（控制科学与工程专业论文）四轮独立驱动电动车控制系统的设计.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 伴随着全球越来越严重的能源短缺和环境污染问题，电动汽车技术的发展 受到了日益关注。四轮独立驱动电动汽车代表了一种新颖的电动汽车发展方向， 由于其理想的控制特性和良好的应用前景，受到学术和工程界的普遍关注，已 经成为研究热点。 本文顺应当前研究热点，分析了四轮独立驱动电动车的国内外研究现状， 对四轮独立驱动电动车控制系统进行了理论与实际研究。设计了一套结构完整 的四轮独立驱动电动车控制系统方案，在相关研究领域具有一定的现实意义。 本文首先构建了四轮独立驱动电动车控制系统总体方案，描述并阐明了其 结构组成；合理选取各种车身传感器，对车身电气设备进行了布局；通过与传 统燃油汽车的控制系统比较，讨论了四轮独立驱动电动车整车控制策略，确定 了以车体速度为最佳整车控制方案；讨论了四轮独立驱动电动车在进行匀速直 线、加减速、转向这三种基本运行方式时应采取的实现策略。 然后，本文就所构建的四轮独立驱动电动车控制系统的三个组成部分：轮 毂电机驱动控制器、整车控制器、c a n 通信网络，展开具体分析研究。在完成 轮毂电机选型的基础上，对轮毂式无刷直流电机的工作原理、数学模型以及控 制方案进行了深入研究，进而设计了基于单片机p i c l 8 f 4 4 8 0 的轮毂电机驱动控 制器的硬件和软件系统，实现了对轮毂电机的外环速度环、内环电流环双闭环 调速控制，并重点阐述了电子换相和速度电流p i d 调节程序；设计了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的整车控制器，详细介绍了整车控制器的硬件组成，使整车 控制器在满足系统功能的基础上，不仅方便调试和仿真，而且具有很好的扩展 性；对c a n 通信网络的拓扑结构、通信协议进行了深入分析，选择c a n 2 0 b 作为总线通信协议，选择了标准数据帧格式，对消息优先级进行了排定，给出 了标识符与消息优先级的对应关系，在此基础上设计了各节点的c a n 通信消息 收发软件流程。 关键词：电动汽车，四轮独立驱动，轮毂式无刷直流电机，c a n 总线， t m s 3 2 0 f 2 8l2 处理器 武汉理丁大学硕十学位论文 a b s t r a c t 、矾t ht h ew o r l dw i d e l yi n c r e a s i n gt h es h o r t a g eo ff o s s i lf u e la n de n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，t h ei m p o r t a n c eo 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 yi s r e c o g n i z e d 1 1 1 ef o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v ee vi so n eo ft h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n s f o rf u r t h e re v b e c a u s eo fi t sp e r f e c tc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ea n dp o t e n t i a li n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，m o r ea n dm o r e e f f o r t sh a v eb e e nd e v o t e dt ot h ef o u r - w h e e l i n d e p e n d e n td r i v ee vb yb o t ha c a d e m i c i a n sa n de n g i n e e r sa l i k e i th a sb e e nah o t s p o t o fr e s e a r c h 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 sa no v e r v i e wo ft h es i t u a t i o n o fd e v e l o p m e n to ff o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v ee v ，h o m ea n da b r o a d t l ：l i sp a p e r f o c u s e so nt h ec o n t r o ls y s t e mo ff o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v ee va n da p p l i e st h e o r y i n t op 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 f t 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 , f i r s t l y , t h ec o l l e c t i v i t yp r o j e c to fc o n t r o ls y s t e mo ff o u r - w h e e l i n d e p e n d e n td r i v ee vi s b u i l tu pw i t hd e s c r i p t i o na n ds p e c i f i c a t i o no fs t r u c t u r e e v e r y 虹n do fb o d y w o r ks e n s o ra n de l e c t r i c a le q u i p m e n ta r es e l e c t e ds u i t a b l y c o m p a r e dw i lt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ef u e lc a r ，c o n t r o ls t r a t e g yo fw h o l ev e h i c l e o ff o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v ee vi sd i s c u s s e d t h e n , b o d y w o r ks p e e di sk n o w n 鳃 t h eb e s tc o n t r o lp r o j e c t w h e nf o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v ee vi sr u n n i n g 器b a s i c r u nm o d et h a tr e g u l a r i t ys p e e ds t r a i g h t l y , s p e e du po rs p e e dd o w na n dt u r n i n g ，h o wt o r e a l i z ei sd i s c u s s e d t h e n , t h ep a p e rc o n c r e t e l ya n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h r e ep a r t s ：w h e e lm o t o r d r i v ec o n t r o l l e r , w h o l ev e h i c l ec o n t r o l l e ra n dc a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m a k i n g u po ft h ec o n t r o ls y s t e mo ff o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v ee v o nt h eb a s eo fs e l e c t i n g w h e e lm o t o r , t h ep a p e rd e e p l yr e s e a r c h e sw o r kp r i n c i p l e ，m a t h sm o d e la n dc o n t r o l b l u ep r i n tf o rw h e e lb r u s h l e s sd cm o t o r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fw h e e lm o t o r d r i v ec o n t r o l l e rb a s e do np i cl8 f 4 4 8 0a r ed e s i g n e d m e e lm o t o r sd o u b l ec l o s e d l o o ps p e e dr e g u l a t ec o n t r o li sr e a l i z e d 1 1 1 ep r o g r a m m eo fe l e c t r o nc o m m u t a t o ra n d s p e e d c u r r e n tp i dr e g u l a t i o ni ss t r e s s l ys p e c i f i e d t h ew h o l ev e h i c l ec o n t r o l l e r i i 武汉理1 j 大学硕十学位论文 b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812i s d e s i g n e dw i t hd e s c r i p t i o no fh a r d w a r em a k e u p t h e w h o l ev e h i c l ec o n t r o l l e ri sc o n t e n tt or e q u e s to fs y s t e mf u n c t i o n ，e a s yt oe m u l a t o ra n d d e b u g , e a s yt oe x t e n d t h ed e s i g no ft o p o l o g yo ft h ec o m m u n i c a t i o nn e ta n d a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l i s a n a l y s e dd e e p l y c a n 2 0 b i ss e l e c t e da sb u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s t a n d a r dd a t af r a m ei ss e l e c t e d t h ep r i o r i t yo fn e w si s a r r a n g e d t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e n1 1 9a n d 研o r i t yo fn e w si sg i v e n s o f t w a r eo ft h ec a nc o m m u n i c a t i o ni sd e t a i l e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，f o u r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v e ，w h e e lb r u s h l e s sd c m o t o r , c a nb u s ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2p r o c e s s o r i i i 独创性声明 本人声明，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果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ， 签名：二，- ：盔纽! 日期：丛旌! ：乡g 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 碱麓= 内鼐做：噬釉：巷足嘲讥更碍 ( 注：此页内容装订在论文扉页)9 叉 ，胗 武汉理：= 人学硕士学位论文 第1 章绪论 本章给出了课题的研究背景及其研究意义，概述了电动汽车技术在国内外 的研究发展情况，介绍了四轮独立驱动电动车的研究现状及其控制技术的相关 研究信息，最后说明了本课题的主要研究工作和内容。 1 1 课题背景及研究意义 “2 1 世纪绿色交通工具 电动汽车，是在传统燃油汽车面临能源危机 和环境污染两大难题时，被逐步重视并发展起来的，并被视为解决上述两大难 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【l 】。电动汽车是车辆工程、电子信息、能源技术、 自动控制、计算机等多种高新技术的集成。从能源利用的角度来考虑，电动汽 车的出现将会使能源利用多元化，摆脱传统燃油汽车对石油的依赖，并且可以 实现能源的无污染、高效可靠利用；从环境保护的角度来考虑，电动汽车没有 尾气排放，不存在环境污染的问题；从道路交通安全的角度来考虑，电动汽车 更容易实现车辆行驶的智能化，提高车辆行驶的安全性【2 】。因此，电动汽车近年 来一直是汽车领域的研究热点。 在多样化的电动汽车驱动形式中，四个独立控制的电动机分别驱动汽车的 四个车轮，车轮之间没有机械传动环节的四轮独立驱动( f o u r - w h e e li n d e p e n d e n t d r i v e ) 电动汽车，因为其简单的整车结构、高的传动效率、以及借助微机实时 控制技术直接控制各电动轮的转速或转矩，能实现转向差速和驱动防滑，为刹 车防抱死系统( a b s ) 、电子稳定装置( e s p ) 等主动安全系统的实现提供了便利， 成为电动汽车发展的一个独特研究方向和热点。 四轮独立驱动电动汽车的稳定性控制、转向差速控制、动力性能优化控制 等必要而先进的控制策略的实施依赖一个稳定、可靠、高效的车辆控制系统。 该控制系统是四轮独立驱动电动汽车的核心和基础，负责实现各轮毂电机的转 速或转矩可控，负责车辆信息的采集，负责先进智能控制策略的实施等。因此， 结构合理、稳定性好、实时性好、高效的四轮独立驱动电动车控制系统对整车 武汉理i ：入学硕士学位论文 的动力性能和安全性起到决定性作用。针对四轮独立驱动电动车控制系统的研 究的意义所在也就显而易见了。 1 2国内外电动汽车技术的发展概况 1 2 1 国外发展现状 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中前两项技术的融合，即 “电气化和“汽车”的融合产物。它不是当代人的新近想法，其构想与研制 均早于燃油汽车，但由于性能不如燃油汽车，使其研发工作一度停滞【3 】。2 0 世 纪7 0 年代的能源危机和石油短缺，又使电动汽车获得了生机，到了2 0 世纪8 0 年代，随着人们对大气污染和温室效应的关注，对电动汽车的研究热情进入了 空前高涨期。世界各国研究机构和各大汽车公司都投入了大量人力物力参与电 动汽车的研发。在逐渐发展的过程中，电动汽车广义分为了三类，即纯电动汽 车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车 4 1 。目前这三种电动汽车都处于不同 的发展阶段。纯电动汽车可实现零排放，适用于低速短距离运输，一次充电行 程基本满足市区交通的要求。混合动力电动汽车性能满足用户需求，油耗低， 尾气排放少，在当前技术水平条件下，是较理想的交通工具，也是目前可以大 批量生产、替代燃油汽车、减少废气排放的较现实的电动汽车，但其必须同时 具备两个动力源，价格较高。燃料电池电动汽车具有很大潜力，可望在1 0 1 5 年以后实现实用化。 从2 0 世纪9 0 年代初起，国外各大汽车集团公司如通用、福特、日产、丰 田和本田等，陆续开发研制出了多种具有代表性的电动汽车和电动概念车，其 中一些受到了市场的普遍欢迎和较好的评价，如通用公司的e v i 、福特公司的 t h i n k c i t y 、本田公司的f c xv 3 、i n s i g h t 和e v p i u s 、丰田公司的p r i u s 、黜w 4 和 f c e v 等。其中世界上最早实现批量生产的混合动力电动汽车丰田公司的 p r i u s ，目前全球销量已突破4 5 万辆，而且在环保、节能等方面创造了多个世界 第一【4 】【5 】【6 】。近年来，欧美、日本等国，更多电动汽车车型已经投入商业化生产。 此外，一些电力公司和电池生产厂商也在电动汽车的研发中积极发挥作用，希 望获得商业利益。国外的高校和研究机构也在不断加紧技术攻关，提高电动汽 车的整体性能。 2 武汉理一l 人学硕士学位论文 1 2 2 国内发展现状 我国随着经济的高速发展、人民生活水平不断提高，汽车保有量增幅巨大。 而我们国家的一些城市人口密度非常高，数量巨大的燃油汽车不但制造噪声， 其排放的尾气也对环境和居民构成了污染和伤害。更重要的是，我国的石油资 源并不特别丰富，可开采储量有限，燃油汽车的长久可持续发展受到了制约。 电动汽车的出现及应用正在改变这种被动局面。从汽车技术发展的历史来比较， 我国的燃油汽车制造技术落后世界先进技术2 0 年，而我国的电动汽车只有不到 5 年的差距。因此，电动汽车被认为是我国汽车工业的发展契机。 我国在“十五 国家8 6 3 计划中，把电动汽车提高到了一个全新的战略高 度，投入巨资设立了电动汽车重大专项来鼓励和促进电动汽车技术的发展。该 专项提出了“三个关键技术和三纵三横”的目标。三个关键技术为：电机驱动 系统、能源管理系统、动力蓄电池。三纵：同时并行开发混合型、纯电动型和 燃料电池型电动汽车。三横：同时并行开发电动大巴、中巴和小轿车。而通过 三纵三横的交叉，可以演绎派生出混合式大巴、中巴和小轿车；燃料电池大巴、 中巴和小轿车；以及纯电动大巴、中巴和小轿车等电动车型【3 】。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。近几年，有上百家企业、高校及研究所列入项目研发单位 行列，如三大汽车集团、长安汽车、奇瑞汽车、比亚迪汽车，以及电机、电池 企业。许多新型股份制企业参与到电动汽车的研发和生产中来，促进了电动汽 车的市场化和产业化。 在纯电动汽车研发方面，北京理工大学研制的4 种电动客车，均通过了国 家汽车质检中心的型式认证，完成近4 0 辆示范样车的生产和调试，整车动力性、 经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平；天津清源电动车辆股 份有限公司与天汽集团等单位合作研发纯电动轿车，自主开发生产的1 1 2 辆纯电 动轿车已于2 0 0 5 年出口美国，而且需求旺盛【3 】。在燃料电池汽车研发方面，上 海燃料电池动力系统有限公司联合同济大学、上汽集团等单位研发的燃料电池 轿车已推出第四代，最高时速达1 5 0 公里，0 至1 0 0 公里加速时间为1 5 秒，一 次性充氢连续行驶里程超过3 0 0 公里，已达到奔驰同类燃料电池汽车的主要性 能指标【2 】。在混合动力电动汽车研发方面，东风电动车辆股份有限公司自主研发 的2 0 辆混合动力公交客车已在武汉累计运行4 0 多万公里，载客8 6 万人次。此 3 武汉理丁：大学硕士学位论文 外，东风、长安、奇瑞和汽的混合动力轿车也陆续投放市场。 北京、武汉、天津、威海等全国多个城市已开展电动汽车试验示范运行。 2 0 0 8 北京奥运会期间，国家投入了2 0 亿元采购电动汽车用于奥运期间公共交通 服务。2 0 1 0 年的上海世博会也有上千辆电动汽车投入运营。可以看出，我国的 电动汽车产业蓬勃发展，前景良好。 1 3四轮独立驱动电动车研究现状及技术特点 1 3 1 研究现状 基于能量传递效率、车体空间和车辆性能等方面的考虑，四轮独立驱动电 动车已成为近年来国内外的研究热点。但是由于其数学模型和控制策略复杂， 需要攻克的技术难点多，这种新型的电动车还未能实现商业化和产业化。目前， 很多研究还是针对单轮驱动或双轮驱动技术，以及轮毂电机的研制，四轮独立 驱动技术的成果还比较少。随着技术的积累和成熟，四轮独立驱动电动车的商 业化应用将为时不远。下面将介绍国内外的一些汽车公司和研究机构在这方面 的研究工作中取得的一些进展。 在1 9 9 1 年l o 月举办的东京汽车展览会上，展出了一款引人注目的四轮轮 式驱动电动轿车“i z a ，它是由东京电力公司和日本电池公司共同研制的。i z a 的四个车轮均为外转子无刷直流轮毂电机，所谓轮毂电机就是指电机位于车轮 轮毂内，电机的旋转直接传递到轮胎，实验表明，此款电动车的总效率达到了 9 0 以上f 7 1 。日本四国电力公司也研制出了一种轮式驱动电动汽车，名为 “y o n d n e ，其在车速为4 0 k m h 的情况下，可连续行驶2 0 0 k m ，最高车速可 达1 0 0 k m h ，并且在车内配置了充电装置。美国通用汽车公司提出了一个基于轮 式驱动的“a u t o n o m y 燃料电池汽车原型。a u t o n o m y 的电动轮技术使得底架 结构简化，底盘空间增加，有充足的空间放置控制设备、燃料电池、氢容器等。 东京大学的s h i l 卜i c h i r o 、y o i c h ih o f 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 j i 卜j c h i r o 、y o i c h ih o f 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。 4 武汉理工人学硕士学位论文 国内对四轮独立驱动电动车的研究也取得了一些进展。同济大学研制的“春 晖系列燃料电池概念车采用了4 个直流无刷轮毂电机独立驱动的电动轮模块。 其专利四轮电子差速转向控制系统公开了一种四轮电子差速转向控制系统， 该系统采集各种车辆传感器和车载部件的信号，并进行计算得出每个车轮的目 标转速，然后调整相应车轮转速。该专利系统能保证电动车在行驶时，四个车 轮与地面间保持纯滚动状态。比亚迪汽车公司于2 0 0 4 年在北京车展上展出的e t 概念车也采用了电动汽车最新驱动方式：4 个轮边电机独立驱动模式。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，单个电动车轮功率可达7 5 k w t 9 1 。浙江大学、哈工大等几所高校也正在开展 四轮独立驱动电动车相关的研究工作。 1 3 2 技术特点 四轮独立驱动电动车是指四个车轮分别由四个独立控制的电动机驱动，任 何两个车轮之间都没有机械传动的环节。现阶段，四轮独立驱动的典型布局型 式有两种：一种是电动机为内转子电机，电机与车轮采用轴式联接；另一种是 电动机为外转子电机，电机置于车轮内部成为轮毂电机。 四轮独立驱动电动车相比传统汽车具有以下几方面技术特点【8 】【9 】： ( 1 ) 省略了传统燃油汽车中的离合器、机械换挡装置、变速器、机械差速 器和传动轴等机械部件，汽车的动力控制实现了软连接，电动轮通过电子控制 可以实现智能无级变速。整车结构简洁了，车辆轻便了，传动效率提高了。 ( 2 ) 可根据路面状况调整各电动轮的驱动力，从而使车辆动力学控制更加 灵活、动力性能更好。容易实现性能更好的、成本更低的牵引力控制系统( t c s ) 、 防抱死制动系统( a b s ) 及动力学控制系统( v d c ) 。 ( 3 ) 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。大大 提高了汽车能量利用效率。 ( 4 ) 四轮独立驱动的布局形式使得整车底架结构大为简化，从而为车型设 计带来了极大方便。假如车身功能和底架功能可合理分离，那么在同一底盘上 便可设计出种类丰富的车身造型，为新车型的开发降低了成本，缩短了周期。 ( 5 ) 采用轮毂电机的四轮独立驱动电动车导入线控四轮转向技术( 4 w s ) ， 可实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径。 武汉理1 ：大学硕士学位论文 1 4 本课题的主要研究工作 鉴于四轮独立驱动电动车的研究现状，研究开发四轮独立驱动电动车控制 系统具有现实的工程意义和重要的应用研究价值。课题以四轮独立驱动电动车 为研究对象，重点开发设计了一套基于c a n 总线的四轮独立驱动电动车控制系 统。 控制系统是车辆的运行核心，同传统燃油汽车相比，电动汽车中电机驱动 的控制响应快、精度高，尤其对于四轮独立驱动电动车，各驱动轮的驱动力可 独立控制，这样符合车辆动力学和运动学的先进控制系统的功能主要便可通过 软件策略加以实施，相比传统燃油汽车实现同样的功能而言，控制性能得到了 大幅提高，而成本却很低。因此，本课题围绕四轮独立驱动电动车控制系统的 设计进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 四轮独立驱动电动车控制系统的构建 针对四轮独立驱动电动车的技术特点，考虑其与其他驱动形式的电动车的 不同，采用了整车控制器和轮毂电机驱动控制器相结合的布局形式，控制器间 的通信通过c a n 总线实现。考虑控制需求，合理选取车身传感器，对车身电气 设备进行布局。 ( 2 ) 轮毂电机的驱动控制研究 对应用于四轮独立驱动电动车的轮毂电机进行了选型，研究其工作原理、 控制方案及其数字化控制的实现。设计轮毂电机驱动控制器，实现轮毂电机的 良好运行性能。 ( 3 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的整车控制器的设计 整车控制器是控制系统的关键，负责车身传感信息的采集和处理，负责先 进控制策略的执行。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是一款3 2 位定点数字信号处理器，集成了多 种先进外设，具有运算速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点，为电机和 其他运动控制领域的应用提供了良好平台。设计基于刚s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的整 车控制器的硬件和软件，使信息处理稳定、高效。 ( 4 ) c a n 总线网络的实现 设计一个适用于四轮独立驱动电动车控制系统的c a n 总线网络的实现方 案。详细研究该方案所涉及的c a n 节点硬件设计、网络结构、应用层协议设计 和消息收发软件设计。 6 武汉理工人学硕七学位论文 第2 章四轮独立驱动电动车控制系统的构建 四轮独立驱动电动车的驱动形式是新颖的，目前国内外尚无完全成熟的控 制系统方案。本章首先对四轮独立驱动电动车控制系统进行了合理构建，然后 对四轮独立驱动电动车需要的电气设备和车身传感器进行了选择和布局，最后 研究讨论了四轮独立驱动电动车控制系统的控制策略。 2 1 控制系统构建 2 1 1整体概述 四轮独立驱动电动车的控制系统是整个电动车的智能核心，控制系统的工 作性能直接关系到车辆的动力性、操纵性、安全性。其作用就是采集车身传感 信息，分析并合理控制车辆各个子系统的工作运行情况，实现车辆的稳定运行。 针对四轮独立驱动电动车的技术特点，考虑四轮独立驱动电动车控制系统必须 具备结构合理、稳定性好、实时性好、高效等特点，本文构建了四轮独立驱动 电动车控制系统，其整体结构框图如2 1 所示。 图2 1 四轮独立驱动电动车控制系统整体结构框图 7 武汉理+ l 火学硕士学位论文 四轮独立驱动电动车控制系统主要由整车控制器、轮毂电机驱动控制器、 c a n 总线网络三部分构成。整车控制器是上层控制器，负责车身传感信息的采 集和处理，以及控制策略的实施，并且向c a n 总线网络发送轮毂电机转速指令。 轮毂电机驱动控制器是底层控制器，负责接收c a n 总线网络上的转速指令，驱 动轮毂电机以给定转速转动；同时采集电机的实际转矩和实际转速，通过c a n 总线传递给上层控制器。c a n 总线网络是连接整车控制器和轮毂电机驱动控制 器的纽带，负责转矩、转速等信息的传递。整车控制器和轮毂电机驱动控制器 相结合的结构体系，使得轮毂电机依靠底层控制器就能完成驱动控制，而上层 控制器不必参与其中，进而可以集中精力进行复杂控制策略的算法实现，为系 统软件的实现提供了便利。 2 1 2 组成部分 整车控制器、轮毂电机驱动控制器、c a n 总线网络共同构成了四轮独立驱 动电动车控制系统。三部分各有分工，实现不同的功能，下面将对这三个部分 分别予以介绍。 ( 1 ) 整车控制器 整车控制器是整个四轮独立驱动电动车控制系统的上层控制器，也是整个 控制系统的核心。其负责采集车身传感器传送来的各种车辆行驶信息，如前进 和倒车、加速、转向角、车辆纵向和侧向加速度、蓄电池电压、路面状况等等， 根据这些信息选择合适的控制策略及算法，计算出应该给电动车四台轮毂电机 的转速设定值，并发送到c a n 总线网络。 由于车身传感器输出的多是模拟量，并且需要的车身传感器也较多，所以 整车控制器需要有多路a d 转换通道，而且要求转换速度快、转换精度高，这样 才能保证控制的实时性、准确性。由于整车控制器要向c a n 总线网络传送转速 信息，因此整车控制器需要有c a n 控制器。另外，考虑到控制策略的复杂性， 以及车辆性能的要求、控制系统的扩展等，整车控制器的运算速度要快、存储 容量要大、外围接口要丰富。 为此，本文设计了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的整车控制器。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国 德州仪器公司t i 的一款c 2 0 0 0 系列数字信号处理器，工作频率可达到1 5 0 m h z ， 是3 2 位定点d s p 芯片【l 们。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理 8 武汉理t 大学硕士学位论文 能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自 动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 它是t i 公司推出的最佳控制平台c 2 0 0 0 系列中的高端芯片。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最高 主频1 5 0 m h z ，信号处理速度快，实时控制性能好。其提供了浮点数学函数库 i q - m a t h ，设计人员可轻松在此定点处理器上实现浮点运算。其丰富的外围接口 如a d 、定时计数器、p w m 、看门狗、c a n 总线、s p i 、s c i 等，方便了信息 处理和系统扩展。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的优异性能和丰富资源满足了四轮独立驱动电 动车控制系统中的整车控制器设计要求，以其为核心的整车控制器的功能实现 有了保障。 ( 2 ) 轮毂电机驱动控制器 轮毂电机驱动控制器是整个四轮独立驱动电动车控制系统的底层控制器， 是轮毂电机的直接驱动控制单元。其负责轮毂电机的驱动，同时接收高速c a n 总线网络上的转速指令，使轮毂电机按指令转动，保证良好的动静态特性。另 外，测量轮毂电机的实时转矩和转速，通过c a n 总线传送到整车控制器。 典型的四轮独立驱动布局型式，其电动机与车轮之间可以是轴式联接，也 可以将电动机嵌入车轮成为轮毂电机。本文的电机即为轮毂电机，轮毂电机安 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，舍弃了 传统的离合器、传动轴、差速器等机械部件，降低了机械传动损耗，并具有灵 活的行驶特性【7 】【1 4 1 。在众多的轮毂电机类型中，本文选择了轮毂式无刷直流电机 ( b l d c m ) 。轮毂式无刷直流电机分有位置传感器和无位置传感器两种，无位 置传感器的零速启动和低速脉动问题使得其控制还不太理想，有位置传感器的 控制方法简单、成熟，因而应用广泛。本文研究的轮毂式无刷直流电机即是有 霍尔式位置传感器的。 本文设计了基于p i c l 8 f 4 4 8 0 的轮毂电机驱动控制器。p i c l 8 f 4 4 8 0 是 m i c r o c h i p 公司的高性能8 位单片机，其具有的a d 、定时计数器、c c p 模块、c a n 总线等功能，能完全满足对轮毂式无刷直流电机的驱动控制。 ( 3 ) c a n 总线网络 c a n 总线连接着整车控制器和轮毂电机驱动控制器，构成了分布式控制网 络。其负责上层控制器和底层控制器的通信。 c a n 总线源于德国的博世公司( b o s c h ) ，是多主串行通信协议，具有较高 的通信速率和较强的抗干扰能力，可以作为现场总线应用于电磁噪声比较大的 9 武汉理 ：大学硕士学位论文 场合。c a n 总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉 等优点，克服了传统工业总线的缺陷【l 。其在硬件上可以减少布线，易于系统 扩展或改型；在软件上通信更加灵活、实时性更好、纠错能力更强。c a n 总线 逐渐成为汽车最基本的控制网络。我国高度重视c a n 总线技术在电动汽车中的 应用，国家“8 6 3 计划关于电动汽车的说明中已经明确指出，新申报的电动汽 车项目必须采用c a n 总线通信。c a n 总线规范分为：i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 与i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 。低速c a n 总线主要面向在线诊断、车身电子等领域， 而高速c a n 总线主要面向动力控制、安全系统等领域【l2 1 。与其他总线相比，高 速c a n 总线更能适应电动汽车这一应用场合，尤其适用于构建四轮独立驱动电 动车中分布式多电机控制系统。 2 2 辅助电气布局 2 2 1电源 在“十五”国家8 6 3 电动汽车专项中提到动力蓄电池是电动汽车三大关键 技术之一，可见电池技术对于电动车的重要性。伴随着电动汽车的发展，电池 储能方式也在推陈出新，例如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、 锌空电池、电容储能、飞轮储能等。每种电池在不同时期都为电动汽车的发展 起到了积极地推动作用。特别是锂离子电池，因其能量密度高，被人们认为是 最有发展前途的电动车用电池，现在很多投入使用的电动车上都使用了锂离子 电池。铅酸电池是比较早出现的一种电池，其能量比低、自放电率高、回收有 一定污染，可以说正被逐渐淘汰出电动车市场，但它的技术成熟、价格低廉、 电池电压高、高低温性能好、效率高，短时间内还会存在于市场上： 本研究从性价比方面考虑，在试验中采用了铅酸电池作为能量来源，4 个 1 2 v 、7 a h 的铅酸电池串联得到4 8 v 作为四轮独立驱动电动车的总电源。电动车 的各个控制系统和电气设备都需要由总电源来供电，所以需要合理安排电源给 各部分。整个电动车的电源系统布局主要有以下几个方面： ( 1 ) 轮毂电机绕组电源 轮毂式无刷直流电机的绕组的供电电源是电机转动的原动力，本研究中的 电机参数为：额定电压4 8 v ，额定功率为3 5 0 w ，额定转速3 4 5 r m i n 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 整车控制器电源 由于整车控制器是基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 需要双电 源供电i o3 3 v 和内核1 8 v ，而且上电掉电顺序有一定要求，所以将4 8 v 通过 d c d c 降压到5 v ，再通过特定电路得到3 3 v 和1 8 v ，这会在第四章作具体叙 述。 ( 3 ) 轮毂电机控制器电源 轮毂电机控制器负责电机驱动控制，电机驱动电路中需要用到1 3 5 v 、5 v ， 所以将4 8 v 通过三端稳压器l m 7 8 2 4 、l m 7 8 1 5 与二极管降压得到1 3 5 v ，再经 l m 7 8 0 5 降到5 v 。 ( 4 ) 车身传感器用电源 车身传感器如：电子踏板、转向角传感器、加速度传感器等均为3 v 供电， 通过前述d c d c 得到的5 v ，再降压即得到3 v 。 2 2 2 车身传感器 四轮独立驱动电动车整车控制器接收的指令信号主要有三个：加速信号、 转向信号、刹车信号。驾驶者的操纵意图通过机械电子线路转变成指令信号， 从而让四轮独立驱动电动车的四台轮毂电机的转矩、转速改变，进而实现车辆 相应行驶状态。指令信号是由传感器产生的，加速信号由电子踏板获得；转向 信号由方向盘上安装的多圈旋转电位器获得；刹车信号由制动踏板获得。三者 均为高精度位移传感器，输出的模拟信号范围为o - 3 v 。 在四轮独立驱动电动车的相关研究中，必须要用到的是车速、转向角、每 个车轮的速度这三个基本参数。转向角的获得已由安装在方向盘上的传感器解 决，每个车轮的速度也可由安装于轮毅式无刷直流电机内的霍尔位置传感器的 电平信号运算处理获得，而车速的获得是一个较棘手的问题。经考虑，本研究 选用了a n a l o gd e v i c e s 公司的四自由度惯性传感器a d i s l 6 3 0 0 。 a d i s l 6 3 0 0 是一款内置偏航角速度陀螺仪与三轴加速计的完整惯性系统。 其每个传感器都拥有自身的动态补偿，可用于校正公式，从而可在电源电压范 围内提供精确的传感器测量，改进的s p i 接口与寄存器结构提供了更快的数据收 集与配置控制。电动车行驶状态中的车辆角速度、横向加速度、纵向加速度、 车速都可由此传感器直接或间接取得，不仅满足了本研究中车体参数的需求， 武汉理工人学硕+ 学位论文 也为车辆动力学、运动学的研究创造了条件。 2 3 控制策略研究 在四轮独立驱动电动汽车的控制研究上，首先面对的技术问题是以轮毂电 机驱动系统取代了传统燃油汽车的发动机系统后，原来在传统燃油汽车上的油 门控制，应如何在电动车上实现合理并相似的控制。本节将会对整车控制策略 做初步的研究和分析。 2 3 1 传统汽车的控制系统 对于传统燃油汽车来说，驾驶人员对车辆的操纵驾驶主要通过旋转方向盘 的角度变化和踩踏油门踏板的开度变化来实现。 首先来分析方向盘的旋转对传统汽车的行驶状态的影响。假设司机操作方 向盘给定左前轮的转角鼠，由于传统燃油汽车的机械转向器和差速器的存在， 右前轮的转角被设定为幺。那么根据车辆运动学推理，此时车辆转向状态示意 图可表示为图2 - 2 。 一 j 2 令 _ w ”4 i _ 一一1 一 | 6 8 体弋 x 士 ， t x 1 夕 l 赫3 b 、r 一1 一 l c l 图2 - 2 车辆转向状态示意图 分析可知，其主要的几何关系群如下【1 3 】： z = c t a n o t 1 2 ( 2 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ，= x ( c + b ) 2 + w 2 0 = s i n - l w 0 2 = t a l l - l 再l 万 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，为车体质心m 的运动速度，c o 为车体转向角速度。 进而通过分析车辆转向时的几何关系群，可以知道，当车辆转向时，方向 盘的旋转角度可以确定车体质心的运动速度和转向角速度，也就是说决定了车 辆的转向运动轨迹。 然后分析油门对传统汽车行驶状态的影响。油门的开度表征了燃油汽车发 动机供油量的多少，供油量越大，发动机输出的机械能就越大，即汽车的驱动 力就越大。因此油门的给定量与发动机的输出驱动力有大致的线性关系。 对方向盘和油门的操纵处理是传统燃油汽车控制系统的重要内容和主要工 作。然而，随着电子技术的发展和人们对汽车动力性、驾驶安全性的追求，传 统汽车上也引进了先进的汽车电子控制技术，如a b s 防抱死系统和牵引控制系 统等。a b s 通过控制制动过程中的制动力矩，使车辆整体的滑移率限制在预设 范围内，保证有效快速停车。牵引控制系统通过实时监测滑移率对车辆的功率 给定进行调解，获得车辆的最佳启动和制动性能。虽然市场上一些高档燃油汽 车已经装配了这些电子系统，提高了车辆的性能，但是由于车辆动力源的特点 以及机械差速装置的限制，这方面的控制都还不太理想，工程实现复杂【1 4 1 。 2 3 2 电动车整体控制策略 对于四轮独立驱动电动车，由于电动机的良好控制性能，在车辆控制中可 以采用电压、电流、输入功率、车体速度等控制方式。表2 1 列出了各种单一控 制方式下的车辆运行性能【1 5 】【1 6 】。 武汉理t 大学硕士学位论文 表2 1 各种单一控制方式下的整车运行性能 控制给 加速过程恒给定运行过程减速过程 定量 油门 ( 发动 给定功率大，转化效率低，加由路面的状况决定实际的运行速度，缓慢惯性减速到 速转矩与给定相关。速度与给定量的平方近乎线性关系。新的平衡点。 机) 在小给定范围内加速转矩与给由路面的状况决定实际的运行速度，缓慢惯性减速到 电压 定有关，否则以最人转矩加速。速度与给定量近乎线性关系。新的平衡点。 可控制加速转矩，只受电流限由路面的状况决定实际的运行速度，缓慢惯性减速到 电流 制值限制。速度与给定量近乎线性关系。新的平衡点。 输入在小给定范围内加速转矩与给由路面的状况决定实际的运行速度，缓慢惯性减速到 功率定有关，否则以最大转矩加速。速度与给定量的平方近乎线性关系。新的平衡点。 车体 当车体速度与给定量相差较大由路面的状况不断调节电动机的功率 在车体速度与给 速度时以最大转矩加速，接近时加和转矩，以达到给定的线性速度关