四轮独立驱动电动车控制系统的设计（可编辑）

四轮独立驱动电动车控制系统的设计（可编辑） 武汉理工大学 硕士学位论文 四轮独立驱动电动车控制系统的设计 姓名:李乐 申请学位级别:硕士 专业:控制科学与工程 指导教师:李波 20100501武汉理大学硕士学位论文 摘 要 伴随着全球越来越严重的能源短缺和环境污染问题,电动汽车技术的发展 受到了日益关注。四轮独立驱动电动汽车代表了一种新颖的电动汽车发展方向, 由于其理想的控制特性和良好的应用前景,受到学术和工程界的普遍关注,已 经成为研究热点。 本文顺应当前研究热点,分析了四轮独立驱动电动车的国内外研究现状, 对四轮独立驱动电动车控制系统进行了理论与实际研究。设计了一套结构完整 的四轮独立驱动电动车控制系统,在相关研究领域具有一定的现实意义。 本文首先构建了四轮独立驱动电动车控制系统总体方案,描述并阐明了其 结构组成;合理选取各种车身传感器,对车身电气设备进行了布局;通过与传 统燃油汽车的控制系统比较,讨论了四轮独立驱动电动车整车控制策略,确定 了以车体速度为最佳整车控制方案;讨论了四轮独立驱动电动车在进行匀速直 线、加减速、转向这三种基本运行方式时应采取的实现策略。 然后,本文就所构建的四轮独立驱动电动车控制系统的三个组成部分:轮 毂电机驱动控制器、整车控制器、通信网络,展开具体分析研究。在完成 轮毂电机选型的基础上,对轮毂式无刷直流电机的工作原理、数学模型以及控 制方案进行了深入研究,进而设计了基于单片机的轮毂电机驱动控 制器的硬件和软件系统,实现了对轮毂电机的外环速度环、内环电流环双闭环 调速控制,并重点阐述了电子换相和速度/电流调节程序;设计了 基于 芯片的整车控制器,详细介绍了整车控制器的硬件组成,使整车 控制器在满足系统功能的基础上,不仅方便调试和仿真,而且具有很好的扩展 性;对通信网络的拓扑结构、通信进行了深入分析,选择. 作为总线通信协议,选择了数据帧格式,对消息优先级进行了排定,给出 了标识符与消息优先级的对应关系,在此基础上设计了各节点的通信消息 收发软件流程。 关键词:电动汽车,四轮独立驱动,轮毂式无刷直流电机,总线, 处理器武汉理丁大学硕十学位论文 、矾, . . ,..,.: , .,.. 虹. ?, 鳃. . 器 ,.: , . ,. ’.? ./ . 武汉理大学硕十学位论文. , ... . . . . 研 ., , : , 独创性声明 本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 , 签名:二,:盔纽日期:丛旌 :乡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文,并向社会公众提供信息服务。 保密的论文在解密后应遵守此规定 注:此页内容装订在论文扉页 叉,胗\ 碱麓内鼐做:噬釉:巷足嘲讥更碍武汉理: 人学硕士学位论文 第章绪论 本章给出了课题的研究背景及其研究意义,概述了电动汽车技术在国内外 的研究发展情况,介绍了四轮独立驱动电动车的研究现状及其控制技术的相关 研究信息,最后说明了本课题的主要研究工作和内容。 .课题背景及研究意义 “世纪绿色交通工具??电动汽车,是在传统燃油汽车面临能源危机 和环境污染两大难题时,被逐步重视并发展起来的,并被视为解决上述两大难 题的有效途径。电动汽车 简称是以电机作为动力驱动系 统,并能在道路上行驶的车辆【】。电动汽车是车辆工程、电子信息、能源技术、 自动控制、计算机等多种高新技术的集成。从能源利用的角度来考虑,电动汽 车的出现将会使能源利用多元化,摆脱传统燃油汽车对石油的依赖,并且可以 实现能源的无污染、高效可靠利用;从环境保护的角度来考虑,电动汽车没有 尾气排放,不存在环境污染的问题;从道路交通安全的角度来考虑,电动汽车 更容易实现车辆行驶的智能化,提高车辆行驶的安全性【】。因此,电动汽车近年 来一直是汽车领域的研究热点。 在多样化的电动汽车驱动形式中,四个独立控制的电动机分别驱动汽车的 四个车轮,车轮之间没有机械传动环节的四轮独立驱动 电动汽车,因为其简单的整车结构、高的传动效率、以及借助微机实时 控制技术直接控制各电动轮的转速或转矩,能实现转向差速和驱 动防滑,为刹 车防抱死系统、电子稳定装置等主动安全系统的实现提供了便利, 成为电动汽车发展的一个独特研究方向和热点。 四轮独立驱动电动汽车的稳定性控制、转向差速控制、动力性能优化控制 等必要而先进的控制策略的实施依赖一个稳定、可靠、高效的车辆控制系统。 该控制系统是四轮独立驱动电动汽车的核心和基础,负责实现各轮毂电机的转 速或转矩可控,负责车辆信息的采集,负责先进智能控制策略的实施等。因此, 结构合理、稳定性好、实时性好、高效的四轮独立驱动电动车控制系统对整车武汉理:入学硕士学位论文 的动力性能和安全性起到决定性作用。针对四轮独立驱动电动车控制系统的研 究的意义所在也就显而易见了。 . 国内外电动汽车技术的发展概况 ..国外发展现状 电动汽车是世纪最伟大的项工程技术成就中前两项技术的融合,即 “电气化’’和“汽车”的融合产物。它不是当代人的新近想法,其构想与研制 均早于燃油汽车,但由于性能不如燃油汽车,使其研发工作一度停滞【】。世 纪年代的能源危机和石油短缺,又使电动汽车获得了生机,到了世纪 年代,随着人们对大气污染和温室效应的关注,对电动汽车的研究热情进入了 空前高涨期。世界各国研究机构和各大汽车公司都投入了大量人力物力参与电 动汽车的研发。在逐渐发展的过程中,电动汽车广义分为了三类,即纯电动汽 车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车。目前这三种电动汽车都处于不同 的发展阶段。纯电动汽车可实现零排放,适用于低速短距离运输,一次充电行 程基本满足市区交通的要求。混合动力电动汽车性能满足用户需求,油耗低, 尾气排放少,在当前技术水平条件下,是较理想的交通工具,也是目前可以大 批量生产、替代燃油汽车、减少废气排放的较现实的电动汽车,但其必须同时 具备两个动力源,价格较高。燃料电池电动汽车具有很大潜力,可望在 年以后实现实用化。 从世纪年代初起,国外各大汽车集团公司如通用、福特、日产、丰 田和本田等,陆续开发研制出了多种具有代表性的电动汽车和电动概念车,其 中一些受到了市场的普遍欢迎和较好的评价,如通用公司的、福特公司的 、本田公司的 、和、丰田公司的、黜和 等。其中世界上最早实现批量生产的混合动力电动汽车??丰田公司的 ,目前全球销量已突破万辆,而且在环保、节能等方面创造了多个世界 第一【】【】【】。近年来,欧美、日本等国,更多电动汽车车型已经投入商业化生产。 此外,一些电力公司和电池生产厂商也在电动汽车的研发中积极发挥作用,希 望获得商业利益。国外的高校和研究机构也在不断加紧技术攻关,提高电动汽 车的整体性能。 武汉理一人学硕士学位论文 ..国内发展现状 我国随着经济的高速发展、人民生活水平不断提高,汽车保有量增幅巨大。 而我们国家的一些城市人口密度非常高,数量巨大的燃油汽车不但制造噪声, 其排放的尾气也对环境和居民构成了污染和伤害。更重要的是,我国的石油资 源并不特别丰富,可开采储量有限,燃油汽车的长久可持续发展受到了制约。 电动汽车的出现及应用正在改变这种被动局面。从汽车技术发展的历史来比较, 我国的燃油汽车制造技术落后世界先进技术年,而我国的电动汽车只有不到 年的差距。因此,电动汽车被认为是我国汽车工业的发展契机。 我国在“十五国家中,把电动汽车提高到了一个全新的战略高 度,投入巨资设立了电动汽车重大专项来鼓励和促进电动汽车技术的发展。该 .专项提出了“三个关键技术和三纵三横”的目标。三个关键技术为:电机驱动 系统、能源管理系统、动力蓄电池。三纵:同时并行开发混合型、纯电动型和 燃料电池型电动汽车。三横:同时并行开发电动大巴、中巴和小轿车。而通过 三纵三横的交叉,可以演绎派生出混合式大巴、中巴和小轿车;燃料电池大巴、 中巴和小轿车;以及纯电动大巴、中巴和小轿车等电动车型【】。随着国家十五计 划“’’电动汽车重大科技专项的正式启动,全国各地也掀起了一股研制和开 发电动汽车的热潮。近几年,有上百家企业、高校及研究所列入项目研发单位 行列,如三大汽车集团、长安汽车、奇瑞汽车、比亚迪汽车,以及电机、电池 企业。许多新型股份制企业参与到电动汽车的研发和生产中来,促进了电动汽 车的市场化和产业化。 在纯电动汽车研发方面,北京理工大学研制的种电动客车,均通过了国 家汽车质检中心的型式认证,完成近辆示范样车的生产和调试,整车动力性、 经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平;天津清源电动车辆股 份有限公司与天汽集团等单位合作研发纯电动轿车,自主开发生 产的辆纯电 动轿车已于年出口美国,而且需求旺盛【】。在燃料电池汽车研发方面,上 海燃料电池动力系统有限公司联合同济大学、上汽集团等单位研发的燃料电池 轿车已推出第四代,最高时速达公里,至公里加速时间为秒,一 次性充氢连续行驶里程超过公里,已达到奔驰同类燃料电池汽车的主要性 能指标【】。在混合动力电动汽车研发方面,东风电动车辆股份有限公司自主研发 的辆混合动力公交客车已在武汉累计运行多万公里,载客万人次。此 武汉理.丁:大学硕士学位论文 外,东风、长安、奇瑞和~汽的混合动力轿车也陆续投放市场。 北京、武汉、天津、威海等全国多个城市已开展电动汽车试验示范运行。 北京奥运会期间,国家投入了亿元采购电动汽车用于奥运期间公共交通 服务。年的上海世博会也有上千辆电动汽车投入运营。可以看出,我国的 电动汽车产业蓬勃发展,前景良好。 . 四轮独立驱动电动车研究现状及技术特点 ..研究现状 基于能量传递效率、车体空间和车辆性能等方面的考虑,四轮独立驱动电 动车已成为近年来国内外的研究热点。但是由于其数学模型和控制策略复杂, 需要攻克的技术难点多,这种新型的电动车还未能实现商业化和产业化。目前, 很多研究还是针对单轮驱动或双轮驱动技术,以及轮毂电机的研制,四轮独立 驱动技术的成果还比较少。随着技术的积累和成熟,四轮独立驱动电动车的商 业化应用将为时不远。下面将介绍国内外的一些汽车公司和研究机构在这方面 的研究工作中取得的一些进展。 在年月举办的东京汽车展览会上,展出了一款引人注目的四轮轮 式驱动电动轿车“,它是由东京电力公司和日本电池公司共同研制的。 的四个车轮均为外转子无刷直流轮毂电机,所谓轮毂电机就是指电机位于车轮 轮毂内,电机的旋转直接传递到轮胎,实验表明,此款电动车的总效率达到了 %以上。日本四国电力公司也研制出了一种轮式驱动电动汽车,名为 “’’,其在车速为/的情况下,可连续行驶,最高车速可 达/,并且在车内配置了充电装置。美国通用汽车公司提出了一个基于轮 式驱动的“燃料电池汽车原型。的电动轮技术使得底架 结构简化,底盘空间增加,有充足的空间放置控制设备、燃料电池、氢容器等。 东京大学的卜、 等提出了适用于轮边驱动的电动汽车 的驱动力控制系统,其建立的控制模型功能强大,能有效防止车辆的侧向运动。 卜、 等还提出一种关于轮边四轮驱动电动汽车的新的防侧 滑的方法,即仅通过检测电动机的电流和转速来检测车轮的滑移,从而通过控 制系统来防止滑移,并通过试验进行了验证。 武汉理工人学硕士学位论文 国内对四轮独立驱动电动车的研究也取得了一些进展。同济大学研制的“春 晖’’系列燃料电池概念车采用了个直流无刷轮毂电机独立驱动的电动轮模块。 其专利《四轮电子差速转向控制系统》公开了一种四轮电子差速转向控制系统, 该系统采集各种车辆传感器和车载部件的信号,并进行计算得出每个车轮的目 标转速,然后调整相应车轮转速。该专利系统能保证电动车在行驶时,四个车 轮与地面间保持纯滚动状态。比亚迪汽车公司于年在北京车展上展出的 概念车也采用了电动汽车最新驱动方式: 个轮边电机独立驱动模式。中国科 学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机,又称电动车 轮,单个电动车轮功率可达.。浙江大学、哈工大等几所高校也正在开展 四轮独立驱动电动车相关的研究工作。 ..技术特点 四轮独立驱动电动车是指四个车轮分别由四个独立控制的电动机驱动,任 何两个车轮之间都没有机械传动的环节。现阶段,四轮独立驱动的典型布局型 式有两种:一种是电动机为内转子电机,电机与车轮采用轴式联接;另一种是 电动机为外转子电机,电机置于车轮内部成为轮毂电机。 四轮独立驱动电动车相比传统汽车具有以下几方面技术特点【】 【】: 省略了传统燃油汽车中的离合器、机械换挡装置、变速器、机械差速 器和传动轴等机械部件,汽车的动力控制实现了软连接,电动轮通过电子控制 可以实现智能无级变速。整车结构简洁了,车辆轻便了,传动效率提高了。 可根据路面状况调整各电动轮的驱动力,从而使车辆动力学控制更加 灵活、动力性能更好。容易实现性能更好的、成本更低的牵引力控制系统、 防抱死制动系统及动力学控制系统。 容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈。大大 提高了汽车能量利用效率。 四轮独立驱动的布局形式使得整车底架结构大为简化,从而为车型设 计带来了极大方便。假如车身功能和底架功能可合理分离,那么在同一底盘上 便可设计出种类丰富的车身造型,为新车型的开发降低了成本,缩短了周期。 采用轮毂电机的四轮独立驱动电动车导入线控四轮转向技术, 可实现车辆转向行驶高性能化,可有效减小转向半径,甚至实现零转向半径。武汉理:大学硕士学位论文 .本课题的主要研究工作 鉴于四轮独立驱动电动车的研究现状,研究开发四轮独立驱动电动车控制 系统具有现实的工程意义和重要的应用研究价值。课题以四轮独立驱动电动车 为研究对象,重点开发设计了一套基于总线的四轮独立驱动电动车控制系 统。 控制系统是车辆的运行核心,同传统燃油汽车相比,电动汽车中电机驱动 的控制响应快、精度高,尤其对于四轮独立驱动电动车,各驱动轮的驱动力可 独立控制,这样符合车辆动力学和运动学的先进控制系统的功能主要便可通过 软件策略加以实施,相比传统燃油汽车实现同样的功能而言,控制性能得到了 大幅提高,而成本却很低。因此,本课题围绕四轮独立驱动电动车控制系统的 设计进行了以下几方面的研究工作: 四轮独立驱动电动车控制系统的构建 针对四轮独立驱动电动车的技术特点,考虑其与其他驱动形式的电动车的 不同,采用了整车控制器和轮毂电机驱动控制器相结合的布局形式,控制器间 的通信通过总线实现。考虑控制需求,合理选取车身传感器,对车身电气 设备进行布局。 轮毂电机的驱动控制研究 对应用于四轮独立驱动电动车的轮毂电机进行了选型,研究其工作原理、 控制方案及其数字化控制的实现。设计轮毂电机驱动控制器,实现轮毂电机的 良好运行性能。 基于的整车控制器的设计 整车控制器是控制系统的关键,负责车身传感信息的采集和处理,负责先 进控制策略的执行。是一款位定点数字信号处理器,集成了多 种先进外设,具有运算速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点,为电机和 其他运动控制领域的应用提供了良好平台。设计基于刚处理器的整 车控制器的硬件和软件,使信息处理稳定、高效。 总线网络的实现 设计一个适用于四轮独立驱动电动车控制系统的总线网络的实现方 案。详细研究该方案所涉及的节点硬件设计、网络结构、应用层协议设计 和消息收发软件设计。 武汉理工人学硕七学位论文 第章 四轮独立驱动电动车控制系统的构建 四轮独立驱动电动车的驱动形式是新颖的,目前国内外尚无完全成熟的控 制系统方案。本章首先对四轮独立驱动电动车控制系统进行了合理构建,然后 对四轮独立驱动电动车需要的电气设备和车身传感器进行了选择和布局,最后 研究讨论了四轮独立驱动电动车控制系统的控制策略。 .控制系统构建 .. 整体概述 四轮独立驱动电动车的控制系统是整个电动车的智能核心,控制系统的工 作性能直接关系到车辆的动力性、操纵性、安全性。其作用就是采集车身传感 信息,分析并合理控制车辆各个子系统的工作运行情况,实现车辆的稳定运行。 针对四轮独立驱动电动车的技术特点,考虑四轮独立驱动电动车控制系统必须 具备结构合理、稳定性好、实时性好、高效等特点,本文构建了四轮独立驱动 电动车控制系统,其整体结构框图如?所示。 图.四轮独立驱动电动车控制系统整体结构框图 武汉理火学硕士学位论文 四轮独立驱动电动车控制系统主要由整车控制器、轮毂电机驱动控制器、 总线网络三部分构成。整车控制器是上层控制器,负责车身传感信息的采 集和处理,以及控制策略的实施,并且向总线网络发送轮毂电机转速指令。 轮毂电机驱动控制器是底层控制器,负责接收总线网络上的转速指令,驱 动轮毂电机以给定转速转动;同时采集电机的实际转矩和实际转速,通过 总线传递给上层控制器。总线网络是连接整车控制器和轮毂电机驱动控制 器的纽带,负责转矩、转速等信息的传递。整车控制器和轮毂电 机驱动控制器 相结合的结构体系,使得轮毂电机依靠底层控制器就能完成驱动控制,而上层 控制器不必参与其中,进而可以集中精力进行复杂控制策略的算法实现,为系 统软件的实现提供了便利。 ..组成部分 整车控制器、轮毂电机驱动控制器、总线网络共同构成了四轮独立驱 动电动车控制系统。三部分各有分工,实现不同的功能,下面将对这三个部分 分别予以介绍。 整车控制器 整车控制器是整个四轮独立驱动电动车控制系统的上层控制器,也是整个 控制系统的核心。其负责采集车身传感器传送来的各种车辆行驶信息,如前进 和倒车、加速、转向角、车辆纵向和侧向加速度、蓄电池电压、路面状况等等, 根据这些信息选择合适的控制策略及算法,计算出应该给电动车四台轮毂电机 的转速设定值,并发送到总线网络。 由于车身传感器输出的多是模拟量,并且需要的车身传感器也较多,所以 整车控制器需要有多路转换通道,而且要求转换速度快、转换精度高,这样 才能保证控制的实时性、准确性。由于整车控制器要向总线网络传送转速 信息,因此整车控制器需要有控制器。另外,考虑到控制策略的复杂性, 以及车辆性能的要求、控制系统的扩展等,整车控制器的运算速度要快、存储 容量要大、外围接口要丰富。 为此,本文设计了基于的整车控制器。是美国 德州仪器公司的一款系列数字信号处理器,工作频率可达到, 是位定点芯片【们。它既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理 武汉理大学硕士学位论文 能力和嵌入式控制功能,特别适用于有大批量数据处理的测控场合,如工业自 动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 它是公司推出的最佳控制平台系列中的高端芯片。最高 主频,信号处理速度快,实时控制性能好。其提供了浮点数学函数 库 ,设计人员可轻松在此定点处理器上实现浮点运算。其丰富的外围接口 如/、定时/计数器、、看门狗、总线、、等,方便了信息 处理和系统扩展。的优异性能和丰富资源满足了四轮独立驱动电 动车控制系统中的整车控制器设计要求,以其为核心的整车控制器的功能实现 有了保障。 轮毂电机驱动控制器 轮毂电机驱动控制器是整个四轮独立驱动电动车控制系统的底层控制器, 是轮毂电机的直接驱动控制单元。其负责轮毂电机的驱动,同时接收高速 总线网络上的转速指令,使轮毂电机按指令转动,保证良好的动静态特性。另 外,测量轮毂电机的实时转矩和转速,通过总线传送到整车控制器。 典型的四轮独立驱动布局型式,其电动机与车轮之间可以是轴式联接,也 可以将电动机嵌入车轮成为轮毂电机。本文的电机即为轮毂电机,轮毂电机安 装在车轮的轮毂内,电机的转子为外转子,输出转矩直接传输到 车轮,舍弃了 传统的离合器、传动轴、差速器等机械部件,降低了机械传动损耗,并具有灵 活的行驶特性【】【。在众多的轮毂电机类型中,本文选择了轮毂式无刷直流电机 。轮毂式无刷直流电机分有位置传感器和无位置传感器两种,无位 置传感器的零速启动和低速脉动问题使得其控制还不太理想,有位置传感器的 控制方法简单、成熟,因而应用广泛。本文研究的轮毂式无刷直流电机即是有 霍尔式位置传感器的。 本文设计了基于的轮毂电机驱动控制器。是 公司的高性能位单片机,其具有的/、定时/计数器、模块、 总线等功能,能完全满足对轮毂式无刷直流电机的驱动控制。 总线网络 总线连接着整车控制器和轮毂电机驱动控制器,构成了分布式控制网 络。其负责上层控制器和底层控制器的通信。 总线源于德国的博世公司,是多主串行通信协议,具有较高 的通信速率和较强的抗干扰能力,可以作为现场总线应用于电磁噪声比较大的 武汉理:大学硕士学位论文 场合。总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉 等优点,克服了传统工业总线的缺陷【?。其在硬件上可以减少布线,易于系统 扩展或改型;在软件上通信更加灵活、实时性更好、纠错能力更强。总线 逐渐成为汽车最基本的控制网络。我国高度重视总线技术在电动汽车中的 应用,国家“计划’’关于电动汽车的说明中已经明确指出,新申报的电动汽 车项目必须采用总线通信。总线分为:低速应用 与高速应用。低速总线主要面向在线诊断、车身电子等领域, 。与其他总线相比,高 而高速总线主要面向动力控制、安全系统等领域【 速总线更能适应电动汽车这一应用场合,尤其适用于构建四轮独立驱动电 动车中分布式多电机控制系统。 .辅助电气布局 .. 电源 在“十五”国家电动汽车专项中提到动力蓄电池是电动汽车三大 关键 技术之一,可见电池技术对于电动车的重要性。伴随着电动汽车的发展,电池 储能方式也在推陈出新,例如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、 锌空电池、电容储能、飞轮储能等。每种电池在不同时期都为电动汽车的发展 起到了积极地推动作用。特别是锂离子电池,因其能量密度高,被人们认为是 最有发展前途的电动车用电池,现在很多投入使用的电动车上都使用了锂离子 电池。铅酸电池是比较早出现的一种电池,其能量比低、自放电率高、回收有 一定污染,可以说正被逐渐淘汰出电动车市场,但它的技术成熟、价格低廉、 电池电压高、高低温性能好、效率高,短时间内还会存在于市场上: 本研究从性价比方面考虑,在试验中采用了铅酸电池作为能量来源,个 、的铅酸电池串联得到作为四轮独立驱动电动车的总电源。电动车 的各个控制系统和电气设备都需要由总电源来供电,所以需要合 理安排电源给 各部分。整个电动车的电源系统布局主要有以下几个方面: 轮毂电机绕组电源 轮毂式无刷直流电机的绕组的供电电源是电机转动的原动力,本研究中的 电机参数为:额定电压,额定功率为,额定转速/。 武汉理工大学硕士学位论文 整车控制器电源 由于整车控制器是基于芯片的,而需要双电 源供电/ .和内核.,而且上电/掉电顺序有一定要求,所以将通过 .降压到,再通过特定电路得到.和.,这会在第四章作具体叙 述。 轮毂电机控制器电源 轮毂电机控制器负责电机驱动控制,电机驱动电路中需要用到.、, 所以将通过三端稳压器、与二极管降压得到.,再经 降到。 车身传感器用电源 车身传感器如:电子踏板、转向角传感器、加速度传感器等均为供电, 通过前述?得到的,再降压即得到。 ..车身传感器 四轮独立驱动电动车整车控制器接收的指令信号主要有三个:加速信号、 转向信号、刹车信号。驾驶者的操纵意图通过机械电子线路转变成指令信号, 从而让四轮独立驱动电动车的四台轮毂电机的转矩、转速改变,进而实现车辆 相应行驶状态。指令信号是由传感器产生的,加速信号由电子踏板获得;转向 信号由方向盘上安装的多圈旋转电位器获得;刹车信号由制动踏板获得。三者 均为高精度位移传感器,输出的模拟信号范围为.。 在四轮独立驱动电动车的相关研究中,必须要用到的是车速、转向角、每 个车轮的速度这三个基本参数。转向角的获得已由安装在方向盘上的传感器解 决,每个车轮的速度也可由安装于轮毅式无刷直流电机内的霍尔位置传感器的 电平信号运算处理获得,而车速的获得是一个较棘手的问题。经考虑,本研究 选用了 公司的四自由度惯性传感器。 是一款内置偏航角速度陀螺仪与三轴加速计的完整惯性系统。 其每个传感器都拥有自身的动态补偿,可用于校正公式,从而可 在电源电压范 围内提供精确的传感器测量,改进的接口与寄存器结构提供了更快的数据收 集与配置控制。电动车行驶状态中的车辆角速度、横向加速度、纵向加速度、 车速都可由此传感器直接或间接取得,不仅满足了本研究中车体参数的需求,武汉理工人学硕学位论文 也为车辆动力学、运动学的研究创造了条件。 .控制策略研究 在四轮独立驱动电动汽车的控制研究上,首先面对的技术问题是以轮毂电 机驱动系统取代了传统燃油汽车的发动机系统后,原来在传统燃油汽车上的油 门控制,应如何在电动车上实现合理并相似的控制。本节将会对整车控制策略 做初步的研究和分析。 ..传统汽车的控制系统 对于传统燃油汽车来说,驾驶人员对车辆的操纵驾驶主要通过旋转方向盘 的角度变化和踩踏油门踏板的开度变化来实现。 首先来分析方向盘的旋转对传统汽车的行驶状态的影响。假设司机操作方 向盘给定左前轮的转角鼠,由于传统燃油汽车的机械转向器和差 速器的存在, 右前轮的转角被设定为幺。那么根据车辆运动学推理,此时车辆 转向状态示意 图可表示为图。 一 ? ” ? /令 ?一 一 一 ? \体弋 士 , \ \ 赫 / \ ? ? 夕 、‘一 一 图车辆转向状态示意图 分析可知,其主要的几何关系群如下【】: . 武汉理工大学硕士学位论文 . ,./ ? . . 再万 . 式中,’,为车体质心的运动速度,为车体转向角速度。 进而通过分析车辆转向时的几何关系群,可以知道,当车辆转向时,方向 盘的旋转角度可以确定车体质心的运动速度和转向角速度,也就是说决定了车 辆的转向运动轨迹。 然后分析油门对传统汽车行驶状态的影响。油门的开度表征了燃油汽车发 动机供油量的多少,供油量越大,发动机输出的机械能就越大,即汽车的驱动 力就越大。因此油门的给定量与发动机的输出驱动力有大致的线性关系。 对方向盘和油门的操纵处理是传统燃油汽车控制系统的重要内容和主要工 作。然而,随着电子技术的发展和人们对汽车动力性、驾驶安全性的追求,传 统汽车上也引进了先进的汽车电子控制技术,如防抱死系统和牵引控制系 统等。通过控制制动过程中的制动力矩,使车辆整体的滑移率限制在预设 范围内,保证有效快速停车。牵引控制系统通过实时监测滑移率对车辆的功率 给定进行调解,获得车辆的最佳启动和制动性能。虽然市场上一些高档燃油汽 车已经装配了这些电子系统,提高了车辆的性能,但是由于车辆动力源的特点 以及机械差速装置的限制,这方面的控制都还不太理想,工程实现复杂【。 ..电动车整体控制策略 对于四轮独立驱动电动车,由于电动机的良好控制性能,在车辆控制中可 以采用电压、电流、输入功率、车体速度等控制方式。表.列出了各种单一控 制方式下的车辆运行性能【】【】。武汉理大学硕士学位论文 表.各种单一控制方式下的整车运行性能 控制给 加速过程 恒给定运行过程 减速过程 定量 油门 给定功率大,转化效率低,加 由路面的状况决定实际的运行速度, 缓慢惯性减速到 发动 速转矩与给定相关。 速度与给定量的平方近乎线性关系。 新的平衡点。 机 在小给定范围内加速转矩与给 由路面的状况决定实际的运行速度, 缓慢惯性减速到 电压 定有关,否则以最人转矩加速。 速度与给定量近乎线性关系。 新的平衡点。 可控制加速转矩,只受电流限 由路面的状况决定实际的运行速度, 缓慢惯性减速到 电流 制值限制。 速度与给定量近乎线性关系。 新的平衡点。 输入 在小给定范围内加速转矩与给 由路面的状况决定实际的运行速度, 缓慢惯性减速到 功率 定有关,否则以最大转矩加速。 速度与给定量的平方近乎线性关系。 新的平衡点。 车体 在车体速度与给 当车体速度与给定量相差较大 由路面的状况不断调节电动机的功率 速度 时以最大转矩加速,接近时加 和转矩,以达到给定的线性速度关系。 定相差较大时有 速度减小。 电气制动功能。 对比表中各种控制给定方式下加速过程、恒给定运行过程、减速过程,考 虑到人们对传统燃油汽车驾驶的习惯,如果找出一种与传统燃油汽车油门给定 控制最为接近的电动车控制方式,则是电动汽车输入功率控制。它们两者在恒 给定运行过程和减速过程是一致的。它们的区别主要在加速过程,电动车由于 采用了电动机,其启动性能优于传统燃油汽车的内燃机,可以以最大转矩加速。 电流和电压控制在恒给定运行过程中,其给定和速度是简单的近乎线性关系。 车体速度控制相比于其它电动车控制方式具有明显的优势。由于车体速度 不同于电压、电流,其并不是电气参量,所以在进行整车速度控制同时,也可 以对其他电气变量进行调节,加强车辆动力性。另外,车体速度控制不同于以 往的燃油汽车油门给定控制,会给驾驶者以全新的驾驶舒适感。在传统汽车油 门给定控制方式下,司机不得不根据行驶工况和路面状况调节油门开度来达到 车辆的稳定行驶。而车体速度控制下的电动车辆可以使用速度自动锁定功能, 使车辆根据不同的道路工况自动地改变电动机功率和转矩输出调节车辆的速 度。 因此,对于四轮独立驱动电动车的整体控制策略,本文以车体速度控制为 最佳方案。对于四轮独立驱动电动车,有四台轮毂电机,因而对于整车的操控 量将在控制算法中被分解,分别形成对四台轮毂电机的控制量,控制四个轮毂 的运转,从而实现对于整车的控制。 武汉理:人学硕七学位论文 ..电动车基本运行方式实现策略 四轮独立驱动电动车和其他车辆一样,在行驶过程中,呈现出的最常见的 三种运行方式为:匀速直线、加减速、转向。下面将对四轮独立驱动电动车这 三种基本的运行方式的实现做初步研究和分析。 匀速直线 当电动车在匀速前进时,由于路面高低不平、轮胎参数、路面粗糙程度有 差异,必然会影响到四个车轮的转速,导致四个车轮转速大小不一致。如果不 加干涉,电动车便会向转速慢的那一侧转向。如果四个车轮的转速相差较大, 更会引起车辆行驶不稳定。所以,为了保证四个车轮的转速一致性,可以对四 台轮毂电机的转速进行闭环控制,提高电机的调速响应时间和稳定性。 电动车保持直线匀速前进的策略是:当电动车直线前进时,在采样点时刻 求取四个车轮转速的最小值,调节其他三个车轮的转速到这个最小值。 加减速 当电动车加减速时,电子踏板的开合度在不断变化,速度给定指 令也在不 断变化,四台轮毂电机的转速也在不断变化。为了实现车体的加减速运行,四 台轮毂电机的加减速要具有一致性,并且加减速度值要基本等同,否则易磨损 轮胎和造成运行的不稳定性。如若在加减速过程中,发生转向指令,此时执行 转向操作的话,会引起车辆运行的不稳定和控制的复杂性。此时,采取的措施 是记录转向发生时的速度给定值,当转向结束后再回到“断点”继续加减速。 转向 四轮独立驱动电动车是通过电子差速实现转向的。电子差速 ,简称是完全采用电控方式控制各个车轮的转速,使车轮以不 同速度转动,不但达到转向的目的,同时保证车轮不发生滑动或者滑移,作纯 滚动运行【。电子差速系统舍弃了传统燃油汽车的机械差速器和减速装置,通 过调整电机转速实现了差速转向。 电子差速转向的基本原理是:当需要转向时,令电动车的内侧车轮速度小 于外侧车轮速度,那么相同时间段内,内侧车轮走过的距离肯定 小于外侧车轮 走过的距离,继而车体向内侧偏转,实现转向。 电子差速转向的具体过程为:首先,方向盘上安装的多圈旋转电位器将方 向盘转向的角度转换成电压模拟信号,在此之前,定义转向角与电压模拟信号 武汉理大学硕七学位论文 的对应关系。然后对这个电压模拟信号进行分析,根据算法可得出在不同转向 角下各个车轮的转速分配,内外侧车轮速度有差异,实现转向。 四轮独立驱动电动车可以工作在三种转向模式下:前轮转向、全轮转向和 。 斜行转向【】【 前轮转向:是一种常用的转向方式,前外轮的弯道行驶半径大,驾驶员易 于用前外轮是否避过障碍物来估计整车的行驶路线。 全轮转向:前后轮同时偏转的转向方式,多用于对机动性有特殊要求或车 体较长的汽车,此种转向方式前后轮的偏转方向相反。 斜行转向:前后轮偏转方向相同的一种转向方式。斜行时,能从斜向靠近 或者离开作业面。在斜坡上工作时,可以提高汽车横向稳定性。 显然,前轮转向是最符合人们的驾驶习惯的一种转向方式,同时该方式控 制相对简单,所以本文选择前轮转向方式。 在前轮转向方式的前提下,工程上常见的转向策略有三种:差速式??外 侧车轮速度升高,内侧速度降低;降速式??两侧速度都下降,但内侧速度比 外侧速度下降快;独立式??外侧速度不变,内侧速度降低。本文采用独立式 转向策略,这样只需要对内侧车轮转速进行调节,降低了系统工作量,也使车 体速度降幅不是很大。方向盘转向角度的正负决定了谁为内侧电机,谁为外侧 电机。外侧电机的转速保持不变,内侧电机的转速根据转向角度由系统降低, 从而实现转向。 .本章小结 本章构建了由整车控制器、轮毂电机驱动控制器和总线网络三部分组 成的四轮独立驱动电动车控制系统,并对每个部分的功能、设计思路进行了简 单介绍,对整个四轮独立驱动电动车控制系统的设计起到了指导作用。本章还 对四轮独立驱动电动车的控制系统的一些外围辅助电气设备进行了选择和布 局。在本章中,还对四轮独立驱动电动车的整体控制策略进行了探讨,确定了 以车体速度控制为最佳方案。文章最后,对四轮独立驱动电动车最常见的三种 运行方式:匀速直线、加减速、转向,做了研究并阐述了相应的实现策略。 武汉理大学硕士学位论文 第章 轮毂电机驱动控制研究 轮毂电机驱动系统是一种先进的电动车驱动方式,被认为是电动车的最终 驱动形式。高品质轮毂电机及其驱动控制系统是近年来国内外汽车电气工程领 域的重要研究方向。本章我们就将围绕应用于四轮独立驱动电动车的轮毂电机 及其驱动控制技术展开研究。本章首先介绍了轮毂电机的选择,及其结构、工 作原理、数学模型,然后对轮毂电机驱动控制器进行了硬件和软件设计。 . 轮毂电机 ..轮毂电机的选择 电动机是电动汽车的动力部件,直接关系到车辆的行驶性能。电动车使用 的电动机应具有较硬的机械性和较强的过载能力,同时还必须具有启动转矩大、 转速高、调速范围宽、工作可靠、效率高等特点。 目前,应用于电动车的电机类型主要有:永磁有刷直流电机、永磁无刷直 流电机、开关磁阻电机、感应电机【。 永磁有刷直流电机:调速性能好,启动转矩大,控制方法简单,运行可靠 性高,换向器和电刷需要定期维护。但是在低速运行时,电刷的磨损很小,一 般在小时以内免维护,因此它较适合用于低速的直接驱动的电力驱动系统 中。 永磁无刷直流电机:既具有永磁直流电机的良好调速、控制、运行特性, 又具有交流电机的高可靠性、长寿命、免维护的特点,适用于宽调速范围的电 力驱动系统。 开关磁阻电机:是一种双凸极磁阻电动机,基于磁阻最小原理工作。主要 特点是结构简单坚固、可靠、启动转矩大、启动电流小、较高的功率密度和转 矩质量比、宽调速范围。其不足是转矩脉动大、控制系统复杂、振动和噪声较 大【。 感应电机:有统一的工业标准,它有高效率、高能量密度、高可靠性、价 武汉理大学硕士学位论文 格低廉的特点。由于其控制系统需要用高档的微处理器,其电路复杂,加上转 差损耗,在小功率电机驱动系统中极少采用。 通过上述几种电机的性能对比,永磁无刷直流电机保留了有刷直流电机良 好的调速、控制和运行特性,克服了其机械换向的缺点,并具有启动转矩大、 过载能力强、效率高、功率转矩密度高、免维护、可高速运行等一系列优点, 更适合应用于电动车。根据电机运行时线圈绕组上反电动势波形的不同,可将 永磁无刷直流电机分为:具有正弦形反电动势的永磁同步电机与具有梯 形反电动势的方波型永磁无刷直流电机两类【。与永磁同步电机相 比,方波型永磁无刷直流电机具有本体结构简单、驱动控制相对容易、成本较 低等显著优点。本研究即采用外转子式三相型连接的方波型永磁无刷直流电 机,为了行文方便,下文中此类电机被简称为“无刷直流电机’’。 无刷直流电机包括有位置传感器和无位置传感器两种。有位置传感器的无 刷直流电机通过位置传感器来测定转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置,为控 制器提供正确的换相信息。位置传感器一般最广泛采用的是开关型霍尔式位置 传感器,其体积小、寿命长、耐腐蚀、工作温度范围宽,非常适合装配于电机 内部。而且有位置传感器的无刷直流电机控制实现简单、可靠,机械功率密度 非常高。本研究即采用带霍尔式位置传感器的无刷直流电机。 由于四轮独立驱动电动车的驱动电机为轮毂式的,所以本文选择轮毂式无 刷直流电机。所谓轮毂式无刷直流电机,也是永磁无刷直流电机的一种,只是 将无刷直流电机安装在汽车驱动轮的轮毂内而构成的,其转子为外转子,输出 转矩可以直接传递到车轮。 因此,本文的轮毂电机选型为轮毂式无刷直流电机,且有霍尔式位置传感 器。 ..轮毂式无刷直流电机的结构 轮毂式无刷直流电机的结构如图所示。武汉理工人学硕十学位论文 图 轮毂式无刷直流电机的结构 卜磁瓦,一铁芯,一电枢绕组,一铝合金骨架,一电枢与霍尔传感器引出导线, 一轴承,一固定轴,一机壳,一辐条安装孔,一端盖 轮毂式无刷直流电机作为电动车直接驱动的执行装置,其结构特点可概括 为:定子采用多极少槽结构,由电枢铁芯、绕组线圈、霍尔位置传感器模块、 铝合金骨架及固定轴构成。构成外转子的机壳由导磁体构成,内圆表面使用树 脂粘贴有多极钕铁硼磁瓦,外圆留有辐条安装孔,左右机盖均采 用轻质铝合金 材料。固定轴的一侧引出三相电枢导线和霍尔位置传感器模块的供电电源线、 霍尔信号线【引。 ..轮毂式无刷直流电机的工作原理 轮毂式无刷直流电机实现从电能到机械能的转化,也是以转子磁场和定子 磁场的相互作用为理论基础的。轮毂式无刷直流电机定子上绕有绕组线圈,转 子由永磁材料制成。运行时,永磁材料产生的转子磁场和转子同步旋转,为了 使转子持续转动,必须使定子磁场的方向和转子磁场的方向保持一定的空间相 位关系,且当两者的相位差为。电角度时转矩最大。这意味着定子磁场需尽 武汉理【:人学硕七学位论文 量保持与转子磁场以同样的角速度旋转。 定子磁场是由定子上的电枢绕组产生 的,由于电枢绕组是固定的、不能旋转, 所以只能通过以~定规律变换电枢绕 组上的电流流向来获得旋转的定子磁场。 对于定子电枢绕组为三相星形型连接的情况而言,通常给三相绕 组中 的两相绕组通电产生磁场与转子磁场相互作用产生转矩,进而使转子旋转。 渗’ 图轮毂式无刷直流电机工作原理 转子磁势,定子合成磁势,从’、’、’一定子电枢绕组 轮毂式无刷直流电机工作原理如图.所示。图.为电机在某一时刻 的转子和定子相对位置,转子磁势为,为使转子以较大转矩顺时针旋转,应 让定子合成磁势在转子磁势的顺时针方向,并与垂直。根据电磁感应 定律,要得到定子合成磁势,只需使得定子的相电流从’端流入、端流 出,同时使得定子的相电流从端流入、’端流出。同理,当转子转过。 电角度,到达图中所示的位置时,若依然要保持在的顺时针方向, 并与垂直,则应该使得定子的相电流从’端流入、端流出,同时使得 定子的相电流从端流入、’端流出。依次类推,随着转子转到不同位置, 各相绕组的通电规律也便清楚了。只要定子三相绕组电流按此规律流通,转子 便会持续旋转。 分析其工作原理,发现电枢电流在定子的三相绕组中不断切换,即电流换 相,并且电流换相的顺序、时刻与转子所处位置有关。所以轮毂式无刷直流电 机的驱动控制的关键是及时检测转子磁极的位置,提供正确的换相电流。武汉理一人学硕士学位论文 ..轮毂式无刷直流电机的数学模型 对于本文论述的轮毂式无刷直流电动机,其数学模型的建立与永磁无刷直 流电机相同,为便于研究分析,现做如下一些假设【】【】: 磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗; 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响; 电枢绕组均匀分布于光滑定子内表面,定子电流、转子磁场分布均匀; 三相绕组完全对称,为。相带整距绕组,星形连接。 ‘? 丢 兰 蓍;专 曼麦 鼍; 三相星形电机中必然存在以‘屯,因而木‘膨事‘肘宰屯,故 ‘ 爹;誊丢主;三毛肘工工三肘 式中玑、口、为三相定子绕组电压;、矗、为三相定子绕组感应 电动势;。、、为三相定子绕组电流;为三相定子自感;为三相定子 绕组间的互感;。为三相定子绕组的相电阻;为微分算子。 由式可以将电机每相绕组等效为电阻、电感和反电动势串连,得 到的 等效电路如图所示。 吒 % % 图.轮毂式无刷直流电机等效电路图 电磁转矩方程为: :型』?型墨?型 . , 国 运动方程为: . 一瓦,警 武汉理一【:人学硕士学位论文 式中正为负载转矩,,为电机转动惯量,国为电机机械转速。 前面提到,轮毂式无刷直流电动机保留了有刷直流电机良好的调 速、控制 和运行特性,克服了其机械换向的缺点,并具有效率高、功率转矩密度高、 免维护、可高速运行等特点,适用于宽范围调速的电力驱动系统。考虑到功率 器件的成本和容量的限制,以及在换向过程中所引起的转矩波动问题,轮毂式 无刷直流电机的实际最大输出力矩要低于理想设计值。但可以肯定的是,起动 转矩一定不会小于电机额定运行时的转矩,因而在合适的功率器件控制之下, 轮毂式无刷直流电动机的特性将优于传统的内燃机。 图.轮毂式无刷直流电 图.永磁有刷直流电 图内燃机转矩特性 动机转矩特性 动机转矩特性 图.、.、给出了轮毂式无刷直流电动机、永磁有刷直流电动机和内 燃机理想化的转矩特性之间的比较。可以发现,对于同功率等级的三种电动车 动力源,永磁有刷直流电动机的起动性能最佳,其次为轮毂式无刷直流电机, 最差为内燃机。 .轮毂电机驱动控制器设计 ..控制方案 本文研究的轮毂电机是带霍尔式位置传感器的轮毂式无刷直流电机,其内 部绕组是三相星形联结,所以本文采用应用最为广泛、综合性能最好的三相星 形全桥驱动、两两导通、三相六状态方式来驱动电机。图.为轮毂式无刷直流 电机三相星形全桥驱动原理图【。如图所示,、、、、、为 六个功率管,每一瞬间有两个功率管导通,每隔。电角度定子绕组 电流换相一次,每次换相更换一个功率管,每个功率管一次导通。电角度。 功率管导通顺序依次为:、广一、,.一、、、一武汉理丁大学硕士学位论文 、。 图.轮毂式无刷直流电机三相星形全桥驱动原理图 考虑到轮毂电机应用于四轮独立驱动电动车,轮毂电机的转速需要可控, 并且为了使电机机械特性为硬特性,本文设计了内环电流环、外环转速环的双 闭环调速控制系统。系统控制方案框图如图?所示。图轮毂式无刷直流电机控制方案框图 控制方案设置了速度调节器和电流调节器,两者串联。由霍尔式 位置传感 器测定的转子位置信号一方面用于控制三相星形全桥驱动电路中功率管的导通 顺序,另一方面则用于电机速度计算。速度给定值与速度反馈值的偏差送给速 度调节器,速度调节器的输出作为电流给定值。该电流给定值与电机相电流的 反馈值的偏差送给电流调节器,由电流调节器控制调节的占空比,继而控 制功率管的导通时间,实现对电机转速和电机电流转矩的控制。为了获得武汉理火学硕七学位论文 良好的动、静态性能,速度调节器和电流调节器均采用调节,并且均