（动力机械及工程专业论文）四轮驱动轮毂电动汽车控制器研究.pdf

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 武汉理工大学或其他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：塑! 垫鱼日期： 兰! ! ! ：苎：兰墨 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) 研究生( 签名) ：逛胀一导师(签名) ：瓣日期三竺：! ：三墨 摘要 i i ii ll ll llul l ll lllll y 18 8 0 4 5 9 在全球能源和环保问题日益严峻的情况下，电动汽车产业日益倍受关注。轮 毂电动汽车以其结构轻巧简便、可实现全轮驱动以及可控性良好等优势而受到 了较高的关注度。本文以轮毂电动汽车为研究对象，对直流无刷型轮毂电机进 行理论分析和仿真建模，深入研究轮毂电动汽车电子差速控制策略和控制器， 并对电子差速控制策略进行仿真优化分析，另外还针对自诊断系统做了详细说 明。 电子差速是轮毂电动汽车的驱动系统的关键技术之一，本文用了一个章节进 行了系统全面建模仿真分析。对于四轮驱动车辆，左右车轮的差速算法比较关 键，由于四轮轮毂驱动汽车没有传统的差速器，而是依靠控制器的电子差速算 法合理分配左右车轮的转速差来实现转向差速。本算法研究根据转向角度传感 器的信号和当前的车速来合理分配前排和后排左右轮的差速，防止出现转向时 滑擦和甩尾等现象。本文的电子差速是基于转矩分配与滑移率相结合的电子差 速模型，整个轮毂电动汽车控制系统结构分为两层，内层是轮毂电动汽车的控 制系统，外层控制系统是方向盘转向系统，从而实现对轮毂电动汽车四个车轮 转矩和转速的分配。 控制器由核心控制板和扩展板两部分组成，扩展板由电源模块、模拟量输入 输出、编码器信号处理电路、1 1 叮液晶显示屏电路、c a n 和r s 2 3 2 接口电路， s d 卡存储电路等组成。并能在仪表盘中显示油门开度、转速、扭矩、档位、车 速、电压、电流以及里程等参数，也可在显示屏中调整p m w 参数来控制电机转 速，数据能在显示屏能实时刷新。 最后一章详细介绍了基于图形语言l a b v i e w 和无线传输的性能测试系统， 重点讲解无线传输和程序控制部分的开发和设计。该系统利用了无线传输系统 和计算机串口，可实现对轮毂电动汽车性能测试与实时监控，该系统具有较高 的测试精度与可靠性。 关键词：电动汽车，电子差速、轮毂电机、性能测试 a b s t r a c t b e c a u s ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ， e l e c t r i cc a ri n d u s t r yi n c r e a s i n g l yh a sb e e nr e c e i v i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e h u b m o t o re l e c t r i cv e h i c l eh a ss i m p l ea n dl i g h ts t r u c t u r e ，i se a s yt or e a l i z ea l lw h e e l d r i v e ，a n da l s oh a sag o o dc o n t r o l ，s ot h eh u b m o t o re l e c t r i cv e h i c l eg e t sh i g h a t t e n t i o n h u b - m o t o re l e c t r i cv e h i c l ei ss t u d i e di nt h i st h e s i sr e s p e c t i v e l y , a n a l y s i st h e t h e o r yo fb l d c ma n db u i l di t ss i m u l a t i o nm o d e l s i n - d e p t hs t u d yh u b m o t e r a u t o m o b i l ee l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a lc o n t r o ls t r a t e g ya n di t sc o n t r o l l e r , a n do p t i m i z a t e s e l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a lc o n t r o ls t r a t e g y , i na d d i t i o n , m a k ead e t a i l e dd e s c r i p t i o nf o r s e l d i a g n o s i ss y s t e m t h ee l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a li sak e yt e c h n o l o g yo fe l e c t r i cv e h i c l e sw h e e ld r i v e s y s t e m ；w eu s eas e c t i o no fas y s t e m a t i cc o m p r e h e n s i v em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n a n a l y s i s f o rt h ef o u r - w h e e ld r i v ev e h i c l e s ，l e f ta n dr i g l a tw h e e ld i f f e r e n t i a ls p e e d a l g o r i t h m s a l ec r u c i a l f o u r - w h e e ld i f f e r e n t i a ld r i v e ne l e c t r i cv e h i c l eh a sn o t t r a d i t i o n a l ，s ot h ee l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a lc o n t r o la l g o r i t h mn e e d sar a t i o n a la l l o c m i o n o ft h es p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nl e f ta n dr i g h tw h e e l si no r d e rt oa c h i e v et h es h i f t d i f f e r e n t i a l t h ea l g o r i t h mb a s e do ns t e e r i n ga n g l es e n s o rs i g n a la n dt h ec u r r e n ts p e e d t og e tar e a s o n a b l ea l l o c a t i o no ft h ef r o n ta n dr e a rw h e e l s ，i tc a np r e v e n ts l i d i n g f r i c t i o na n ds t e e r i n gt a i lf l i c ka n ds oo n i nt h i sa r t i c l et h ee l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a li s b a s e dt o r q u ed i s t r i b u t i o na n dac o m b i n a t i o no fe l e c t r o n i cs l i p ，t h ee n t i r ew h e e l e l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ei sd i v i d e di n t ot w ol a y e r s ，t h ei n n e rl a y e ri sa w h e e le l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m , t h eo u t e rl a y e ri ss t e e r i n gw h e e lc o n t r o ls y s t e m ， i tc a l la c h i e v e t h ef o u rw h e e l sw h e e le l e c t r i cv e h i c l et o r q u ea n ds p e e dd i s t r i b u t i o n t h ec o n t r o l l e rh a st w op a r t s ，o n ei sc o r eb o a r da n dt h eo t h e ri se x p a n s i o nb o a r d t h ee x p a n s i o nb o a r dc o m p o s e sb yt h ep o w e rs u p p l ym o d u l e ，t h ee n c o d e rs i p p r o c e s s i n gc i r c u i t ，a n ds oo n i nt h ed a s h b o a r di tc a l ld i s p l a yt h r o t t l ea n g l e ，s p e e d , t o r q u e ，g e a r , s p e e d ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，a n dm i l e a g ea n do t h e rp a r a m e t e r s ，a l s oc a l l a d j u s tt h ep m wp a r a m e t e r st oc o n t r o lt h em o t o r ss p e e d ，i na d d i t i o n , t h ed a t ac a n d i s p l a yr e f r e s hi nr e a l - t i m e t h ef i n a lc h a p t e ri n t r o d u c e st h ee l e c t r i c a lt h e o r ya n dd e s i g no f p e r f o r m a n c et e s t s y s t e mb a s e do ng r a p h i cl a n g u a g el a b v i e wa n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h i ss y s t e m m a k e su s eo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dc o m p u t e rs e r i a lp o r t , a n dh a st h ef u c t i o n so f d y n a m i cp e r f o r m a n c et e s ta n dr e a l - t i m em o n i t o r i n ga l lt h es t a t u so ft h es y s t e m t h i s s y s t e mh a sah i g ht e s tp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，e l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a l ，h u b - m o t o r , p e r f o r m a n c et e s t i n g h i 目录 摘j j 9 e i a b s t r a c t u 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 3 轮毂电动汽车的优势4 1 4 本文的课题来源及主要叙述内容4 第2 章轮毂电机基本原理与建模6 2 1 轮毂单元产品发展6 2 1 1 传统轮毂单元产品发展历程6 2 2 2 轮毂单元技术趋势一8 2 2 轮毂电机的选型9 2 3 轮毂电机的结构1 0 2 4 轮毂电机的基本原理1 0 2 4 1 轮毂电机工作原理1 0 2 4 2 轮毂电机理论分析1 1 第3 章轮毂电动汽车电子差速系统模型1 5 3 1 轮毂电动汽车差速模块的建立1 5 3 1 1 车轮速度模型1 6 3 1 2 直流无刷电机模型1 7 3 1 - 3 平面行驶响应模型1 7 3 2 轮毂电动汽车电子差速系统仿真分析2 l 第4 章轮毂电动汽车控制器硬件电路2 4 4 1 控制器系统框图2 4 4 2 核心板2 5 4 2 电源模块2 7 4 3 数字量输入输出模块2 9 4 4 模拟量输入输出模块3l 4 4 1 电子油门3l i v 4 4 2 温度传感器一3 2 4 4 3 压力传感器3 4 4 4 4 转速传感器3 5 4 4 5 扭矩传感器3 7 4 5 增量式编码器信号处理电路3 8 4 6 显示屏系统3 9 4 71 3 9 4 火线与c a n 总线通信一4 1 4 8 数据存储系统4 3 4 9 轮毂电机控制电路4 6 4 9 1 轮毂电机控制系统4 6 4 9 2 轮毂电机驱动电路4 7 第5 章轮毂电动汽车测试平台自诊断系统一5 1 5 1 无线通信系统5 1 5 1 1 无线通信模块性能5 1 5 1 2 无线通信模块端口与配置5 1 5 1 - 3 无线通信模块组网方式5 3 5 2 自诊断程序5 3 5 2 1l a b v i e w 串口通信介绍5 3 5 2 2 串口通信设置一5 5 5 2 3v i s a 口驱动程序5 6 5 2 4 前面板程序一5 7 5 2 5 程序框图面板程序一5 9 第6 章全文总结与展望6 5 6 1 工作总结6 5 6 2 研究展望6 6 参考文献6 7 j 炙谢7 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 能源和环境问题是人类在2 1 世纪将面临的严峻问题，据相关的数据统计， 按照目前的产能和消费速度，已探明的石油资源可以维持5 0 至6 0 年左右，已 探明的油气资源可维持7 0 年左右，已探明的煤资源可维持2 0 0 多年左右，人类 活动日益频繁，交通系统日益庞大，我们去哪里寻找新能源来解决这种现状呢? 相关的排放法规也日益严厉，但是燃油汽车还是不可避免地要产生有害排 放物质。这些有害排放物不仅会污染大气环境，还会造成温室效应。面对日益 严峻的气候问题，减少排放己到了一个刻不容缓的地步局面。因而研发节能环 保汽车是实现现代交通可持续发展的必由之路。其中电动汽车能实现超低排放 甚至零排放、能源利用多元化、高效化。表1 1 给出了柴油发动机国和v 排放 标准与电动汽车的排放标准，从表中我们可以清晰的看到电动汽车在尾气排放 上优势很大。 表1 1柴油发动机与电动汽车排放 一氧化碳碳氢化合氮氧化物 颗粒物( p m )烟度 阶段( c o )物( h c )( n o x ) g k w hg k w hg & w h g & w h m 1 1 50 4 63 5o 0 20 5 v1 50 4 62 oo 0 20 5 电动汽车 00oo0 全世界兴起了一股研究电动汽车的热潮，许多国家投入了大量的资金和设 备，大力扶持大型汽车集团和研发机构，制定相关严格的排放法规和节能法规， 在一定程度上限制非电动汽车的生产与消费，如按乘用车排气量征税，鼓励使 用低能耗、低排放的小排量汽车的政策，采取各种优惠政策鼓励生产、经销和 消费电动汽车。“九五 期间，我国就已经将电动汽车的研究列入“九五 国家 重大科技产业工程项目；“十五 期间，科技部设立电动汽车专项课题，并构建 武汉理工大学硕士学位论文 “三纵三横 的研发格局，有关电动汽车的各项技术取得长足进步，纯电动汽 车技术已日趋成熟，逐步进入市场化推广阶段。 1 2 国内外研究现状 轮毂电动汽车集中电机驱动电动车和传统电动车的优点，是未来电动汽车 高端领域的理想选择。目前轮毂式电动汽车的研究主要应用在一些概念车上， 上市销售的电动汽车汽车还未涉及该项技术。在中国，长安、东风、一汽等汽 车相关企业以及一些高校都有对轮毂电动汽车的研究。表1 2 中给出了国内研究 电动汽车的情况。 表1 - 2 国内电动汽车研究( 部分) 电动汽车类型产品名称主要研制单位 夏利纯电动轿 车 天津一汽 神龙富康纯电 东风汽车公司 动轿车 奇瑞纯电动轿国家电动汽车试验中心和安徽兆成电动 车z c 7 0 5 0 a车辆公司 纯电动轿车u 2 0 0 1 电动轿车香港大学 爱迪生e v l 0 0 爱迪生汽车技术研究所 型 比亚迪电动轿 比亚迪汽车公司 车 奇瑞纯电动轿 上海交通大学 车q r 纯电动豪华旅 北京理工大学 游车 纯电动客车 纯电动低地板 公交车 北京理工大学 春晖2 号同济大学汽车工程学院 e v 9 6 1 电动汽 车 哈工大爱英斯电动汽车研究所 轮毂电动汽车轮毂电动汽车北京三环通用电气公司 四轮轮毂驱动 电动概念车e t 深圳比亚迪公司 四轮电动汽车中船总公司7 2 4 研究所 2 武汉理工大学硕士学位论文 国内外对轮毂电动汽车进行深入研究的汽车公司和研究所很多，日本清水浩 团队对轮毂电动汽车研究成果最多，到目前为止已经试制出了许多款不同形式 的轮毂电机电动汽车样车，其中一款是世界上速度最快的电动汽车，在轮毂电 动汽车理论研究上也大有成就。世界知名汽车大公司也纷纷推出自己的轮毂电 动汽车，这其中有丰田汽车公司在2 0 0 3 年东京车展上推出的轮毂电动概念车， 三菱公司在2 0 0 5 年推出的前轮转向后轮驱动轮毂电动汽车，普利斯通随后推出 的可动态减震轮毂电动汽车，本田汽车公司在2 0 0 6 年也推出了其轮毂电动汽车， 另外还有标致雪铁龙汽车公司的4 轮驱动轮毂电动汽车、德国的大众奥迪公司 的4 轮驱动轮毂电动概念车、美国通用汽车公司在2 0 0 1 年试制的4 轮驱动轮毂 电动概念车和以后时间内推出的后轮采用轮毂电机驱动的轮毂电动汽车等等。 表1 3 中给出了部分国外轮毂电动汽车的研究应用情况。 表1 3 轮毂电机及其电动汽车应用 车型年份研究所或公司动力源驱动模式 i z a 1 9 9 1同本t e p c o纯电动轮毂电机四轮驱动 e e o1 9 9 6日本n i e s纯电动轮毂电机后轮驱动 l u c i o l e1 9 9 7日本n i e s纯电动轮毂电机后轮驱动 k a z2 0 0 0日本纯电动轮毂电机四轮驱动 e l i i c a2 0 0 0日本k e i o 大学纯电动轮毂电机八轮驱动 a u t o n o m y 2 0 0 2 通用燃料电池轮毂电机四轮驱动 s 一1 0 改装 2 0 0 4雪弗莱混合动力轮毂电机后轮驱动 q u a r k 2 0 0 4标致燃料电池轮毂电机四轮驱动 轮毂电机后轮驱动 s q u e l 2 0 0 5通用燃料电池 中心电机前轮驱动 c o l t2 0 0 5三菱纯电动轮毂电机后轮驱动 l a n c e re v o l u tm i e v2 0 0 5三菱纯电动轮毂电机四轮驱动 轮毂电机后轮驱动 f c x c o a c e p t 2 0 0 5 本田燃料电池 中心电机前轮驱动 c n r t 2 | 意大利混合动力轮毂电机后轮驱动 c t - m v2 0 0 6三菱混合动力轮毂电机四轮驱动 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 轮毂电动汽车的优势 电动汽车的电力驱动系统有很多种型式，采用轮毂电机结构型式已成为一个 发展方向，轮毂电机已成为电动汽车领域的研究重点和热点。与以内燃机作为 动力的汽车和单电机集中驱动电动汽车相比，以轮毂电机作为驱动系统的汽车 具有很多优势。表1 _ 4 给出了轮毂电动汽车与传统汽车的各项指标对比，轮毂电 动汽车在很多方面具有优势。 表1 _ 4 轮毂电动汽车的优势 性能指标电动汽车传统汽车 系统响应时 5 m s5 0 m s 间 整体结构简化复杂 制造周期短 长 自动化程度较高一般 节能性较高一般 排放零严重 转弯半径较小较大 可控性较高一般 整车重量较轻便较重 差速方式电子差速传统机械差速器 动力控制软件控制电路控制 1 4 本文的课题来源及主要叙述内容 在杭州兆丰汽车零部件制造有限公司提供的轮毂电机基础上，建立四轮电 动轮毂驱动电动汽车动力驱动开发平台，在该平台上测试四轮独立驱动的动力 性能、经济性能以及电子差速转向性能等。整车硬件平台包括四轮轮毂驱动的 整车底盘系统，底盘上安装有四个轮毂电机、轮毂电机驱动器、蓄电池、轮毂 电机转速传感器、转向角度传感器、电子油门等。通过对电动轮毂驱动电动汽 车的研究与分析，提出建立电动轮毂性能测试平台的具体构想。运用开发的电 动轮毂性能测试平台测试出电动轮毂的瞬时功率、过载系数、加速性能等一系 列的参数，进而分析满足电动汽车用轮毂电机所需的参数，为电动轮毂的生产 提供可靠依据。主要从下面几个方面进行研究： 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 建立轮毂电机的数学模型，对轮毂电机的工作原理进行深入分析。 ( 2 ) 建立轮毂电动汽车电子差速动力学理论模型，将轮毂电机数学模型与电 子差速数学模型相结合，研究轮毂电动汽车电子差速系统。 ( 3 ) 制作轮毂电动汽车测试平台的控制器，可控制轮毂电机驱动器、转向系 统、轮毂电机转速传感器、转向角度传感器、电子油门等。 ( 4 ) 制作轮毂电动汽车测试平台自诊断系统，该系统采用无线通信模块，可 远程监控测试平台。自诊断程序软件采用l a b v i e w ，可实现远程监控。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章轮毂电机基本原理与建模 2 1 轮毂单元产品发展 2 1 - 1 传统轮毂单元产品发展历程 ( 1 ) 第一代轮毂单元 表2 1 中列举出来第一代轮毂单元的轴承( 见图2 1 ) 的特点，这种轴承的 优点是相当实用化，安装方便、结构紧凑、性能可靠。 表2 1 第一代轮毂单元 技术参数第一代轮毂单元特点 轴承背靠背双列角接触球轴承或双列圆锥滚子轴承 游隙设定好初始游隙，无需使用调整预紧载荷的隔圈 油封自带密封圈，多唇迷宫式密封结构，一次性专业润滑 安装易安装，无需调整 结构特点结构比较紧凑，性能可靠，有效载荷间距短 热处理工艺部件分批次淬火 角接触球轴承( 双列)圆锥滚子轴承( 双列) 图2 1 第一代轮毂轴承 ( 2 ) 第二代轮毂单元 表2 2 中列举出来第二代轮毂单元的轴承( 见图2 2 ) 的特点，这种轴承的 优点是冷热加工工艺得到较大提高，体积和重量减轻，生产周期和成本都减小。 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 第二代轮毂单元 技术参数第二代轮毂单元特点 轴承轮毂或转向节与轴承套圈一体化，无单独轴承结构 游隙设定好初始游隙，无需使用调整预紧载荷的隔圈 油封自带密封圈，多唇迷宫式密封结构，一次性专业润滑 安装外圈带有法兰盘，可直接连接到悬架或刹车盘和钢圈上 生产周期明显缩短 热处理工艺零部件高频淬火，回火工艺中使用感应加热系统 冷加工工艺减少工序和装夹次数，优化机加工工序 总体性能评价集成度和轻量化方面有所提高 图2 2第二代轮毂轴承 ( 3 ) 第三代轮毂单元 与第二代轮毂单元轴承相比，第三代轮毂单元突出特点是集成度得到提高， 第三代带有a b s 传感器。表2 3 中列举出来第三代轮毂单元的两种不同结构形 式( 见图2 3 ) ，这种两种形式的轴承集成度高、结构更加合理轻便。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 第三代轮毂单元 技术参数老式第三代轮毂单元旋压成形的第三代轮毂轴承 轴承无单独轴承结构无单独轴承结构 游隙设定好初始游隙设定好初始游隙 自带密封圈，多唇迷宫式自带密封圈，多唇迷宫式 油封 密封结构密封结构 小内圈与带凸缘的内圈进行压把带凸缘内圈的轴端部通过旋 结构特点 配合，并用锁紧螺母把它们固定压成形，与单体内圈固定在一起 外圈和内圈均带有凸缘，外圈的外圈和内圈均带有凸缘，外圈的 安装凸缘固定在车体上，制动闸和车凸缘固定在车体上，制动闸和车 轮固定在内圈的凸缘上轮固定在内圈的凸缘上 采用旋压成形技术，可靠性得到 性能评价较为普通的基本结构 提高 分 老式的第三代轮毂轴承结构旋压成形的第三代轮毂轴承 图2 3 第三代轮毂轴承 ( 4 ) 第四代轮毂单元 第四代轮毂单元把等速万向节与轮毂轴承单元做成整体。有效减小了万向 节的轴向尺寸，结构更紧凑，零件功能集成度高，在保证轴承可靠性的同时， 还可使得整个系统小型化、轻量化。 2 2 2 轮毂单元技术趋势 表2 4 中给了轮毂单元的技术趋势，其中轻量化和集成化是主要的途径。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 _ 4 轮毂单元技术趋势 技术途径改进途径产品改进后效果 改进部件结构设计，减轻单个部件 效果明显，能有效减轻质量，节 轻量化 省材料和成本，提高产品强度， 重量，采用新材料新工艺 有效降低油耗 集成化多功能化，如集成等速万向节等安装方便，结构紧凑，轻便简洁 改进部件内部结构和功能，采用新有效降低油耗，提高轴承的性能 摩擦力矩小 材料新工艺和寿命 通过在轮毂上的传感器测量车轮 自动调节制动压力大小，使得轮 a b s 技术毂轴承功能更加强大且带有 转速，传感器和轮毂轴承一体化 a b s 功能 2 2 轮毂电机的选型 目前电动汽车多数采用交流感应电机( m ) 、无刷直流电机( p m b l m ) 以 及开关磁阻电机( s 蹦) 和横向磁场电动机这几种。但要使电动汽车有较好的 运行性能，电机应具有一下的优点：较大的调速范围、较高的转速、足够大的 起动扭矩，同时要求电机自身的体积小、轻便、传动效率高，并具有强动态制 动和能量回馈等特性。表2 5 中给出了各种电动机的性能比较，综合各种因素考 虑无刷电动机最为经济实用，在电动汽车中有着很好的应用前景。 表2 5 各种电机性能比较 项目交流感应电机无刷直流电机开关磁阻电机横向磁场电机 调速范围好一般较好一般 扭矩好好好好 转速好好好好 可靠性好一般优秀一般 维护性 良好 良好较差 一般 功率密度 中 局中最高 整体成本局较低很高一般 电机重量较重轻一般轻 功率范围较存在转矩波动， 永磁体数目多， 耗电量较大，小，最大功率噪声大，直流母 用量大、结构较 转子容易发仅几十千瓦；线上需要装置 为复杂、工艺要 缺点求高、电机成本 热，效率不高，永磁转子的励一个很大的滤 高、漏磁严重、 调速性也较差磁无法调节，波电容器，控制 功率因素低、自 调速范围不宽系统复杂 定位转矩较大 综合性能差最好 审 好 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 轮毂电机的结构 该课题选用的轮毂电机为无刷直流电机，图2 - 4 为无刷直流电机的结构模 型，为小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机，定子在内，转子 在外，与传统的直流电机相比较，无刷直流电机以电子换向器取替了机械式换 向器，无刷直流电机即具有直流电机良好的调速特点，也具有交流电机的结构 简单、运行可靠、无需换向的特点。 电机定子：定子由定子绕组和定子铁心组成，与直流电机相比，结构差不 多，绕线也相同。 电机转子：转子采用高效稀土永磁材料代替励磁绕组，制动时电机可以进 入发电机状态。 位置传感器：这个是可有可无的。 | | t 图2 _ 4 无刷直流电机的结构模型 2 4 轮毂电机的基本原理 2 4 1 轮毂电机工作原理 无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体，这个与直流有刷电 机是有区别的。当给电机通以相同直流电流时，电机只能产生不变的磁场而不 能转动起来。只有定子产生旋转磁场，电机才会转动起来，这就要求根据转子 位置给电机的不同相通以相对应的电流，使得定子能够产生方向均匀一致变化 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的旋转磁场。图2 5 中电机定子的线圈是星形接法，中心点接电源，每相用功率 管进行控制，根据位置传感器导通情况，相对应的功率管g 极导通，从而相对 应的功率管导通，相应的相线圈上电，功率管为n 沟道增强型m o s f e t 管，在 这里起电子开关的作用。转子转动不同角度时，对应的相线圈也会依次上电， 这时定子会产生方向不断变化的磁场，电机才会转动起来。无刷直流电机的基 本原理：位置传感器检测转子不同位置，依次给线圈绕组上电，定子产生连续 均匀变化的磁场。 2 4 2 轮毂电机理论分析 图2 5 无刷直流电机工作原理 轮毂电机的正常运转需要依赖磁性齿轮的有效运作。如果忽略固定环，则 转子的有效磁场能表达式为： 毋。：艺a nc o s b e ，( p h 训 ”i ，3 ，5 ( 1 ) 岛。：量吃s i n k 。( 秒一缈f + 口。) 】 n = i ，3 ，5 ( 2 ) 在公式1 、2 中8 r - ，岛，是内转子磁场的径向和切向分量，既是傅里叶系 数，p 1 ，幼和伽分别是转子的极对数、转速和初始相位角。 武汉理工大学硕士学位论文 当考虑固定环的调节作用时，力为调节系数，表达式如下： 徊。+ 善踟c o s 吣( 目怕) j ( 3 ) 其中c o ，踟是傅里叶系数，p 。是固定环第一阶段的初始角度，m 表示磁通量。 由此可推出调节后的磁场能表达式为： 鞴= a = 。薹17 一c 。s b 妒一洲+ 锄) 】+ 至薹等c 。s i 脑+ 矽1 ) 一翌坚笔等# ) i + 3 j z - l b $ _ l 厶 i 7 ，“o o 7 t y j 黑，至争。s 卜神卜型字) b 二l = 日l 五 = 。塾s j l lkp酬+z-手l33挚m-i堕妇忙坳)-卜型棚蚴坳瑚j1|j13i + - u s i ，耋薹争妇卜刊( 号+ 型字) 同理可得，外转子的调节磁场能的表达式为： 曩乏= 四h 名 = 壑c 。b 舻一删+ 问】+ 盖耋等c 。 白她+ 矽母p 一型鼎嘉妻攀篙塞竺篓) j +知1 辜j i ，1 0 l 、 ，p 7 r o | 盏薹争。s 卜咧小壁字 】 如= 毋2 a 。黑。血b 舻一鲥+ 川】+ 孟量警血l l 汹+ 矽母p 一翌型毫擎) +知站j_d矗，-l 删。訾 ，j 黑墨等妞卜璐刊卜n p 2 m - 誓字) 】 其中磊，踟是傅里叶系数，p 2 ，w 2 ，厂。分别是外转子的极对数、转速以及初始相 位角。从公式( 4 ) 至( 7 ) 可知，内转子的磁通密度、谐波、极对数分别等于 r i p l ，m a r s + n p l ，m a r s n p l ，外转子的磁通密度、谐波、极对数分别等于 印2 ，m a r s + r i p 2 ，m a r s r i p 2 。如果p 1 、p 2 、n s 满足下列条件： n s = p l + p 2 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 代入可得： n p i l = m n s - n p l ( 9 ) n p 2 = m n s - n p 2 ( 1 0 ) 当m - - - - - l l 时，根据麦克斯韦定理计算，仅当谐波分量与极对数相等，且有固 定的相位角之差时，可获得稳定的扭矩传输值。 对于极对数谐波成分等于n p l 和m n s n p 2 ，其相位角之差： 目h = ( 仞叱一口。) 一( 一j 而n p a c o a t 一竺型r u 兰型n 璺s 兰 r i 薏p 鲨2 、 l ，箝上v 一露矽2 一 j ：r 函。+ 丝伪、1 舛丝坠丝型 ( 1 1 ) k p lp1 对于极对数谐波成分等于n p 2 和i i i n s n p l ，其相位角之差： 批= 一( 意 m n 聊s 瓶f l o 一- n p i a o 厂l ( c o a t - y o r i p l ) l ，卵j 詹一船矽1 ，以瓶一， ：一( o j a + 丝伪1 卜丝墅里坐 ( 1 2 ) p 2p2 因此，两个转子的旋转速度满足： g r ：l ( 1 02 = p 2 p l ( 1 3 ) 相位角之差翻n 和口z n 与时间无关，g r 为齿轮比，减号表示两个转子的旋 转方向相反。内转子和外转子的稳定扭矩可以表示为： 瓦：乙。s 巡型迕吐) ( 1 4 ) 乙：t 2s 域型型垡) 其中乙。、乙：分别为内转子和外转子的输出转矩。忽略外界磁场影响的功率 损耗，则内转子的输入功率等于外转子的输出功率。因而得： 毛q = 乙哆 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 6 ) 由公式1 3 和1 6 可以得到：争= 旦 l m 2p 2 1 4 ( 1 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章轮毂电动汽车电子差速系统模型 3 1 轮毂电动汽车差速模块的建立 本文以后轮驱动、前轮转向轮毂电动汽车为研究对象，通过建立轮毂电动 汽车的直线和转向行驶两自由度仿真模型并进行仿真。目前现有的理论模型有 a c k e r m a n n 和j e a n t a n d 低速理论模型、基于神经网络的电子差速模型、基于滑移 率的电子差速模型以及基于转矩分配与滑移率相结合的电子差速模型等。本文 采用基于转矩分配与滑移率相结合的电子差速模型，整个轮毂电动汽车控制系 统结构分为两层，内层是轮毂电动汽车的控制系统，反馈信号是轮毂电动汽车 的车轮转速；外层控制系统是方向盘转向系统，反馈是信号是方向盘转角信号， 从而实现对轮毂电动汽车四个车轮转矩和转速的分配。图3 - 1 给出了轮毂电动汽 车电子差速系统的仿真模型整体框架。 舒驶确碰模块 敷流 曰囝圈 乍缝名利 控制电机。- 摸块 控勰 模型 围困圆 图3 。1电子差速仿真系统框图 电子差速中各推导公式的各符号定义如下： a ：x 轴车速v ：y 轴车速 s i t a ：转向角w z ：绕z 轴横摆角速度 i ：1 为前左轮，2 为前右轮，3 为后左轮，4 为后右轮 c ：前轴距d ：后轴距 d e t a f - 前车轮转角d e t a r ：后车轮转角 b e t a ：质心侧偏角f a i ：轮胎附着系数 n m d a ：车轮滑移率e ：车轮y 轴轮距 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 v ：行驶车速h ：质心高度 l ：x 轴车轮轮距f z ：车轮z 轴垂直载荷 j z ：z 轴转动惯量c ：轮胎侧偏刚度 f x ：切向反作用力f y ：侧向反作用力 f c ；转向式离心力m ：轮毂电动汽车质量 j w ：车轮惯量丽：第i 个车轮的角速度 t t - 驱动轮转矩a l f a ：车轮侧偏角 i1 、i2 、i3 分别为直流无刷电机定子绕组电流 e l 、e 2 、e 3 分别为直流无刷电机定子绕组电动势 3 1 1 车轮速度模型 车轮转速模块是根据车轮侧偏角度计算公式和车轮中心沿x 方向速度计算 公式得来的。由于是前轮转向后轮驱动，因而后轮的转向角近似为0 。车轮侧偏 角度和车轮中心沿x 方向速度计算公式如下： a l f a i ：v - d * w i 甜 u 3 = ( u - - e 幸w z l 2 ) 2 + ( ，一d 宰w z ) 2e o s ( a l f a 3 ) u 4 = ( “+ e 木w z l 2 ) 2 + ( v - d 半w z ) 2e o s ( a l f a 4 ) 图3 2 是车轮速度仿真模型，输入分别为u 、v 和w z ；输出分别为u 3 和u 4 。 在车轮速度模块中的c e p i a n j i a o 子模块是后车轮侧偏角计算仿真模型，可由输入 g 、v 和w z 求得。 图3 - 2 车轮速度模型 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 直流无刷电机模型 图3 3 为直流无刷电机的p i d 控制模型，这个p i d 控制模型为速度环控制 模型，是整个控制系统的外层控制环，这种模型能较好的解决静态误差控制， 但是在复杂工况和干扰较大的情况下不是很理想。直流无刷电机也可以不采用 p i d 控制模型，而采用模糊p i d 控制模型，能比较好的适应参数变化和非线性化 等问题，稳定性也得到了较好的提高，响应速度也更快。 图3 - 3 直流无刷电机控制模型 3 1 3 平面行驶响应模型 行驶响应模块中输入为四个轮毂电机的转速，输出为直线行驶和转向行驶 的各项参数。行驶响应模块中包含的子模块较多，主要有两自由度动力学模型、 行驶动力学模型以及四轮转矩模型等。 3 1 3 1 转向判断模型 图3 - 4 是转向判断仿真模型，其中转向判断是计算公式为：u = u l * c o s ( s i t a ) 。 f u f l t 蚶o f l 图3 4 转向判断模型 3 1 3 2 驱动轮转矩模型 轮胎转矩与轮毂电机转矩是一对平衡力，这两个力是相等的。轮胎转矩计 算推导公式为： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 m p 1 n + e 2 幸i 2 + e 3 i 3 l i2 一 w z 图3 5 为驱动轮转矩仿真模型，在不考虑电机阻尼力矩和电机转动惯量力矩 的情况下电磁转矩与驱动轮转矩是相等的，为了简化模型电磁转矩近似等于驱 动轮转矩。 f u n d i o n 图3 - 5 驱动轮转矩模型 3 1 3 3 行驶车速、侧偏角计算模型 行驶车速和侧偏角的计算推导公式为： v ：而 b e t a ：a r c t g ( v - ) 甜 图3 6 是行驶车速、侧偏角在s i m u l i n k 中的仿真模型，两个输入分别为u 和v ；输出也是两个，分别为v 和b e t a 。 _ ：厂 萨 一 几 i 图3 - 6 行驶车速和侧偏角计算模型 3 1 3 4 行驶动力学模型 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 行驶动力学的计算推导公式为： f a i l ：q ：三兰竺五 0 0 4 + f n 肋a 1 2 f ) ( 3 = f a j 3 + f z 3 f x 4 = f a l 4 宰f z 4 咖掣= t t i 一( f z i 晰f 删 图3 7 给出了轮毂电动汽车后左轮的行驶动力学仿真模型，后右轮的行驶动 力学模型跟后左轮的类似，这里就