（KV值过高）。- 更换低KV的无刷电机，启用自制底板和侧板后实现： 速度1.9m/s | 车重891g | 能效比0.497
3.1 能效量化分析能量利用公式： 假设摩擦力等于车模自身重力。W理论=μ*m*g*d (μ=0.98,g=9.8m/s2)
超级电容储能：W总=C*U(max)^2*1/2 − C*U(cutoff)^2 *1/2 (截止电压:Ucutoff=4V)表2 能效对比（20F电容，两圈37m赛道）
方案车重(g)充电电压(V)理论(J)实际(J)能效比ρ
FOC无刷直驱8919323.16500.497
2430有刷+齿轮减速72012261.112800.204
注：FOC方案能效提升143%，机械损耗降低与电磁兼容优化是主因。以下是FOC无刷直驱的原始视频:https://www.bilibili.com/video/BV13t8YzMEb1/?vd_source=263bb95ef86826f3d0b222d985c32992
4 FOC无刷直驱方案优势论证4.1 结构优化l 零机械损耗：直驱消除齿轮传动损耗l 高响应性：无刷电机的响应速度优于有刷电机l 重心分布合理：重量基本分摊到四个轮子上且全局重心都非常低
4.2 电磁兼容性无线充电线圈（150kHz）与电机系统的互扰：l 因齿轮减速器件的布局所导致的电机涡流损耗
4.3 动态性能l 扭矩密度：无刷电机（低KV）扭矩密度优于有刷电机l 过载能力：FOC算法支持瞬时过载，适应弯道加速需求
5 结论 针对微缩电磁组赛道特性及低功耗要求：1.四轮差速结构是弯道性能的最优解（在不考虑负压的情况下）； 2. FOC无刷直驱方案相比传统有刷减速方案： - 能效提升143%（ρ: 0.204→0.497） - 响应速度提升 - 规避无线充电对电机的涡流损耗3. 车体轻量化 是进一步优化能耗的关键方向。四轮无刷直驱差速车模相关图片
早期测试的车模
驱动控制器是移植王昱顺的FOC@Ai8051U Lite V3,复刻地址 https://www.stcaimcu.com/thread-17266-1-1.html。机械模型是参考逐飞科技无刷直驱结构与龙邱科技车模的侧板。机械结构开源模型文件
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