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二O一一屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)
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二O一一屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一章 緒 論
1．1背景及研究的意義
20世紀(jì)各國的汽車工業(yè)在推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造福于人類的同時，也給全球環(huán)境帶。來了災(zāi)難性的影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，42％的環(huán)境污染來源于燃油汽車的排放；80％的城市噪聲是由交通車輛造成的。此外，當(dāng)今世界石油儲量日趨減少，而燃油汽車則是消耗石油的大戶。因而，當(dāng)今石油資源匾乏導(dǎo)致的危機(jī)與環(huán)境保護(hù)的緊迫需求，都主導(dǎo)著汽車工業(yè)的發(fā)展勢必尋求低噪聲、零排放、綜合利用能源的方向。以開發(fā)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的替代動力系統(tǒng)為基本思想，利用清潔能源為本質(zhì)特征的電動汽車技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域發(fā)展的前沿課題之一。1873年戴維遜所研制成功的電動汽車(Electric Vehicle，簡稱EV) [1]，從上世紀(jì)90年代以來，己再度成為世界各國研究的熱點(diǎn)。
目前，一些新穎的電動汽車(EV)采用獨(dú)立的驅(qū)動方式，其代表是東京電力推出的IZA電動車[2]，其中集成的技術(shù)是一種直接驅(qū)動方法，每個輪裝有輪轂電機(jī)，不再需要傳動機(jī)構(gòu)和差速齒輪，可按所需動力來分配兩電機(jī)的功率，因此整個系統(tǒng)的效率得到提高，同時，對于這種驅(qū)動單元，需要一個電子差速驅(qū)動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有關(guān)于電動輪電子差速技術(shù)的研究很少，其中大部分集中在帶有差速運(yùn)行的特殊電機(jī)設(shè)計(jì)上。例如 F．Carricchi等提出了采用單定子，雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動輪驅(qū)動系統(tǒng)的差速技術(shù)[3]；Kawamura等提出了一種ADTR (Anti．Directional—twin·rotary)電機(jī)[4] [5]：Patrick等提出了采用一個逆變器為兩個并聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)供電的結(jié)構(gòu)[6]等。但這些特殊的電機(jī)均存在一定的不足之處，尚不能完全解決電動輪電子差速問題。綜合以上內(nèi)容可知，電動汽車的發(fā)展與普及是21世紀(jì)人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求，但目前電動汽車綜合性能與傳統(tǒng)汽車尚不能相比，而且價格也較后者高。提高電動汽車的性價比是增強(qiáng)電動汽車競爭力，加快其商業(yè)化進(jìn)程從而實(shí)現(xiàn)電動汽車普及所必需解決的問題。而電動輪驅(qū)動技術(shù)由于取消了機(jī)械傳動，加上電動機(jī)的良好控制性能，給電動汽車帶來很多優(yōu)點(diǎn)，可明顯提高電動汽車相對傳統(tǒng)汽車的競爭能力，有望成為新一代電動汽車的核心驅(qū)動技術(shù)。它將加速電動汽車的商業(yè)化進(jìn)程，使電動汽車快速普及，從而達(dá)到提高汽車能源利用率，緩解全球能源緊張的局勢，降低汽車排放，改善全球環(huán)境的目標(biāo)。
本課題以輪式后輪驅(qū)動電動汽車的工程項(xiàng)目為背景，立足于其動力系統(tǒng)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制，深入地研究了整車車輛差速控制的控制策略，開發(fā)了基于TI—DSP2407A的輪式后輪驅(qū)動電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)。如上所述，本項(xiàng)目面向社會與新技術(shù)的發(fā)展需求，涉及車輛、電機(jī)、控制理論、電力電子等眾多學(xué)科與工程技術(shù)領(lǐng)域，對于進(jìn)一步研究開發(fā)電動車新技術(shù)，具有現(xiàn)實(shí)的學(xué)術(shù)和工程意義。
1．2 電動輪驅(qū)動技術(shù)概述
電動汽車電動輪驅(qū)動技術(shù)是利用多個獨(dú)立控制電動機(jī)驅(qū)動汽車的四個車輪，動力源與車輪及車輪與車輪之間沒有機(jī)械傳動環(huán)節(jié)。電動機(jī)與車輪之間可以是軸式聯(lián)接也可以將電動機(jī)嵌入車輪成為輪式電機(jī)，車輪可帶或不帶有輪邊的減速器。本文用的電機(jī)是嵌入車輪不帶輪邊減速器的電動機(jī)。電動汽車采用電動輪驅(qū)動技術(shù)后，能量源與驅(qū)動電機(jī)之間的功率傳遞采用軟電纜傳遞，擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械傳動的設(shè)計(jì)約束。這給整車帶來很多優(yōu)點(diǎn)，具體如下：由于取消了離合器、變速箱、傳動軸、差速器等部件，使傳動系統(tǒng)得到簡化，整車質(zhì)量大大減輕，使汽車很好的實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)，傳動效率得到提高；減少了精密機(jī)械部件的加工費(fèi)用，使整車生產(chǎn)成本也有望降低；電動機(jī)直接驅(qū)動車輪甚至兩者集成為一體，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；電動輪與動力源之間采用軟電纜連接，占用空間很少，因此使電動汽車整車布置設(shè)計(jì)非常靈活，容易實(shí)現(xiàn)汽車的低地板化，行李箱及乘客位置設(shè)計(jì)更靈活，整車質(zhì)量分布設(shè)計(jì)自由度大，使軸荷分配更趨合理；由于動力傳動的中間環(huán)節(jié)減少，與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，能夠降低噪音；容易實(shí)現(xiàn)性能更好的、成本更低的牽引力控制系統(tǒng)(TCS)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、動力學(xué)控制系統(tǒng)(VDC)及電子穩(wěn)定功能(ESP)等；電動機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)非?？?可達(dá)到0．2ms)且容易測得其準(zhǔn)確值，這對TCS、ABS、VDC系統(tǒng)來說是非常重要的；具有無級變速特性且便于實(shí)現(xiàn)汽車巡航控制功能：對各車輪采用制動能量回收系統(tǒng)，則可大大提高汽車能量利用率：容易實(shí)現(xiàn)汽車底盤系統(tǒng)的電子化、主動化，各車輪的驅(qū)動力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行時時控制，真正實(shí)現(xiàn)汽車的“電子主動底盤”[7]。
1．3 電動輪驅(qū)動汽車電子差速技術(shù)概述
當(dāng)車輛行駛在轉(zhuǎn)彎路面或彎道時，為了達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，車輛轉(zhuǎn)向時內(nèi)外輪應(yīng)當(dāng)具有一定的速度差，即差速。傳統(tǒng)汽車中是依靠行星輪的自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)左、右車輪差速，對于采用電動輪驅(qū)動的電動車來說，各輪之間同樣存在轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制的問題。電子差速(Electrical Differential，簡稱ED)是一種以純軟件方式使各動力輪的行駛速度滿足一定約束關(guān)系的差速方法，完全采用電控方式控制各車輪的轉(zhuǎn)速，使其以不同速度轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)向的同時保證車輪不發(fā)生拖動或者滑移，而做純滾動。該方法是實(shí)現(xiàn)其他復(fù)雜控制算法的基礎(chǔ)，它直接影響到整車控制算法的實(shí)施質(zhì)量瞵[8-10]。
電子差速轉(zhuǎn)向控制是雙電動機(jī)驅(qū)動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動輪電子差速技術(shù)已經(jīng)成為電動輪整車控制系統(tǒng)必須解決的問題。電動輪驅(qū)動汽車輪心通過懸架與車體相連，車輪輪心的水平速度與車體該處的水平速度相等，但由于懸架的上、下運(yùn)動，還會引起輪心產(chǎn)生垂向速度(如車輪爬坡行駛)，這兩個速度分量的合成即為實(shí)際輪心速度，由此可見，在轉(zhuǎn)向及汽車在不平路面上行駛時，各輪輪心速度是不相等的，為此也要求各輪轉(zhuǎn)速也不相同，并與相應(yīng)輪心速度相協(xié)調(diào)。對電動輪驅(qū)動的電動汽車，各車輪之間沒有機(jī)械連接，運(yùn)動狀態(tài)相互獨(dú)立，那么電動車各車輪在汽車轉(zhuǎn)向或在不平路面上行駛時同樣要滿足車輪旋轉(zhuǎn)線速度與該車輪的輪心速度相協(xié)調(diào)的關(guān)系。只有滿足這一前提，才能說解決了電動輪汽車的差速問題。
1．4國內(nèi)外差速技術(shù)研究情況
國內(nèi)近兩年開始研究電子差速技術(shù)，但效果均不理想。從所掌握的文獻(xiàn)來看，對電動輪驅(qū)動汽車的電子差速技術(shù)研究可分為兩條途徑，一條是通過整車控制器調(diào)節(jié)各驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)；一條是通過電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
沈勇等提出了一種基于線性Ackerman轉(zhuǎn)向模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的復(fù)合模型，用于對四輪獨(dú)立驅(qū)動電動車的各車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其模型參數(shù)可以用實(shí)際整車數(shù)據(jù)來直接整定。該控制方法利用Ackerman轉(zhuǎn)向模型輸出各車輪速度間的線形關(guān)系，而采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來彌補(bǔ)行駛時車輪速度的實(shí)際差異，以補(bǔ)償汽車的非線性特性，從而達(dá)到了簡化控制系統(tǒng)的目的，并在中低速行駛時使差速問題得到一定解決[11]。上述研究以采用Ackerman模型建立汽車各輪轉(zhuǎn)速關(guān)系為基礎(chǔ)建立電子差速控制器。我們知道，車輛純滾動時內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速比即為轉(zhuǎn)彎半徑之比，Ackerman模型只是進(jìn)行了靜態(tài)分析，沒有考慮輪胎的影響，忽略了車輛轉(zhuǎn)彎行駛時的離心力和向心力。采用這種控制策略，在低速時其差速性能是可以接受的。但當(dāng)車速較高，轉(zhuǎn)向角較大時，汽車響應(yīng)與輸入之間的非線性特性非常明顯。此時，以理想Ackerman模型為基礎(chǔ)的差速控制器已很難滿足整車對差速性能的要求。
葛英輝，李春生等分析了上述控制方法的不足，提出電動輪驅(qū)動汽車不應(yīng)采用車輪轉(zhuǎn)速作為控制變量，并考慮轉(zhuǎn)彎時車輪垂直載荷的變化，提出以兩驅(qū)動輪的附著力相等為目標(biāo)的電子差速控制策略，并以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，從而使得車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性減到最小[12-16]。該方法在理論上是可行的，但在實(shí)際汽車行駛過程中，能否對汽車的小滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行實(shí)時檢測和控制是值得商榷的。
陳勇研究了采用兩直流電機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)方式解決電動輪驅(qū)動汽車的差速技術(shù)[17]，該差速方法靠兩電機(jī)的電壓與電樞電流的大小自動調(diào)節(jié)內(nèi)外輪轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)差速，但兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩不能實(shí)時控制。且該方法中各驅(qū)動電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩相互關(guān)聯(lián)，失去了電動輪驅(qū)動本身的優(yōu)勢。
國外研究發(fā)展和現(xiàn)狀Ju．sang Lee等則利用非線性Ackerman模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子差速器。該系統(tǒng)仍采用轉(zhuǎn)向角與車速作為控制器的輸入，輸出內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速[18]。Sinclair Gair等研究了后輪采用電動輪驅(qū)動的電動汽車，提出了一個基于滑?？刂频牟钏倏刂撇呗裕鶕?jù)加速踏板信號和轉(zhuǎn)向信號及整車參數(shù)確定轉(zhuǎn)向時的左右車輪轉(zhuǎn)速，以加速踏板信號決定車速，轉(zhuǎn)向時，內(nèi)輪轉(zhuǎn)速等于加速踏板確定的車速，而外輪轉(zhuǎn)速則根據(jù)車速信號，整車參數(shù)及內(nèi)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算得出 [19]。Rafal Setlak研究了采用四輪獨(dú)立驅(qū)動鉸接重型卡車的差速技術(shù)，也是采用Ackerman模型控制各車輪轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的[20]。
F．Carricchi等提出了采用單定子，雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動輪驅(qū)動系統(tǒng)的差速技術(shù)。當(dāng)汽車直行時，定子磁通分成兩個相等的部分，故兩個轉(zhuǎn)子工作時的電磁條件相同。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，由于采用單逆變器供電，可認(rèn)為供電頻率為常數(shù)，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速增加，相應(yīng)轉(zhuǎn)子(稱為轉(zhuǎn)子)接近同步轉(zhuǎn)速，其繞組電流下降，對定子的電抗也下降，轉(zhuǎn)子2的滑差率更大，其繞組電流和電抗增加，故定子磁通流向轉(zhuǎn)子l，轉(zhuǎn)子2的電磁轉(zhuǎn)矩下降。因其外輪負(fù)載增加，故外輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也增加。雙轉(zhuǎn)子差速驅(qū)動橋模型。Kawamura等論述了一種ADTR(Anti．directional．twin．rotary)電機(jī)，它把傳統(tǒng)的電機(jī)的定子重新設(shè)計(jì)使其也能轉(zhuǎn)動。它轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)子相反。由于這種電機(jī)以同樣轉(zhuǎn)矩驅(qū)動兩根軸，而不需要差速器，使電動汽車傳動系得到簡化。但用它驅(qū)動同軸車輪時須裝反向齒輪。后來該研究組又提出復(fù)合多相雙轉(zhuǎn)子交流電機(jī)，它通過對定子繞組輸入多相交流電來單獨(dú)控制每個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩[21]。Patrick等提出了采用一個逆變器為兩個并聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)供電結(jié)構(gòu)，通過建立雙電機(jī)矢量控制的模型，證明通過控制雙電機(jī)電流可控制兩電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，而通過控制電流控制兩電機(jī)差動轉(zhuǎn)矩。這種控制方法在兩電機(jī)從轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)進(jìn)入轉(zhuǎn)矩不等時，轉(zhuǎn)子電流波動很大，且兩電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與電流互相影響。
從上述分析可知，目前電動輪驅(qū)動汽車的差速技術(shù)還沒有得到有效解決。
1．5本課題的主要研究工作
(1) 電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速：電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能直接影響和制約著電動汽車的行駛速度和穩(wěn)定性。本文選擇輪轂電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)兩組PWM占空比值，實(shí)現(xiàn)對兩個輪轂電機(jī)同時調(diào)速。
(2)電子差速的速度分配：本文通過測量車體的轉(zhuǎn)彎半徑和車輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)向角、方向盤的輸入模擬量和左右輪之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)差速控制。
(3)直流無刷電機(jī)的驅(qū)動保護(hù)。
1．6本論文各部分的主要內(nèi)容
本文以下內(nèi)容安排如下：第一章是目前電動汽車的發(fā)展背景和各國電動汽車的發(fā)展的概述；第二章論述了無刷直流電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)，以及輪轂式直流無刷電動機(jī)的驅(qū)動：第三章是關(guān)于電子差速的研究，對電子差速轉(zhuǎn)向時各個車輪的速度和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析和計(jì)算，并分析了轉(zhuǎn)向時電動汽車的工作情況；第四章描述了電動汽車的驅(qū)動控制部分硬件設(shè)計(jì)；第五章是電動汽車的驅(qū)動控制部分軟件設(shè)計(jì)；第六章差速實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)、測試波形的結(jié)果；最后是關(guān)于電動汽車差速控制的結(jié)論。
第二章 電動車差速控制原理及驅(qū)動系統(tǒng)選擇
2．1 電子差速控制算法
2．1．1 自然差速的可行性分析
當(dāng)車輛行駛在轉(zhuǎn)彎路面或巷道時，為了防止不穩(wěn)定的驅(qū)動，內(nèi)輪和外輪將具有不同的速度。傳統(tǒng)燃油汽車通過左右輪間的機(jī)械差速器保證了兩側(cè)車輪能夠以不同速度旋轉(zhuǎn)，如圖2．1所示。汽車處于直線行駛狀態(tài)，行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)，兩半軸齒輪同速轉(zhuǎn)動，汽車直線行駛?cè)鐖D2．1(右上)。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時，行星齒輪既有公轉(zhuǎn)，又有自轉(zhuǎn)，使兩半軸齒輪以不同速轉(zhuǎn)動，允許兩后輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動如圖2．1(右下)。這種調(diào)整是自動的，這里涉及到“最小能耗原理"，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進(jìn)一個碗內(nèi)，豆子會自動停留在碗底而絕不會停留在碗壁，因?yàn)橥氲资悄芰孔畹偷奈恢?位能)，它自動選擇靜止(動能最小)而不會不斷運(yùn)動。同樣的道理，車輪在轉(zhuǎn)彎時也會自動趨向能耗最低的狀態(tài)，自動地按照轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時，由于外側(cè)輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，兩個驅(qū)動輪此時就會產(chǎn)生兩個方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導(dǎo)致兩邊車輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫
使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，使外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車輪轉(zhuǎn)速的差異。以上可見差速器有三大功用：把發(fā)動機(jī)發(fā)出的動力傳輸?shù)杰囕喩希洚?dāng)汽車主減速齒輪，在動力傳到車輪之前將傳動系的轉(zhuǎn)速減下來將動力傳到車輪上，同時，允許兩輪以不同的輪速轉(zhuǎn)動。
雖然差速器滿足了汽車行駛運(yùn)動學(xué)的要求，同時也增加了減震懸架系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的效率。本研究的電動汽車采用獨(dú)立的輪式驅(qū)動方式[22]，即每個車輪有一個直接驅(qū)動的電機(jī)。這樣，與單電機(jī)驅(qū)動的電動汽車相比，本研究所要設(shè)計(jì)的樣車，其兩個后輪都能獨(dú)立提供驅(qū)動力，可以按運(yùn)行工況需求獨(dú)立分配功率，因此不需要傳統(tǒng)的機(jī)械差速器，而代之為新技術(shù)內(nèi)涵的電子差速系
圖2.1傳統(tǒng)機(jī)械差速器
汽車的差速問題主要是指車輪旋轉(zhuǎn)線速度不能與車輪的輪心速度相協(xié)調(diào)。或者說，車輪滾過的距離不等于車輪輪心沿平行于行駛路面軌跡移動的距離引起車輪拖滑或者滑轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致汽車不能正常行駛．即車輪運(yùn)動不滿足以下兩式[23]：
(2.1)
(2.2)
式中，v為第i個車輪輪心處的速度：、分別為第i個車輪的旋轉(zhuǎn)角速度和車輪滾動半徑；為車輪輪心沿平行于行駛路面軌跡移動的距離。若汽車各車輪運(yùn)動學(xué)狀態(tài)滿足上式，則汽車不存在前述差速問題。電動輪驅(qū)動的電動汽車各車輪之間沒有機(jī)械連接，運(yùn)動狀態(tài)相互獨(dú)立，那么汽車各車輪在汽車轉(zhuǎn)向或在不平路面上行駛時的差速問題是電動輪驅(qū)動汽車的整車控制系統(tǒng)必須解決的。
在考慮汽車車體與車輪相互作用力時，汽車的受力如圖2.2：
圖2．2整車動力系統(tǒng)模型
這里重點(diǎn)研究輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的電子差速控制系統(tǒng)，因此，忽略懸架特性，選取其縱向、側(cè)向和橫擺三個自由度，建立整車動力學(xué)模型，其方程如下[24]：
(2.3)
(2.4)
(2.5)
式中，m為整車質(zhì)量； 、分別為整車縱向速度和側(cè)向速度：V為車速，且。、分別為車輪所受的縱向力和側(cè)向力(下標(biāo)夕、fr、rl、及rr分別表示左前、右前、左后、右后車輪)；、氏分別為前輪內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)向角；f為滾動阻力系數(shù)；g為重力加速度；為道路坡度角：為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；為空氣密度；、分別為汽車質(zhì)心到前、后軸的距離；CG為整車質(zhì)心：、分別為前、后軸車輪輪距；為車輛繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量；為車身側(cè)偏角：為橫擺角速度。車輪動力學(xué)方程如下[25]：
（2.6）
式中，為單個電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；為每個車輪的阻力矩，且，F(xiàn)t為驅(qū)動力；r為車輪半徑；Jm為折算到電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。這里減速比為1，因此有，其中、紈分別為電機(jī)和車輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向行駛時，向心加速度會使整車軸載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而對輪胎滑移率產(chǎn)生影響。向心力可用下式計(jì)算：
（2.7）
輪胎的垂直載荷為[25]：
（2.8）
式中，h為質(zhì)心高度。輪胎側(cè)偏角計(jì)算如下[26]：
（2.9）
式中，車身質(zhì)心側(cè)偏角。輪胎縱向力和側(cè)向力可分別用以下兩式計(jì)算：
（2.10）
（2.11）
式中，i分別代表fl、fr、rl、rr；，、、分別為與地面狀況相關(guān)的常數(shù)。輪胎滑移率S可表示為：
（2.12）
2．1．2電子差速器差速原理
電子差速器要實(shí)現(xiàn)車輛直線行駛時，驅(qū)動車輪線速度相等，通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器測量速度，將信號送入中央處理器，中央處理器比較左右兩輪的轉(zhuǎn)速，并通知電機(jī)控制器，使左右車輪速度一致，并且保證左右兩車輪滾過相同的距離；車輛轉(zhuǎn)向行駛時，欲使輪胎不發(fā)生滑移，需要保證驅(qū)動車輪相對旋轉(zhuǎn)中心的角速度相等，根據(jù)方向盤給定的轉(zhuǎn)角、基于無刷直流電動機(jī)的電動汽：乍差速控制設(shè)計(jì)
路面狀況和車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，中央處理器進(jìn)行計(jì)算，將兩輪所需的轉(zhuǎn)速信號傳送給電機(jī)控器，實(shí)現(xiàn)對左右兩車輪的差速控制‘271。車輛直線行駛時，由于電機(jī)直接與車輪相連，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度即為車輪的角速度，由于假設(shè)各個車輪的滾動半徑相等，所以有下式成立：
（2.13）
式中，、分別為左右驅(qū)動車輪的旋轉(zhuǎn)角速度；當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向行駛時，方向盤轉(zhuǎn)角≠O，存在部分車輪的轉(zhuǎn)速過快或過慢，這將導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向困難，出現(xiàn)某些車輪與地面相對的平移滑動，從而加速了輪胎的磨損。因此，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保證在汽車轉(zhuǎn)向時，所有車輪均繞轉(zhuǎn)向中心O作純滾動，內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角應(yīng)大于外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角。圖2.3為汽車轉(zhuǎn)向的幾何關(guān)系示意圖[27]。設(shè)向左轉(zhuǎn)向時方向盤轉(zhuǎn)角為正，向右轉(zhuǎn)向時方向盤轉(zhuǎn)角為負(fù)，在車輛低速轉(zhuǎn)向行駛時，電子差速器可依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)[28]。由圖2．3，根據(jù)其幾何關(guān)系，得：
（2.14）
式中，、分別為前軸內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向半徑；、分別為后軸內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向半徑。
圖2．3汽車轉(zhuǎn)向示意圖
前軸內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向角可表示為：
（2.15）
式中，為方向盤轉(zhuǎn)角；K為兩主銷中心延長線到地面交點(diǎn)之間的距離。汽車在良好路面上行駛(左右車輪地面附著系數(shù)相同)，當(dāng)正常轉(zhuǎn)向時，若車輪不產(chǎn)生滑動，四車輪相對于轉(zhuǎn)向中心的角速度相等，設(shè)角速度為，前、后軸中心轉(zhuǎn)彎半徑、。其與軸距和方向盤轉(zhuǎn)角的函數(shù)：
（2.16）
整車中心相對轉(zhuǎn)向中心的旋轉(zhuǎn)半徑可表示為：
（2.17）
其旋轉(zhuǎn)角速度為：
（2.18）
又， 可用后軸中心速度表示：
（2.19）
式中、分別為兩個驅(qū)動車輪的線速度， 并且有，
， 、分別為兩驅(qū)動車輪的角速度，也即輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度。因此，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，以整車質(zhì)心速度為參考，計(jì)算每個車輪繞轉(zhuǎn)向中心的線速度，進(jìn)而得出每個車輪需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過向電機(jī)控制器發(fā)出電壓指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而調(diào)整車輪轉(zhuǎn)速，合理的分配每個電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車輪的純滾動轉(zhuǎn)向行駛。同時由兩后輪轉(zhuǎn)向角度相等可得出，車輛純滾動轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速比即為其轉(zhuǎn)彎半徑之比。
綜上所述，本文提出的新的電子差速控制方案，基于上述己有的技術(shù)思路，以轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動角度為控制變量，從而在力求完善電動汽車操縱性能和平穩(wěn)性的前提下，EV直線前行時，轉(zhuǎn)矩將平均分配在左右輪上；在轉(zhuǎn)向運(yùn)行時，則對左右驅(qū)動輪輸入不同的速脈沖以確保駕駛更安全平穩(wěn)。
2．2驅(qū)動系統(tǒng)的選擇
2．2．1 電動汽車對電驅(qū)動系統(tǒng)的要求
電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的核心，決定了整車性能的優(yōu)劣。電動汽車的運(yùn)行工況非常復(fù)雜， 既要能高速飛馳，又要能大負(fù)載爬坡，需要頻繁啟動、制動、快速超車、緊急剎車：既要能適應(yīng)雪天、雨天、盛夏、嚴(yán)冬等惡劣天氣條件，又要能承受道路的顛簸振動，還要保證司乘人員的舒適與安全，在零排放或少排放的前提下，滿足汽車的各項(xiàng)性能、價格指標(biāo)的要求。因此，電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)有別于一般工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)傳動系統(tǒng)，除了具有普通電氣傳動系統(tǒng)的共性，還需要滿足以下幾點(diǎn)要求[29-33]：
(1) 高轉(zhuǎn)矩一慣量比和寬調(diào)速范圍。電驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，低速(恒轉(zhuǎn)矩區(qū))運(yùn)行應(yīng)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足快速起動、加速、爬坡等要求，在高速區(qū)(恒功率區(qū))，應(yīng)具有高轉(zhuǎn)速(低轉(zhuǎn)矩)、寬范圍的特性，以滿足汽車在平坦路面能夠高速行駛、超車等要求。
(2) 在整個轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)的高效運(yùn)行。電動汽車頻繁起停，工作區(qū)域?qū)挘?jīng)常運(yùn)行在低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，因而要求驅(qū)動系統(tǒng)(包括功率變換器、電機(jī)和傳動系統(tǒng))有盡可能寬的高效率區(qū)域，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛距離盡可能長。
(3)加減速性能好，轉(zhuǎn)矩控制靈活且響應(yīng)快，可適應(yīng)路面變化及頻繁的起動和剎車
(4) 電機(jī)及電控裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、抗顛簸振動，有一定的過載能力，單位功率系統(tǒng)的設(shè)備成本盡可能低。
(5)可靠性好，適用于車輛的各種惡劣工況。電驅(qū)動控制系統(tǒng)需要與能量管理系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、車身穩(wěn)定性系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、被動安全系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作，最大限度的保障運(yùn)行的可靠性和安全性，保障車輛和人員安全?？刂破黧w積小、成本低控制算法盡量簡單實(shí)用，程序可靠性好、穩(wěn)定性高。
(6)可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，電氣系統(tǒng)保障措施完善。
上述要求對電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制提出了較高的要求，由此也引起了很多相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，下一小節(jié)將就此展開討論。
2．2．2電機(jī)的選擇
驅(qū)動系統(tǒng)是EV中最為關(guān)鍵的動力系統(tǒng)。EV運(yùn)行性能主要決定于驅(qū)動系統(tǒng)類型和性能。EV驅(qū)動系統(tǒng)由牽引電動機(jī)、控制系統(tǒng)(包括電動機(jī)驅(qū)動器、控器及各種傳感器)、機(jī)械減速及傳動裝置、車輪等構(gòu)成。控制系統(tǒng)通過接收加速踏板(相當(dāng)于燃油車的油門)、剎車、停車、前進(jìn)、倒車、空擋和轉(zhuǎn)向盤的輸出信號，經(jīng)過信號處理，輸入到電動機(jī)驅(qū)動器，以控制功率電路的功率輸出量實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，驅(qū)動車輪。
電動汽車運(yùn)行的顯著特點(diǎn)是頻繁的起、停、加減速?；贓V這一特點(diǎn)，電動機(jī)應(yīng)有較高的瞬時功率和功率密度(w/kg)。而為了提高EV一次充電行駛距離，電動機(jī)又應(yīng)有較高的效率，考慮到電動汽車是變速工作的，所以電動機(jī)有較高的高低速綜合效率。對應(yīng)于電動汽車起動和爬坡時速度較低，但要求轉(zhuǎn)矩較大；正常運(yùn)行時則所需力矩較小，而速度較高的運(yùn)行工況，故用于電動汽車上的電動機(jī)應(yīng)具有以下機(jī)械特性：在低速時為恒轉(zhuǎn)矩特性，高速時則為恒功率特性，且電動機(jī)運(yùn)行速度的范圍應(yīng)較寬。目前，電動汽車中的驅(qū)動控制系所使用的不同類型的電機(jī)可分為以下四類[34]：
(1) 直流驅(qū)動系統(tǒng)
以直流電動機(jī)為驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)稱為直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，簡稱直流驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的驅(qū)動器的功率電路，通常采用斬波器控制方法，它具有控制較簡單、效率較高、成本低和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但直流電動機(jī)具電刷、換向器等易損件，需定期維護(hù)，同時，與交流電動機(jī)相比，其效率較低、價格高、重量及體積大等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受限。
(2) 交流驅(qū)動系統(tǒng)
以交流感應(yīng)電動機(jī)為驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)稱為交流感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，通常簡稱交流驅(qū)動系統(tǒng)。交流電動機(jī)與直流電動機(jī)相比，具有效率高、體積小、重量輕、免維護(hù)、堅(jiān)實(shí)可靠、易冷卻和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但控制電動機(jī)逆變器較復(fù)雜：～是控制用的大功率管的數(shù)量要多于直流驅(qū)動系統(tǒng)；另一方面要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的良好調(diào)速性能必須采用矢量控制方法，從而在其逆變器中除需高性能的微處理器外，控制軟件也較復(fù)雜。應(yīng)當(dāng)指出，隨著電子技術(shù)的發(fā)展交流驅(qū)動系統(tǒng)中的逆變器技術(shù)己同趨成熟。
同樣，交流驅(qū)動系統(tǒng)和直流驅(qū)動系統(tǒng)相比，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展兩系統(tǒng)的成本差距只益接近。從目前來看，交流驅(qū)動系統(tǒng)總的成本高于直流驅(qū)動系統(tǒng)的成本，但是由于交流驅(qū)動系統(tǒng)具有效率高、重量輕，能更有效地實(shí)現(xiàn)再生制動等固有特性，因此在工程應(yīng)用中己成為EV驅(qū)動系統(tǒng)的首選方案。
(3) 永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)
在各類電機(jī)中，永磁電機(jī)具有最高的功率密度。以永磁同步電機(jī)(含無刷直流電動機(jī)(BDCM)和三相永磁同步電動機(jī)(PMSM))為驅(qū)動電動機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動系稱為永磁交流驅(qū)動系統(tǒng)。它與前二種驅(qū)動系統(tǒng)相比較，是效率最高，體積最小、重量最輕，且無需維護(hù)的驅(qū)動系統(tǒng)，在EV中也已得到了一定的應(yīng)用。但該類驅(qū)動系統(tǒng)目前尚存在成本太高的缺點(diǎn)，而且在可靠性和使用壽命等指標(biāo)上也比交流驅(qū)動系統(tǒng)差。同時，大功率的PMSM和BDCM的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造，尚存在一定的技術(shù)難度。然而，從發(fā)展角度看，我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料，如釹鐵硼等資源非常豐富，因而隨著永磁電動機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以及成本的不斷下降，永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在
EV中的應(yīng)用前景令人矚目。
(4) 開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)驅(qū)動系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其電動機(jī)結(jié)構(gòu)比感應(yīng)電動機(jī)更為簡單可靠，效率較高，特別是轉(zhuǎn)子無繞組，適合于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊負(fù)載等工況條件。驅(qū)動功率電路采用的功率開關(guān)元件較少，電路較簡單。功率元件與電動機(jī)繞組串聯(lián)，不易發(fā)生直通短路。能實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍，低速大轉(zhuǎn)矩和制動能量回饋等特性，因此該驅(qū)動系統(tǒng)特別適合EV。當(dāng)然，該驅(qū)動系統(tǒng)不足之處在于振動較大，噪聲亦較大。
基于上述分析，本課題選擇永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)即永磁同步電機(jī)無刷直流電動機(jī)(BDCM)和三相永磁同步電動機(jī)(PMSM)中的BDCM作為驅(qū)動主機(jī)。
2．2．3永磁無刷直流電機(jī)的基本特點(diǎn)和選擇
(1)直流無刷電動機(jī)的特點(diǎn)
無刷直流電機(jī)兼有交流異步電機(jī)簡單、可靠、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)和有刷直流電機(jī)調(diào)速性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動的各個領(lǐng)域得都到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和各種新型永磁材料的發(fā)展，直流無刷電機(jī)的制造和控制技術(shù)也趨于成熟，為許多高性能伺服系統(tǒng)提供了一種全新的執(zhí)行元件，無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為應(yīng)用研究的重點(diǎn)[35,36]。通常把無刷直流電機(jī)系統(tǒng)分成三個部分，即電機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路[37]，整個系統(tǒng)可以用圖2．4表示：
圖2.4無刷直流電機(jī)系統(tǒng)
直流無刷電動機(jī)具有以下特點(diǎn)：
① 因?yàn)闊o刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子采用高磁能積的稀土磁鋼作為轉(zhuǎn)子磁鋼，其轉(zhuǎn)動慣量比鼠籠式轉(zhuǎn)子要小，所以對于給定的轉(zhuǎn)矩能夠響應(yīng)得更快，控制特性更好。
② 無刷直流電動機(jī)的效率比感應(yīng)電動機(jī)高。因?yàn)樵诟袘?yīng)電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的銅損和鐵損，在無刷直流電動機(jī)中則沒有?；o刷直流電動機(jī)的電動汽車差速控制設(shè)計(jì)
③ 在相同容量下，無刷直流電動機(jī)的體積相對要比感應(yīng)電機(jī)小，重量輕。
④ 無刷直流電機(jī)的噪音小。
⑤ 無刷直流電機(jī)調(diào)速方便、靈活、范圍廣。
由于無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)較多，所以其應(yīng)用廣泛。
(2)電動車用永磁無刷直流電機(jī)的選擇
從結(jié)構(gòu)形式上看，目前電動車用電機(jī)主要采用中軸式和輪轂式。中軸式不但對機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工藝要求較高，而且中軸式電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)占了原來已經(jīng)有些緊張的空間，這些都是它們的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)重量較輕體積也不大；輪轂式采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動，沒有傳動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，增大了安裝空間，對能量再生控制的實(shí)現(xiàn)也較為有利。但輪轂式電機(jī)的尺寸受到輪胎直徑的限制。本文考慮兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展方向，選擇了輪轂式的永磁無刷直流電機(jī)作為兩輪獨(dú)立驅(qū)動電動車的機(jī)。就該電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理等方面進(jìn)行詳細(xì)的分析。本文使用的輪轂式永磁無刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式[38]，類似于傳統(tǒng)的永磁直流電機(jī)固定在轉(zhuǎn)子磁軛上的由釹鐵硼制成的永磁體磁鋼形成永磁體的磁極，其氣隙磁場一般梯形波分布。其定子繞組結(jié)構(gòu)類似于三相交流電動機(jī)的整距繞組，三相繞組在空間以120度的電角度均勻分布。本研究樣車采用的輪轂電機(jī)額定直流電壓為48V，額定輸出功率為2kw，極對數(shù)為24，額定轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)／分。在供電方式上該輪轂式電機(jī)需要實(shí)時地根據(jù)轉(zhuǎn)子位置判斷定子繞組的供電序，這就需要相應(yīng)的控制邏輯電路和電力電子電路。
2．2．4位置傳感器的選擇
轉(zhuǎn)子位置傳感器在直流無刷電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器的種類很多，且各具特點(diǎn)。目前，在直流無刷電動機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種類型。
(1)電磁式位置傳感器
電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)其位置測量作用的[39]，主要有開121變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種類型，在直流無刷電動機(jī)中，用的最多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但是這種傳感器的信噪比比較低，體積較大，同時輸出信號為交流，一般需要整流、濾波以后才能使用。其原理如圖2．5
圖2．5開口變壓器原理圖
(2)光電式位置傳感器
這種傳感器是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電動機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成[40]。光電式位置傳感器的性能比較穩(wěn)定，但存在光源燈泡壽命短、使用要求較高等缺陷，若采用新型光電元件，可克服這些不足之處。其原理如下圖2．6所示：
圖2．6光電式位置傳感器工作原理圖
(3)磁敏式位置傳感器
磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按照一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)[41]。目前，常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。磁敏元件的主要工作原理是電流的磁效應(yīng)，它主要包括霍爾效應(yīng)，現(xiàn)介紹如下。任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動時，都要受到磁場作用力，稱為洛倫茲力。洛倫茲力的大小與質(zhì)點(diǎn)的電荷量、磁感應(yīng)強(qiáng)度及質(zhì)點(diǎn)的速度成正比。例如，在圖2．7所示的長方形半導(dǎo)體薄片上加上電場E后，在沒有外加磁場時，電子沿外電場E的反方向運(yùn)動(圖2．7(1))，當(dāng)加以與外電場垂直的磁場B時，運(yùn)動著電子受到洛倫茲力作用向左邊偏轉(zhuǎn)了一個角度圖(2．7(2))，因此，在半導(dǎo)體橫向方向邊緣上產(chǎn)生了電荷，由于該電荷積累產(chǎn)生了新的電場，稱為霍爾電場。該電場又影響了元件內(nèi)部的電場方向，隨著半導(dǎo)體橫向方向邊緣上的電荷積累不斷增加，霍爾電場力也不斷增大，它逐漸抵消了洛倫茲力，使電子不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從
而使電流方向又回到平行于半導(dǎo)體側(cè)面方向(圖2．7(3))，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)這個霍爾電場的積累，就在元件兩側(cè)間顯示出電壓，稱為霍爾電壓，這個就是所謂的霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅髟韴D研究結(jié)果表明，在半導(dǎo)體薄片上產(chǎn)生的霍爾電動勢E(圖2．7(4))可用下式表示：
(2.20)
(2.21)
式中 —霍爾系數(shù)（）
— 控制電流(A)
B—磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)
d—薄片厚度(m)
p—材料電阻率()
u—材料遷移率()
若在式中常用系數(shù)表示，那么有
(2.22)
KH——霍爾元件的靈敏度(mV／(mA.T)，KH=RH／d。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾元件的平面法線成一角度時，那么實(shí)際上作用于霍爾元件的有效磁場是其法線方向的分量，此時，霍爾電動勢為
(2.23)
上述霍爾元件產(chǎn)生的電動勢很低，在應(yīng)用時往往要外接放大器，很不方便隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊N型硅外延片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路。這種集成電路包括線性型和開關(guān)型兩種，一般而言，無刷直流電機(jī)的位置傳感器宜選用開關(guān)型。
圖2．7霍爾效應(yīng)原理
除了上述三大類位置傳感器外，還有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等多種位置傳感器。但是，這些元件成本較高，體積較大，而且所配電路復(fù)雜，因而在一般的直流無刷電動機(jī)中很少采用。
從以上分析可知，靈敏度高、集成度高、占空間小、適合數(shù)字電路應(yīng)用的霍爾傳感器是本課題直流無刷電機(jī)系統(tǒng)使用的最佳選擇。
2．2．5 三相繞組直流無刷電動機(jī)主電路選擇
(1)三相Y聯(lián)結(jié)全控電路
目前，對于普及的三相直流無刷電機(jī)，大多采用三相橋式逆變電路驅(qū)動[42],其結(jié)構(gòu)圖2．8示出了一種三相全控電路[43]，電動機(jī)的電路為三相繞組Y聯(lián)結(jié)。節(jié)、、、、、為六只MOSFET功率管，起繞組的開頭作用。、、為P溝道朋MOSFET，其柵極為低電平時導(dǎo)通，、、為N溝道MOSFET，其柵極為高電平時導(dǎo)通。它們的通電方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式兩種。
圖2.8 Y聯(lián)結(jié)繞組三相全控橋式電路
1.兩兩通電方式 所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管導(dǎo)通120電角度。各功率管的導(dǎo)通的順序是、、、、、...當(dāng)功率管和導(dǎo)通時，電流從管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)回到電源。如果認(rèn)定注入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.9(1)所示，其大小為行和-的角平分線上。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)過60度后，由通電換成通電。這時，電流從注入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.9(2)所示，其大小同樣為。但合成轉(zhuǎn)矩的方向轉(zhuǎn)過了60電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小始終保持不變。圖2-.9(3)示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。
圖2.9 Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
a),導(dǎo)通時合成的轉(zhuǎn)矩 b),導(dǎo)通時合成的轉(zhuǎn)矩
c)兩兩通電時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
所以，同樣一臺直流無刷電動機(jī)，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60電角度換相一次，每個功率管通電120度，每個繞組通電240度，其中正向通電和反向通電各120度。轉(zhuǎn)矩波動僅從0.87到。其換相的控制電路可由一片3-8型譯碼器和74LS09、74LS38兩片門電路組成，如圖2.10所示。
圖2.10 全控橋兩兩通電電路原理圖
2.三三通電方式 所謂三三通電方式，是指每一個瞬間均有三只功率管同時通電，每隔60電角度換相一次，每個功率管通電180度，它們的導(dǎo)通次序是、、、、、、.當(dāng)導(dǎo)通時，電流從流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組(這時B, C兩相繞組為并聯(lián))分別從和流出。這時流過B相和C相繞組的電流分別為流過A相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩如圖2.11(1)所示，方向同A相，而大小為 ,.經(jīng)過60電角度后，換相到通電，即先關(guān)斷而后導(dǎo)通 (注意，一定要先關(guān)而后通,否則就會出現(xiàn)和同時導(dǎo)通，則電源被這兩個功率管短路，這是絕對不允許的)。這時電流分別從和注入，經(jīng)A相和B相繞組再流入C相繞組，經(jīng)流出，合成轉(zhuǎn)矩如圖2.11(2)所示。其方向與相同，轉(zhuǎn)過了60度，大小仍然是 ,.再經(jīng)過60電角度后，換相到通電，而后依次類推。它們的合成轉(zhuǎn)矩矢量如圖2.11(3)所示。
圖2-7 三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
1) 導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 2) 導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩
3)三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩
其換相的邏輯控制電路如圖所示。在這種通電方式里，每瞬瞬間均有三個功率管通電。每隔60度換相一次，每次有一個功率管換相，每個功率管通電180度。
圖2．12 Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖
從某一相上看，它們的電壓波形如圖2．13所示：
圖2.13 Y聯(lián)結(jié)三三通電方式一相電壓波形
(2)三相△聯(lián)結(jié)全控電路
三相△聯(lián)結(jié)電路如圖2．14所示，也可分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式
圖2．14三相△聯(lián)結(jié)控制原理圖
1.兩兩通電方式 它們的通電順序是、、、、、…，當(dāng)通電時，電流從流入，分別通過A相和B, C兩相繞組，再從管流出。這時繞組的聯(lián)結(jié)是B, C兩相繞組串聯(lián)后再同A相繞組并聯(lián)，如假定流過A相繞組的電流為I，則流過B, C相繞組的電流分別為I/2.這里的合成轉(zhuǎn)矩TO如圖2.15所示，其方向同A相轉(zhuǎn)矩，大小為A相轉(zhuǎn)矩的1.5倍。不難看出，其結(jié)果與Y聯(lián)結(jié)的三三通電相似。
圖2．15三相△聯(lián)結(jié)時兩兩通電合成轉(zhuǎn)矩適量圖
2.三三通電方式 這時的通電順序?yàn)椤?、、、、?當(dāng)導(dǎo)通時，電流從流入，經(jīng)A相和B相繞組，再分別從和流出。C相繞組則沒有電流通過，這時相當(dāng)于A, B兩相繞組并聯(lián)。如果假定電流的方向從A到B, B到C, C到A所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從B到A,C到B, A到C所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)。由圖可知，流向A相繞組所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩為正，而流入B相繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)。其合成轉(zhuǎn)矩矢量如圖2.16所示。其大小為A相轉(zhuǎn)矩的倍。不難看出，其結(jié)果與Y聯(lián)結(jié)兩兩通電的相似.所不同的是當(dāng)繞組Y聯(lián)結(jié)兩兩通電，為兩繞組串聯(lián)，而當(dāng)△聯(lián)結(jié)三三通電時，則為兩繞組并聯(lián)。
圖2.16三相△聯(lián)結(jié)時三三通電合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
由于Y聯(lián)結(jié)相比△聯(lián)結(jié)具有較大的轉(zhuǎn)動力矩，控制電路也選擇和Y聯(lián)相關(guān)的控制電路。
2．2．6直流無刷電動機(jī)的控制原理
永磁無刷直流電動機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它不僅包括電機(jī)本體部分，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅(qū)動電路等。圖2．17給出了典型的三相橋式結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的組成。本控制系統(tǒng)采用PWM方式實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)的控制。其工作原理是：系統(tǒng)采用三相星形連接全控電路，采用兩兩導(dǎo)通方式。每一瞬間有2個功率管導(dǎo)通，每l／6隔周期(60。電角度)換向一次，每次換向一個功率管，每一功率管導(dǎo)通120。電角度。
圖2．17無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)原理圖
控制回路以DSP芯片TMS320LF2407A為核心，采用雙閉環(huán)控制，以電流為內(nèi)環(huán)，
速度為外環(huán)，如圖2．18，在實(shí)際的過程控制與運(yùn)動控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最簡單、最通用的控制器是比例．積分．微分控制，簡稱PID控制。它控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于整定，魯棒性好、可靠性高，在長期工程實(shí)踐中己積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，是控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。在實(shí)際的過程控制與運(yùn)動控制系統(tǒng)中，PID占有相當(dāng)?shù)牡匚?。DSP通過AD轉(zhuǎn)換接口，接收到I／O口的速度設(shè)定值，同時DSP也接收到確定轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號，通過讀霍爾信號值，確定所需逆變器通電相序，通過計(jì)數(shù)霍爾信號在周期內(nèi)的變化次數(shù)，確定電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器里進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速值，作為電流調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，電流從母線反饋到AD轉(zhuǎn)換接口，DSP將電流反饋值與電流設(shè)定值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的PWM控制信號U木，該信號控制PWM的占空比。PWM信號控制驅(qū)動電路開關(guān)管的通斷，從而控制電源電壓輸出值。進(jìn)而控制電機(jī)的電流值，保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
圖2．18無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速原理圖
對電機(jī)的PWM(Pulse Widm Modulation)脈寬調(diào)制簡寫為PWM控制有2種：半橋斬波和全橋斬波。其中只對上或下橋臂進(jìn)行PWM斬波控制的狀態(tài)，為半橋斬波。本項(xiàng)目用的是半橋斬波一上橋斬波。如果在下橋臂進(jìn)行PWM斬波的同時對相應(yīng)導(dǎo)通的上橋臂也進(jìn)行同樣的PWM斬波，則構(gòu)成全橋斬波的調(diào)壓調(diào)速控制。無論功率器件是全控的，是半控(六個功率器件中，只對其中的三個進(jìn)行斬波控制，例如只對下橋臂進(jìn)行斬波)的，由于上下橋臂各有功率器件導(dǎo)通，電流是從電源J下極經(jīng)過上橋臂，通過電機(jī)繞組和下橋臂功率器件流回電源的負(fù)極。當(dāng)斬波處于“斷開”狀態(tài)時全橋和半橋斬波則有不同的電流續(xù)流情況。對于全橋斬波，當(dāng)處于斬波“斷開"狀態(tài)時，各個功率器件均不開通。由于繞組電感的續(xù)流作用，電機(jī)電流將通過續(xù)流二極管形成回路。其方向是從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)下橋臂續(xù)流二極管、繞組和上橋臂續(xù)流二極管流回到電正極，電感儲能部分返回到電源。對于半橋斬波(以下半橋斬波為例)，由于“斷開”狀態(tài)只是半橋的功率件被關(guān)斷，下半橋仍然導(dǎo)通，故續(xù)流電流將通過一個下橋臂功率器件和一個橋臂續(xù)流二極管形成續(xù)流回路。此時，電感儲能并非反饋到電源，而是全部通過繞組轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能輸出。位置信號60度位置信號驅(qū)動輸出下橋臂驅(qū)動，120度位置信號輸出上橋臂功率開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)如圖2．19，驅(qū)動電機(jī)電流。
圖2．19無刷商流電機(jī)控制邏輯關(guān)系圖
2．3本章小結(jié)．
本章闡述了電子差速的原理，輪式驅(qū)動電動車采用電子差速技術(shù)，使其轉(zhuǎn)向性能和系統(tǒng)的效率都更為優(yōu)異，是電動車工程領(lǐng)域中富有特色的一類關(guān)鍵技術(shù)。本文通過對差速現(xiàn)象的深入分析和對現(xiàn)有的電子差速模型的系統(tǒng)化研究，提出了輪式驅(qū)動電動車的電子差速技術(shù)宜采用車輪速度作為控制變量的技術(shù)思路，構(gòu)建了低速行駛時的電子差速算法。這一算法的主導(dǎo)思想是考慮轉(zhuǎn)彎時車輪轉(zhuǎn)向角度的變化以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性趨于極小值。為達(dá)到差速控制的要求，必須對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行選擇，因此本章進(jìn)一步分析了驅(qū)動系統(tǒng)直流無刷電動機(jī)的內(nèi)部聯(lián)結(jié)，位置傳感器和驅(qū)動控制主式。得出了采用直流無刷Y聯(lián)結(jié)電動機(jī)，霍爾位置傳感器，上橋斬波調(diào)制控制。
第三章 電動汽車差速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
電動車系統(tǒng)一般由車體、電機(jī)驅(qū)動、電池和控制管理四個子系統(tǒng)組成。控制管理子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)運(yùn)行的智能核心，其作用是根據(jù)各種傳感信息，合理控制其余各子系統(tǒng)的工作，以獲得EV良好的動、靜態(tài)運(yùn)行特性和能量利用率。電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)則是電動車行駛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在很大程度上決定了整車的運(yùn)行性能和效率[44]。本文的硬件電路設(shè)計(jì)以TMS320LF2407A DSP為核心控制器，由主電路和控制電路兩部分組成；該系統(tǒng)主電路部分包括：三相橋式MOSFET逆變電路，霍爾位置檢測電路、驅(qū)動和功率保護(hù)電路，開關(guān)電源模塊四部分。主電路部分通過開關(guān)電源模塊為控制電路提供電源，同時將由PI控制算法產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路傳送到逆變電路的MOSFET觸發(fā)端?？刂齐娐钒―SP控制器，速度、電壓與電流等采樣模塊及相應(yīng)電路。DSP控制器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時控制與檢測，并產(chǎn)生12路PWM控制信號分別送給左、右電機(jī)的驅(qū)動電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3．1所示。當(dāng)電動汽車上電運(yùn)行以后，DSP通過檢測電路實(shí)時獲取驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓和電流等信號，同時由PI控制算法產(chǎn)生PWM信號傳送到逆變電路的MOSFET觸發(fā)端，在功率開關(guān)管的控制下將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)DSP通過A／D轉(zhuǎn)換接收到加速踏板送過來的設(shè)定轉(zhuǎn)速信號及反饋的霍爾的速度信號時，控制算法即做出調(diào)整，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并在最短的時間內(nèi)達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定[45]。系統(tǒng)保護(hù)電路主要包括過(欠)壓、過流、短路、溫度等保護(hù)電路。
圖3．1電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件框圖
3．1控制器DSP TMS320LF2407A概述
美國德州儀器公司的電機(jī)微控制器TMS320F2407是DSP(簡稱DSP2407)控制器
24X系列的新成員，即電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品，它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降到3.3V，減小了控制器的功耗，處理性能更好(30MIPS)，幾種先進(jìn)外設(shè)被集成到該芯片內(nèi)，尤其是它具有兩個事件管理器模塊，所以能夠同時控制兩臺電機(jī)。該基于無刷直流電動機(jī)的電動汽車差速控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)將其應(yīng)用到雙輪獨(dú)立驅(qū)動電動車電子差速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)得到了極大的簡化[45]。
3，1．1 DSP的特點(diǎn)和資源
DSP芯片及數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP具有如下的主要特點(diǎn)[46,47]：
(1)在一個指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和一次加法：
(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；
(3)片內(nèi)具有快速RAM，通?？梢酝ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問；
(4) 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；
(5)快速的中斷處理和硬件I／O支持；
(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；
(7)可以并行執(zhí)行多個操作：
(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
TMS320LF2407A是基于TMS320C2XX型16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器的新型DSP
控制器。它是TI公司1997年針對新一代交流電機(jī)數(shù)字控制而推出的，除了具有以上DSP芯片的一般特點(diǎn)外，還有以下的特點(diǎn)[48]：
(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗。40MIPS(40百萬條指令／秒)的執(zhí)行速度，從而提高了控制器的實(shí)時控制能力；
(2)基于TMS320C2xx的內(nèi)核，保證了與TMS320LF240x系列DSP的代碼兼容
性：
(3)片內(nèi)有高達(dá)32K字牛16位的flash程序存儲器，高達(dá)1.5K字*16位的數(shù)據(jù)／程序RAM，544個字的雙端口RAM(DARAM)，2K的單口RAM(SARAM)；
(4)兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個均包括如下資源：兩個16位通用
定時器，8個16位脈寬調(diào)制(PWM)通道，3個捕捉單元，1個QEP接口；
(5) 可擴(kuò)展的外部存儲器總共有192K字*16位的空間，分為64K字程序存儲空間、64K字的數(shù)據(jù)存儲空間和64K字的I／O空間；
(6)看門狗(WDl定時器模塊；
(7)16通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，具有可編程自動排序功能，4個啟動A／D轉(zhuǎn)換的
觸發(fā)源，最小轉(zhuǎn)換時間為375ns：
(8)CAN2.0B模塊，即控制器局域網(wǎng)模塊；
(9) 串行通訊接口(SCI)和 16位串行外部設(shè)備接口(SPI)； ．．
(10)7個專用于串行掃描仿真口(JTAG口)的引腳，允許對器件進(jìn)行非侵入式的仿真，即無需使用連接至器件的全部引腳的插入式電纜。
3．1．2 控制系統(tǒng)中使用的DSP資源
(1) 中斷系統(tǒng)
TMS320LF2407A DSP的中斷分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩大類，其中可屏蔽中斷結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它采用CPU中斷和外設(shè)中斷兩級中斷結(jié)構(gòu)，通過一個外設(shè)中斷擴(kuò)展器(PIE)對外設(shè)中斷進(jìn)行集中管理。其中有6個CPU中斷INTn，它們作為頂層中斷。還有38個外設(shè)中斷源，它們作為底層中斷。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：幾個外設(shè)中斷共用一個CPU中斷INTn作為中斷入口。當(dāng)這幾個外設(shè)中的某幾個中斷源同時發(fā)生中斷申請時，它們中優(yōu)先級最高的獲得CPU中斷的響應(yīng)，硬件自動地轉(zhuǎn)到這個CPU中斷入口地址(中斷向量地址)，同時將這個