（车辆工程专业论文）四轮驱动电动车电子差速系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着经济高速发展、能源同渐短缺以及全球范围对环境问题的热切关心， 电动汽车技术的发展得到了同益关注。电动汽车技术作为一个集车辆工程、电 力电子、控制、电机驱动等高新技术于一身的综合技术，受到世界各界的高度 重视，成为现代汽车研究领域的热点问题之一。 本课题顺应当前的研究热点，分析了电动汽车的国内外发展状况，对四轮 独立驱动电动车的电子差速系统进行了理论与实践研究，提出了一套结构完整 的实时控制策略，在相关的研究领域具有一定的现实意义。 本文构建了一个以四轮独立驱动电动汽车为基础的实物样车实验平台，描 述并阐明了机械构造及电气特性。在该实验平台上进行研究，通过分析了电子 差速的原理，推导并计算得出了基于a c k e r m a n j e a n t a n d 转向模型的四轮速度 约束关系，设计并实现了电子差速控制系统；并在此基础上利用 m a t l a b s i m u li n k 建立仿真模型，对该进行了仿真研究；采用i n f i n e o n x c l 6 4 c s 高性能微控制器，设计了一种基于嵌入式实时内核a r t x l 6 6 的电子控 制系统，通过k e i l 编译器进行进一步的软件编程工作，实现了一整套完整的 电子控制系统。 最后，进行了整车实验，通过实验数据与测量数据的比较验证了该设计方 案的可行性可靠性，并通过p c 监视，为后续的标定工作奠定了基础。 关键词：四轮驱动，电子差速，四轮驱动电动车，x c l 6 4 c s 微控制器，实时 内核a r t x l6 6 ，m a t l a b s i m u l i n k 仿真 a b s t r a c t 、矾t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，w i t ht h es h o r t a g eo ff o s s i lf u e la n d w i t ht h ew o r l dw i d e l yi n c r e a s i n gc o n c e r no fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ei m p o r t a n c e o fd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) t e c h n o l o g y i sr e c o g n i z e d e vt e c h n o l o g yl sa c o m b i n e dt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e sv e h i c l ee n g i n e e r i n g ，p o w e re l e c t r o n i c s ，c o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 ya n dm o t o rd r i v e ，e t c t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fe vt e c h n o l o g yh a s b e c o m eo n eo ft h ec o n c e r n si nm o d e ma u t o m o t i v ei n d u s t r y t h i st h e s i sc o m p l i e sw i t ht h ec u r r e n ti s s u e ，p r o v i d e s a l lo v e r v i e wo ft h e s i t u a t i o no fd e v e l o p m e n to fe v , h o m ea n da b r o a d t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h ee l e c t r i c a l d i f 蚤玎e n t i a l ( e d ) t e c h n o l o g yo f4 - w h e e ld i v e ( 4 w d ) e v a n da p p l i e st h e o r yi n t o p r a c t i c e b yt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o m p l e t ec o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e r s h o w sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h ep a p e r ，ap r o t o t y p eo f4 w de v i sb u i l tu pa st h ep l a t f o r mw i t hd e s c r i p t i o n a n ds p e c i f i c a t i o no ft h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s f o l l o w i n ge x p e r i m e n t s a r eb a s e do nt h i sp l a ta n dac o m p l e t ee dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n d r e a l i z e d t h r o u 曲t h ea n a l y s i so ft h ee dp r i n c i p l e ，t h es p e e dr e l a t i o na m o n g4 w h e e l sl s c a l c u l a t e d b a s eo nt h ea c k e r m a n j e a n t a n ds t e e r i n g m o d e l f u r t h e r , a m a t l a b s i m u l i n km o d e lo fe dc o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e da n du s e df o rs i m u l a t i o n p u r p o s e t h e n b yu s i n gi n f i n e o n x c 16 4 c sm i c r o c o n t r o l l e r , ac o n t r o ls y s t e ml s d e s i g n e db a s e do nt h ee m b e d d e dr e a l t i m ek e r n e la r t x 16 6 e l e c t r i c a ld i f f e r e n t i a l s v s t e m i nt h ea p p l i c a t i o no fk e i l ，d e t a i l e ds o f tp r o g r a m m i n g f o rt h ec o n t r o ls y s t e mi s c o n d u c t e d ，a n di m p l e m e n t a t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e f i n a l l v r u n n i n gt e s t i sc a r r i e do u t c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e e x p e n m e n t a lr e s u i t sp r o v et h ec o n t r o ls y s t e mf e a s i b l ea n ds t e a d y t h ep cm o n i t o r m a k e si tp o s s i b l ef o rf u t u r ec a l i b r a t i o np u r p o s e k e yw o r d s ：4 w h e e ld r i v e ，e l e c t r i c a l d i f f e r e n t i a l ，x c16 4 c sm i c r o c o n t r o l l e r , r e a l t i m ek e m e la r t xi6 6 ，m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： ， i 之 叫年；月劫日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 前言 近年随着汽车工业的高速发展，能源危机与环境污染等问题同趋显露，汽 车的可持续发展正在面临严峻的挑战。自1 8 8 6 年汽车发明以来，它就慢慢成为 了人们同常生活和生产中不可缺少的交通工具。一方面汽车改变了人们的生活 方式，为人们带来了便捷，提高了生活质量；与此同时，另一方面，汽车消耗 着大量的石油资源、向空气中排放大量的汽车尾气废气、制造噪音，这些都无 法避免的给环境带来了负面作用。 电动汽车作为解决问题的有效途径，成为汽车领域的研究热点之一。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的车辆。电动车很 好的达到环境保护，没有污染的目的。随着电子、自动控制、电气技术的发 展，电动车也随之得到了越来越广泛的研究与发展。汽车电子控制与各种技术 的结合成为汽车研究领域中越来越被关注的研究和发展的方向。 差速是当车辆行驶在不平路面或转弯路面时，使车辆内外车轮具有一定的 速度差。当车辆在转弯过程中，差速的作用尤其重要。汽车转向时，内侧车轮 转弯半径比外侧的车轮要大，路程走得多，事实上，至四个车轮在转弯时走过 的路线完全不一样，因此差速的主要作用是保证车轮线速度在转向时能与该车 的轮心速度相协调，或者说使得车轮在车辆转弯过程中滚过的距离等于车轮轮 心沿平行于行驶路面轨迹移动的距离，通过使外侧车轮的转速要比后轮快来避 免车轮拖动或打滑，从而避免功率循环不平衡或者汽车不能正常行驶的问题。 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 ) 是一种以纯软件的方式使得各 个动力轮的行驶速度满足一定约束关系的差速方法，完全采用电控方式控制各 个车轮的转速；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 不发生发动或者滑移；作纯滚动。它是实现其他复杂控制算法的基础，其直接 影响到整车控制算法的实施质量。以分布式电子差速为代表的整车控制技术是 体现电动汽车在控制的灵活性及安全性上优于传统内燃机汽车的重要保证。【l “1 第l 章绪论 1 2 现代汽车电子的发展概况 汽车电子是指应用于汽车之上的有利于增加汽车驾驶安全性、减少燃料消 耗、减少废气排放以及增加驾乘舒适性和便捷性的电子装置。汽车电子化被认 为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现在汽 车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。 总的说来，汽车电子技术是一个技术复杂、门类多、知识密集的高技术领 域，涉及电子、机械、计算机多个学科。新一代的汽车被称为电子化汽车，是 汽车工业和电子技术相结合的产物。 当今，电子控制、计算机、通信等技术的迅猛发展，使汽车电子产品技术 和产品的开发同新月异。汽车电子的发展水平己被视为衡量一个国家汽车工业 发展水平的重要标志。 目前汽车电子学对于现代汽车的三个重要要求是：舒适、环保和安全。舒 适性：汽车有三个基本功能：行进、转弯和停止。这些功能应该平滑、舒适和 安全地完成。同时，发动机应该安静、平滑地工作，并能快速反应。另外，驾 驶盘应能稳定操作，司机在驾驶时不应感到有仟何担心口更重要的是，制动器 必须能使车辆安全即时地停止。这些要求都将延续到将来，并成为汽车电子学 工程技术人员的长远课题。 安全性：a b s 和安全气囊( a i rb a g ) 是有效的电子被动安全措施。a b s 作 为事故的预防措施是很有用的，而气囊作为事故发生后的应急措施是很有效 的。这两种系统在技术上都已完善，目前要做的工作是在传感器和控制方法上 再加以提高。如果再进一步简化和缩小体积，在越来越多的车辆( 或全部车 辆) 中都将安装这些系统。汽车报警系统也是很必要的，它能在超速和车辆之 间间距不足时向司机发出警告。由于司机的判断力在避免事故发生中起了很大 的作用，因此仍需作大量工作使报警系统更加完善。针对司机长时期驾驶后产 生的h 艮疲劳，还提出了一种仪器读数显示方法，它们的显著作用己被证实。 环保性：环境l 、口j 题涉及到很广泛的领域，包括前而提到的空气污染和资源 问题( 燃料经济效益) 以及地球温定效应、酸雨、臭氧层的破坏和噪声等。首 要的问题是废气排放应该进一步减少。目前已经引入了一个基于氧气传感器的 空气一燃料比例反馈系统以得到理想的燃烧条件。另外还需要提高燃烧的精 度。应该丌发一种新的能精确测量和预报发动机状态的系统，使得对于特殊的 发动机状态能f 确地控制燃料供应和点火定时。这就需要有很强的微机运算能 2 第1 章绪论 力和高级的传感器和传动机构。还需要将车辆驱动的任何损耗降低至最低。这 罩所说的“损耗”，首先是指机械损耗，如发动机转动损耗、传动和差动齿轮 损耗及车体产生的空气动力损耗等。而电气损耗是指由辅助装置( 马达、传动 机构和其他部件) 所产生的损耗。因此，改善电气辅助装置的控制也是必要 的。这就涉及到从燃料泵马达丌关控制到工作状态控制的转化及引入无级变速 控制型的空调压缩机马达等。这些措施将减轻大部分的发动机负载，因此也提 高了燃料的经济效益。除提高机械和电气效率外，其他的有效措施就是减轻重 量，这些改进自然涉及到结构设计、材料选择和其他方法。 通常可以把汽车电子产品归纳为两类：一类是汽车电子控制装置，即所谓 的“机电结合”的汽车电子装置，它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例 如电子燃油喷射、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、 电子控制自动变速器、电子动力转向等。另一类是车载汽车电子装置，车载汽 车电子装置是在汽车坏境下能够独立使用的电子装置，包括汽车信息系统( 行 车电脑) 、导航系统、汽车音h 向及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备 箜： 【7 】 口o 1 3 四轮驱动电动车的关键技术及国内外发展趋势 1 3 1 四轮驱动电动车 所谓四轮驱动汽车，顾名思义就是：“匹q 轮驱动汽车具有将发动机的动力 传递给四个车轮的结构，并通过这些车轮驱动、行驶的汽车”。【8 1 四轮驱动最初为适应野外行驶的通过性和动力性要求而设计，故多用于军 车。近年来随着四轮驱动车良好的越野性能、安全性能以及优良的动力分配性 能，其应用越来越广泛。己从单纯的越野汽车车种发展到今天的轿车、轻型车 和厢式车的所有车种，而且其主要属性也在改变，即从单纯的军事式时尚商品 时代向功能商品时代转换。同时四轮驱动作为汽车重要总成部分之一，也被人 们普遍认同。一j 电动汽车是指全部或部分采用电能驱动电机作为动力系统的汽车。按照所 使用的动力源，大致可将电动汽车分为：纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e 简称 e v ) 、混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 简称h e v ) 和燃料电池汽车 ( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e 简称f e v ) 三种类型。 3 第1 章绪论 电动汽车的诞生可以一直追溯到1 8 8 6 年在巴黎街头出现的电动三轮车。由 于当时电驱动的科技水平严重不足，电动汽车的发展极为缓慢。电动汽车真币 的发展高潮始于二十世纪九十年代。面临能源和环境的压力，世界各国都十分 重视研究丌发电动汽车，不惜投入巨资进行研究开发，推动电动汽车的研究发 展。特别是经过近几年的快速发展，电动汽车的发展方向已经越来越清晰。 电动汽车以驱动电机为原动机，容易实现驱动形式的多样化。其中，把驱 动电机安装在轮毂上形成电动轮直接驱动车轮的四轮驱动( f o u rw h e e ld r i v e ， 简称4 w d ) 电动汽车，因其简洁的整车结构、高效传动、以及能借助微机实时 控制技术直接控制各电动轮实现转向差速和驱动防滑等突出优点，成为电动汽 车发展的一个独特研究方向和热点。 与内燃机汽车和一般的单电机中央驱动型电动汽车相比，以各轮毂电机分 散独立驱动为特征的4 w d 电动汽车，在底盘结构、传动效率和控制性能等方 面有其独特的技术优势，具体体现在以下几方面： 1 便于应用线控技术，可省略传统汽车所需的机械式装置，驱动系 统和整车结构简洁，可利用空问大，传动效率高； 2 可对各电动轮进行相同结构的模块化设计，以减少零部件种类， 降低制造成本；可最大限度地简化底盘骨架结构，增加整车底盘 总布霄和车身造型的设计自由度，从而缩短新车型的丌发周期， 降低丌发成本； 3 通过合理地分配和控制各电动轮的驱动力，实现直接横摆力矩控 制( d i r e c ty a wc o n t r o l 简称d y c ) ，增强行驶稳定性，提高加速极 限性能及恶劣路面条件下的行驶性能； 4 能充分发挥电机精确和快速的力矩响应特性，通过对各轮毅电机 的单独转矩控制可实现整车防滑控制，防止汽车驱动打滑和制动 抱死现缘的发生； 5 容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈， 节约能源。 可以说，以4 w d 电动汽车为典型代表的轮毂电机驱动型电动汽车是汽车 与计算机控制、电机伺服驱动、线控及新能源应用等高新技术相结合的产物， 集中反映了现代汽车技术向汽车机电信息控制一体化发展的趋势，其研发和产 4 第l 章绪论 品化开发的过程，可以刺激和推动包括汽车和信息产业在内的诸多高新技术产 业的发展。【1 u 】 1 3 2 电动汽车的关键技术 电动汽车涉及了能源、机械、材料、计算机等众多技术领域，可将电动汽 车的关键技术归纳为以下几点： 1 电池技术。蓄电池技术是电动汽车研究发展的瓶颁。蓄电池的性能 决定了电动汽车的动力性能和一次充电所能行驶的罩程。目前的电 池研究方向致力于提高蓄电池的容量、能量密度比，延长循环使用 寿命和降低制造成本；丌发清洁的燃料电池，降低燃料电池系统的 质量与体积，提高燃料电池的稳定性。 2 能量管理技术。在电动车中，能量管理技术主要指电源的丌关管 理、电池组的动态切换、电池故障预警与检测、系统能量回馈利用 等。先进有效的能量管理技术可以使蓄电池组件工作在最佳状态， 从而有效地延长电动汽车地续航罩程。 3 电动机的设计。电动汽车这一特殊的应用场合对电动机的要求主要 有：可靠性高、重量轻、能量转换效率高、有一定的过载能力、能 够适应频繁的启动制动控制等，同时还应该节省材料、方便制造与 维护。其中，电机的驱动技术是电动车的核心技术之一。 4 整车制造技术。电动车是高科技综合性产品，车体本身也包含很多 高新技术，其中有些节能措施，如用轻质复合材料来优化车身结 构，从而减轻汽车自身重量等，这些措施比提高电池蓄电能力更易 于实现。 5 整车及驱动电机的电子控制技术。 以分布式电子差速为代表的整车控制技术足体现电动汽车在控制的灵活性 及安全性上优于传统内燃机汽车的重要保证。驱动电机的控制技术是实现其他 复杂控制算法的基础，其直接影响到整车控制算法的实施质量。【l i 】 所谓分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称d c s ) ，又称为分散 控制系统，分散型控制系统，集散控制系统。指由多台计算机分别控制生产过 程中多个控制凹路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制 系统。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制 5 第1 章绪论 计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过 高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机 交互以及监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接 数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种 比较完善的控制与管理系统。在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在 测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。 这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个 系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级( 控制回路) 仍具有独立控 制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算机多级控制系统相 比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。 1 3 3 国内外研究现状及发展趋势 随着现代汽车技术的发展，人们对汽车各种性能的要求越来越高。汽车的 电控四轮驱动( 4w h e e l sd r i v i n gs y s t e m ，4 w d ) 技术能够根掘前后轴的转速等 信息，控制并分配前后轴驱动力，使汽车具有防滑能力、良好的加速性和行驶 稳定性。四轮驱动已由7 0 年代以前主要用于越野车发展到目前以轿车为中心迅 速普及丌来。随着对4 w d 这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构形 式、不同控制方案的实用4 w d 系统。 电控四轮驱动技术近年来发展很快，全轮驱动已经在许多高档轿车上装 用。在电控变扭矩四轮驱动系统分为两大类型：主动与被动。被动式的四轮驱 动系统，采用的是机械式的分动装置；而主动式的四轮驱动系统，是通过由电 子控制介入的。但无论主动、被动目的不外乎只有一个，就是通过机械装置或 电子系统自动重新分配轮子的动力，更加有效的防止车轮打滑的情况发生。 采用被动式的四轮驱动系统的产品代表有德国奥迪公司的q u a t t r o 系统和 采用粘性联轴器的常时四轮驱动系统。奥迪的第二代四驱技术q u a t t r o 系统采 用了t o r s e n ( t o r q u es e n s i t i v e 扭矩感应) 。采用粘性联轴器的四轮驱动系统在国 外已得到广泛应用，其产品有保时捷的9 l lt u r b o 和三菱欧蓝德四驱系统等。 采用主动式的四轮驱动系统的产品代表有大众的四轮驱动系统 “4 m o t i o n ”、同产的a t t s e ae t s 四轮驱动系统和本田的车辆控制系统 “s h a w d ”等，该系统中电脑会不断收集轮胎的转速、转向盘转向角和油门 大小等信息，按预先给定的程序进行综合控制。 6 第1 章绪论 此外，电动汽车四轮驱动技术也受到关注。由于四轮驱动电动汽车的轮边 电动机，具有扭矩响应快且精确等优点，如果控制系统设计得好，将使其操纵 稳定性更佳。东京大学的s h i n i c h i r o 、y o i c h ih o r i 等提出了适用于轮边驱动的 电动汽车的驱动力控制系统，其建立的控制模型功能强大，能有效防止车辆的 侧向运动。s h i n i c h i r o 、y o i c h ih o r i 等还提出一种关于轮边四轮驱动电动汽车的 新的防侧滑的方法，即仅通过检测电动机的电流和转速来检测车轮的滑移，从 而通过控制系统来防止滑移。并通过试验进行了验证。【1 2 】 在我国，吉林大学的郭立书、葛安林、张泰等对主动分配方式的四轮驱动 系统进行了研究，通过对行星齿轮式分动器( 内装有湿式多片离合器) 等硬件 进行建模，以提高运动性能和行驶安全稳定性能、减少轮胎磨损为目的，提出 一种控制前后传动轴扭矩主动分配的系统，并根据车辆运行参数和6 种特定工 况制定了最佳分配方案。并通过试验结果表明其系统优于其他4 w d 系统。 吉林大学的李静、李幼德、赵健等对被动分配方式的四轮驱动系统进行了 研究，设计了四轮驱动汽车的驱动力控制软件和控制系统，建立了四轮驱动汽 车加速过程的数学模型，并对弱附着地面、分离路面及松散沙地上的牵引力控 制过程进行仿真模拟，用结果来验证其有效。李静，李幼德等还对四轮驱动汽 车沙地牵引力控制方法进行了仿真研究，建立了油门的p i 控制、模糊控制和模 糊p i 控制系统，并验证了各系统能消除驱动轮过度滑转现象。【1 0 】 1 4 本文工作内容简介 本文采用前轮转向方案，确定了电子差速转向时的控制策略。利用 a c k e r m a n j e a n t a n d 转向模型，结合电动车的结构特点，计算了电子差速过程中 随着转向角度变化的各个轮的车速。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下建立了电动 车的电子差速控制算法的仿真模型，并对电子差速转向时的各个车轮车速参数 进行了仿真计算。生成子程序，结合试验硬件实施软件设计，最后，通过实验 数据分析，验证了电动车在转向时的稳定运行，电子差速模型的可靠性。 本文的电子差速控制系统主要解决以下四个i 、u j 题： 1 基于c a n 总线的分布式电子差速控制系统：在该系统中分为整 车差速算法与转速控制算法两个部分，中央控制器与四个电动轮 控制器通过c a n 总线连接成一个控制网络。 7 第1 章绪论 2 四轮驱动：对电动汽车的四个轮毂驱动车轮采用主板控制从板， 从板控制驱动电机的驱动方案，保证车轮的独立驱动和转向差 速。其中驱动电机采用轮毂式无刷直流电动机。 3 电子差速：在汽车需要转向时，对四个驱动轮毂的速度根据实验 小车的实际尺寸进行计算，同时做到转向角信号、车速信号、刹 车信号的协调统一。 4 实时系统控制：基于嵌入式a r t x l 6 6 实时操作系统内核，对事 件任务通过软件的方式进行实时控制，实现对中央控制器的实时 控制。 本文内容安排如下： 第二章描述了的电动车的机械构造和硬件布置，并阐述了无刷直流电动机 的工作原理； 第三章电子差速的研究、基于a c k e r m a n n 和j e a n t a n d 转向模型对电动车电 子差速系统进行分析和计算，并利用m a t l a b s i m u l i n k 建立模型； 第四章介绍了x c l 6 4 c s 微控制处理器及其开发工具，构建由中央空器、 电动轮控制器和c a n 总线三部分构成的控制系统，基于a r t x l 6 6 实时内核实现对中央控制器的实时控制策略； 第五章实验结果分析与p c 临视； 第六章本文的总结和展望： 附件给出了主要程序及其中文注释。 8 第2 章电动乍实施方案 第2 章电动车实施方案 2 1 电动车实施方案 本文采用自制电动汽车，其设计丰要有车体结构和电撺系统两火部分组 成。其实物模型的构成主要又可以分为如下托人部分：车架、转向机构、加速 与制动信弓发q 器、电动轮发电子差速系统。电动乍设计参数如r ： 前轮轮距：6 8 0 m m 后轮轮距：7 0 0 r a m ， 轴距：l l o o m m ， 电动轮直径：4 2 0 m m ， 车轮壤人转向角约：4 25 ， 屯动车实物模型自蓐约：1 2 0 k g ， 设计的最高乍速：1 8 k m h 滚动阻尼系数：o0 1 2 ， 宅气阻力：在低速行驶的情况下忽略不计， 额定载客人数2 人。 幽2 1 l u 动t - 下实物幽 第2 章电动车实施方案 文章的电动小车直接使用轮毂电机提供动力，并在已经设计完成的电动汽 车样车的基础上，涉及了一套完整的电子差速控制系统。本课题的目的旨在研 究电动汽车行驶时的电子差速控制问题。因此，本文对电动车的车架设计、车 辆的加速度、对高车速、载重能力、行驶罩程等因素只做了最基本的要求，电 机也采用了结构较为简单的轮毂电机。在符合机械设计原理的基础上，设计并 制造了一台电动汽车的原理样机，其基本性能参数如下将在下文作具体阐述。 2 2 机械设计 本文基于自制电动汽车，采用电子差速控制器和轮毂电机，同时通过电子 差速控制的方式进行转向控制。其中采用电子差速控制器，代替了传统汽车转 向需要的机械差速器同时摒弃了非轮毂电机驱动车轮所需的减速装置，而只采 用电子控制的方式进行转向控制，在机械结构上大大节省了空间，减轻了车身 重量，降低制造成本。 图2 2 机械殴计原理图 如上图所示，文章的电动小车由两辆电动自行车组装而成，其车轮、车 架、转向系统都和传统燃油汽车有着很大的区别和差异。传统燃油汽车的轮毂 通过轴承和灵位一个车轮向连接组成一个车桥，车桥通过悬架和车架相连，传 l o 第2 章电动下实施方案 递车架与车轮之m 各个方向的作h j 力及其力矩。本文的电动车在结构卜作了简 化，车轮与车体固定相连，并没有传统汽车的悬架系统，而日没有驱动桥系 统，即无乇减速器、幕速器、传动轴。 2 2 1 转向机构 采刖分段式转向梯形传动机构，将转向拉杆做成左右两段，每段的两端分 别与转m 器及梯形臂相连。转向拉杆与转向器及梯形臂之叫通过球掣销来固定 连接球型销与销座之间使用橡胶批片，用于填充机械阳j 隙并减轻车4 ；l l | 行驶时 的震动对转向机构精度的消极影响。该转向机构的具体结构如f 图所示； h2 3 实物横7 口剖 改转| i ；l 机构的抽象模型如下蹦所示： 凹2 4 分段式梯形转向机构 l 一钠：2 - 转阳桥：3 - 梯形臂：4 - 近杆：5 横拉h ；a 一外转向轮转舶：p 内转向轮转 舶：6 一转向机构转角； 骶簟曩壁曩簧 曩翳一 第2 章电动乍实施方案 该转向机构以转向手柄作为转向器，转向手柄通过花键与连杆4 相连接。 车辆转向时，转向手柄带动连杆4 以转向轴为中心，旋转一定的角度6 ；连杆 4 通过销连接依次带动横拉杆5 、梯形臂3 ，最终带动内侧方向轮转过角度1 3 ， 外测方向轮转过角度q 。 前轮进行转向是通过转向梯形执行的，由转向梯形的几何尺寸可得出内外 侧车轮转角和转向角之f 日j 的关系。当转向角为6 时，前轴内轮转角和外轮转角 可通过a u t o c a d 画图得知6 为不同值时，有唯一的与之对应的1 3 和1 3 ，具体见下 表。这样，在电子差速控制中，通过查表可求出四个轮子转向半径和速度。 表2 1 内外转角关系查询表 i n p u tb e t a a l p h a 12 2 8 1 82 2 5 2 6 2 4 5 9 7 74 4 8 0 2 36 9 5 3 46 6 8 6 6 49 3 5 5 28 8 7 5 4 51 1 8 1 1 1 1 0 4 9 6 6 1 4 3 3 0 21 3 2 1 2 3 71 6 9 2 4 41 5 3 6 6 l 81 9 6 0 8 11 7 5 1 3 8 9 2 2 4 0 0 51 9 6 5 7 9 1 02 5 3 2 6 82 1 8 0 0 8 1 12 8 4 2 2 72 3 9 4 5 l 1 23 1 7 4 0 42 6 0 9 3 3 1 3 3 5 3 6 3 22 8 2 4 7 8 1 43 9 4 3 8 43 0 4 1 1 4 1 54 4 2 7 9 33 2 5 8 6 6 1 6 5 0 8 8 0 53 4 7 7 6 4 1 6 6 1 6 46 1 1 5 2 93 6 1 3 4 9 2 2 2 车架 该车加以简单实用为没计原则，化繁为简。采用整体边梁式车架结构，由 前、后横梁及两个相互平行的纵梁构成“工”字型主体框架。由于前、后梁之 问及两个纵梁之问的跨度较小，故无需使用附加的支撑横梁。各支撑梁及横梁 之问的接点采用焊接的方式固定，因而没有传统汽车上的悬架系统。 1 2 第2 章电动下实施方案 2 3 电子差速系统 2 3 1 电子差速系统 在该系统中，基于四轮独立控制的电子差速算法被分为整车差速算法与针 对每个电动轮的转速控制算法两个部分，其分别搭载于中央控制器及四个电动 轮控制器上。中央控制器与四个电动轮控制器通过c a n 总线连接成一个实时 控制网络。从该布局中可以看出，c a n 总线的引入使得中央控制器远离电动轮 控制器的驱动电路，减轻了电动轮控制器驱动级电路对中央控制器的电磁干 扰，在提高系统稳定性的同时还降低了由于电动轮控制器的损坏而引起中央控 制器连带损坏的风险。 该系统的电子差速实时控制过程为：中央控制器通过a j d 采样获得来自转 向传感器的车辆转向角度信号以及来自手柄转把中的车速设定信号，经过整车 差速算法，分别获得四个车轮当前各自应有的转速，并将这一结果作为当前时 刻对应车轮的转速控制设定值，通过c a n 总线发送给相应的电动轮控制器； 四个车轮控制器以从c a n 总线收到的转速设定值为控制目标，使用电动转速 控制算法对各自的电动轮进行控制，使各个电动轮的实际转速实时满足整车差 速算法的要求，进而实现电动车辆的平顺转向。 用于电动轮独立驱动电动汽车上的电子差速系统具有：涉及的控制算法的 运算负荷较重、实时性强，所需的硬件i o 口数量较多等基本特点。而成本较 低的单个微控制器往往不能满足这些基本要求，故i ! q 轮电子差速系统不宜遵循 集中控制的思路来构建。与只有一个智能单元的集中式控制不同，分布式控制 可根据具体的应用场合，将控制算法的总运算负荷合理地分配到多个智能单元 中进行处理，从而降低了对单个微控制器的性能要求。除此以外，在电子差速 中使用基于c a n 总线的控制系统还具有如下一些显著优点： 1 控制任务分散，可靠性好，实时性高； 2 i o 资源丰富，硬件设计便利； 3 较好的电磁兼容性； 4 具备扩展能力； 5 易于实现故障渗断与智能化； 6 系统结构清晰，线束少； 1 3 第2 章i b 动乍实施方案 23 2 输入控制信号 汽车的电控四轮驱动技术能够根据前后轴的转速等信息，控制并分配前后 轴驱动力使汽车具有防滑能力、良好的加速性和行驶稳定性。 i 2 1 现今提出的 电子差速方案已有许多州济大学在2 0 0 3 年的专利：四轮电动汽车电子差速中 就已经提出了为了控制防滑的电动汽车旧轮差速计算方案：中科院电工研究所 的电子差速方案是在小i 叫路面进行的双模控制方案。这些方案的提出，都是基 _ f 四轮转向电予差速的车速、转向角、每个车轮的速度这三个最基本的参数 进行的计算。 本章的输入控制信号主要有= 个：加速信号、刹车信号和转向信号。本文 电子差速的目的是通过电子线路的输入和控制改变车轮速度，实现转向。同 时，为了方便驾驶员的行驶，本文采用方向盘输入和手柄输入转向、制动与加 速信号。 。i i i 嚣；：嚣：；起 幽2 5 人机空示意刚 为了实现电动汽车转向的易操作性，依然采刚了机械转向系统中的传动机 构，即通过方向盘机械转向机构控制两个前车轮的转向角度。l 卅时，并以摩托 手柄的输入作为刹车和加速信号，其中通过加速手柄的旋转，和刹车柄的按动 提供给电动小车加速和刹车信号。为了降低整车系统的复杂程度，该部分的设 计借鉴了电动摩托车的加速与制动形式。使用集成于转向手柄转把中的线性霍 尔传感器作为原始信号来源：通过对酸原始信号的进行滤波、放大、限幅等后 续处理，分别获得电动车实物模型的：| | l | 速信哥2 制动信号。其也气特性如下图 2 6 和27 所示。 第2 章电动午实施方案 图2 6 加速信号电气特性图幽2 7 刹乍信号电气特性图 将松丌转把时转把所在的位置定义为o ，对应最小的车速设定值( 为 0 ) ；将转把被旋到底时转把所在的位置定义为1 0 0 ，对应最大的车速设定值 v s m 。为了使得这两个信号可与数字控制系统中参考电平为5 v 的a d 转换器 直接相连，将信号的输出范围设计为0 5 v 之间。当刹把被按下时，无论当前 转把的输入为何，刹车信号的输出立即跳变为0 v ，从而指示发生了一次刹车事 件( 如图中的a 处) 。此处有意将刹车信号也设计为与转把输入成线性关系， 以便利用信号的冗余来提高车辆的可靠性：即使当加速信号失效时，车辆依然 可以利用刹车信号“跛行”至最近的维修点。 电动汽车的转向是通过，电子差速控制系统控制轮毂电机的转速，从而使 四个车轮之问产生符合转向需要的速度差而实现车辆转向的，同时本文还采用 了简易的转向系统，以方向盘输入转角信号实现两轮转向的控制，方向盘上面 安装了传感器。 2 4 轮毂式无刷直流电动机 2 4 1 电动轮 本电动车实物模型中的电动轮使用基于轮毂式无刷直流电动机的电动轮。 本电动车实物模型中共有四个电动轮，分别使用四个型号相同的锂离予电池进 行独立供电。电池容量为1 0 a h ，额定电压3 6 v 。电动轮与轮毂式无刷直流电动 机的基本参数如表2 2 所列。 1 5 第2 章电动乍实施方案 表2 2 电动轮与轮毂式无刷直流电动机的基本参数 电动轮 轮毅式无刷赢流电动机 商径输出抓矩转速效降速额定电压 极对 转速 电流( a ) ( n l m )( n m ) ( r p m ) 牢比( v ) 数 ( r a d s ) 额定最大 额最额允许最额最 7 8 4 2 0定大7 5 7 3 6 定大 l o 定大 81 52 0 02 2 761 2 5 1 5 8 1 8 0 2 4 2 轮毂式无刷直流电动机 驱动电机是电动车的关键部件之一，要是电动车具有良好的使用性能，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、效率高等 特性。永磁无刷直流电机是一种高性能的电动机，j 下好满足上述要求。它具有 直流电动机的外特性，没有换向器和电刷组成的机械接触结构；采用永磁体转 子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组装在外面的定子上，更利于散热；具有高 的能量密度和效率。根据电机运行时线圈绕组上反电动势波形的不同，可将永 磁无刷直流电动机分为：具有正弦形反电动势的永磁同步电动机( p m s m ) 与 具有梯形反电动势的方波型永磁无刷直流电动机( b l d c m ) 两类。与永磁同 步电动机相比，方波型永磁无刷直流电动机具有本体结构简单、驱动与控制相 对容易、成本较低等显著优点。本课题所采用的是外转子式三相y 型连接的方 波型永磁无刷直流电动机，为了行文方便，该类电动机在本文中被简称为“无 刷直流电动机”。 常见的三相无刷直流电动机使用一组霍尔元件作为侦测转子当前位置的位 置传感器，从而获得正确的换相顺序。无刷直流电动机通常采用永磁材料制成 转子，采用三相线圈绕组构成定子，以便获得近似梯形的方波气隙磁场与感应 电动势。原则上只需按照一定的时序与逻辑顺序在定子绕组中通以三相方波交 变电流就可以获得平稳的输出转矩。 所 胃轮毂式无刷直流电动机是由将无刷直流电机安装在汽车驱动轮的轮毂 内而构成的。由于其的转子为外转子，输出转矩可以直接传递到车轮，因此省 去了传统的离合器、差速器等机械传动部件，进而在减轻车辆自重的同时大大 提高了车体空间的利用率。其既可直接采用低速无刷直流电动机进行构建，又 可采用高速无刷盥流电动机附加减速行星齿轮的方案进行构建。虽然本课题采 1 6 第2 章电动乍实施方案 用的是后一种方式，但不失一般性，轮毂式无刷直流电动机的结构依然可由图 2 8 进行示意。 6 4 5 1 0 3 8 9 7 图2 8 轮毂式无刷百：流电动机的结构 1 磁瓦；2 铁芯：3 电枢绕组；4 铝合金骨架；5 电枢与霍尔传感器引出导线；6 轴 承；7 - l 州定轴；8 机壳；9 辐条安装孔：1 0 端盖 图中所示轮毂式无刷直流电动机的结构特点为：构成外转子的机壳由导磁 体构成，内圆表面使用树脂粘贴有多极钕铁硼磁瓦，外圆留有辐条安装孔，左 右机盖均采用轻质铝合会材料；定子由电枢铁芯、绕组线圈、集成霍尔信号模 块、铝合金骨架及固定轴构成。固定轴的一侧轴身丌有槽，用于引出三相电枢 导线及集成霍尔信号模块的供电电源线、霍尔信号线，共八根导线( 该电机的 三相电枢采用y 形连接方式，中性点未用导线引出) 。 2 4 3 无刷直流电动机工作原理 为了省去普通永磁有刷直流电动机中的“电刷换相坏”结构，无刷直流电 动机通常将绕组线圈放在定子上，并使用永磁材料制成转子。与普通电动机的 运行原理相同，无刷直流电动机所要实现的“电能机械能”转换也是以定子磁 场与转子磁场的相互作用为基础的。无刷直流电动机运行时，由永磁材料所产 生的转子磁场与转子同步旋转；为了获得持续的转矩输出，必须使得定子磁场 的方向与转子磁场的方向保持一定的空i h j 相位关系( 当两者的空间十h 位相差 9 0 。电角度时，可获得最大转矩) ，这就意味着定子磁场应尽量与转子磁场作等 1 7 第2 章电动下实施方案 速旋转。定子磁场由通电的定子绕组线圈产生。由于定子绕组线圈本身的空间 位置是固定的、无法旋转，故只能按照一定的规律改变定子绕组线圈中电流的 方向来获得旋转的定子磁场。该换流规律显然与转子磁场当前的方向、也即与 转子当前所处的位置有密切联系。若假定每一时刻只有两个线圈绕组中有电流 流过，则无刷直流电动机的运行原理可直观地由图2 9 表示。【1 3 1 6 】 ( b ) t e )( f ) 幽2 9 无刷直流电动机的运行原理 f 1 转子磁势：f 2 定子合成磁辨；a a ，、b b 、c c 二相定子绕组线圈 1 8 第2 章电动乍实施方案 设某个时刻，无刷直流电动机永磁体转子的初始位置为图2 9 ( a ) 中所 示，转子磁势为f 1 ；为了使得电机转子顺时针方向旋转并获得较大的转矩，则 应使定子合成磁势f 2 在转子磁势f l 的顺时针方向，并与f l 垂直。从图中三 相定子绕组线圈的