（电机与电器专业论文）四轮独立驱动电动汽车的电子差速系统研究.pdf

西北l ：业人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) i sa ni m p o r t a n tt r e n do ft h ev e h i c l ei nt h ew o r l d i ti s i n v o l v e di nt h ev e h i c l e ，c o n t r o lo ft h em o t o ra n dt h et e c h n o l o g yo fb a t t e r y m o r ea n d m o r er e s e a r c h i n go r g a n i z a t i o nr e c o g n i z e dt h ei m p o r t a n c eo fe v s o m eo ft h e mh a v e a l r e a d y h a dt h e i ro w n p r o d u c t i o n 。 f i r s t l y , t h et l l e s i sp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so fe vh o m e a n da b r o a d ，a sw e l la ss t e e r i n gs y s t e mo fv e h i c l e sa n de l e c t r i c a ls t e e r i n gs y s t e m c o m p a r e dt o t h em e t h o d so fs t e e r i n g ，ap l a no fe l e c t r i c a ld i f f e r e n t i a l ( e d ) i s c o n f i r m e dw h i c hi sb a s e do na ne vd r i v e nb yf o u ri n w h e e lm o t o r s t h ec o n t r o l l e ro ft h em o t o ri st h ec o r et e c h n o l o g yo fe d t h ec o n t r o lp r i n c i p l e a n dh a r d w a r ed e s i g no ft h em o t o ri se x p l a i n e d t w ow a y st oc o n t r o lt h em o t o ra r e p r e s e n t s ，o n e i ss i n g l e - p o l a r i t yp w m ，t h eo t h e ri s d o u b l e p o l a r i t yp w m w e c o m p a r e dt h et w ow a y si nt h ea r e ao ft h et i m eo fd e a ds p a c e ，n e w b o r ne n e r g y , c h a r a c t e r i s t i co fp o w e ra n dc o n t r o lm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h es p e e do fm o t o ri s c a l c u l a t e dw h i c hi sr e l a t e dt ot h ed u t yc y c l eo fp w m t h em o t o r sd y n a m i ce q u a t i o n s a n df u n c t i o n sa r ea n a l y z e da n db a s e do nw h i c ht h ep i dc o n t r o lm e t h o di sp r e s e n t s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fe d w ec a n c e lt h er e d i r e c t i o n ，t h e m o t o ri nt h er e d i r e c t i o na n dt h eb r i d g e t h ee dh a sf i v ep a r t s ，s t e e r i n gw h e e l ，s e n s o r s o f d i s p l a c e m e n t ，c p u ，t h ef o u ri n w h e e lm o t o r sa n dt h ep o s i t i o ns e n s o r si nt h em o t o r , t h ef o u rw h e e l ss t e e r i n gs y s t e mi su s e di nt h i sp a p e r t h es p e e do ff o u rw h e e l si s c a l c u l a t e di n d e p e n d e n t l yd u r i n gt h et u r n i n g t h ed i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sa r e p r e s e n t e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h ef o u rw h e e l ss t e e r i n gs y s t e m m e c h a n i s ma n de l e c t r i c a ls y s t e ma r ed e s c r i b e di 1 1c h a p t e r4 t h ew e i g h t s i z ea n d t h ei d 曲e s ts p e e do f e va r ee x p l a i n e d l a s t l y , t h ed e s i g ni sa p p l i e do na ne va n dt h es t e e r i n gp a r a m e t e r si ss i m u l a t e d i t i sa p p r o v e di tr u n ss t e a d i l y k e yw o r d s ：e v , b l d ci n - w h e e lm o t o r , p i d ，4w h e e l se l e c t r i c a ls t e e r i n gs y s t e m ，e d 1 i 西北r = 业大学硕十学位论文第一章引言 1 1 背景 第一章引言 伴随着同盏严重的大气污染和能源危机，传统交通工具汽车的可持续发 展面临越来越严峻的形势。自1 8 8 6 年发明汽车以来，它就成为人们日常生活中 不可缺少的代步和运输工具。它缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方式， 提高了人们的生活质量。由于汽车需要消耗大量的石油资源、排放大量的废气、 制造噪音和严重污染环境，因此也带柬了无法避免的负面影响。我国2 0 0 0 年进 口石油7 0 0 0 万吨，计划到2 0 0 5 年将超过1 亿吨，汽车的耗油量也给国家造成了 沉重的经济负担。更严重的是目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中我国就 占了7 个。国家环保中心预测，到2 0 1 0 年汽车尾气的排放量将占空气污染源的 6 4 【1 】。面对如此严峻的形势，电动汽车的研究与开发引起了世界各国的关注。 电动汽车是解决问题的有效途径。电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e 简称e v ) 是 以电机作为动力驱动系统，并能在道路上行驶的车辆。从环保角度来看，电动汽 车是零排放的汽车；从能源角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化和高效化， 达到能源的可靠、均衡和无污染的目的：在改善交通安全和道路使用方面，电动 汽车更容易实现智能化【2 。因此，电动汽车近年来一直是汽车领域研究的热点。 1 1 1 电动汽车的关键技术 3 】蓄电池技术 蓄电池技术一直是电动汽车发展的瓶颈。车载蓄电池要求有高的比能量、比 功率、循环使用寿命和低成本。蓄电池的性能决定了电动汽车的动力性能( 加速 性能和最高车速) 和一次充电行驶里程。现在电池的研究方向以铅酸电池的改进 和燃料电池的兴起为主，也有新型电浊的研制，例如，比亚迪汽车公司自行研制 的锂离子电池体积小，一次充电使用时问长。 2 电机控制驱动技术 电机的控制驱动技术是电动汽车的核心技术，电子差速的实现、a b s 的控制、 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 车辆的稳定性运行、能量的回收都是通过电子控制系统实现的。 3 电动汽车整车制造技术 电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高 新技术，有些节能措施比提高电池储能能力更易于实现。如采用轻质复合材料优 化结构，可减轻汽车自身质量。 4 能量管理 在电动车辆中，电池管理系统主要是指电源的开关管理、并串联电池组的切 换管理、电池故障管理以及系统的能量回馈管理等。能量管理系统的主要功能是 使得所有的蓄电池组件处于最佳工作状态，并实时对电池运行状态进行监控、调 节，使得电动驱动系统的回馈能量能够进行存储， 1 1 2 电动汽车国内外发展现状 早在世界上第一辆电动汽车诞生之前，1 8 8 6 年巴黎街头就出现过电动三轮 车。但由于科学与技术发展的限制，燃油汽车的快速发展限制了电动汽车的进步。 真正的电动汽车发展高潮始于2 0 世纪9 0 年代，各大国和研究机构都大张旗鼓地 进行电动汽车的研制和生产【4 】。电动汽车的电动机代替了传统汽车的内燃机， 因此车辆的结构可以更加灵活和简便，驱动方式更加多样化，构成了机电一体化 设计的系统工程；电机的控制驱动系统是电动汽车的核心技术，电子差速的实现、 a b s 的控制、车辆的稳定性运行、能量回馈都是通过电子控制系统实现的。电 动汽车可以分成三类 2 】：混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 和纯 电动汽车( p e v ) 。由于电动汽车的能量提供问题，当今各界研究较多的是混合 动力汽车，纯电动汽车是未来的发展方向且在很多场合都已经应用，燃料电池汽 车受一些化学科技因素影响在短期内不可能实现商业化。本文目的旨在研究电动 汽车的控制策略和方法中关于电子差速的控制，所以设计了结构简单和以普通电 池为能源的纯电动汽车。 从2 0 世纪9 0 年代初起，世界各大汽车集团公司如福特、通用、日产、丰田 和本田等，都在电动汽车上投入了较大的资金，并研制出多种电动汽车及电动汽 车概念车，如福特的t h i n k c i t y 、通用的e v i 、丰田的r a v 4 、p r i u s 和f c e v 、h o n d a 的e v p i u s 、i n s i g h t 和f c xv 3 等。如图1 1 是几个大型公司的电动汽车。 2 商北工业大学硕士学位论文 第一章引言 图1 1 大型公司电动汽车 我国一直非常重视汽车节能和减少环境污染方面的工作。由于我国的石油资 源有限，不可能长久维持燃油汽车的发展，并且人口密度高，燃油汽车的尾气排 放已经给空气造成极大的污染，急需电动汽车来改善这种状况。从我国电动汽车 的发展来看，和国外高水平技术的差距不n 5 年，而燃油汽车却有2 0 多年的差距 【5 】。我国一些公司和院校在9 0 年代初就推出了电动汽车样车、电动汽车概念车， 普通双轮轮驱式电动汽车技术已经比较成熟，并在公交和小型车上得到应用。本 文针对国内电动汽车发展在整车控制和电机驱动这两个与国际有差距的技术进 行研究。 九五期间，科技部将电动汽车列入国家重大科技产业工程项目，投入近1 亿 元。而2 0 0 1 年在十五国家8 6 3 计划中，特别设立电动汽车重大专项，投入近9 亿元。随着国家十五计划“8 6 3 ”电动汽车重大科技专项的正式启动，全国各地 也掀起了一股研制和开发电动汽车的热潮。目前，北京、武汉、天津、威海4 个 城市已开展电动汽车试验示范运行，北京、上海还承担了联合国开发计划署、全 球环境基金支持的国际燃料电池公共汽车示范项目。 1 1 3 电动汽车的电机 电机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能， 驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且 有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电机主要有直流电机 ( d c m ) 、感应电机( i m ) 、永磁无刷电机( p m b l m ) 和开关磁阻电机( s l i m ) 4 类 3 】。近几年来，电动汽车用电机逐渐由有刷直流向交流、无刷直流发展，直 西北上业人学硕十学位论文第一章引言 流电机基本上已经被交流电机、永磁电机或开关磁阻电机所取代。 永磁无刷电动机具有较高的功率密度，其控制方式简单可靠，因此在电动汽 车上得到了广泛的应用，是当前电动汽车用电动机的研发热点。b l d c m 系统不 需要绝对位置传感器，一般采用霍尔元件或增量式码盘，可以通过检测反电动势 波形换相。p m s m 系统需要绝对式码盘或旋转变压器等转予位置传感器，这类 电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动 汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这 种电机。 1 1 4 轮驱方式 对于电机驱动控制系统，现代电动汽车采用较多的方式是两轮驱动方式，驱 动电机与减速器相连再带动车轮。差速的实现是通过被电机驱动的两个内外车轮 的速度差实现的。车轮的速度计算必须通过对一系列减速器的减速比计算，爿茸 得到和电机的转速之间的关系。这种复杂的计算方法对于电动汽车来说，已经影 响到了电子差速控制的本意，丧失了电子控制的实时性，如果电机转速和车轮转 速能够保持实时一致，电子差速的功能就可以得到最好的体现。轮毂电机就是解 决这个问题最有效的途径。 改造传统车辆的电动汽车都是采用轴伸式电机作为驱动电机，用电机带动车 轮。轮毂电机的出现从结构上提高了电动汽车的性能，电动机安装在车轮的轮毂 内，电机的转子为外转子，输出转矩直接传输到车轮，既提高了车体空间的利用 率，又舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，使整车重量减轻， 降低了机械传动损耗，并具有灵活的机械行驶特性。但同时也要考虑到轮毂电机 的尺寸要受到轮胎直径的限制。 为了提高电动汽车运行的速度和效率，采用四轮驱动方式是电动汽车发展的 重要趋势。采用这种驱动方式的电动汽车在国内的研究中虽然取得了一定的进 展，但研制机构还较少，上海燃料电池汽车动力系统公司和同济大学新能源汽车 工程中心于2 0 0 2 年5 月试制成功了一辆四轮驱动微型汽车功能模型车。比亚迪 于2 0 0 4 年在北京车展上展出的e t 概念车采用了电动汽车最新驱动方式：四个 轮边轮毅电机独立驱动模式。 以东京电力的i z a 电动车为代表的独立驱动电动车为例，它的集成技术采 用了一种直接驱动方法，每个车轮配备独立的驱动电机，可按所需动力来分配电 机的功率，不再需要连杆、差速齿轮、齿轮、皮带轮、凸轮、制动器等传统的汽 西北工业人学硕士学位论文第一章引言 车传动部件，节省了空间，提高了传动系统的效率。对于这种驱动方式，需要电 子差速系统调节电机转速实现车体转向。本文使用轮毂电机除了减少机械差速传 动部件外，与非轮毂电机相比又减少了减速机构，对电动汽车的结构又是一大改 进。日本东京大学研制的电动汽车“u o te l e c t r i cm a r c h2 ” 6 1 。他们研究了电 动汽车a b s 系统、电动汽车直接转矩控制、路面情况预估、牵引控制等。 1 2 电动汽车转向系统 汽车在行驶过程中，需按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即汽车转向。 轮式汽车实现转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使汽车的车轮相对于汽 车纵线偏转一定的角度。在汽车直线行驶时，往往车轮也会受到路面的影响，方 向发生偏转，驾驶员可以利用这套机构改变或恢复汽车偏转方向。这一套用来改 变汽车或恢复汽车偏转方向的机构称为汽车转向系统【7 。 1 2 1 转向系统的种类 汽车转向系统按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类 7 】。 其中动力转向系统又有电动液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控电动转 向系统等种类。电子差速正是线控转向系统中全新概念的全电控转向系统。 1 2 2 机械转向差速结构 机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有的传力部件都是机械结 构。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成 7 】。 机械差速器的作用是当汽车转弯或行驶在不平路面上时，使左右驱动车轮以 不同的转速滚动，即保证两侧驱动轮做纯滚动运动。汽车行驶过程中，车轮对路 面的相对运动有两种状态滚动和滑动，其中滑动又有滑转和滑移两种。 当汽车转弯行驶时，内外两侧车轮中心在同一时间内移过的曲线距离显然不 同，即外侧车轮移过的距离大于内侧车轮移过的距离。若两侧车轮都固定在同一 刚性转轴上，两轮角速度相等，则此时外轮必然是边滚动边滑移，内轮必然是边 滚动边滑转。同样，汽车在不平路面上行驶时由于轮胎制造尺寸误差、磨损等情 况，车轮的实际半径并不完全相等。因此，只要各个车轮的角速度相等，车轮对 路面的滑动就必然存存。车轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损，增加汽车的动 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 力消耗，而且有可能导致转向和制动性能的恶化。因此，为了使两侧驱动轮可以 用不同角速度旋转，以保证其纯滚动状态，就必须将两侧车轮的驱动轴断开( 称 为半轴) ，而由主减速器从动齿轮通过一个差速齿轮系统差速器分别驱动两 侧半轴和驱动轮。这种装在同一驱动桥两侧驱动轮之间的差速器，称为轮间差速 器。多轴驱动的汽车各驱动轴间也存在类似的问题，因此又有轴间差速器。 最常见的差速器为对称式锥齿轮差速器，其结构如图1 2 所示。图中行星轮 可以绕固定于差速器壳上的行星轴轮旋转，主减速器从动齿轮与差速器壳联为一 体。左右锥齿轮半径相等( 否则成为非对称式) ，分别通过两根半轴将动力传递 到左右车轮【8 】。 1 2 3 动力转向系统 图1 ，2 对称式锥齿轮差速器 罐懈辕 动力转向系兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。动力转向系 是在机械转向系的基础上假设一套转向加力装置丽形成的。 汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操 纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安 全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。为了提高转向性能，目前普遍采用 了动力转向系统。液压助力转向系统是最早采用的动力转向系统形式，电子技术 和电气技术的应用使得转向系统发生了革命性的变化，出现了电动液压助力转向 系统、电动助力转向系统和线控电动转向系统。电动助力转向系统满足了当前节 硅北“f 业人学硕士学位论文 第一章引言 能与环保的要求，并给汽车的设计与制造带来了新的空间；线控电动转向系统是 在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接，彻底摆脱传统转向系统所固有的限 制，在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。 电子差速转向系统与传统电子转向系统有着本质的区别。传统电子转向系统 由转向盘模块、转向执行模块和主控制器3 个主要部分以及自动防故障系统、电 源等辅助模块组成，如图1 3 所示 9 】。转向盘模块包括转向盘、力矩传感器，转 向盘回正力矩电机。转向执行模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电 机控制器和前轮转向组件等组成。转向主控制器对采集的信号进行分析处理，判 别汽车的运动状态，向转向盘回正力矩电机和转向电机发送命令，控制两个电机 的工作。 罄本控制器 水i 上e 力 瓶马达 艘障处理挖制器：0 _ ：二甄j 。 氏 速度、胍速度、 獭拯角建度抟感器 图1 3 传统电子转向系统 1 3 电子差速的意义及背景 随着电子、自动控制、电气技术的发展，汽车控制与各种技术的结合成为各 个汽车研究机构越来越重视的发展热点。结合电机控制驱动系统，电动汽车的智 能化控制使传统汽车利用电气技术所期望达到的各种电气性能得以实现。a b s 和电子差速是当今汽车行业电动控制的两大热门词汇。所谓a b s 即汽车防抱死 制动系统( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) ，简称a b s 。它是汽车上的一种主动安全装 置，其作用是在汽车制动时，防止车轮抱死在路面上滑拖，以提高汽车制动过程 中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离，使汽车制动更为安全有效。电 子差速( e l e c t r i c a ld i f f e r e n t i a l ，简称e d ) 是完全采用电控方式控制各个车轮的转 龋北i ：业大学硕士学位论文 第一章引言 速，使车轮以不同速度转动，不但达到转向的目的，同时保证车轮不发生滑动或 者滑移，作纯滚动运行。本课题是对电动汽车的a b s 和电子差速进行的研究， 本文研究重点为电子差速。 目前，传统汽车的动力不是直接以其初始的状态传递到车轮，而是经过离合 器、变速器、传动轴、差速器和半轴这样几种装置的作用才使车轮驱动的，这套 传动机构结构复杂，易产生振动、噪音等问题【1 0 】。电子差速是一种全新概念的 汽车电子转向系统。它取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，只是接收转向 控制指令，使用电子线路控制实现转向时内外车轮之间的速度差，实现转向。电 子差速控制系统，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车 转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设 计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。 本文电子差速更是取消了以往汽车电子转向系统中的转向电机，直接使用轮 毂电机提供转向动力，是一种全新的电子转向方案。在已经设计完成的电动汽车 样车的基础上，针对电子差速问题进行研究，设计一套完整的电机驱动和电子差 速控制器。 1 3 1 电子差速优越性 1 提高汽车的操纵性 电子差速可以在前轮转向控制方面可以实现传动比的任意设置，并对随车速 变化的参数进行补偿，使汽车转向特性不随车速变化。从而将传统“人一车”闭 环系统中驾驶员负担的部分工作由控制器完成，减轻驾驶员负担，提高了汽车系 统对驾驶员转向输入的响应和“人一车”闭环系统的主动安全性。 2 提高汽车的稳定性能 电子差速可以通过对车轮转向的控制，实现直接转矩控制系统的功能，达到 更为理想的效果。且可以与其它主动安全设备如a b s 、车动力学控制、防碰撞、 单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽 车的整体控制，提高汽车整体稳定性。 3 改善驾驶员的路感 由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成，在 力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信 息，作为转向盘对力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而 为驾驶员提供更为真实的“路感”。 西北工业大学硕士学位论文 第章引言 4 其它方面的优点 电子差速系统仅仅在需要转向时电机才有功率输出，同时省去了传递效率极 低的皮带传动，减少了燃油消耗，节省了能源，减少废气排放。电子转向系统中 取消了液压助力，从而避免了液压油泄漏、液压油管、油封等废弃物对环境造成 的污染。电予差速的最终发展趋势是使用操纵杆的x b y - w i r e 系统，它取消了 转向柱、皮带轮和皮带等部件，给发动机舱节省了空间，给总体布置带来了很大 的方便。系统采用软件控制，硬件具有很大的通用性，软件也仅仅通过修改部分 参数就可以应用于其它车型，为新车型的开发节省了大量的时间。采用电子差速 系统后发动机不必再驱动油泵随之同步运转，使汽车的加速性能得到提高，这对 于一向以加速性能作为吸引消费者的重要武器的汽车生产厂家来说也有着一定 的吸引力。取消转向盘后，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了 危险发生时对乘员的伤害。 1 3 2 电子差速研究现状和发展 1 国际发展状况 电子差速的基础是电子线控转向系统。2 0 世纪6 0 年代末，德国k a s s e l m a n n 等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接( 即电子转向系统) 但由于当时电 子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现 1 】。 奔驰公司于1 9 9 0 年开始了前轮电子转向系统的深入研发 1 2 1 ，并将它开发的 电子转向系统应用于概念车f 4 0 0 c a r v i n g 上 1 3 】。世界其它各大汽车厂家、研发 机构包括宝马、z f 、d e l p h i 、t r w 等以及日本的光洋( k o y o ) 精工技术研究 所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。 目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其 概念车上安装了该系统。 日本y o k o 技术研究所也开发了自己的电子转向系统。根据它们的研究和 实验结果，利用电子转向系进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上 进行蛇行、移线、侧向风试验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路 线跟踪性能上有较大的提高。在对开路面上进行制动试验也能基本保证汽车的直 线行驶，制动距离也大大缩短【9 】。 日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和 模拟器试验研究 1 4 1 。他们从人一车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统 传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并重点研究了驾驶员角控制特性和力 9 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 控制特性对汽车主动安全性的影响。 宝马汽车公司的概念车b m w z 2 2 ，应用了s t e e r - b y w i r e 和b r a k e b y w i r e 技 术，转向盘的转动范围减少到了1 6 0 度，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了 很大的降低。 德国奔驰公司在1 9 9 0 年开始了前轮线控转向的研究b s ；欧洲b r i t ee u r a m 涉及车辆安全相关的容错系统进行研究，并制作了线控转向的样机作为代表，证 明这种概念的可行性【1 6 】；德国凯撒斯劳滕( k a i s e r s l a u t e m ) 大学和奔驰公司联合开 发的样机，在实验室的测试结果表明样机能够同时容许一个执行器( 包括微机) 故 障和一个传感器故障【1 7 】；在2 0 0 0 年9 月的法兰克福卡车展览会上，奔驰与z f 展示了自己的线控转向系统。此外美国的d e l p h i 也开发了线控转向系统。2 0 0 2 年1 1 月在德国慕尼黑举行的t t a 组织的论坛上，展出了a u d i s 8 的线控转向系 统，道路识别系统将路线轨迹的信息通过t t p 总线传给计算机，计算机控制汽 车的转向系统沿着道路行驶，驾驶员可以随时对线控转向系统进行纠j 下。 h y p e r c a r 、b m w 、d a i m l e rc h r y s l e r 等公司把转向盘去掉，而在驾驶员身边放置 一个操纵杆( 即s i d es t i c ks t e e rb yw i r e ) ，并在他们的概念车上进行试验。这样 电子差速的优势就更能表现，既提高了安全性又降低了成本。 2 国内发展状况 ( 1 ) 浙江大学电气工程学院 1 8 ，1 9 ，2 0 浙江大学电气工程学院对于两轮驱动轮毂电机的电动汽车系统进行了一系 列的研究：轮毂电机控制系统、电子差速的控制系统；提出了基于车轮与地面附 着系数为控制对象的新型电子差速控制方案，减少了车辆发生滑转的可能性；利 用处理芯片d s p 2 4 0 7 的两个时间管理器实现电子差速驱动控制系统。考虑转弯 时车轮的垂直载荷的变化，以使两驱动轮的附着率相等为目标，并以此为依据分 配两轮的驱动转矩，从而使得车辆发生滑转的可能性减到最小，考虑风阻力和轮 胎侧向力的作用等多种因素，在给定总功率输出下，对车辆的运动状态进行了仿 真，得出结论：在转速及转角都较大时，转矩分配比例变化较大，此时车体运动 的离心力产生的侧翻力矩起了决定性的作用。 但是，后轮驱动方式在车辆转向时驱动效率较低，新型的四个轮边电机独立 驱动系统的电子差速控制较两轮驱动系统复杂度高，驱动方式灵活多变，驱动效 率高。 ( 2 ) 哈尔滨工业大学 由哈尔滨工业大学大电磁与电子技术研究所承担的“8 6 3 ”电动汽车重大专项 1 0 西北工业大学硕士等：何论文第一章引言 “解放牌混合动力客车电机及其控制系统”及“红旗牌混合动力轿车电机及其控 制系统”在2 0 0 4 年通过了由科技部能源技术领域办公室、电动汽车重大专项总 体组和中咨建设监理公司组织的专家组的验收。哈工大研制的电机具有自主知识 产权，在技术上有创新特色、控制功能完全达到整车要求。 ( 3 ) 中科院电工所 中科院电工研究所电动汽车研究团队针对电动汽车的电气驱动技术做了大 量的研究，与东风汽车集团合作，研制成功电动汽车概念车和环保型电动中巴车。 又与中科院大连化物所、东风汽车集团合作，研制成功我国第一辆具有自主知识 产权的燃料电池电动汽车。与东风汽车集团合作研制成功电动汽车概念车，其最 高时速达11 4 k m h 、爬坡度2 2 0 、0 - 5 0 k m h 加速时问9 8 5 s 。但是这些电动汽车 都是在原有汽车结构上进行电气改造，机械设计的要求并不十分适合电动汽车各 种特有性能的实现。 文献 8 针对双电机驱动的电动汽车，提出了基于自由轮转速信息和驱动防滑 控制，分析了汽车转向中的动力学原理。在a c k e r m a n n 转向几何模型下讨论了 理想差速过程中车轮驱动制动转矩变化应满足的条件。根据上述分析提出了一 种双模式转矩分配电机差速器设计思路。 ( 4 ) 同济大学f 1 0 】 同济大学汽车学院先后研制出电动汽车“超越系列”、“登蜂系列”、“春晖系 列”等一系列混合动力和纯电动汽车。 文献【2 1 】研究了电动汽车的转速闭环控制。提出了模型跟踪2 自由度转速闭 环控制策略和基于观测器的车速估算方法。介绍了控制方法的基本原理及实现技 术。通过轮毂电机加载试验台的硬件在回路仿真、2 自由度整车模型弯道制动及 分离系数路面仿真，验证了控制方法的有效性。 同济大学的专利四轮电子差速转向控制系统提供了一种四轮电子差速转 向控制系统，它能保证行驶时各个车轮与地面问保持纯滚动状态，减小车轮与地 面的摩擦力，延长汽车各部件的使用寿命。该系统包括：电机、刹车机构、转向 机构和加速电门；还包括有电机控制器，角位移传感器、转速传感器和中央处理 器。其结构图如图1 ，4 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第一章引言 图1 - 4 同济大学专利结构图 1 2 西北工业人学硕十学位论文第一章引言 在2 0 0 5 年上海工博会上展出的“春晖三号”的转向和驱动系统均采用了线 控技术，使用电子差速方案实现转向。图1 5 为“春晖三号”的外形图。 图1 5 同济大学“春晖三号”实物图 1 4 电子差速相关技术对比总结 本文针对浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院电工所和同济大学所研制的电 动汽车进行了研究。研究内容包括：电动汽车所属种类、所选电机、驱动方式、 电子差速方案。下面本文将从这几个方面给出一些结论。 1 4 1 电动汽车种类选择 在上文提到的电动汽车中，哈尔滨工业大学和中科院电工研究所所研究的电 动汽车为混合动力型，虽然由于电池原因混合动力是现今及未来一定短时间内的 发展趋势，但是对于电动汽车的电控实现方式和节能方面来说，纯电动汽车的发 展更具有前瞻性和发展潜力。因此本文的电动汽车为纯电动汽车。 1 4 2 电机选型 轮毂电机是现代电动汽车运用的必然，上文四个单位的电动汽车都采用了轮 毂电机方式进行驱动，哈尔滨工业大学自行设计完成的轮毂电机取得了多项专 利，浙江大学电气工程学院、同济大学、中科院电工所的电动汽车也采用了轮毂 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 电机。本文使用的电机为外转子式永磁无刷直流轮毂电机。 1 4 3 驱动方式和差速控制 浙江大学的电动汽车采用的后轮驱动的驱动方式，这种方式在车辆转向时驱 动效率较低，不可能实现四轮电子差速方案。同济大学在四年前就提出了四轮电 子差速方案，并对其中的一些研究申请了专利，四轮电子差速对控制汽车转向和 防止打滑方面都起着重要的作用。中科院电工所的电子差速方案采用了双模控制 方法，即对电机的转矩根据路面情况的不同进行不同的控制，但是它采用的也是 两轮的电子差速控制方案，不利于防滑控制。综合考虑，本文采用四轮驱动的电 子差速方案。 1 5 研究内容和难点 如上文所述，电动汽车是以电机作为动力驱动系统而运行的。因此，要研究 电动汽车的电子差速系统，必须对电动汽车的电机控制驱动系统进行研究。因此 本文的电机驱动和电子差速控制器主要解决以下四个问题： 一 电机驱动：对本文使用的无刷直流轮毂电机进行驱动和调速控制，达到 调速平滑稳定。 四轮驱动：对电动汽车的四个轮毂电机车轮使用一体控制分体驱动技 术，保证汽车匀速前进时各车轮的转速致。 -电子差速转向：在汽车需要转向时，对四个车轮的速度进行计算，做到 转向角度、方向与输入指令一致。 一防滑控制：在汽车转向时，对四个车轮速度进行调节，使各个车轮的角 速度不相等而防止出现滑转或滑移，做到车轮纯滚动运行。 本文主要存在的难点有： 一 电机的闭环调速：电机驱动控制系统的性能直接影响和制约着电动汽车 的行驶速度和稳定性。本文选择轮毂电机作为驱动电机，设计电机的驱 动控制系统。通过调节四路p w m 的占空比值，实现对四个轮毂电机同 时调速。通过测量车体在路面上电机的转速，确定p i d 参数，实现电机 n d 闭环调速。 两北工业人学硕士学位论文第一章引言 p i d 闭环调速。 四轮驱动各电机转速的一致性：电动汽车匀速前进时，如果出现车轮车 速不一致的情况，汽车会发生转向。因此需要保证无转向指令时，汽车 可以以智能的方式直线前进。 电子差速的速度分配：本文通过测量车体的转弯半径和车轮转速的关 系，计算转向角、方向盘的输入模拟量和左右轮之间的关系，并结合电 机p i d 调速，分别实现差速控制和防滑控制。 1 6 本论文各部分的主要内容 本文以下内容安排如下：第二章从软硬件分析和设计方面论述了轮毂电机的 控制和驱动技术。第三章是关于电子差速的研究，对电子差速转向时各个车轮的 速度和转矩进行了分析和计算，并分析了转向时电动汽车的工作情况；第四章描 述了电动汽车的机械构造和动力驱动部分结构；第五章是本文中对电机控制和差 速实现试验、仿真波形和数据整合结果。第六章是本文中需要进一步深入研究的 论点及关于电动汽车发展的总结和展望。 西北工业大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机控制 第二章直流无刷电机控制 2 1 控制驱动系统组成 直流无刷电机控制系统由五个组成部分：电机本体、位置传感器、控制电路、 驱动电路和驱动模块 2 2 1 。电机的基本工作原理如图2 1 所示。 2 1 1 控制系统 图2 1 电机控制原理框图 控制系统是无刷直流电机正常工作和实现速度变化的核心。本文控制系统需 要同时对四个电机进行独立控制，因此采用了具有五路p w m 输出( 本文只用到 了其中的四路作为四个电动轮的驱动p w m 信号) 的单片机与c p l d 组成的控制 系统。如图2 - 2 所示是控制驱动系统的结构原理框图。 在本文中，外部控制信号分为三种：速度信号、制动信号、转向信号。作为 汽车最基本的三个输入信号在电动汽车结构上体现为速度踏板、方向盘和制动踏 板。三者均使用位移传感器将位移的变化转换成为连续变化的电量模拟信号输入 给c p u 。 本文设计的电动汽车是四轮独立驱动的，对c p u 控制电机的能力有很多的 要求： 1 a d ( 模数) 转换功能。接收速度踏板、方向盘和制动踏板三个位移传感器 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章直流无刷电机控制 的模拟量输入，并进行a d 转换。系统不使用外部a f d 转换器件就可以有效减 少数据传输过程中可能存在的数据失真和误差。 2 四路p w m 输出能力。一个c p u 必须具备同时控制四台电机的运转和调速的 能力，如果采用多个c p u 控制的结构方式，各个c p u 之间的通信和协调会成为 系统的负担。现代微处理器的发展已经涌现出很多电机控制专用的芯片，如p i c 公司的单片机p i c l 8 f 2 3 3 1 、p i c l 8 f 6 6 2 0 6 6 2 1 ，t i 公司的d s p 器件 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 等。 3 计算能力：p i d 参数计算、反馈速度计算、差速计算。通过对这三个信号和 三个外部控制的计算，分别改变四路p w m 的占空比、调节电机转速。 p i c l 8 f 6 6 2 1 具有五路1 4 位的p w m 输出和最高可达1 6 路的1 0 位a d 输入， 这两个硬件结构满足了本文电动汽车最基本的需要。同时p i c 系列的单片机工作 稳定性好、调试方法简便适用于电动汽车系统。 e p m 7 1 2 8 t c l 0 0 可编程逻辑器件在整个控制系统中起到的作用有：i o 扩展、 信号传输、逻辑计算和一部分控制功能。由于整个控制系统需要同时控制四个电 机，各个电机的各种控制信号和反馈信号仅仅通过p i c l 8 f 6 6 2 1 的i o 管脚实现 是不够的，因此采用a l t e r a 的e p m 7 1 2 8 t c l 0 0 可编程逻辑器件作为端口和逻 辑扩展。对单片机的控制信号和电机的反馈信号进行逻辑换算，对电机的驱动系 统进行控制。 从c p l d 输出的电机控制信号通过电机驱动系统的信号驱动能力放大以驱 动电机的运转。电机控制驱动系统的结构原理如图2 ，2 所示。 图2 - 2 控制驱动系统结构原理框图 西北工业人学硕士学位论文 第二章直流无刷电机控制 2 1 2 电机驱动系统 1 驱动系统整体设计 电机驱动系统应当由驱动芯片、功率器件和电机本体组成。我们对每一台电 机都分别设计了一套独立的驱动单元，由f p g a e p m 7 0 6 4 、驱动芯片 3 1 6 j 、功率器件m o s f e t a p 丁2 0 m l v r 、和无刷直流轮毂电机组成。虽然本 文的电机功率较小，但是为了提高电机转速，需要增大供电电池电压，因此本文 采用的大功率的驱动器件：3 1 6 j 和a p t 2 0 m l v r 。在驱动系统中的e p m 7 0 6 4 负 责控制电路的p w m 输出信号的接收、电机位置信号的接收和传送、驱动芯片的 p w m 逻辑分配。电机驱动原理如图2 3 所示。 图2 - 3 电机驱动原理 v 由电机驱动的原理图可知，f p g a 接收控制电路的p w m 信号和电机的位置 反馈信号，并产生与三相绕组“y 型”连接对应的6 路p w m 波形。每一个功率 器件a p t 2 0 m l v r 由一路驱动芯片3 1 6 j 驱动。 ( 1 ) f p g a e p m 7 0 6 4 作为电机驱动控制的处理芯片，a l t e r a 公司的e p m 7 0 6 4 是最佳的选择。 1 0 万门的逻辑、多路的i o 端口，为电机接收位置信号、功率器件的导通顺序提 供了充足的条件。位置信号和功率器件的导通关系将在2 1 2 - 2 中详细阐述。 西- t l - 业人学硕士学位论文第二章直流无刷电机控制 ( 2 ) 驱动芯片h c p l 3 1 6 j 安捷伦公司的h c p l 3 1 6 j 驱动功率器件的最大电压可达1 2 0 0 v 、驱动电流可 达1 5 0 a 。它的最大特点是具有对功率器件的v c e 探测功能，当v c e 超过保护 限，3 1 6 j 就屏蔽输出。同时它还具有错误探测端f a u l t ，探测输入端信号是否 正确。 ( 3 ) 功率器件a p t 2 0 m l v r a p t 2 0 m l v r 是新型的n 沟道m o s f e t ，它的特性是高速的开关速度、低的 漏电压。它的耐电压和耐电流可分别达到2 0 0 v 和1 0 0 a ，完全符合本文电机的 驱动电流和电压要求。 2 绕组驱动逻辑 电机的三路位置信号对应的位置传感器x 、y 、z 在电机中的结构如图2 - 4 ， 图中的电机转子极对数p = 1 ，位置信号p 1 、p 2 、p 3 相差1 2 0 度电角度。本文中 的无刷直流电机极对数p = 8 ，位置信号在电角度依然保持1 2 0 度的相位，但在 机械位置上相差1 2 0 8 = 1 5 度。 皋串 在二相导通星形三相六状态无刷直流电动机工作的过程中，当转子位于图 2 - 4 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极信号位置，经过控制电路逻辑变换 后驱动逆变器，使功率开关管a 、b 管导通，即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电 枢绕组在空间合成磁势f a ，如图2 - 4 ( a ) 所示。此时定转子磁场相互作用拖动转 子顺时针方向转动。电流流通途径为：电源正极一- - g 1 管一一a 相绕组一一b 相绕组一一g 6 管一一电源负极。当转予转过6 0 。电危度，达到图2 - 4 ( b ) 中位置 时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管g 6 截止，g 2 导通，此时g 1 仍导通，则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 4 ( b ) 中f a 。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径 1 9 西北工业大学硕士学位论文第二章直流无刷电机控制 为：电源正极一- - g 1 管一