（车辆工程专业论文）轮毂式电动汽车电子差速系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于电动汽车( e v ，e l e c t r i c a lv e h i c l e ) 是零排放或近零排放的交通工具，随 着环保和能源阀题曩益受到关注，电动汽车呈现加速发展的趋势。电动汽车的 发展将使集中考虑能源、环保和交通成为可能。电动轮的结构简单、紧凑、占 用空间小、容易实现全轮驱动，使之得到广泛应用。论文以双后轮驱动的电动 轮电动汽车为研究对象，对电动轮电动汽车的电力驱动系统和行驶控制系统进 行研究。 电机控制驱动系统是电动汽车电子差速系统的核心技术，本文黠其进行了 重点分析研究。通过电机驱动理论的分析，给出了详细的控制硬件电路的设计 方案，并确定了对电动汽车前轮单极性、蘑轮双极性控制的方案。本文对其中 涉及到的大量设计问题都进行了详细的分析，例如，电机转速公式和电流与p w m 占空比的关系；电机速度反馈的计算：电机的动态方程和传递函数的确定，电 机转速闭环控制的p i d 控制规律，以及数字p i d 控制方法中使用齐格勒一一尼 柯尔斯调节律对p i d 参数的确定。 针对驱动电机为永磁无刷直流电机的电动轮电动汽车，建立了汽车直线行 驶和转向行驶的两自由度电动汽车模型。以提高电动汽车转向行驶时的操纵稳 定性为墨标，提懑了转向时内外轮能够提供楣同地瑟切向反作用力的控制策略， 其中考虑了车轮的防滑控制。 剩用m a t l a b s i m u l i n k 软件对其系统进行建模和仿真分析，可以看出，新 的电子差速控制算法得到的车体质心偏离角侈，瞬时转弯半径p 都明显优于等 转矩分配的传统机械差速控制。因此，保证了更好的车辆操作性能和响应控制 特性。并且，每个驱动轮的附着系数利用率高，车辆能够获得更大的加速度或 减速度。 关键词：电动汽车电动轮电子差速滑移率 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c ee v ( e l e c t r i c a lv e h i c l e ) i sav e h i c l e 、航也z e r oo rn e a r l yz e r oe m i s s i o n , a n d a st h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dr e s o u r c eh a sb e e nr e c e i v i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n , t h e r ei sat r e n do fe v sr a p i dd e v e l o p m e n t i ti sp o s s i b l et ot a k e r e s o u r c e ，e n v i 菇撒髓e 拄p r o t e c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o nd u r i n gt h e d e v e l o p m e n to fe v 。t h eh u b m o t o rh a ss i m p l ea n dc o m p a c ts t r u c t u r e ，o c c u p i e ss m a l l s p a c ea n di se a s yt or e a l i z ea l l - w h e e ld r i v e ，w h i c hh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s 。r e a r w h e e l sd r i v i n ge va n di t sp o w e r - t r a i na r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，r e s p e c t i v e l y 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 l e p r e s e n t s ，o n ei ss i n g l e - p o l a r i t yp w m ，t h eo t h e ri sd 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 t h ee vi nf o r w a r da n df o u r - d e g r e e - o f - f r e e d o ms t e e r i n go p e r a t i o ni sm o d e l e d 。 t oi m p r o v et h eh a n d l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt u r n i n g ，ac o n t r o ls t r a t e g y , t h a tc o n t r o l s t h ei n t e r n a la n de x t e r n a lw h e e l st oo f f e re q u a lt r a c t i v ef o r c ew h i l et u r n i n gi sp r o p o s e d 。 i nt h ec o n t r o ls t r a t e g yt h e s l i pr a t i oo fd r i v i n gw h e e li sl i m i t e dt oo p t i m u m v a l u e a p p l y i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r et om o d e la n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，w e c a l ls e et h a tpa n d p f r o mn o v e le l e c t r i c a ld i f f e r e n t i a la l g o r i t h ma l eb e t t e rt h a n t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld i f f e r e n t i a la l g o r i t h m w i t ht h ec o n t r o ls t r a t e g yo nt h eb a s i so f s l i pr a t i ol i m i t a t i o n ，h a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh u b - m o t o re v i si m p r o v e d 。 k e y w o r d ：e l e c t r i c a lv e h i c l e ；h u b - m o t o r ；e l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a l ；s l i pr a t i o i i 独创性声明 本入声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成采，也不包含为获得武汉理工大学域其缝教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中幸誊了暖确的说甓并表示了谢意。 签名：善握毖宝 网期：迎星：箩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理正大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有极保 留。送交论文蠡句复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部和郝 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 背景 第1 章前言 伴随着日益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，因此也带来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，2 0 0 5 年超过l 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l o 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“。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 c a lv 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，纯电动汽车 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。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，各国和研究机构都大张旗 鼓地进行电动汽车的研制和生产。电动汽车的电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：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 武汉理王大学硕士学位论文 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，所以设计了结构篱单和以普 通电池为能源的纯电动汽车。 从2 0 世纪9 0 年代初起，世界备大汽车集团公司如福特、通用墨产、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 每、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。 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，不可麓长久维持燃油汽车的发展，并显入霹密度高，燃漓汽车的尾 气排放己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 动汽车的发震来看，和国外高水平技术的差距不到5 年，焉燃油汽车却有2 0 多 年的差距。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，普通双轮轮式驱动电动汽车技术己经比较成熟，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舀，投入近l 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。随着国家十五诗划“8 6 3 黟电动汽车重大科技专顼的正式启动，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。 l 。1 2 轮式驱动 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。差速酌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， 才能得到和电祝的转速之间的关系。这种复杂的计算方法对予电动汽车来说， 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致，电子差速的功麓就可以得到最好豹体现。轮毂 2 武汉理工大学硕士学位论文 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。轮毅电机的出现从结构上提嵩了电动汽车的性能，电机安装在车轮的轮 毅内，电机的转予为外转予，输出转矩直接传输到车轮，既提高了车体空间的 剩用率，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。现有资料表明，轮式电机驱动系统 额定功率一般都l o 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褶应增加。僵伴随着控制理论、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。 1 1 3 轮毂式电动汽车电机的发展现状 研制开发电动车的关键主要有两个方面，一是生产高能量密度的电池，其 次是开发性能优良的驱动系统。而驱动系统必然离不开驱动电机，早期开发的 电动汽车主要采用直流电机驱动系统，其优点是有比较好的控制特性，但其功 率重量比低、价格贵、体积大，且豳于存在电刷与机械换向器，不仅限制了电 机酌过载能力与速度的进一步提高，而且运行时电露和换向器会产生火花，长 期运行需要维护，电刷磨损又会造成不安全工作。因此随着电力、电子器件的 发展，交流电机逐渐取代直流电机应焉于电动汽车上。2 0 世纪鼬年代睽本的大 发h i n t 和丰田e v l 0 采用直流他励电机。 随着电子技术的迅速发展和交流调速技术的逐步成熟，在最近在电动汽车 上已经开始广泛采用交流电机。交流电机的效率和功率密度均比直流电机高， 且结构牢固，便予维护。对目前电池容量较小的情况下，选择效率更高、体积 更小的交流电机对改善电动汽车的续航能力尤为重要。 异步电机费用低、高可靠性、高速、低转矩波动噪声和无位置传感器等优 点两被广泛采用。美国通翔的e v l ，福特的r a n g e re v 采用了异步电机。 以永磁同步电机和无刷直流电机为代表的交流永磁电机以其重量低、效率 高这一特点瑟在电动汽车领域崭露头焦，但瞪前其价格偏高瑟没有商用。 3 武汉理工大学硕士学位论文 开关磁阻电机结构简单、紧密、坚固、效率高，低速时可提供很大的转矩， 驱动器结构相对简单，他的缺点是震动和噪声较大。 表1 1 美圈通用汽车公司对各类电机的评价 直流电机永磁无刷开关磁阻 感应电机 直流电机电机 最离效率( ) 8 5 8 99 5 。9 78 7 9 09 1 9 4 1 0 负载时的效率( ) 8 0 8 77 3 8 2 9 3 9 4 最高转速( r m i n ) 4 0 0 0 6 0 0 04 0 0 0 - 1 0 0 0 01 5 0 0 0 以上9 0 0 0 - 1 5 0 0 0 成本7 单位轴功率( 美元k w ) 2 0 3 05 2 0 2 7 5 5 配套控制器的相对成本 l3 7 6 0 4 1 02 5 ，3 o 电机的牢固性 好尚可优优 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。 薹。2 。薹转向系统的种类 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。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 机械转向羞速结构 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。机械转向系盘转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 视械差速器的作用是当汽车转向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浮动，其中滑动又有滑转和滑移两种。 4 武汉理工大学硕士学位论文 当汽车转向行驶时，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- - i n 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在。车轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损， 增加汽车的动力消耗，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 1 、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。 图1 1 对称式锥齿轮差速器运动原理示意图 l ，2 一半轴齿轮；3 一差速器壳；4 一行星齿轮；5 一行星齿轮轴；6 一主减速器从动齿轮 5 武汉理工大学硕士学位论文 12 图1 - 2 对称式锥齿轮差速器扭矩分配示意图 半轴齿轮：2 一半轴齿轮：3 一行星齿轮轴；4 一行星齿轮 1 2 3 动力转向系统 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而形成的。 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。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。 本文采用的转向指令输入方式为方向盘输入，与以往的转向系统，机械式、 武汉理工大学硕士学位论文 助动式或是线控转向不网的是方向盘的转动轴的底部直接连接倒个精度为 o 5 的位移传感器，该传感器的模拟电压输出范围为0 - 5 v ，作为电予差速转向 系统的输入指令。但是为了实现电动汽车转向的可操作性和前期调试工作，依 然采用了机械转向系统中的传动机构，即方向盘可以直接控制车轮的转向角度。 兰。3 电子差速的意义 随着电子、盘动控制、电气技术的发展，汽车控制与各种技术的结合成必 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监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，其作用是在汽车劁动时，防壹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 o n i cd 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。 目前，传统汽车的动力不是童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、噪音等闽题。电子差速是一种全薪概念 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，使用电子线路控铡实现转向时志外车轮之阚豹速度差，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，是种全新的电子转向方案。 1 3 。l 电子差速优越性 1 提高汽车的操纵性 武汉理工大学硕士学位论文 电子差速可以在 ； f 轮转向控制方面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“入一车闭环系统的主动安全性。 2 提高汽车的稳定性能 电予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、鞔道跟踪、宙动侧向导航以及自动驾驶等功麓相结合，实 现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性。 3 。改善驾驶员的路惑 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， 从恧为驾驶员提供更为真实的“路感。 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。电子差速的最终发展趋势是使用操纵杆的x b yw 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，软释也仅仅通 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露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予布置被动 安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。 薹。3 。2 国内外发展现状 1 国际发展状况 8 武汉理工大学硕士学位论文 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。 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，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。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、蠹本圆 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毫予转向系统，一些国际著名汽车生产商己在其概念攀 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。 日本大学和本圈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。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隧车速变诧，并重点研究了驾驶员角控制特性和力 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。 2 国内发展状况 在国内该课题领域的研究中，浙江大学电气工程学院对于两轮驱动轮毂电 祝的电动汽车系统进行了一系列的研究：轮毂电机控翩系统、电子差速兹控制 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；剩用处理芯片d s p 2 4 0 7 的秀个时间篱理器实现 电子差速驱动控制系统。考虑转向时车轮的垂直载荷的变化，以使两驱动轮的 附着率相等为冒标，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 9 溅汉理工火学硕士学位论文 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越了决定 性的作用。 但是，后轮驱动方式在车辆转离时驱动效率较低，新型的四个轮毂电机独 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。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 转向时驱劫效率较低，不可能实现四轮电子差速方案。 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 主知识产权的燃料毫、逯电动汽车。与东风汽车集团合作研裁成功电动汽车概念 率，其最高时速达1 1 4 k m h 、爬坡度 2 0 ，0 。5 0 k m h 加速时间9 8 5 s 。针对双电 机驱动的电动汽车，该团队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n 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。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，但是它采用的是两 轮的电子差速控制方案，不利于防滑控制。 同济大学汽车学院先后研制出电动汽车“超越系列 、“登峰系列 、“春晖 系列等一系列混合动力和纯电动汽车。网济大学的专利西轮电子差速转向 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 与地面间保持纯滚动状态，减小车轮与地面的摩擦力，延长汽车各部件的使用 寿命。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。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。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。 1 4 主要工作 在本文中，以轮毂电机驱动的霸轮驱动电动车为研究对象，聚焦于其电机 电子差速系统的研究开发，主要在以下几个方面进行了理论分析研究、系统仿 粪和实际的系统验证。 1 0 武汉理工大学硕士学像论文 电动车用轮毂电机的研究 电机是电动车区别于传统汽车的关键部件。驱动电机的性能特点直接影响和 制约着电动车辆的性能，对电机性能的研究和把握是研究和把握整车性能的关 键因素之一。本文将在研究轮毂电机运行原理基础上，研究其对电动车辆驱动 的优缺点并在此基础上提编和实现改进的策略，使其更加有利于电动车辆的运 行性能和操纵特性。 已有电子差速模型的分析研究 电子差速( e l e c t r o n i cd 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 车轮的转速，使车轮以不圈速度转动，不僮达到转向的臣的，阕时保证车轮不 发生滑动或者滑移，作纯滚动运行。目前广泛应用的电动车电子差速控制策略 有明显的弱限性。首先，此模型没蠢考虑轮胎的影响，忽略了车辆转向行驶时 的离心力，并且只进行了静态分析；第二，此模型只分析了车辆纯滚动的状态， 仪适用于车辆低速运行时的分析；第三，由于实际车辆的转向特性和驱动轮的 准确位置难以确定，这些关系通常是非线性的。 基于电动车特点的电子差速控制策略研究 基于以上两方面的研究，结合电动车辆特别是后轮驱动电动车的特点，迸 一步研究适用于后轮驱动电动车的电子差速控制方案。本文设计的电子差速方 案，考虑转向时车轮的垂直载蘅的变化，以使两驱动轮的附着率相等为霞标， 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囱力的作用等多种因素，在给定总功率输进下，本文对车 辆的运动状态进行了仿真。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。 1 5 本章小结 电动汽车对于减小空气污染、缓解能源危机、改善人类生存环境具有重要 意义。电动轮电动汽车结构简单、紧凑、占用空间更小并且容易实现对两电机 的转矩直接控制，伎其成为电动汽车驱动系统的发展方向。本章对电动轮电动 汽车、操纵稳定性控制的国内夕 的研究现状进季亍论述，并提崽了论文的主要研 究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电机控制 永磁无刷直流电机根据转子在电机结构中所处的位置不同，可分为外转子、 逡转子和盘式电机等型式。其转子结构类似予传统的永磁直流电机，磁极由固 定在转子磁扼上的永磁体磁钢组成，气隙磁场一般呈方波或梯形波分布；其定 子绕组结构类似于三相交流电机的整距绕组，三相绕组在空间以1 2 0 度的电角 度均匀分布。 本文采用的轮毂电机为外转子型式的三相永磁无刷直流电机。截面图如图 2 1 所示。为了减小永磁磁体与定孑稽之闯磁拉力所产生的磁阻转矩脉动，定子 铁心设计成斜槽( 斜度为一个定子槽的距离) 。该电机每极每相槽数为3 ，故斜槽 效应对应于6 0 度电角度，由此形成恣相电势方向改变时有约鳓度电角度范围 的相电势的渐变过程，如图2 2 所示。 a i。1i 一 。； 矗 。i cl 1|i 一 1 1 8 03 6 05 4 0 图2 1 永磁无刷直流电机截面图图2 2 永磁无刷壹流电机相电动势波形图 在供电方式上，该轮毂电机需要实时地根据转子位置判断定子绕组的供电 顺序，这就需要相应的控制逻辑电路和电力电子电路的构造。应该指出，如图 2 3 给出的该轮毂电机控制逻辑的典型时序图，其执行的换向逻辑功能相当于有 利直流电机的电刷换商功能。因此，该永磁笼刷直流电机具有与传统有刷直流 电机相似的良好的调速性能。此外，由于性能优异的钕铁硼稀土永磁材料的应 用，磁密接近矩形的波形，且不存在“无火花换向区的限制，所以该电机的 功率密度和效率都高于传统的采用铁氧体等磁钢的直流电机。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 f 靛置信号l 倒 t 粳羹镶号 1 2 缪 鞭动输出 上桥臂 驱动输出 下携麓 电翟曩动 魁滋 t 0 1 2 01 8 02 哇03 0 0 3 6 0 4 2 04 8 05 4 0 右o o 湖7 2 0 汰 暑 ；c 皤el l l ol l l0 1 1 0 0 l0 0 0l o ol l ol l lo l llo 滠 罄 c i d ei l | o0 1 0o l lll 移li 瓣l i oo l oo i 重l堵l 葶 曙 譬 8 8 。“。 - l v 。 8 嗍 阻 罄 糊 o l + 口0 2 帕口2 o o ，q |口，o ，a 1 o ，0 l + o 2 + 0 60 2 o qo ，+ o o ，o ，o l 柚s 毒一 ，。一” ，_ 、， o _ 、_ - - 一 ，一 一一。- 一 + 、 一 o _ r 1 一 _ _ + 。 f i i i 一 0 一 r - - _ 、- - - _ - _ _ 伞速( 无!葑波) 调速( 撕放) 图2 3 永磁无刷直流电机控制逻辑关系图 ，iillillf，、l-lill，flltlfj、tlilll、，lltif，tiillt 武汉理工大学硕士学慢论文 2 1 电动车用电机驱动控制策略研究 理想的车辆驱动原动机的输出特性为恒功率特性，邸 砌黼c o n s t 但实际上当寸0 时不可能达n t _ 0 0 ，因此， 的车辆原动机的输戳特性应如图2 1 所示。 萋 蜊 浆 ( 2 1 ) 在工程可实现的范围内，理想 图2 - 1 理想车辆原动机驱动特性图2 2 内燃机驱动特性 对予传统的燃油汽车，内燃机以其热效率高、重量小、体积紧凑的特点， 在传统车辆驱动中占据统治地位。内燃机在主要工作转速范围内，为近似的恒 力矩特性，且其高效率工作的转速范溺较窄。为适应车辆行驶的不同驱动力的 要求，由内燃机车辆传动系中的离合器、变速器实现对内燃机输出转矩、转速 的再分配。以汽车行驶为例，驾驶者主要的控制输入是对加速踏板 t 口。即可，但不宜过大，否则会 降低开关频率，降低供电电源的利用率。 卜管 l 目 下管 -i 哳区时间 图2 7 死区时间设置 2 ，再生能量制动 普通的制动方法会把车的动能以摩擦直接转化成热能。较为简单的“动力 制动是使电机发挥发电机的功能，把车辆的动能转化成电能，存储在蓄电池 中。动力制动通常只会把产生的电，经过电阻转成无用的热放走。而再生制动 则会把电力储存起来或透过电网送走，再生循环使用。双极性p w m 控制方法， 由于电枢绕组同时施加正负电压，因此当电机处于发电状态即需要将存储能量 时，反向导通的功率器件将电能输入到供电电源，电源进行充电，完成了能量 的存储。电机处于能量的再生制动状态时，就需要双极性控制方法对能量进行 存储。 3 功率 双极性可逆系统虽然有运行平稳的优点，但也存在着电流波动大、功率损 耗较大的缺点，尤其需增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的 提高，因此只用于中小功率直流电机的控制。 4 控制方法 在双极性驱动时，电机的完全停止状态处于占空比为5 0 时，因此电机的 正向转动和方向转动只需调整占空比的值就可达到；而单极性控制时，电机的 正反转实现需要通过改变相同位置信号时绕组的导通顺序来实现。相对双极性 控制方法，单极性增加了电机正反转切换时的复杂度。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 电祝转速与电流 由上述分析可知，电枢绕组两端的平均电压u 与占空比p 成线性关系。又 有电机的机械特性公式： u i r 。k 西 j。 式中u 为电枢端电压，j 为电枢电流，r 电枢电路总电阻，每极磁通量，k 电机结构参数。 随着p w m 占空比p 的增加，电枢电动势u 的增加、电机速度即提高：p w m 占空冼p 减小，电枢电动势u 减小、电视速度n 降低。 2 3 p i d 调速控制 在自动控制中，使用比例一积分一微分控制规律的控制器称为p i d 控制器。 p i d 控制器对控制系统的稳态性篷和动态性能都有很大的改善。 2 3 1 速度检测 要对直流无刷电机的转速进行精确的控制，首先耍对它的速度进行精确的 测量。在一般的电机调速系统中，避常均在电机的转轴上安装一个测速发电机、 光电编码器等测速装置，以此来精确的测量电机的转速。由于多数直流无刷电 机的容量都很小，一般不宜在其转轴上安装如测速发电机等测速装置，通常就 是利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映它的转速。 2 ，3 。2 电机传递函数 为了满足电动汽车的运行稳定且快速响应特性，要求控制信号改变时，车 轮转速不但要迅速改变，动态过程短，同时也要求稳态性能优越。 无刷直流电机的动态方程为： 舻甜锻口+ 匕鲁 e 訾c e 东- - - k l 。q 0 1 4 ) 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 乙= 毛+ 如q 十，警 t e m = c r 蛾t = k t i d ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 如图2 - 8 所示，外加电压为u ( s ) 、负载转矩为瓦( s ) ，速度函数为： q ( s ) = g l ( s ) u ( s ) c 2 ( s ) t l ( s ) ( 2 1 7 ) g t ”碡再面k 1 两 2 - 1 8 ) g 2 ( 垆磅再i + 丽s r e 五 倍1 9 ) 式中，蹦为绕组电感；r 。为绕组电阻；，为转子转动惯量；尺q 为阻力系数； 趸，为转矩系数；蛳为电磁转矩；t 为负载转矩；g 为转矩常数；乙为电气 时间常数，t e = l a 心；t 删为机械时间常数，t 册= 如；t e m 为电机时 闻常数。由上可知：无刷直流电机豹感应电动势孳| 入了与电机燕速度成正毙的 负反馈信号，可以增加系统的有效阻尼；电机的电磁特性及电磁参数 ( 乞，灭。，三。) 和电流的上升率有关，是控制系统内环电流的上升率依据；机械参 ( r m ，瓦，t e m ) 是决定速度环参数和稳定性的主要依据。 鼗汉理工大学硕士学位论文 ， 2 3 3p i d 参数整定 研究被控对象的动态特性的星的是配置合适的控制系统，以满足被控对象 在运动中的要求。被控系统在运动中有两种状态，一种是稳态，此时系统处于 稳定平衡正况，即系统没有受到任何扰动或原设定值保持不变，保持动态平衡； 另一种是动态，即系统受到扰动或设定值发生变诧后，原来的稳态遭到破坏， 系统中各组成部分的输入、输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原 稳态值磊随时间变化，这时就稼为系统处于动态。经过一段时闻调整以后，如 果是稳定的系统，被调量将重新达到设定的值或其附近，系统又恢复稳定平衡 王况，由予被控系统总是给定值并且时刻变化着，设置控制系统的爱的就是为 了对付这种情况，因此系统总是处于动态平衡过程。图2 - 9p i d 控制原理框图。 图2 - 9p i d 控制原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值c o ) 构成 控制偏差： p ( f ) = ，( ) 一c ( f ) ( 2 - 2 0 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( 1 ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象 进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 掰= 【矽( 爹) + 吾量g ( f ) 者+ 易垄竽】( 2 - 2 1 ) ila l 式中，砟为比例系数，墨为积分时间常数，为微分时间常数。 由于计算机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 因此式( 2 2 0 ) 的积分和微分不能直接被使用，需要进行离散化处理。按模拟p i d 控制算法( 2 - 2