（电工理论与新技术专业论文）轮式驱动电动汽车驱动系统的研究.pdf

浙江大学硕 学位论文 a b s t r a c t t l i s t h e s i s i s f o c u s e d o n t h es t u d yo f a t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p b a s e d c o n t r o ls y s t e m f o ri n w h e e ld r i v e ne l e c t r i cv e h i c l e s n er e s e a r c h e si n c l u d eb o t ht h e o r e t i c a la n d i m p l e m e n t a li s s u e so f t h ec o n t r o ls y s t e m 1 1 陀e x p e r i m e n t a ls t u d i e sf o rap r o t o t y p ea r e a l s oc o n d u c e d f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s si n w h e e lm o t o r s i sp r o p o s e db a s e do nt h ec h a r a c t e f i s t c so fe l e c t r i c a lv e h i c l ep r o t o t y p e c o n s e q u e m l y , t h ed y n a m i c a lp e r f o r m c e so ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l e p r o t o t y p e a r ee x t e n s i v e l y i n v e s t i g a t e db yu s i n gm a l l a b s 1 m u l i n k s e c o n d l y a l la p p l i c a b l ei n - w h e e ld r i v e nc o n t r o ls t r a t e g yi si n t r o d u c e d i no r d e r t oo b t a i ne x c e u e n td y n a m i c a lp e r f o r m a n c e s ，an e wa c c e l e r a t i o ns l i pr e g u l a t i o ns y s t e m b a s e do nf u z z yc o n t r o li s d e f i g n e d u s i n ga ne f f i c i e n t a n dl o wc o s td e s i g n m e t h o d o l o g y , ap r a c t i c a le l e c t r i cd i f f e r e n t i a la l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d f i n a l l y , b yu s i n g t h ea f o r e m e n t i o n e dc o n t r o ls t r a t e g ya n d d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，ad s p 2 8 1 2b a s e dc o n t r o ls y s t e mo fat w oi n w h e e ld r i v e n e l e c t r i cv e h i c l ei sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mu s e so n l yo n ed s p 2 91 2t oi n d e p e n d e m l y c o n t r o lt w od r i v e nm o t o r s ，g i v i n gr i s et oa ne x c e l l e n tc o n t r o l l i n ga b i l i t ya n dar u n n i n g s t a b i l i t yo f t h ec o n t r o l l e de l e c t r i cv e h i c l e s k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，i n - w h e e lm o t o r ，m a t l a bs i m u l a t i o n , s l i pr a t e ， a c c e l e r a t i o n s l i pr e g u l a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，e l e c t r i cd i f f e r e n t i a l ， d s p 2 8 1 2 ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 渐江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及选题意义 交通能源与环境保护问题是当今人类社会所面临的一项重大挑战。当今世 界，汽车保有量已经超过8 亿辆，年产量达到6 0 0 0 万辆。在耗用巨量石油资源 的同时，汽车排放的尾气也产生了极大的空气污染。据不完全资料统计，6 0 的 城市污染来自于汽车尾气。随着世界石油储量日趋减少，环境污染日益严重，迫 切需要节省能源和低排放甚至是零排放的绿色环保汽车产品。为此，世界各国政 府以及各大汽车制造商都在加大力度开发各种不同类型电动汽车。从2 0 世纪7 0 年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化开发和应用i ”。 目前，电动汽车的研究已成为汽车行业先进技术的研究主流。电动汽车的发 展关键是在研发新型动力源的同时，进一步提高其动力系统的性能并降低成本。 投入市场的电动车辆应该在各种恶劣情况下都能可靠工作，以民用品的价格实现 近似军用品的性能。这对现代工业，特别是对电池、电力电子，电机等行业，既 是发展应用新技术的挑战，也是合成新兴支柱产业的重大机遇。所以，电动汽车 的开发具有深远的现实意义。首先，这一系统工程符合当代国际汽车工业和高新 技术的发展趋势，具有良好的经济、环保、节能效益；其次，项目的实施有助于 加速缩短我国与发达国家在汽车工业上的差距，为我国新型工业的增长点奠定良 好的基础。 本课题以新颖的轮式驱动电动汽车的工程项目为背景，立足于其动力系统性 能的优化设计与控制，深入系统地研究了电动汽车的车辆控制策略和控制系统， 开发了基于1 1 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片的轮式驱动电动汽车控制系统。本 项目面向社会与新技术的发展需求，涉及车辆、电机、控制理论、电力电子等众 多学科与工程技术领域，对于进一步研究开发电动汽车新技术，具有现实的学术 和工程意义。 渐江大学硕士学位论文 1 2 目前国内外电动汽车发展的概况 1 2 1 国外电动汽车发展现状 近二十多年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决环境 问题和能源问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。美国政府至今已出资 数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。1 9 9 1 年， 美国三大汽车公司联合成立了美国先进电池联合体，投入了4 5 亿美元，其中政 府拨款2 2 5 亿美元，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃料电池等各种高性 能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。在电动汽 车整车研究开发方面，至9 0 年代末期，国外大汽车公司已开发生产了1 0 0 多种 型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车。其中，已有1 0 多种纯电动 汽车车型投入商业化生产。近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点，美国 计划到2 0 1 0 年市场上燃料电池汽车的市场份额达到4 ，约为6 0 万辆。日本政 府也发布了燃料电池汽车发展计划：2 0 1 0 年5 万辆，2 0 2 0 年5 0 0 万辆。在纯电 动汽车和燃料电池汽车因技术和成本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降 低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前已经开始小批量 商业化生产p l ”。 1 2 2 国内电动汽车发展现状 上世纪8 0 年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入国家八五计划。 九五期间，科技部将电动汽车项目列入国家重大科技产业工程项目，投入近1 亿 元。国内汽车公司、大学和研究机构亦开始研制电动汽车，并逐步掌握了整车集 成、控制系统集成等关键技术。至2 0 0 1 年初，已推出纯电动轿车、混合动力轿 车、混合动力客车和燃料电池电动客车。十五期间，国家8 6 3 计划设立电动汽车 专项，国家和地方政府直接划拨以及国有企业投入的资金总额约3 0 亿元。目前， 已经有上百家企业、高校和研究所列入项目研发单位行列，如三大汽车集团、长 安汽车公司、奇瑞汽车公司，以及电机、电池企业。至2 0 0 2 年，随着电动汽车 重大专项的实施，己形成了多家产学研结合、金融机构介入的专业研发生产电动 2 浙江大学硕上学位论文 汽车的新型股份制企业，包括东风电动车辆股份公司、天津清源电动车辆有限公 司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京时光科技有限公司、奇瑞电动汽 车股份有限公司、大连新源动力股份有限公司、北京清华新能源汽车工程中心等。 近几年，已研制出部分样车有采用铅酸电池为动力源，以北京理工大学为主研制 的电动大客车；东风汽车公司、武汉工业大学、中国船舶工业总公司7 1 2 研究所 等单位联合开发的电动轿车( 以盘式永磁直流电机为动力，引用免维护铅酸电池 为能源，一次充电续驶里程可达1 3 0 k i n ，最高车速9 0 k m h ) ；郑州华联电动车辆 研究所研制的电动轿车( 采用交流同步电机，额定功率1 0 k w ，过载能力4 倍， i g b t 控制系统) ；华南理工大学研制的电动轻型客车e v 6 6 3 0 ，现已在深圳投入 试运行，还有北方工业大学、武汉长江电力公司、天津汽车研究所等也研制出了 电动汽车样车。此外，浙江大学与博信电池公司联合开发了以锌空气燃料电池为 动力源的电动轿车。值得指出的是，我国的汽车工业落后于发达国家，但电动汽 车技术与其他国家相比较，差距就不甚明显。可以预言，在全球性大力推进研究 开发电动汽车技术的2 l 世纪，电动汽车的产业化并进入商业营运市场的实用化 时期必将到来【5 】。 1 3 轮式驱动电动汽车的研究现状 传统的燃油汽车的驱动系统包含发动机、减速器和差速器等机械部件。这是 由于内燃机的速度可变范围窄，必须用减速器来扩大速度的调节范围。同时，在 转向过程中应用差速器以重新分配力矩，减少轮胎磨损。减速器和差速器为一系 列传动齿轮，在汽车运行中消耗一部分机械能，从而使车轮得到的功率不到发动 机功率的2 3 ，大大降低了汽车的效率。与传统的燃油汽车相比，电动汽车可根 据电动机的固有特点，省略减速器，差速器，直接将电动机安装于车轮上，采用 电动轮驱动，即轮式驱动【2 l 。 轮式驱动完全消除了传动中的机械磨损与损耗，提高了传动效率，在相比之 下具有较小的体积和最轻的重量，同时故障率降低，且在提高效率的同时，车轮 空间也能得到有效利用。此外，轮毂电动机的应用改变了汽车传统的驱动方式， 更有利于实现机电一体化和现代控制技术。至今，国内外对轮式驱动都已取得了 一定的研究成果。 3 浙江大学硕十学位论文 1 9 9 1 年1 0 月在东京汽车展览会上，日本东京电力公司联合日本电池公司共 同推出了“i z a ”牌电动汽车，其性能远远超过以往的电动汽车。i z a 是一种四 轮轮式驱动的电动轿车，其性能参数见表1 1 所示。在结构上，四个车轮均采用 外转子式无刷直流轮毂电机，电机直接安装在车轮轮毂内，轮毂作为电机的外转 子由轴承支承在车轴上，电动机的旋转直接转化为轮胎的旋转。采用这种独立驱 动结构，经实测电机与变换器的总效率可达9 1 以上。另外，车体采用炭纤维复 合材料，车体风阻和车轮阻力都很小，只是造价昂贵，尚难进入商品化；日本四 国电力公司开发的y o n d e n 电动车也采用了轮式驱动，车内设有车载充电装置， 最高时速可达1 0 0 k m h ，续驶里程为2 0 0 k m ( 车速为4 0 m h ) 。当该车就地旋转时， 最小旋转半径为1 6 m ；1 9 9 6 年底，丰田公司在北京国际电动汽车展览会上展示 了用于电动汽车的永磁无刷直流电动机，它将电动机，机械差速器，制动器和传 感器等一体化设计，采用同轴结构，此组合部件直接驱动两个车轮，结构新颖、 紧凑，表征了轮式驱动的一个发展方向1 4 1 。 表1 1 轮式驱动电动轿车“i z a ”的参数 项目 参数 项目参数项目 参数 车长( m )4 8 7 蓄电池种类 n i c d电机输出功率( k w ) ( 连续)6 8 车高( m ) 1 2 6 蓄电池质鼙( k g ) 5 3 1 电机最大功率( k w ) 2 5 车宽( m ) 1 7 7 电压( v ) 2 8 8 续驶里程( k i n ) ( 4 0 k m h ) 5 4 8 净重量( k g ) l s 7 3最高转速( r ；m i n )1 5 4 0 加速时间( 0 4 0 k m h ) 1 8 0 5 电机质量( k g ) 3 3最大转矩( n m )4 2 5 爬坡性能( ) 3 2 变换器质量( k s ) 2 2 最高速度( k i n h ) 1 7 6 国内轮式驱动的电动汽车通常采用稀土永磁材料的永磁同步电动机或永磁 无刷直流电动机为驱动电机，两者的主要差别在于定子输入电流，前者为正弦波， 后者为矩形波激励电流。永磁无刷直流电机以其控制方便、制造工艺简单、工作 性能好和功率密度高等优点，在国内电动汽车的开发中占有重要的地位。中国科 学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷轮毂电机，又称电动车 轮。单个电动车轮功率为7 5 k w ，电压2 6 4 v ，双后轮直接驱动。电机采用高性 能、耐高温的钕铁硼永磁材料，具有3 5 倍的过载能力，最大转矩可达3 0 一 4 浙江大学硕l - 学位论文 5 0 k g m ，整车实现了1 2 0 k m h 的运行速度。电动车轮附有常规的汽车液压制动 系统，驱动控制系统增加了双轮自动调速系统，电磁制动系统，取消了传统的齿 轮差速器，实现了可靠的转向控制和高速制动性能。上海宏大车辆有限公司的两 轮助动车，其电动机的性能指标为：额定功率为0 2 5 k w ，额定转速1 5 5 2 r m i n ， 额定电压为4 8 v ；中船总公司7 2 4 研究所的四轮电动汽车，其电动机性能指标为： 额定功率3 k w ，额定转速3 0 0 0 r m i n ，额定电压为1 1 0 v ；上海大学电动两轮摩托 车，其性能指标为：额定功率l k w ，额定电压为2 4 v ，额定转速8 4 0 r m i n 。 由于轮式驱动电动轮的转矩可控性，使得电动汽车的转向灵活性和姿态控制 性都较普通汽车得n t 改善。因为轮式驱动控制方式较为复杂，故在其关键技术， 如电子差速控制方面，国外大多数采用机械和电子控制相结合的方式：前轮通过 机械差速转向，后轮则采用电子差速转向控制。在电动汽车的电动轮驱动系统中， 电子差速控制的实质就是电动轮利用电机装置及计算机软硬件自动控制车轮的 转速，因此，电子差速控制技术的发展状况取决于电子技术和控制技术的发展水 平。目前，国外已有样车研制成功，“i z a ”牌电动汽车就采用电动轮驱动系统， 并实现了电子差速控制。 1 4 轮式电动汽车驱动系统分类 汽车运行时的一个显著特点就是根据路面的不同状况频繁地起动、停止、加 减速。根据汽车的这个特点，电动汽车所采用的电动机应有较高的瞬时功率和功 率密度。为了提高电动汽车一次充电行驶距离，电动机又应具有较高的效率。考 虑到电动机是变速工作的，所以电动机应有较高的高低速综合效率。对应于电动 汽车在启动和爬坡时速度较低，所需力矩较大；正常运行时速度较高，所需力矩 较小的运行工况，用于电动汽车上的电动机应具有以下机械特性：在低速时为恒 转矩特性，高速时为恒功率特性，且电动机运行速度的范围应较宽。轮式电动汽 车中的驱动控制系统根据可以使用的几种电机，分为以下几类： ( 1 ) 直流电机驱动系统 以直流电动机为驱动电机所构成的驱动系统称为直流电动机驱动系统。直流 电动机驱动控制系统具有控制较简单、效率较高、成本低和技术成熟等优点。但 直流电机具有电刷、换向器等易损件，需定期维护。同时，与交流电机相比，其 5 浙江人学硕上学位论文 效率较低、价格高、重量及体积大等缺点，使其应用受限。 ( 2 ) 交流驱动系统 以交流感应电动机为驱动电机构成的驱动系统称为交流感应电动机驱动系 统。交流电动机与直流电动机相比，具有效率高、重量轻、免维护，坚实可靠、 易冷却和寿命长等优点。但是控制交流电动机的逆变器较复杂。一是用于控制系 统的大功率管数量要多于直流驱动系统；另一方面，要实现交流电机的良好调速 性能必须采用矢量控制方法，所以在其逆变器中除了需用高性能的微处理器外， 控制软件也较为复杂。应该指出，随着电子技术的发展，交流驱动系统中的逆变 器技术也已日益成熟。随着电力电子技术的不断发展，交流驱动系统和直流驱动 系统相比，两者的成本差距日益接近。从目前来看，交流驱动系统总的成本高于 直流驱动系统的成本，但是由于交流驱动系统具有效率高、重量轻，能更有效地 实现再生制动等固有特性，因此在工程应用中得n t 广泛的应用。 ( 3 ) 永磁同步电机交流驱动系统- 在各类电机中，永磁电机具有最高的功率密度。永磁同步电机主要是指三相 永磁同步电机和无刷直流电机。它与前两种驱动系统相比较，是效率最高，体积 最小，重量最轻且无需维护的驱动系统，在电动汽车中也已得到了一定的应用。 但该类驱动系统尚存在成本太高的缺点，而且在可靠性和使用寿命等指标上也比 交流驱动系统差。同时，大功率的永磁同步电机的优化设计与制造，尚存在一定 的技术难度。然而，从发展角度看，我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永 磁材料，如钕铁硼等资源非常丰富，因而随着永磁电动机设计制造技术的不断进 步和发展，以及成本的不断下降，永磁同步电机驱动系统在电动汽车行业中的应 用前景令人瞩目。特别是在轮式驱动系统中，永磁同步电机的优势更加明显。 ( 4 ) 开关磁阻电动机驱动系统 开关磁阻电动机驱动系统，其电动机结构比感应电动机更为简单可靠，且效 率较高，特别是转子无绕组，适合频繁正反转和冲击负载等工况条件。功率驱动 电路采用的功率开关元件较少，电路较为简单。功率元件与电动机绕组相串联， 不易发生直通短路。该电机能实现较宽的调速范围，低速大转矩和制动能量回馈 等特性，因此该驱动系统特别适合应用于电动汽车。当然，该驱动系统的不足之 处在于振动较大，噪声亦较大。 6 浙江人学硕士学位论文 综合以上四种驱动系统的电动机性能及其技术状况的比较，如表1 2 所示。 表1 2 电动汽车驱动系统的电动机性能及其技术状况比较表 电机类型体积成本寿命效率控制性技术成熟度维修性 直流电动机大低短 o 7 0 8 易成熟难、繁 交流电动机最小低长o 7 o 8 难 成熟易 无刷直流电动机较小 高长0 8 0 9易 成熟易 磁阻电动机较小高 长o 7 - o 8 较难成熟易 1 5 本课题的主要研究工作 本课题以轮毂电机驱动的两轮独立驱动电动汽车为研究对象，聚焦于基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的两轮独立驱动电动汽车驱动控制系统的研究开发，以实验 室样车的设计和实现为切入点，主要做了以下几个方面的工作； ( 1 ) 轮式驱动电动汽车的仿真研究 仿真是指利用物理的或数学的模型来类比、模仿现实过程，以寻求过程的运 动规律。本文根据轮式驱动电动汽车的动力学特性和轮毂式无刷直流电机特性建 立数学模型，并用m a t l a b ，s l m u l i n k 进行轮式驱动电动汽车动力特性的仿真 研究。 ( 2 ) 轮式驱动电动汽车驱动防滑控制系统的仿真设计 驱动防滑控制系统是通过对作用于车轮上的力矩进行控制，防止汽车在起步 或加速过程中滑移，特别是防止汽车在非对称路面或在转弯时驱动轮的空转，提 高车辆的方向稳定性、可操纵性，使车辆达到最佳驱动力的装置。本文基于模糊 控制原理，进行轮式驱动电动汽车驱动防滑控制系统的设计，并在 m a t l a b s l m u l i n k 平台上实现仿真分析。 ( 3 ) 轮式驱动电动汽车的电子差速系统的设计分析 轮式驱动电动汽车采用电子差速技术，使其转向性能和系统效率都更为优 异，这是电动汽车工程领域中富有特色的一类关键技术。本文分析了基于样车的 电子差速方案。本方案兼顾了系统的操纵稳定性和整车的节能特性，对车轮与地 7 浙江大学硕士学位论文 面之间的附着系数进行了开环控制，使系统具有良好的电子差速性能。 ( 4 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的双轮毂电机驱动控制系统的设计与制作 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 是美国德州仪器公司推出的新一代3 2 位定点数字信号处 理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其它运动控制领域的应用提供了 良好的平台。基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的双轮毂电机驱动控制系统，在d s p 控制 器中运用两个控制单元分别对应控制两个轮毂电机。相对于传统设计方法，本文 进行了相应硬件和软件的改进设计，同时及时跟踪、采集、调整各种反馈信号， 以达到更好的控制效果。 8 浙江大学硕f ：学位论文 第2 章轮式驱动电动汽车的建模仿真 建模仿真是指利用物理的或数学的模型来类比、模仿现实过程，以寻求过程 的运动规律。它的基础是系统之问的几何相似性和数学相似性。首先，利用计算 机仿真方法能使汽车工程师们在产品设计阶段，对整车参数进行分析优化，从而 实现在一定的预期目标下进行产品设计。这对如今面临激烈市场竞争的汽车工业 来说是极为重要的，它将使产品设计的成功率显著提高，大幅度降低汽车产品的 设计开发费用，缩短研制周期，而且也将使所有设计产品的性能大大提高，从而 使产品在市场竞争中获得优势；其次，利用计算机仿真方法，可以较为方便地考 察汽车的结构如何影响汽车的性能，特别是当参数变化时，实际车辆实验可能测 不出其影响，而计算机仿真法则可以利用高性能的软硬件来分析这种微小变化对 车辆性能的影响。此外，在现实中无法通过试验考查或由于工况的不安全原因而 不易通过实车实验考查的工况，也能利用计算机仿真方法实现所需的分析，而且 这种方法成本较低。 本文根据轮毂式无刷直流电机特性和轮式驱动电动汽车驱动模型及其动力 学特性建立数学模型，并用m a t l a b s i m u l i n k 进行了轮毅式无刷直流电机特 性和轮式驱动电动汽车动力加速特性的仿真研究。 2 1 轮式驱动电动汽车样车模型 电动汽车系统一般由车体、电机驱动、电池和控制管理四个子系统组成。控 制管理子系统是整个系统运行的智能核心，其作用是根据各种传感信息，合理控 制其余各子系统的工作，以获得电动汽车良好的动、静态运行特性和能量利用率。 电机驱动子系统则是电动汽车行驶的执行机构，在很大程度上决定了整车的运行 性能和效率。事实上，轮式驱动作为电动汽车的一种驱动方式，对比于电动汽车 的传统驱动方式，取消了离合器、变速器、差速器等机构，电机直接驱动车轮。 这样，既完全消除了传动中的机械磨损与功率损耗，提高了传动效率，又有较小 的体积、较轻的重量，以及车轮有效的空间利用率，使这类轮式驱动方式富有特 色。 9 浙江大学硕士学位论文 然而，理应指出，轮式驱动方式的电机其安装空间受到限制，相应限制了电 机的容量。现有资料表明，轮式电机驱动系统额定功率一般都在1 0 k w 以下，而 为在有限的空间内达到较好的力能指标和系统效率，轮式电机均无一例外地采用 了永磁材料。因此，电机本体的设计难度、车辆运行控制的复杂度也相应增加。 但伴随着控制理论、电子技术和永磁电机优化设计技术的迅速发展，尤其是在中、 小功率车辆的应用场合，轮式驱动方式以其优异的秉性显示其广泛应用的前景。 本文所设计的轮式驱动电动汽车的样车模型如图2 1 所示【”l 。 臀涸午轮 图2 1 轮式驱动电动汽车的简易样车模型 2 2 轮毂式无刷直流电机的数学模型 轮毂电机 无刷直流电动机是随着电力电子技术迅速发展而出现的一种新型直流电动 机，它既保持了普通直流电动机良好的调速和启动性能，又具有寿命长、可靠性 高、无换向火花及噪音低等特点，因而常组成为现代应用技术装置，工业设备和 军事装备中必不可少的机电元件之一。为了合理地简化对无刷直流电机的分析， 通常假设：定子绕组为6 0 。相带整距集中绕组，y 形连接；忽略磁路饱和，不 计铁芯中的涡流和磁滞损耗；转子上没有阻尼绕组，永磁体也不起阻尼作用；不 考虑电枢反应，气隙磁场分布为梯形波，其平顶宽为1 2 0 。电角度；忽略齿槽效 应，三相绕组对应地均匀分布于光滑定子的内表面。由此可根据以下关系式建立 无刷直流电动机的动态数学模型【1 2 】【13 1 。 ( 1 ) 电压平衡方程 鲁= 壶b + 一瑰+ 枷( 城+ 蠢+ 畦) i o ( 2 1 ) 浙江大学硕上学位论文 鲁= 壶卜 珊搬( 畦一碱+ 咖 生：一f 生+ 堕1 d t ld t d tj ( 2 ) 电磁转矩方程 z = h + m “畋) ( 3 ) 转子运动方程 鲁= 专( l 一一乙) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，工j 为电机的相电感；墨为电机的相电阻；、分别为电机a 、b 、 c 三相的相电流；。：，m ：，中：为a 、b 、c 三相归一化后的电动势标幺值，其 波形图如图2 2 所示。，分别为a 、b 和b 、c 两相间的线电压；x 为转子 中的永磁体在每一相中所产生的磁通量；p 为电机的极对数；缱为转子的角速 度；瓦为电机的电磁转矩。 _ ；几一厂。 。：- - ： 厂- ；：厂l 。 ：! l ；il 7 ：! 门；| ! 厂、：。 j ：；i ! ：7 6 01 2 0 1 8 02 4 03 0 0 3 6 04 2 04 8 05 4 06 0 06 6 07 2 0 电角度p 图2 2 归一化后的电动势标幺值o ：，o ：，西：的波形图 浙江大学硕士学位论文 2 3 轮式驱动电动汽车的动力学建模 2 3 1 车辆纵向运动的动力学模型 在车辆的运行过程中，其受力情况是相当复杂的。其中涉及到车辆的整体受 力，如风阻力、空气升力和车辆与路面之间的摩擦力等。此外，在车辆运行过程 中，轮与地面间的功率传递过程，还涉及到轮胎与车体、地面的作用力，轮胎的 特性，路面状况特性等因素，这些都对车辆的运行性能和操纵性等有着很大的影 响。对这些环节的分析，即是设计一个良好的车辆机构的基础，也是设计一个良 好的车辆控制系统的基础。与此同时，考虑到电动汽车车身装载的能源有限，而 电动机控制系统有可能采用进一步的节能和操纵控制方法。特别是对于双轮独立 驱动的电动汽车，传统汽车驱动系统的一些结论性的规律和做法已经不是最佳选 择。因此，有必要重新从车辆动力学的角度出发分析双轮独立驱动电动汽车的动 力学特性，以期得到更加合适的技术结论和控制方法。显然，要对电动汽车的车 辆性能进行仿真研究，必须建立完整的车辆模型【1 4 1 1 ”】。 车辆的纵向运动物理模型如图2 2 所示。一般情况下，假定车辆以速度虬在 仰角为的坡度上直线行驶，加速度为k 。参照图2 2 ，基于牛顿动力学定律， 可以得出此时车辆的纵向运动动力学方程如下： m v x = f l + f d m g s i n f l f x = f 七f 。 乃= 一圭e 州曙s g i i ( 圪) 巴：+ h ( f a - m g s i n f l - m v r ) + b - m g e o s f l a+o f：+h(fa-mgsmfl-mv，)+amgcosfl 硝t 口+ d 1 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文 f i + f ，= m g c o s p 本节图文中采用的各符号定义为： g = 9 8 1 m s 2 ，重力加速度；，斜坡的倾角； m 汽车质量；a 车辆的迎风投影面积； 矗车辆重心到地面的距离； 口车辆重心到车辆前轴的距离； b 车辆重心到车辆后轴的距离； k 车辆纵向速度； 岛前轮与地面的摩擦力； 乓后轮与地面的摩擦力； 乃前轮的垂直载荷； c 后轮的垂直载荷； q 正向阻力系数； p = 1 2 七g m 3 ，为空气密度； i b 卜1 c a p a v ? ，正向空气阻力。 ( 2 1 i ) 图2 - 2 车辆的纵向运动物理模型 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 车辆横向运动的动力学模型 电动汽车的转向行驶取决于驾驶员、车辆和行驶环境组成的复杂系统。决定 其曲线行驶的关键因素有：驾驶员对转向前轮的操作，车速、车体的结构和参数， 轮胎和路面的结构与性能参数，外界环境对车体的作用力等1 5 1 。 电动汽车的空间运动主要表征为六自由度的运动系统，即有前后、左右、上 下的平动和绕三个垂直轴线的转动运动态。现定义前进方向为纵向，则相应地可 称之为纵向( x 轴) 、侧向( y 轴) 、垂直方向( z 轴) 的平动和侧倾( 绕x 轴) 、 俯仰( 绕y 轴) 、横摆( 绕z 轴) 的转动。对转向行驶的分析，一般集中于研究 其侧向、横摆运动。本文从最一般的高性能车辆的横向运动工况出发，提取了二 自由度电动汽车转向分析模型，如图2 3 所示。车体的受力和力矩的平衡方程为 其中 肌( v + ”q ) = x + e + e4 - ( 2 1 2 ) 以，= 口( e + e ) 一6 ( e + ) 一b ( 置+ 五) 2 + 曰( 五+ 置) 2 ( 2 1 3 ) 置2 民c o s s , 一s i n s , z 一巴4 ( 扛1 4 ) ( 2 1 4 ) r 2 瓦s i n s , + 以c o s 乃+ 巴4 ( i = l 4 )( 2 1 5 ) 车体的速度为 v ：石磊f 各车轮速度为 k-4(u-bto2)2+(v+do)r)2c o s 喁 =、i(u+boo,2)2+(v+aco,)2c o s 1 4 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 浙江大学硕士学位论文 k = 妊j 可虿百丽c o s = 妊五i 碍i 丽c o s 吼 离心力为 c = m v ( r r + ) 其中车体质心的偏离角 8 = a r c t a n ( v u ) 轮胎垂直载荷为 m = 去( 愕一 = 刍( 愕+ 丁2 h e ) 也= 轰( 愕一引 川= 羞( 懈+ 引 两后轮的转动方程为 厶鲁= 吾山“= 3 ，4 ) c 轮吲 地面切向反作用力为 f i l = p 。n i 1 5 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文 四个轮子的轨迹角为 碣：玑：兰堕 甜 玑：仉：v - b a 甜 相应的轮胎侧偏角为 q = 吼一4 ( i = l 4 ) 轮胎所受地面侧向反作用力 f 日= _ “n l = 一c l c z 滑移( 转) 率为 z = ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) v o ，- v , ( v 。，此时汽车处于滑转状态) 孛( ，此时汽车处于滑移删 旺3 3 本节图文中采用的各符号定义为： m 车体质量；b 车体重心距前后轴的距离； b 内外车轮的轮距；厅质心高度； l 车体转动惯量；三前后轮间的轴距，三= a + b ； l 车轮转动惯量：凡车轮半径； c - ，z 内、外j ； 轮的侧向反作用力；& ，c 。内、外后轮的侧向反作用 力； e ，e 内、外前轮的切向反作用力；民，e ：内、外后轮的切向反作用 力； q 车体横摆角速度；体车体横摆角，竹= q ； 1 6 浙江丈学硕士学位论文 v 车体速度矢量；车体质心的偏离角； c 轮胎的侧偏刚度( i = l 4 ) ；c ，前轮侧偏刚度之和； c ，后轮侧偏刚度之和；q 轮胎的侧偏角( 扣1 4 ) 矾轮胎的轨迹角、( i = 1 4 ) ；m 各轮胎的垂直载荷( i = 1 4 ) ； 甜，v 车体速度矢量在x ，y 轴上的分量； 四个车轮的相对于地面的行驶速度( i = 1 4 ) ； 吃四个车轮的旋转线速度( i = l 4 ) ； 0 ，4 前后轮的转向角度( 磊= 五= 西，磊= 五= 4 ) ； 心，。轮胎切向、侧向附着系数( ，= l 4 ) 。 图2 3 二自由度电动汽车转向分析模型图 2 3 3 汽车轮胎的数学模型 汽车运动依赖于轮胎所受的力，例如纵向制动和驱动力、侧偏力和倾侧力、 回正力矩和翻转力矩等，所有这些力都是滑移率、附着系数、侧偏角、侧倾角、 1 7 浙江丈学硕七学位论文 垂直载荷、道路摩擦系数和汽车运动速度的函数。如何精确而有效地表达这种广 义的函数关系，历来是轮胎建模所探讨的问题【4 】。 表征轮胎特性的纵向附着系数和滑移率的关系是非线性的。所以，轮胎模型 的构造一般分为两种，一种是物理模型，即通过对轮胎结构和形变机理的描述， 建立相应的函数关系。如1 9 5 4 年，f i a l a 对轮胎理论模型推导出无量纲的轮胎力 特性公式；另一种则是描述轮胎模型的经验公式或半经验公式，是基于大量的轮 胎力特性的实验数据进行回归分析，将轮胎力特性通过含有拟合参数的公式给出 有效的表达。目前，国内外对轮胎模型进行了较为深入的研究，建立了各种经验 的、半经验的或者理论模型。本文参考有关资料，采用相对精确而又简化了的轮 胎模型，其计算公式为 砌，= 筹 ( 2 3 4 ) 其中一是五曲线的附着系数峰值，乃是纬所对应的滑移率值。表2 1 给出了 不同路面条件下附着系数的平均峰值。几种常见路面的典型滑移特性如图2 4 所 示。 表2 1 不同路面条件下附着系数( 摩擦系数) 的平均峰值 路面条件平均峰值 沥青路面和混凝土路面( 干)o 8 o 9 沥青路面( 湿) 0 5 o 6 混凝士路面( 湿) o 8 泥土路面( 干)o 6 8 泥土路面( 湿) o 5 5 沙砾路面 o 6 冰面0 1 压紧的雪路面 0 2 1 8 浙江大学硕士学位论文 瓤 垛 鞴 蛩l o 7 5 0 5 0 2 5 图2 4 几种常见路面的典型滑移特性 2 4 轮式驱动电动汽车模型的m a t l a b 仿真 冰渣路 雪地 冰层 滑移率 m a t l a b 是m a t hw o r k s 公司推出的集系统设计、算法开发、建模仿真和实 时实现于一体的集成环境，现已广泛应用于电子通信、自动控制、图形分析处理、 航空工业等领域。s i m u l i n k 是m a t l a b 环境下建立系统框图和仿真的模块库， 具有构造系统模型和计算机模拟两大功能。本文采用m a t l a b s i m u l l n k 软件 建模，并基于工程产品进行其驱动系统的仿真研究f 1 9 】。 2 4 1 轮毂电机及其电驱动系统的m a t l a b 仿真 轮毂电机及其电驱动系统的m a t l a b 仿真模型主要包括以下几个主要模 块：无刷直流电机模块，三相桥式电路模块，p w m 波生成模块和霍尔传感信号 译码器模块。通过这些模块的有机组合，实现了整个系统的仿真模型。本文构建 该电驱动系统框图如图2 5 所示。 ( 1 ) 无刷直流电机模块 在m a t l a b7 3 版本的s i m u l i n k6 5 仿真平台下，s i m p o w e r s y s t e m s 工具 箱的电机( m a c h i n e s ) 模块库提供了多种电机的初始化模型。选择同步电机 p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ，该电机模型有两种仿真模式，一是普通 永磁同步电机，另一是永磁无刷直流电机。对模型的工作模式参数进行设置，即 1 9 浙江大学硕：t 学位论文 i e 睫埘 图2 5 电机及其驱动系统的m a t l a b 仿真模型 可令该电机模型在仿真时作为无刷直流电动机( 样车电机) 的工作方式进行仿真。 该模型( 见图2 5 ) 有四个输入端和一个输出端。输入端输入为a ，b ，c 三相电 压以及电机的阻转矩t m 。输出端为一个总线端i d 。输出总线上的数据可通过选 r 择，逐一分别输出，并通过示波器观察波形。输出的数据有霍尔传感器的电压信 号，电机各相反相电动势、相电流，电机的电磁转矩和旋转角速度等。 ( 2 ) 三相桥式电路模块 在s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱下选择电力电子( p o w e re l e c t r o n i c s ) 模块库中 的多功能桥式电路( u n i v e r s a lb r i d g e ) 模型。多功能桥式电路模型是一个既可以 用作整流，也可以用作逆变的模型，并且可以通过设置来改变它的相数和所采用 的电力电子开关类型。在本模型中，选用样车电机驱动用的m o s f e t 三相桥式 功率电路。该模型( 见图2 5 ) 有3 个输入端，分别是电源的正、负极和功率管 的触发脉冲信号。输出端a ，b ，c 三相电压信号分别连接到无刷直流电机的输 入端。 ( 3 ) 霍尔传感信号译码器模型 为了保证获得无刷直流电机的最大转矩，就必须要对三相无刷直流电机进行 换相控制。掌握好恰当的换相时刻，可以减小转矩的波动。因此，其位置检测是 非常重要的。位置信号在实际的电驱动系统中是通过三个霍尔传感器得到的。每 一个霍尔传感器都会产生1 8 0 。脉宽的输出信号。三个霍尔传感器的输出信号互 差1 2 0 。相位差。这样，它们在对应于每个机械转中共有6 个上升或下降沿，与 浙江大学硕士学位论文 6 个换相时刻相互对应。在本模型中，霍尔传感器译码器接收从无刷直流电机传 来的霍尔传感器电压信号，根据换向表，产生触发功率驱动桥所需要的信号。 ( 4 ) p w m 波生成模块 在常用的无刷直流电机控制器中，通过p w m 斩波对电压的大小进行控制， 从而控制无刷直流电机是设计者普遍采用的一种方法。本模型采用6 个功率管轮 换进行p w m 调制，即为单斩p w m o n 方式对三相桥式电路进行驱动。p w m 信 号由一个固定频率的三角波及直流电压信号通过比较即可生成。产生p w m 信号 模块的子模块如图2 6 所示。 s c 图2 6p w m 波的比较产生器模型 本文研究的样车电机为卧龙公司生产的无刷直流轮毂电机，该电机的性能参 数如下：额定连续输出功率9 0 0 w ，额定转速3 6 0 r p m ，额定输出转矩为2 4 n m ， 电机的额定工作电压为9 6 v 。在本仿真模型中，仿真所甩的轮毂式无刷直流电机 的具体参数为：极对数p = 8 ，相电感l = 1 1 m h ，相电阻r = o 2 8 2 q ，磁通量 五= 0 1 4 5 w b ，电机的转动惯量j = 2 1 0 。6 堙m 2 。仿真时，三相桥式电路正、负 极两端电压为1 2 0 v ，对系统进行斩波调制，占空比为o 8 ，使其工作在额定电 压9 6 v 。假设电动机空载起动，在o ，l s 时加入额定负载t m = 2 4 n m 。得到定子 相电流、反相电动势、电磁转矩和电机转速的波形，分别如图2 7 2 1 0 所示。 在仿真运行后，系统很快就进入稳态，在0 1 秒加入负载后，相电流增大，反相 电动势减小，转速一直在3 6 0 r p m 上下波动。通过改变系统的占空比和负载，可 以得到其它相应测试条件下的仿真波形图。从多组仿真结果来看，仿真波形与第 4 章中的电机实验测试结果基本一致，驱动系统具有良好的动态响应【18 】1 2 0 l 。 2 l 浙江大学硕十学位论文 图2 7 电机运行时相电流波形图 图2 8 电机运行时反相电动势波形图 图2 9 电机运行时电磁转矩变化波形 一厂1 f 。 ，- ：、， 图2 1 0 电机转速波形图 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 轮式驱动电动汽车样车纵向运动性能的m a t l a b 仿真 基于2 3 1 节的车辆纵向运动动力学模型分析，借助m a t l a b s l m u l i n k 强大的仿真功能，可以构建该运动系统框图如图2 1 1 所示。轮式驱动电动汽车 纵向运动性能的m a t l a b 仿真模型主要包括以下几个主要模块：轮毂电机模块， 汽车轮胎模块，车辆纵向运动仿真模块。通过这些模块的有机组合，实现了整个 系统的仿真模型。 图2 1 1 电动汽车纵向运动性能仿真模型 ( 1 ) 轮毂电机仿真模块 该仿真模块已在2 4 1 节中展述。