汽车电子差速器及其方法设计控制毕业论文

前 言提到电子差速器，首先要说到电动汽车，随着汽车工业的高速发展能源危机与环境污染等问题日趋显露，电动汽车和混合动力汽车的研发得到了广泛的重视。而电子差速作为电动汽车上应用的一项新技术，也得到了越来越多的关注和研究。差速器对于汽车的平稳行驶和转向都起着重要的作用，当车辆行驶在转弯路面或弯道时，为了达到转向的目的车辆转向时内外轮应当具有一定的速度差，即差速， 其目的是为了在车辆转向时使车轮线速度能与该车的轮心速度相协调，以避免因车轮拖滑或滑转而导致的功率循环不平衡或者汽车不能正常行驶的问题。当汽车转弯时，例如左转弯，圆心在左侧，在相同的时间内右侧车轮要比左侧车轮走过的轨迹要长，所以右侧车轮转的要更快一些。要达到这个效果，就得通过差速器来调节。传统的机械差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳） 、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速） 。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。电子差速器则不再需要机械差速齿轮，其差速功能主要由软件来完成。它是在建立模型分析的基础上，得出各驱动轮满足的速度关系，进而通过控制器，实施电子控制。电子差速器通过控制驱动电机的转速来实现对驱动轮转速的控制，使控制精确灵活的同时降低了机械传动损耗，因此在电动汽车上有广阔的应用前景。目前国内的电子差速器的产品还比较少，主要是理论研究，重点在于控制算法即电子差速控制策略的研究。目前的研究均建立在 ACKERMANN JEANTAND 模型的基础上，采取的控制方法有模糊控制，神经网络控制，和自适应控制等，在建模和仿真实验中均达到了比较理想的效果。研究中也存在一些问题，主要是 ACKERMANN JEANTAND 模型的局限性，该模型的分析是建立在比较理想的假设条件的基础上的，没有考虑轮胎的影响，忽略了轮胎转弯时的离心力，没有考虑已经发生滑移、滑转的运行状态，并且只进行了静态分析，因此这些理论成果距离到真车的应用还有一段距离。今后对于电子差速的研究应该着眼于，建立更加完善的控制模型，综合考虑各种实际因素，使控制更加合理化，更加智能化。同时应该合理选择控制器，使其充分发挥控制功能的同时，降低控制能本。本设计的主要内容包括了驱动电机的选择，减速机构的设计，硬件电路设计，和电子差速控制方法的研究。通过计算电动汽车运行所需的功率，进而查阅资料对各种电机进行对比，最终选择永磁无刷直流电机为驱动电机。由于电机的转速很高，扭矩比较小，为了使车轮获得足够大的扭矩，在电机和车轮之间设置了减速装置。该电子差速系统包括主控电路，电机驱动电路，信号反馈装置。文中对硬件电路的设计和电子差速控制方法都做了详细的阐述。为了完成该设计，查阅了大量的资料，也吸收了很多科学、前卫的观点，使本设计得到了完善。本设计中包含机械设计的内容，体现在减速装置的设计部分，在硬件电路的设计中也包含了很多电路，电力电子，单片机等电子方面的内容，很好地体现了机与电的结合。当然设计中也存在很多漏洞和不足，该设计是建立在真车的数据基础上，由于条件的不足和缺少仿真环节，不能够清楚的知道该差速控制的控制效果。所以殷切的希望各位老师对本设计的内容、结构及疏漏错误之处给予批评、指证。目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 为什么要发展电动汽车 .11.2 电动汽车的发展简史 .21.3 电子差速器在电动汽车上的应用 .3第 2 章 电子差速器整体结构论述 .32.1 机械差速系统结构原理 .32.2 电子差速器的设计原理 .4第 3 章 驱动电机的选择 .53.1 电动汽车用电动机性能要求 .53.2 电动汽车驱动电机参数的选择 .63.3 电动汽车驱动电机性能比较 .73.4 蓄电池的选择 .8第 4 章 减速机构设计 .94.1 传动比的计算 .94.2 齿轮的设计 .104.2.1 齿轮参数选择与设计 .104.2.2 齿轮强度校核 .124.2.3 校核齿根弯曲强度 .134.3 轴的设计 .144.3.1 选择轴的材料和热处理方式 .144.3.2 最小轴径估算 .154.3.3 轴结构设计 .154.3.4 轴的强度校核 .164.4 联轴器的选择 .194.5 齿轮的润滑 .194.6 轴承键的选择 .19第 5 章 硬件电路设计 .205.1 控制器芯片介绍 .205.1.1 89C51 单片机芯片内部逻辑结构介绍 .205.1.2 89C51 单片机引脚排列及功能 .225.1.3 时钟电路的设计 .235.1.4 复位电路的设计 .245.2 驱动电路的设计 .245.2.1 驱动控制原理图 .255.3 传感器的选择和测速原理 .265.3.1 霍尔传感器的工作原理 .275.3.2 霍尔传感器的测速原理 .275.3.3 编码器的工作原理 .285.3.4 编码器的测速原理 .285.3.5 程序设计 .29第 6 章 电子差速控制方法研究 .296.1 电子差速模型分析 .296.2 电子差速实现方式 .316.2.1 四轮转速协调控制 .316.2.2 加减速运行 .326.2.3 总体转向控制 .32结束语 .332009 届机械电子工程专业毕业设计I摘 要以四轮独立驱动电动车的研究为背景，设计了一种基于 89C51 的电子差速控制系统。在分析了 ACKERMANN 和 JEANTAND 模型以后，提出了控制方案，并画出了程序流程图和硬件电路的设计。本文包括减速机构设计、电子差速系统设计，本系统设计思路清晰，控制方法有效，为今后进一步开发电动汽车电子差速系统提供了依据。关键词：电动汽车,电子差速,控制方法,闭环反馈 张森：汽车电子差速及其控制方法设计IIABSTRACTFor the background of the study of 4 wheel drive electric vehicles, we have designed a electrical differential system based on Single-chip 89C51.According to the ACKERMANN and JEANTAND model ,we Proposed control scheme , draw process flow chart and designed the hardware circuit. In this paper, including electronic differential system design and deceleration device design. The design Program of this system is clear and the control method is effective, which provided a basis for further development of electronic differential system.Keywords: Electric vehicles, Electronic differential, Control method,Closed-loop feedback2009 届机械电子工程专业毕业设计1第 1 章 绪 论 人类为了生活和生产的需要，1886 年发明了汽车。随着科学技术的进步与经济的发展，汽车已成为人们日常生活中一刻也离不开的代步和运输工具。汽车工业杂当代世界经济活动中发挥了巨大的作用，是当今世界最大、最重要的工业部门之一，成为世界大多数国家的支柱产业。美国家工程院评选了 20 项 20 世纪最伟大的工程技术成就，第一项是“电气化” ，第二项是“汽车” 。汽车工业的发展给人们造就了许多就业机会，带来了财富，促进了经济的发展。汽车缩短了人们之间的距离，促进了旅游业的发展，带来了舒适和享受，改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量，汽车工业已经成为改变整个社会面貌的一个重要手段。同时汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加和对环境严重的负面影响日益引起了人们的关注。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，加速电动汽车的商品化步伐。现在全球拥有汽车约 10 亿辆，其中 2 亿辆为商用汽车， 8 亿辆为私人轿车。目前，世界汽车的年生产能力近 6000 万辆，实际年产量约为 5000 万辆。汽车工业已成为美国、日本等工业发达国家国民经济的支柱产业，成为机械工业的核心工业。汽车工业是一个技术密集型产业，也是一个综合性工业。汽车工业的技术状况，在某种程度上代表了一个国家的工业发展生平。1.1 为什么要发展电动汽车随着汽车工业的迅猛发展，特别是进入新世纪以来，汽车在给我们带来诸多便利的同时，也产生了许多问题。2000 年我国进口石油 7000 万吨，预计2005 年后将超过一亿吨，相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的 10 个城市中 7 个在中国。根据国家环保中心预测 2010 年汽车尾气排放量将占空气污染源的 64%。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源安全与环境保护造成巨大的压力。有专家估算，在全球的石油消耗中，汽车约占 50%，按现在日消费石油消费水平计算，到 21 世纪中叶，全球石油资源将枯竭，所以，从保护环境和节约能源出发，改进燃油汽车已经成为一个刻不容缓的课题。张森：汽车电子差速及其控制方法设计2目前，美国、欧洲和日本的汽车公司，都在开发电动汽车。电动汽车集机电、化工各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。普通汽车被电动汽车所取代，是一种必然的发展趋势。电动汽车的优点有很多，比如对环境无污染，低噪声，热辐射少等优点，电动汽车最大的优点还在于，它的动力来源于电力系统，不仅可以是日益成熟的太阳能技术，还可以采用蓄电池形式。因此电动汽车不仅环保，而且可以利用各种形式的能源，完全迎合人类关于建设“绿色星球”的想法。最近，我国政府也提出 2008 年奥运会期间全部使用电动汽车的计划。因此我们研究电动汽车是很有必要的。1.2 电动汽车的发展简史1834 年，汤姆斯一种书桌制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，但只能行驶一小段的距离。四年之后 Roert 也制造了一辆用干电池驱动的汽车。1881 年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车，它是法国工程师 Gustave Trouve 装配的以铅酸电池为动力的三轮车。1886 年，Frank Sprague 设计生产了有轨电车。从此，电动汽车变得流行起来，并且在车辆运输中起着重要的作用。在当时的美国，每年的销售量的4200 辆汽车中有 38%是电动汽车，22%是燃油汽车，40%是蒸汽汽车。那时电动汽车是金融巨头的代步工具及财富的象征，一辆电动汽车的价格相当于今天的一辆 RollsRoyce。19 世纪末，许多美国、英国、法国的公司都开始生产电动汽车。最早的电动汽车制造厂是由 M 和 S 拥有的电动客车和货车公司。1986-1920 年期间，Riker 电动汽车公司生产了多种车型的电动汽车，其中 1897 年生产的 Victoria是一种设计较好的车型。除了美国电动汽车制造厂外