（动力机械及工程专业论文）轮毂驱动电动汽车整体设计与研究.pdf

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4 、3 5 所示。 图3 4 三相异步电机的t = ( s ) 曲线 武汉理工大学硕士学位论文 i k l nl 。l 。 图3 - 5 三相异步电机的刀= f ( t ) 曲线 b 额定转矩丁。在等速转动时，电机的转矩r 必须与阻转矩乃相平衡： t = z( 3 - 2 ) 阻转矩五主要是机械的负载转矩互，另外还包括空载损耗转矩瓦，由于磊很 小，所以： t = 互十互 ( 3 3 ) p t = z 2 l 一 ( 3 - 4 ) 。2 万刀6 0 其中，只为电机轴上输出的功率( w ) ：胛为转速( ，m i n ) 如果功率以k w 为单位，则： d t = 9 5 5 0 1 2 ( 3 5 ) 门 额定转矩是电机额定负载时的转矩，它可以从电机铭牌上的额定功率和额 定转速来计算求得。 c 三相异步感应电机的机械特性。三相异步感应电机在牵引控制中，采用转 差频率矢量控制策略进行控制。三相异步感应电机的机械特性( 图3 6 ) 一般分 为两个阶段。( 1 ) 恒转矩调速。在a a 时，即低于 额定转速调速时，u i u ，磁通和转矩都减小了，转速增大、转矩减小，将使 功率近似不变。 3 4 武汉理工大学硕士学位论文 最 转 最 功 最大转速 - 转们 恒转矩输出转差率限制 ( 方波) 功产 - 一- 一一 ? ， ， 电压交别磊 、 少 交流 ，fl 图3 - 6 三相感应电机的机械特性 ( 三) 永磁无刷直流电机 与传统的电励磁电机相比，永磁电机特别是稀土永磁电机具有结构简单、 运行可靠、体积小、质量小、损失少、效率高，以及电机的形状和尺寸可以灵 活多样的技术优势。永磁无刷电机主要由永磁电机本体、转子位置传感器和电 子换向电路组成。无论是结构或控制方式，永磁直流无刷电机与传统的直流电 机有很多相似之处。用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极；用具 有多相绕组的定子取代电枢；用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向 器取代机械换向器和电刷。 置传感器 图3 - 7 永磁直流无刷电机的结构 a 电动势和调速方法。无刷直流电机定子绕组相电动势幅值由以下方式确定 武汉理工大学硕士学位论文 e = 缈9 = 2 u r n # = 2 万盖l 九= e 九( 3 - 6 ) 式中，e = 2 x 杀l ，l 为电动势系数；考虑线路损耗及电机内部压降，而l s l _ ， n i - 1 2 0 。导通型逆变器的输出电压幅值为u = 互1u d ，则电机电势e 与外加电压相平 衡，u = e + 弓1u d ，即： 三= e 吮+ 三l 甩：三! 丝二垒型 e 矽 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 式中，为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。 b 电磁转矩。无刷直流电机的电磁转矩可由电机的电磁功率p 和角速度求得： z ：墨：! 丝二生坠2 ( 3 9 ) 22 将式3 - 6 和3 8 代入式，得： 乏= 2 m 妈 ( 3 1 0 ) c 机械特性。 刀：旦一墨型t j 盟一鱼 ( 3 1 1 ) 2 e 矽2 e 矽l 矽。2 g # 4 g # n i # 2 ( 四) 开关磁阻电机的结构 开关磁阻电机是一种新开发的机电一体化电机，由于其结构和控制系统简 单，以及电力电子器件的发展，一直以来备受重视。开关磁阻电机传动系统主 要由四部分组成：开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器如图3 8 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 厂 1 负载l i _ j 图3 8开关磁阻电机传动系统框图 开关磁阻电机具有简单的结构，效率相对较高的优势。另外，损耗主要产 生在定子边，所以冷却问题较容易。没有绕组的转子特点为其成为高速电机提 供了可能。但开关磁阻电机运转时声音较大，转速和转矩稳定性不是特别好。 开关磁阻电机传动系统综合了感应电机传动系统和直流电机传动系统的优 点，是电动汽车传动系统的合理选择之一。总结来说，开关磁阻电机有如下优 势： ( 1 ) 电机本体结构简单，定子上绕组集中简单，转子上无绕组，因此工作 稳定，制造简洁，成本低廉。 ( 2 ) 开关磁阻电机转子的转动惯量小，每次电流换向时能够灵活控制相匝 扭矩的方向和大小，所以使系统有着良好的动态响应性能。 ( 3 ) 开关磁阻电机的结构对转速的影响比较小，因而更容易制成高速的电 机，满足电动汽车动力性要求。 ( 4 ) 其转矩与电流极性无关，只需单向的电流激励。从理论上说，功率变 换电路中每相可以只用一个开关元件，与电机绕组串联。因此，开关磁阻电机 驱动系统s r d 线路简单且运行平稳，与p w m 调速系统相比更加节约成本。 ( 5 ) s i m 系统可以通过对电流的导通、断开和对幅值的控制，得到满足不 同负载要求的机械特性，易于实现系统的软启动和四象限运行功能，控制更加 灵活。又由于s r d 系统是自同步系统运行，不会像变频供电的感应电机那样在 低频时出现不稳定和振荡问题。 ( 6 ) 由于s r 开关磁阻电机采用了独特的结构设计以及相应的控制技巧， 其单位功率可以向感应电机看齐。s r d 系统的效率和功率密度在宽广的速度和 负载范围内都有着良好的性能表现。 ， 同时，开关磁阻电机也有着一些技术上的缺点：首先，电机传动系统的噪 声与振动比一般电机大。其次，由转矩脉动。从工作原理上可知，s r 开关磁阻 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 电机转子产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成。由于双凸极结构及磁路饱 和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响 了s r 电机低速运行性能。 3 2 3 轮毂驱动电动汽车电机的选用 ( 1 ) 电机类型的选用 选择电动汽车驱动电机类型的关键是电机的机械特性。三相异步感应电机、 永磁无刷直流电机、永磁磁阻电机和开关磁阻电机的机械特性都可以用t 一刀和 p 一刀曲线来表示，并作为选择电机的参考和依据。 当前市场上的电动汽车很多采用的驱动电动机都是感应电动机，主要是因 为感应电机的功率因数变化范围比较宽，效率也高。鼠笼型转子结构有利于实 现高速运转。此外，感应电机的价格便宜，维修方便。并且随着功率电子器件 和功率变换器的快速发展，感应电机的控制器采用了矢量控制方法控制的变频 器或逆变器，使感应电机具有更好的可控性和宽广的调速范围。新型感应电机 的直接转矩控制系统，具有控制简单，动态响应快，调速范围宽等特点。感应 电机的价格比较便宜，但控制系统很复杂，且造价不菲。 相对来说，开关磁阻电机式一种新型的电机。它的构造设计比其他任何一 种电机都要简单，效率更高。转速可以达到1 5 0 0 0 r m i n 。其转矩转速特性好， 在较宽的转速范围内，转矩、速度可以灵活的控制，并有高的启动转矩和低的 启动功率的机械特性。转子上没有励磁绕组和永磁体，结构结实、稳定性好， 质量轻，便于维修，价格低廉。开关磁阻电机的控制系统包括微处理器、位置 检测器和电流检测器等电子器件，控制系统较复杂，调节性能和控制精度要求 高。工作时转矩脉动大，体积比同样功率的感应电机要大一些。 而永磁电机的应用越来越广泛了。永磁电机优势主要是无励磁绕组的转子 使电机能够高速运转，矢量控制的变频调速系统具备较宽的调速操作空间。控 制系统的操作过程较感应电机的更为简便，且成本更低廉。电机的体积小、质 量轻、维修方便快捷。 随着现代制造技术、现代电子技术、控制理论、计算机和电子元器件的发 展，电机的控制系统正不断向自动化的方向发展。 ( 2 ) 电机电压选择 同等功率要求的情况下，电池组的电流小时，电压较高。反之，电流较大 3 8 武汉理工大学硕士学位论文 时，电压较小。在选择轮毂电机电压时主要根据轮毂电动汽车的总体参数的设 计，考虑到汽车的自重、各种汽车设备的载荷来确定电机的参数。对于电机总 体来说，首先是要着力提高电压等级，从而使电机的设计更加精巧，就可以使 电机在可以满足驱动的条件下，尽可能的为电池容量的选择、动力电池组的安 装等提供便利。 ( 3 ) 电机转速的选择 依照轮毂电动汽车的车速、动力性的要求，选择不同转速的轮毂电机。低 速电机的转速一般为3 0 0 0 6 0 0 0 f f m i n 。扩大恒功率区的低速电机转矩大、电流 大及尺寸和质量较重。一般低速电机的转动惯量大，启动慢，停的也慢。中速 电机的转速范围一般是在6 0 0 0 一1 0 0 0 0 r m i n ，各种参数介于低速电机与高速电机 之间，电动汽车常采用中速电机作为驱动电机。高速电机的转速通常应为 1 0 0 0 0 - 1 5 0 0 0r m i n ，扩大后的恒功率范围更大，相对来说，电机尺寸和质量较 小。转换器、控制器的尺寸较小，各种电器内在的损耗较小。高速电机的使用 受到电磁材料的性能以及轴承载荷能力的制约。 ( 4 ) 电机功率的选择 根据第二章提出的初步设计构想，满足轮毂电动汽车动力型设计要求的电 机应该同时满足所计算的三种动力性指标的要求。虽然无刷直流电机的功率显 然可以满足之前所提出的额定功率的要求，但结合汽车结构尺寸来看，找到既 满足轮辋尺寸设计要求又满足驱动功率要求的轮毂电机并不容易，基于目前市 场电机生产技术及需求，很多之前关于轮毂电动汽车研究用的无刷直流电机均 为特制电机才能同时达到功率及结构设计尺寸的要求。总结目前国内外轮毂电 动汽车用电机概况如下表3 3 。 表3 - 3国内外轮毂电动汽车驱动电机概况 车型电机类型额定功率峰值功率扭矩 i z a 同步轮毂电机 6 8 k w2 5 k w e c o永磁直流无刷电机6 8 k w2 0 k w k a z高速内转子屯机5 5 k w 法国t m 4外转予永磁电机1 8 5 k w8 0 k w6 7 0 n m 哈工大e v 9 6 外转子永磁电机6 8 k w1 5 k w2 5n - m 文献【4 】提出了使用比普通电机常规电压更高的较宽范围的阶梯电压驱动电 机的技术方案，满足轮毂电动汽车用电机的功率要求。“对传统常规电动机的转 3 9 武汉理工大学硕士学位论文 矩、效率、功率三个变量进行一体化改造的设计思路，即由电动汽车的智能控 制系统输出，供给电动机很宽的阶梯电压，以高电压大功率获取高转矩，以低 电压小功率获得高效率，来设计制造变功率的新型驱动电动机。 4 1 - 在经过对电 流、电压的等分析后，作者提出了特殊的电机设计及思路。“对一般电动汽车而 言，其每一个轮毂电机车轮里的电机功率范围，以目前的新技术来看，应该是 可以做到5 - - 4 0 k w 。四个车轮的电机总功率范围，应该能够在2 0 - 1 6 0 k w 。1 4 1 ” 综合目前国内轮毂电机情况，以及结合轮毂电动汽车动力性要求和权衡整车质 量及设计成本的制约，初步拟选用每个轮毂电机的功率在8 5 k w 左右。 3 3 无刷直流电机的结构 轮毂电动汽车的驱动电机作为直接驱动机构，安装在各驱动车轮的轮辋内， 因此要求电机应该具有尺寸结构设计轻便、电机的功率密度高、响应速度好、 控制和运行较为精确等等。综合看来，从电机效率、机体尺寸、启动转矩以及 功率因数诸多方面考虑，无刷直流电机是较为理想的驱动电机类型。 无刷直流电机根据其转子上的永磁体的安装方式划分。有矩形磁极，就是 嵌入式的安装方式，将铁心嵌入矩形的永磁体里，其特点是两个磁极形成一个 中间磁距的磁通。另外一种惯用的是表面安装方式。可以采用矩形小条拼装成 瓦片型磁极，这种方法可以节省电机的造价。为了满足没有机械接触换向的目 的，设计中撤掉了电刷，并把绕组和永磁体分别放入电机的定子和转子。可以 说无刷直流电机是一种集机电一体的设计，主要由电机本体、电机电路和传感 器这几部分构成。无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电机类似。 3 4 无刷直流电机的数学模型 3 4 1 无刷直流电机的微分方程 在电机的定子绕组为l ，接绕组的形式，霍尔元件相距一百二十度设计的结构 下，提出以下条件作为微分方程的基础。首先，略去磁滞部分的损耗以及涡流 消耗。其次，不计齿槽的影响，假定电枢上平均并且连续设置着电枢导体。再 次，在忽略电枢反应的条件下，气隙磁场等同为评定宽度是一百二十度的梯形 波。无刷直流电机的绕组连接如图3 - 9 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 9 绕组连接方式 无刷直流电机的绕组的相电压是感应电动势和电阻的压降两个单元。其中， 任一绕组的相电压能够表征如下： “x = r a + 气j ( 3 - 1 2 ) 其中，“。相电压： t 相电流； 吃相感应电动势； 足相电阻x 分别表示不同的绕组。 事实上可以用绕组组成的回路中的磁链在单位时间的变化快慢来表示绕组 的感应电势。在数值上来说，感应电势与磁链的变化率相同。 d v = 言 1 3 绕组除了与自身电流所生成的磁通相交链，也和别的绕组电流之磁通相交 链。拿a 相绕组来说 y 彳= 厶+ m 彳占+ 死c i c + 少朋( 秒) ( 3 1 4 ) 其中，y 。( 口) 彳相绕组的磁链； p 转子位置角； l 彳相绕组的自感； 、：一b 相绕组和c 绁f i x ca 相的互感。 永磁磁链少。( 口) 的大小主要受到气隙中永磁体的磁场分布，如图3 1 0 a 、b 所示的分布示意图。 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 a 图3 - 1 0a 转子位置 b 。 f 刖入山。l l 一卜 百 x | b m | r 图3 1 0b 磁通分布 由此可知 v p m ( a ) = 批缸) 互+ 口 2 ( 口) 2jb ( o ) s d o 石 2 其中，矽。( 口) 转子位置角口时绕组匝链的永磁磁通； b ( 目) 转子永磁体径向气隙磁密分布； 绕组匝数； 4 2 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 s 绕组在定子内径表面的面积。 运用式3 1 3 3 1 6 可以推导出式3 1 7 蝴= 如+ 二i ( 厶+ + 瑟+ 耖葫) 瑚知蛳峨伊刮也弛i 泞m = 冗+ 二三( 厶+ 蚝+ f c ) + 上式中e a 为a 相反电势 无刷直流电机的结构中，为数众多的就是选择使用表面安装方式。在这种 结构中，可将电感的绕组看成是一个常量，每一绕组的自感、互感分别一样。 即l = 厶= l c = 三，m 仰= m 删= = 蚝= m a c = 蚝= m ，由此可知 = 尺+ 三鲁+ m 鲁+ m 等心 c 3 砌， 显然三相电流满足 + + 乇= 0 ( 3 1 9 ) 则式3 1 8 简化为 甜= r i a + ( l - 肘) 譬坞 ( 3 2 0 ) 可知，无刷直流电机的相电压方程能够用如下式表示 i ； = 莒昙量 差 + j m m 呈m 丢 乏 + ； 图3 - i1无刷直流电机等效电路图 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 现实运用中，无刷直流电机定子绕组大多为】，接且中性点不引出，相电压难 以直接测量，基于相电压的数学模型并不适合所有的情况。相对而言，测量线 电压比较方便，加之在逆变桥的作用下，线电压近似等于逆变桥直流测电压， 无刷直流电机线电压方程能从相电压方程推导而出，用相电压方程相减既得 刚立批l o mm - l 竺。刚ld l + e a - e b l 浯2 2 ) 如果从能量传递的角度来分析无刷直流电机的功率和转矩，电机运转时， 除去在铜耗和铁耗的那部分能量之外，从电源得到的功率大部分传给了永磁电 = 巳乙+ + 如 ( 3 2 3 ) 若忽略机械损耗及其他损耗，电磁功率可以表示为 p e = z q ( 3 2 4 ) 互：坠警掣盟( 3 - 2 5 ) 3 4 2 电机的传递函数模型 在控制理论中，传递函数的作用是尤为重要的。电机控制领域里，基于各 种匹配的传递函数的电机模型，对于准确掌握和控制电机的操作过程起着重要 作用。在本章节对无刷直流电机的研究中，分析传递函数是基于定子绕组的两 两通电以及三相全桥驱动而言。切断相的电流变弱甚至为零时，完成换向过程， 电机处于两相导通状态。在忽略了时间极短的换相转矩脉动后，可以推导出： 1 4 = - - i b = z ( 3 - 2 6 ) 亟；一堕：堕 ( 3 2 7 ) d td ld l 联立式3 2 2 可得： 甜4 b = 2 火f + 2 ( l m ) d ，i 。4 - ( p 4 一) ( 3 - 2 8 ) 两相绕组导通时的对应等效电路如图3 1 2 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 2无刷直流电机两相绕组通电时的等效电路 推到传递函数公式，根据母线电压和角速度之间的关系，引入： 巧f 一瓦：粤+ 影q 其中坼电机转矩系数； 最，黏滞摩擦系数； 正负载转矩。 在空载的时候，电流可以表示成： f _ 一j d r 2 + 生q k 7 1 d t k r 代入电压方程可以得到： = 等窘+ 半争半q 将上式做拉式变换，从而推出无刷直流电机的传递函数： 啪) = 器= 面丽万羞高厕 下图为无刷直流电机系统的结构图。 ( 3 - 2 9 ) ( 3 - 3 0 ) ( 3 - 3 1 ) ( 3 3 2 ) 3 5 电机特性分析 图3 - 1 3 无刷直流电机系统结构图 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 1 无刷电机的启动特性 选用无刷直流电机作为轮毂驱动电动汽车的动力源，由于电机位于汽车车 轮处不经传动机构来驱动汽车行驶的，并且在汽车运行的工况中，会频繁的启 动和制动，因此作为轮毂电机驱动电机的无刷直流电机的启动特性直接影响了 汽车的行驶性能。 通常的，电机的启动特性是指在直流电压的作用下，电机的转速由0 逐步 提升到稳定值的进程里转速以及电机的电流的变化规律。无刷直流电机在启动 的瞬时，它的反电势和转速均为0 ，电流能够表示如下： j ：u a - a u( 3 3 3 ) 乞 启动时的转速和电流曲线见下图3 1 4 。 n o 图3 - 1 4 a转速曲线 图3 - 1 4 b电流曲线 无刷直流电机的气隙磁场的规律是大致如梯形分布，如果在反电势的梯形 范围内绕组成导通状态的话，此时反电势比较小，而电流值很大，所以和普通 的直流电机比较，无刷直流电机启动时的电流值会稍大。 3 5 2 电机的运行特性 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 工作特性 在直流电压不变的条件下，电机的电枢电流、电机效率以及转矩之间的关 系就是电机的工作特性。可知，电机的输入功率为： 丘= 吃+ + 弓( 3 - 3 4 ) 其中，n 电机转速； 犀。绕组的铜耗； c 电磁功率； 只逆变桥功率器件损耗。 由此- i 矢n ，无刷直流电机的输入功率是电磁功率和损耗吃+ 弓两部分构 成。还知道只就是电源为了克服反电势所消耗的功率，在通过磁场转化成了机 械能。当考虑负载处的损耗后，可以得出： = ( t l + 7 0 ) n = 罡+ p o ( 3 3 5 ) 其中，乃负载转矩； 瓦空载转矩，瓦= p o t 2 ； 只_ 输出功率，最= 乃q ； 只空载损耗 电机的效率可以表示为： 刀：墨：墨二! 刍堡型：1 一坐( 3 - 3 6 ) 。 墨墨 互 简化后得： 例一号，一等( 3 - 3 7 ) 两边同时对，求导得： 塑：一丘+ - p t + p - o ：0 ( 3 - 3 8 ) d iu du d l l 则可以推导得到： 弓+ p o - - - r i z = 圪 ( 3 3 9 ) ( 2 ) 调节特性 电机输入电压的改变、转子电阻的改变以及电机电路中电阻的改变都会影 响电机的机械特性。电机在它运行的时候输入电压的波动、运行时间较久都可 能导致电机的温升，从而影响电机的机械特性。若强制改变输入电压、电路电 阻及转子电阻，会造成电动机机械特性的变化。通常称电机的这种特性为电机 的调节特性。1 2 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 电机稳态运行时： = r j + 翥屯刀( 3 - 4 0 ) 砗，一瓦= 斋b ，z ( 3 删) 因此有： 力= 面3 忆0 k + t 獬u d 一志乏 净4 2 ， 3 吗忆+ 形3 吗吃+ 矾昂 一 图3 1 5 是在不同的转矩下，无刷直流电机的母线电压与电机转速的变化 规律。 ou d 图3 - 1 5 无刷直流电机调节特性 ( 3 ) 机械特性 在直流母线电压不变的条件下，转速与电磁转矩的变化规律关系就是电机 的机械特性。 = k t 鼍 3 0k 7 一名乙 n = 一二2 。：。 死 k e k t 根据上式可得无刷直流电机的机械特性如下图3 - 1 6 所示 ( 3 - 4 3 ) ( 3 - 4 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 3 6 本章小结 n o t e 图3 1 6无刷直流电机机械特性曲线图 本章重点分析了轮毂驱动电动汽车用电机的发展及使用状况，分别针对直 流电机、三相异步感应电动机、无刷直流电机以及开关磁阻式电机的工作原理、 结构设计、机械特性以及技术优劣特点进行了全面对比和分析。结合轮毂驱动 电动汽车设计所要求的小体积、高效率、大起动扭矩的设计要求，以及出于整 体汽车设计成本的考虑，选用永磁无刷直流电机作为轮毂驱动电动汽车的驱动 电机。深入全面的分析了无刷直流电机的数学模型、结构特点以及稳态工作特 性，进一步阐述了选择无刷直流电机作为驱动电机的原因。 4 9 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章轮毂电机驱动控制及差速控制的研究 4 1 整车动力驱动系统的选择 虽然轮毂驱动电动汽车采用无传动系统，用轮毂电机直接驱动车辆前进， 但对于不同的轮毂电机类型，采用不同的方式。一般来讲，轮毂驱动电动汽车 采用减速驱动或者直接驱动两种方式。对于高速内转子电机，选择另外装置减 速机构来减速驱动，起到减速增扭的效果，实现电动汽车起步的要求。对于外 转子的转速较低的电机，则使用直接驱动的方式。 4 1 1 减速驱动 轮毂驱动式的矿用车是使用减速驱动方式的典型，减速驱动是指在轮毂驱 动式电动汽车的轮毂电机与车轮之间加装小型的减速机构，轮毂电机输入的动 力经此减速机构后传递给车轮。有的则是靠分别装在车轮旁侧的电机经减速机 构后驱动车轮行进，如文献【1 0 】中提到的轮边减速驱动机构，就是在一种小型的 沙滩车基础上，去掉原有的动力装置，安装驱动电机和减速机构。 减速驱动方式对于高速内转子的轮毂电机比较适用，采用减速驱动方式的 汽车，其轮毂电机由于是与减速系统相连接，而不是与车轮结合，所以车辆自 身的重量以及像是过程中的振动冲击对与采用这种方式驱动的电机来说影响较 小，有效的保护了电机的输出轴。采用减速驱动的电动汽车电机大多是高速内 转子电机，功率密度高，结构精巧。可以满足汽车行驶过程中的载荷过大以及 爬坡需求较大的工况。此外，由于轮毂驱动电动汽车结构的特殊性，使得电机 在设计过程中受到诸多限制因素，而不能很好的实现自身性能，采用减速机构 的驱动方式在一定意义上增大了电机的调速范围。但也存在着噪音污染以及减 速机构中的齿轮可有效工作时间等技术上的缺憾。 4 1 2 直接驱动 电动车采用直接驱动的方式的较为普遍，也较为简单，可以说是完整意义 上的轮毂电动汽车。装置在车轮的轮毂电机的动力直接驱动车轮行驶，没有了 武汉理工大学硕士学位论文 减速机构的驱动形式在空间结构上为本身就受到设计限制的轮毂驱动系统节约 了宝贵的空间。选用直接驱动办法的轮毂电机通常为转速稍低外转子电机，有 些将电机的外转子直接设计为电动汽车车轮的轮辋或与轮辋融为一体，机电一 体化设计，制成一整套的轮毂电机驱动系统，图4 1 即为法国t m 公司的轮毂电 机车轮设计。 器 图4 1法国t m 公司的轮毂电机车轮 本设计选用外转子的无刷直流电机作为驱动机构，采用直接驱动方式，节 省机械机构的设计空间。 采用直接驱动的轮毂电机的动力经电机输出直接驱动汽车，没有了减速机 构的传动损失，实现了电机与负载间的刚性耦合，因此消除了传动机构产生的 传动误差，提高了整车对电机做功的利用效率。但由于是直接驱动，因此对电 机本身的性能如调速范围、输出转矩等提出了更高的要求。运动部件的减少可 以降低电动汽车在运行过程中的噪声，减小了系统磨损，提高了系统的可靠性。 4 2 轮毂电机驱动的控制策略分析 4 2 1 轮毂电机转矩波动分析与控制 武汉理工大学硕士学位论文 ( 一) 转矩波动的分析 本设计所采用的无刷直流电机，在工作过程当中的转矩波动是值得研究和 深入探讨的领域之一。永磁无刷直流电机的转矩波动主要有齿槽转矩波动和换 向转矩波动。若无刷直流电机的转矩波动不能得到有效控制，很对电机的运行 产生影响，引起振动噪声等一系列的问题。解决控制好无刷直流电机的转矩波 动问题长期以来是工程技术领域工作的难点。采用合理的设计结构，可有效减 小齿槽转矩。 ( 1 ) 齿槽转矩 电机内的永磁体和电机定子齿之间互相作用力的切向分量产生齿槽转矩， 在无刷电机没有通电的条件下，铁心与电机的永磁体也会相互作用从而形成了 转矩。此外，转子和定子存在相对运动时，在永磁体的俩侧面的用电枢齿形成 的小封闭区域里，磁导的变化很大，因而磁场内的储能发生了改变，进而也会 生成齿槽转矩。 削弱和控制齿槽转矩的方法有： a 合理选择永磁体的宽度 由于无刷直流电机的永磁体两侧产生的脉动转矩之间并不影响，永磁体的 宽度对齿槽转矩里的各谐波分量有影响。当永磁体的宽度比定子齿距的整数倍 稍大时，齿槽转矩的分量可以得到有效的控制。 若将永磁体的宽度选择为 2 a = ( k + o 6 1 歹t ) k - - l ，2 ， ( 4 1 ) 那么齿槽转矩的奇次谐波最大，偶次最小。 由于齿槽转矩主要发生在永磁体两侧拐角处，因此选用修圆拐角等措施， 能影响齿槽转矩的形成。 b 改变磁极参数的方法 改变磁极参数是利用改变对齿槽转矩起主要作用的幅值，实现削弱齿槽转 矩的效果。这种措施有改变磁极极弧系数、采用变厚度永磁体及偏斜磁极等实 现途径。 c 斜槽和斜极 定子斜槽和转子斜极是削弱或消除齿槽转矩的有效措施。定子斜槽的一个 斜齿距可基本消除或削弱齿槽转矩。此外，合理的选择电枢槽数和极数也能够 有效的控制齿槽转矩。 5 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 电磁因素引起的转矩波动 电磁因素引起的转矩波动是由于定子电流和转子磁场相互作用形成的转矩 波动，由于磁极间的相互作用，永磁磁场的极弧宽度小于实际的尺寸，所以导 通状态下的相绕组并不是一直处于均匀磁场下，因而产生了转矩的波动。 通常来看，由于永磁无刷直流电机的极弧宽度还是比较大的，因此电磁因 素引起的转矩波动比较小。 ( 3 ) 换向转矩波动 在无刷直流电机的工作循环当中，电机每个循环都需要进行定子绕组的电 流换向，伴随着电机的一个导通状态。如全桥式驱动的三相无刷直流电机选用 两两导通的方式运行，在其工作过程中，无刷直流电机在两相导通状态和换相 过程之间不断地进行切换。通常两相导通状态持续时间很久，影响无刷直流电 机电磁转矩的大小。换向持续时间短的，也会对电机的性能产生影响。图4 2 是 在转速和负载转矩不变的情况下，电磁转矩波形示意图。 l t e 0 丫 iii ili ii1 ox 32 ：r 3 7 西 图4 2 三相无刷直流电机电磁转矩示意图 可知，两相导通时电机电磁转矩为。换相时产生波动。可以用下式表示 电磁转矩： 仃 z ( 口) = 乃( 秒+ ) ( 4 - 2 ) j 当f 1 = 州3 0 9 ，其中c o 是电机的角速度。当点击在。和时刻处于导通状态， 电磁转矩是个周期函数，在区间 0 ，t 1 分析电机的换相过程。转矩波动的平 均值能够表示为： 于一业二型竺 ( 4 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 乙= 罟 ( 4 _ 4 ) 其中，e 两相导通时的相反电势幅值； ，两相导通时的相电流幅值； q 机械角速度。 ( - - ) 基于分时换向策略的转矩波动控制 由于无刷直流电机换相暂态过程十分繁琐且时长较短，随着负载以及转速 的提高，换相时的转矩波动愈发严重。采用传统的同时开通导通相、关闭相的 换相方式，在电机的诸多运行条件下，不管怎么改变换向时间，都无法实现预 期的效果，而是在某种层面上，减小了转矩波动。 分时换相策略是将关断相断开以及导通相开始工作时彻底的分开来，分别 对其工作状态进行控制。能够选用的开关方式包括完全关断后开通、先关闭后 开通以及先开通再关闭。每种方式对换相转矩有着各自不一样的效果。 首先，完全关断后开通的换相方式。此换相方式就是预先关闭a 相，等a 相电流减小至0 ，a 相完全断开后，此时b 相才导通，即乞， o t o 。 若假设f 。= 0 ，在换相区间 0 ，t 。 内，c 相电流荜为： 七= 一尼一钆1 - e - 气。 f 锄 0 ， 锄f 乙 ( 4 5 ) 2 e z r u a 1 _ e - 拿( - t - ) ， 在区间 0 ，t t 里，电流f c 的变化以及转矩波动的情况如图4 - 3 所示。 图4 - 3 换流过程电流和转矩波动示意图 在区间 0 ，t 1 内，转矩波动的平均值可以表示如下式4 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 址三兰丛堂：型塾璺竺二垡二生 ：擅唑兰蝗匹兰丑 q 喝 其次，先关闭后开通的换相方式。按照这种方式换相的电流变化引起的电 见图4 4 所示。 l t e ，i t e 一； - l e ：i：l 0t c mt o 。t 0 i ft l t 图4 - 4先闭后开式换流过程电流及转矩波动示意图 再次就是先开通后关闭的换相方式。这种换相方式会造成换相的过程中转 矩的变大。 实现最佳分时换相的策略并不容易，由于反电势在换相的时候的特性比较 接近线性，利用求超前导通电角度所对应的线反电势值，继而依据线反电势作 出相应的换相指令。图4 5 所示的是线反电势的图。 武汉理工大学硕士学位论文 八。 绣。0 7 图4 - 5线反电势与时间的关系 线反电势e ，与电角度9 满足式4 7 e ，2 e 寿= 万刁瑚 “。7 ) 其中，0 线反电势过零位置对应电角度； 巩反电势开始下降时刻对应电角度； p p ，对应的电角度； k 斜率。 4 2 2 轮毂电机速度控制 电机的速度控制有闭环和开环控制之分，有基于电压的控制和基于转矩的 控制来实现对电机进行速度控制的目的。p i d 控制是一种线性控制方法。优点是 其操作稳定性好、算法相对来说比较容易，已在诸多领域应用。图4 - 6 是控制系 统结构框图。 图4 - 6p i d 控制系统框图 根据控制的原理，p i d 控制系统的控制规律能够表示成 如) = k p 卅毒出+ 警) m 8 ) 其中，k e 比例常数； 5 6 武汉理工大学硕士学位论文 z 积分时间常数； 死微分时间常数。 真正实践中的p i d 控制系统并不完全是像图4 - 6 中那样每个部分都有，一般 的连续型控制算法有时并不可以运用的那么简单，通常人们采用数字式的p i d 控制器，这也是基于控制的准确性与鲁棒性考虑的。对式4 8 进行离散化后得到 方程： “c 七，= k p e c 七，+ 号砉p c ，+ 等c p c 七，一p c 尼一l ， ( 4 9 ， = k p e ( k ) + k 1 e ( j ) + k o ( e ( k ) - e ( k - o ) 其中，k ，积分系数； k n 微分系数； 丁采样周期。 下图4 7 所示为典型的数字p i d 电机控制系统框图。 图4 - 7数字p l i ) 电机控制系统框图 4 2 3 无位置传感器控制 对于普通的无刷直流电机来讲，通常是采用位置传感器采集到电机转子的 位置，进而通过所收集到得转子位置信号，做出判断指令来控制电机的。无位 置传感器其实本质上是一种间接性的收集转子位置的方法，它更像一种问接的 算法。且这种方法在省去了位置传感器的同时，避免了有位置传感器带来的很 多技术缺点。位置传感器的设置会给电机稳定工作带来不便，如信号受到干扰， 以及电机在工作状态下受到各种天气或恶劣工作环境的影响。相反，采用无位 置传感器的方法在信号抗干扰以及空间的布置上都具有优势。 无位置传感器就是采用各种间接测量或判断转子位置的方式。根据电机工 作过程当中电流和电压的变化过程，选择合适的时刻采集相关电信号，通过相 对应的计算方法来确定转子位置。常见的位置检测方式有以下几种。 ( 1 ) 反电势法 5 7 武汉理工大学硕士学位论文 该方法是一种比较常见的位置检测方法，巧妙运用了电机工作过程中，绕 组的反电势与转子位置有紧密关系的特点，原因是在电机工作的循环中，绕组 的导通状态是交替进行的，并且未导通的绕组的反电势波形是能够检测到的， 因此研究未导通绕组的一部分特殊的工作点就可以实现对转子位置的控制。反 电势法中又包含了端电压检测法、积分法、反电势三次谐波法以及续流二极管 法和线反电势法。 ( 2 ) 磁链法 与反电势法不一样，磁链法是利用对磁链的估计来判断转子位置的方法。 已知电机的电压为： u ：彤+ 孚 ( 4 1 0 ) d t 其中，u 相电压矩阵； 相电流矩阵： 尺电阻矩阵； 沙磁链矩阵。 电机磁链表示为： 少= 【( u 一彤) d r ( 4 1 1 ) 选用磁链法控制电机需要确定转子在启动时的开始位置，且磁链法计算量 比较大，低转速工作时可能会有误差积累。图4 8 为磁链法示意图。 图4 - 8 磁链法示意图 ( 3 ) 电感法 反电势法和磁链法是依据转子磁场的运动来判断转子位置，其弊端在于转 子静止时上述两种方法均无效。因此，电感法适用于转子静止时判断转子位置。 电感法的原理是在绕组中施加方波电压脉冲并检测电流值，通过对电流值的对 武汉理工大学硕士学位论文 比可以依据电感差异实现转矩和电感之间的关系来检测转子位置。 电机每相总磁链由转子永磁体磁链和定子绕组电流磁链两部分组成： y 口= 沙6 + f ( 4 1 2 ) 其中，虬每相总磁链； 转子磁链； ：l m 。 4 3 轮毂驱动电动汽车的差速研究 电动汽车差速的研究一直以来就是轮毂驱动电动汽车的核心研究方向，也 是一直以来国内外广大学者纷纷热心研究与探索的主题。要解决好轮毂驱动电 动汽车在行驶过程当中尤其是在车辆转向的时候的差速问题，实现各个车轮之 间按照理论设计或接近理论的转速分配与扭矩分配，最小限度的避免或减小车 轮相对于地面的滑移以及轮胎的磨损。 电子差速若能够实现预期的控制结果，则其具有机械差速不可比拟的优点。 首先，基于电子控制的差速控制更为科学和精确。其次，相对于普通的前轮转 向两驱动的机械差速式的内燃机车来说，四轮独立驱动的轮毂电动车的转向更 加方便快捷，甚至可以实现原地转向。再次，电子差速的执行过程比机械差速 的速度更快，更及时。最后，具有更好的传动效率。 虽然电子差速有诸多技术上的优势，但真正实现起来困难重重。电子差速 的目的是要准确根据电动车的行驶情况，作出正确的控制指令，以实现对于各 个车轮的精确控制。在实际实施过程当中，对于选取正确的差速计算模型以及 合理的控制策略又存在了很大障碍。汽车转向或者直线行驶的过程其实是一个 比较复杂的工作状态，每个车轮的速度、扭矩都受到路面、车载荷、轮胎状况 等因素的影响，因此简单的基于车速或只考虑理想的行驶路况的差速算法在实 际的控制效果中并不理想。即使算法合理，但控制的结果还受到控制器以及应 用软件的控制精度、操作稳定性等的影响。因此，对于电动轮毂汽车的差速研 究任重道远。 4 3 1 自适应差速 自适应差速是关于解决电动汽车差速问题的一种观点。分布驱动式电动汽 车，由于各个车轮有各自的驱动电机和控制，因此它们之间的转速和工作状态 武汉理工大学硕士学位论文 独立可控，互不影响。这也是自适应差速的先决条件，因此对于其他的各种控 制算法，自适应差速观点认为那些算法人为的又把本来独立的车轮重新联系起 来，不仅不能很好的控制，反而成了相互的制约因素。 自适应差速也有不同的实现方法。分析了电动汽车在行驶过程的车轮旋转 受力( 图4 9 ) ，认为只要在车辆运行的过程中，合理的且独立控制各个车轮按 照符合电动车行驶的受力方程输出电机转矩，使输出转矩满足公式4 - 1 3 ，就可 以实现滑移率控制在可靠的区间之内【j 。 亏m 。| 一鼷。 】 t “已一 n 图4 9 车轮受力分析图 如图4 - 9 所示的车辆的车轮受力状况用以下方程表达： 1 w , d 讲c o i 以。一f t i 铲瓦一眠掣( 4 - 1 3 ) 其中，乙电机驱动转矩； f 。，驱动电机与车轮传动比； m 。第i 个车路质量； 战，第i 个车轮轮心处速度； 为作用系数，取值为 孝j o q ，： ( 4 1 4 ) 【l 哆，： 而有的是通过对驱动电机进行独有的设计来实现电机的自适应差速的，文 献2 6 以双转子电机为例，分析电机在工作过程中的两个转子的转速关系。“在 传统直流电机中，磁极产生的主磁场不是旋转的，双转子电机的磁极随内转子同 大地参照系有相对转动。根据运动的相对性，设双转子电机内外转子转速分别为 、，磁极固定时的转子机械转速为刀。该电机构建了两个原动组件，为具有 武汉理工大学硕士学位论文 两自由度的机械结构，所以在一般正常拖带负载状态下，电机的转速特征为 疗= 玎。+ 。“因此，对双转子电机的控制实质上是对相对转速n 的控制，而电机 两个转子的实际转速则是以两个转子的转速之和或者之差的代数值形式与相对 转速建立对等变化关系。这与传统车辆上使用的差速器原理十分类似。 “在利 用双转子电机作为驱动电机时，需通过安装在两转子外侧的换向减速行星排的换 向减速作用，使双转子电机两个转子分别带动两侧半轴向同个方向以相同的扭 矩输出功率。 2 6 1 ， 4 3 2 电子差速 ( 1 ) 基于a c k e r m a n n 模型的转速控制方法 此差速计算模型是理想状态下的计算模型，只适用于低速行驶的车辆，且 做了很多假设条件，在满足车轮变形、汽车车身为刚性等条件下，此差速算法 才能较为有效。下图4 1 0 为a c k e r m a n n 模型的示意图。 图4 1 0a c k e r m a n n 模型 图4 1 0 中，d 为电动车辆转向时的理论中心，四个车轮的车速已标明，车 轮之间的尺寸为b ，r i 至兄分别为各个车轮的转动半径，设c 为车轮转过一圈 的位移，a t 为车轮转过一周的时间。可知 国= 兰：旦：旦- - 旦= 旦( 4 1 5 ) 国= 一= 二= 二二= 二 ( 4 一l b ) r r恐马凡 r ：l( 4 1 6 ) t a n 占 6 1 武汉理工大学硕士学位论文 马= r + 导 心：尺一要 e = 2 z r 3 = 2 r c r + z b ( 4 - 1 7 ) ( 4 - 1 8 ) ( 4 - 1 9 ) ( 4 - 2 0 ) ( 4