（机械设计及理论专业论文）后轮独立控制的四轮转向系统研究.pdf

重庆交通大 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狲日期：2 d1 1 年陟月侈日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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。 本人授权重庆交通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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：缈 日期：2 d7 f 年妒月 日 指导教师签名： 彩去d 日期加f 年v 月夕日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社嗍系 列数据库中全文发布，并按 _ 丽m r = 瓦两1 9 两4 蕊, 0 6 6 6 ( 所) ( 2 4 ) 仁g ，玑仉 2 3 1 8 o 8 o 8 8 v ”7”一。 电机的转速直接影响后轮转向系统的响应时间，而且后轮转向系统与前轮转 向系统有着内在的联系。为了使汽车四轮转向时，前后轮转向协调，在极限工况 下，后轮转向系统所花的时间应该不大于前轮转向系统所花费的时间。 一般情况下，前轮转向盘的最大转速为6 0 r m i n ，即有： 丝咝 竺咝( 2 5 ) g l g z 式中，珊默是转向盘的最大转速。 一 哆一g ，= 6 0 x 1 8 = 1 0 8 0 ( r i i l j 哟 电机功率为： 尸麟 9 5 59 5 5 考虑到汽车运行过程中的不稳定因素， 7 5 4 ( 矽) 电机的功率选择大一点，本设计选用 第二章电驱动后轮转向系统设计方法 l l l i n i x 的9 0 z w n 2 4 1 2 0 型号的电机，具体参数如表2 3 。 表2 3 电机参数 t a b 2 3m o t o r p a r a m e t e r s 相数极数额定电压额定电额定转矩额定功额定转速 型号 ( v )流( a )g c m率( 、( r r a i n ) 9 0 z w n 2 牛一1 2 0342 4 d c6 87 8 0 01 2 0 1 5 0 0 2 3 后轮定位参数确定方法的研究 车轮定位又叫车轮校正，它包括车轮、悬架、车桥和转向节的各种角度的定 位。好的车轮定位角可以获得安全的操纵性和最长的轮胎使用寿命【1 7 1 。 在后轮引入转向系统后，后轮的定位发生了很大的变化，不得不重新考虑车 轮、悬架、车桥和转向节之间的相对关系。因此后轮定位的作用就变为： 保证汽车直线行驶的稳定性。在前后轮都为转向的情况下，能保证不偏转。 使转向轻便。 较少转向轮和转向机构的磨损，最大限度地延长轮胎的使用寿命。 后轮定位的内容主要包括： 后轮外倾角 图2 6 后轮外倾角 f i g 2 6r e a r - w h e e lc a m b e r 图2 7 后轮前束 f i g 2 7r e a r - w h e e l t o e 汽车转向轮上端略微向外倾斜，车轮所处的平面和纵向垂直平面的夹角称为 1 2 第二章电驱动后轮转向系统设计方法 前轮外倾角，如图2 6 所示。不管采用多大的外倾角，由于车轮内侧和外侧转动的 半径不一样，而车轮转速相同，必然造成车轮内、外磨损不均。所以为了防止轮 胎不均匀的磨损，使外倾角为零。 前束 前束是指车身前进方向与后轮平面之间的夹角，也用后轮前端面与后端面在 汽车y 方向的距离差表示，如图2 7 所示。后轮前束主要是为了使前后轮以后轮 推力线( 与后轮中心线成9 0 0 角向前延长线) 为定位基准，使四个车轮保持平行， 保证汽车直线行驶的稳定性，减少后轮在行驶中的侧滑，延迟后轮轮胎的使用寿 命。根据与前轮的匹配选择2 - 4 m m 。 主销后倾角 v 厂 杰 厂 ，| ，厂 图2 8 主销后倾角 f i g 2 8c a s t e ra n g l eo fk i n g p i n 图2 9 主销内倾角 f i g 2 9i n c l i n a t i o nc a s t e ra n g l eo fk i n g p i n 主销轴线在纵向平面内与通过前轮中心垂线的夹角为主销后倾角，如图2 8 所 示。它的主要作用是保证汽车直线行驶的稳定性。按照汽车理论，主销后倾角越 大，行驶中产生的离心力就越大，防止车轮发生偏转的反向推力就越大，所以主 销后倾角越大，汽车直线行驶的稳定性越好，当然过大的主销后倾角会使高速行 驶中出现转向发飘，左右牵引的故障。查看其前轮转向系统，最后选择主销后倾 角为3 0 。 主销内倾角 主销在轴和悬架安装时候，上端略微向内倾斜一个角度，这个角度就叫主销 内倾角，如图2 9 所示。它能帮助转向轮自动回正；使转向轻便。通常主销内倾角 为6 0 8 0 。 第二章电驱动后轮转向系统设计方法 1 3 2 4 电驱动后轮转向动力学建模方法 由于后轮转向系统左右轮的结构完全相同，故我们提取左侧的转向系统进行 模型的建立。后轮转向系统由许多具有弹性和阻尼特性的质量元件或惯量元件组 成，在进行系统建模时，将转向系统进行了适当的简化，其简化模型如图2 1 0 所 示。 图2 1 0 左侧转向系统动力学简化模型 f i g 2 10s i m p l i f o dd y n a m i cm o d e lo fl e f t - s t e e r i n gs y s t e m 2 4 1 转向电机和减速机构模型 由电路的克希霍夫定律( k v l ) 可知，电动机的电枢电路微分方程为： u r 呲罢+ k 鲁 ( 2 6 ) 破。西 。 式中，卜电枢绕组的电感系数；r 一电枢绕组的电阻；u 一作用到电枢上的 电压；l o 一反电动势常数；卜电机的转角。 由于电流稳定，电感一般很小，因此电动机的电磁时间常数也很小，在进行 动力学性能分析时，一般将其忽略f 1 8 】。简化后的方程为： u ：r k 华 ( 2 7 ) 简写为： u = r f + 疋吃 ( 2 8 ) 电动机的电磁转矩t m 与电枢电流i ： 乙= 丘f ( 2 9 ) 式中，l o 一电动机电磁转矩系数。把式2 8 中的i 电流代人式2 9 有： t m k o 出产= 等卜疋点l ( 2 t 。) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 减速机构和转 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) z = 一墨兰( 一兰，一万) ( 2 1 6 ) gv 式中，j 广车轮和齿轮齿条等效到转向轴的转动惯量；b c _ 车轮和齿轮齿条等 效到转向轴的阻尼系数；t 广一地面阻力矩；t i 一电机经减速机构输出的转矩；e 厂 车轮和齿轮齿条等效到转向轴的转角；k 一0 偏刚度；卜拖距；卜汽车转角；g 一总传动比；v 一汽车速度；广横摆角速度；卜质心侧偏角。 联立式2 1 0 式2 1 6 可以得到电机的角度、角加速度和轮胎转角的对应关系。 2 5 后轮转向电机的驱动技术及电路设计 对于无刷电机的驱动技术，目前常用的有两种方案。一种是采用驱动芯片加 功率开关管逆变电路，另一种采用的是智能功率模块( i p m ) 。到底采用何种方案， 主要是考虑价格、尺寸和电路复杂度。就价格而言，第一种方案具有明显的优势， 但电路尺寸稍微大一点；就电路复杂度而言，m m 的接口电路较为简单、可靠性高， 但需要三路独立的非共地直流稳压电源供电，而且斩波频率较低。所以综合考虑， 本设计采用驱动芯片加功率开关管逆变电路的驱动方案。 2 5 1 驱动芯片选择 本设计选用的电机控制芯片是美国国际整流公司生产的为三相桥式驱动设计 的i r 2 1 3 0 芯片。此芯片是2 8 个引脚的双列直插芯片，常用做高电压、高速度的 第二章电驱动后轮转向系统设计方法 1 5 功率m o s f e t 和i g b t 驱动器，分别有三个独立的高端和低端输出通道，特点如 下： 集成度高，六路驱动，所需外围元件少； 逻辑输入与c m o s 或l s t r l 输出兼容，最小可以达到2 5 v 逻辑电压； 偏置电压最大6 0 0 v ，可输出的最大正向峰值驱动电流为2 5 0 m a ，而反向 峰值驱动电流为5 0 0 m a ； 死区时间2 5 u s ； 有过流、过压、欠压、逻辑识别保护以及封锁指示功能； 工作电源范围较宽3 v n 2 0 v 。 其典型电路如图2 1 1 所示 r o e 丽勰 口弼 f 翮 c 帕 图2 1 11 1 1 2 1 3 0 芯片的典型驱动电路图 f i g 2 1 lt y p i c a ld r i v e rc i r c u i to fl r 2 13 0c h i p t o u j 哟 2 5 2 功率开关管的选择 功率开关管是电机驱动电路最核心的部分，由它完成了无刷电机的换向功能。 在小功率的场合，一般可选用达林顿管( g t r ) 、m o s f e t 和绝缘栅晶体管( i g b t ) 等作为主开关器件。它们在耐压、容量、开关速度等方面的差异很大。其中m o s f e t 是压控型器件，具有较高的开关频率、输入阻抗高，驱动功率小，安全工作区宽 等特点，故本设计选用m o s f e t 作为功率开关管。 根据2 2 节选定的无刷电机参数为：电压2 4 v ，电流6 8 a ，三相绕组。则三 相全桥逆变电路功率开关管需要承受的最大反向电压为电枢绕组的线电压，即 2 4 x 4 3 - - 4 2 ( z ) ，一般情况下考虑2 倍左右的裕量，则功率开关管的额定电压要大 于8 4 v 。电机的额定电流为6 8 a ，启动电流一般比额定电流大两倍即1 3 6 a ，同样 考虑2 倍左右的裕量，则功率开关管的额定电流要大于3 0 a 。根据以上分析，选 择了i r f 3 7 0 1 作为驱动电路中的功率开关器件，其结构和封装如图2 1 2 所示。 转向系统设计方法 图2 1 2i r f 3 7 0 1 结构和封装 f i g 2 12s t r u c t u r ea n dp a c k a g i n go f i r f 3 7 01 2 5 3 驱动电路及逆变电路 图2 1 3 上半部分为无刷直流电机的驱动电路设计，图中c 2 、c 3 和c 4 为自举 电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，当被驱动的开关频率大于5 k h z 时，该电容值应不小于o 1 心，且最好为陶瓷电容。d 1 、d 2 和d 3 的作用是防止 上桥臂导通时的直流电压反流到i r 2 1 3 0 的电源上使芯片损坏。所以d 1 、d 2 和d 3 应有足够的反向耐压，而且为了满足主电路功率管开关频率的要求，d 1 、d 2 和 d 3 选择了快速恢复二极管。r i r 6 是m o s f e f 的驱动电阻，一般可采用十到几 十欧姆。i r 2 1 3 0 的h i n i h i n 3 ，l i n l - l i n 3 分别作为功率管的输入驱动信号， h i n l 、h i n 2 和h i n 3 分别对应由主控制芯片控制产生的p w m 作为上桥臂触发信 号；l i n l 、l i n 2 和l i n 3 分别对应由主控制芯片控制产生p w m 作为的下桥臂触 发信号，它们均是低电平有效；f l t 用来处理故障，控制着继电器动作。它的芯 片供电只需一路1 2 v 电源。当i r 2 1 3 0 驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足 时，则该路的驱动信号检测器件迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱 动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2 个功率器件的输入信号同时为高电平， 则i r 2 1 3 0 输出的2 路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发 生。 图2 1 3 中间部分为无刷直流电机的逆变电路，三对i r f 3 7 1 0m o s f e f 管组成 逆变桥，上桥臂的三支m o s f e f 管的栅极驱动电源彼此相互隔离，源极为悬浮地。 m o s f e f 管为电压驱型器件，栅源压差1 0 - - - 2 0 v 时饱和导通，过高则可能损坏，零 伏则关断。 上桥臂三支m o s f e f 管分别为q 1 、q 3 和q 5 。q l 导通后，q 1 的源极电位将 上升，此时栅极驱动电压如不相应升高，q 1 将关断。电容c 2 有自举功用，因为 电容的电压不能突变，故它会使v b l 随着q 1 源极电位升高而升高，也即该电容构 成了q l 管的栅极悬浮电源，故能维持q l 管导通，在q 1 的下桥臂m o s f e f 管q 4 第二章电驱动后轮转向系统设计方法 1 7 i 、 i 如咆u