（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车电动轮驱动系统控制技术的研究.pdf

武汉理i ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e s s i n g l ys e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h eo i lc r i s i s ，t h ea u t o i n d u s t r yi sf a c i n gs e v e r ec h a l l e n g e s t ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ew o r l d sm a j o ra u t o m o b i l ec o m p a n i e sa r es t a r t i n gt or e s e a r c h v a r i o u sn e wt y p e so fp o l l u t i o n f r e ee n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yv e h i c l 嚣i na l l d e v e l o p m e n tp r o j e c t s t h eu s eo f t h ee l c c t r i cm o t o r - d r i v e ne q u i p m e n tf o re l e 咖cc a r s c a r l t r u l ya c h i e v e ”z e r op o l l u t i o n ”i t h a sb e c o m eav e h i c l eo fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tf o e l l s i naw i d er a n g eo ft e c h n i c a lo p t i o n so ft h ee l e c t r i cv e h i c l e s ，t h e m 1 d r i v e ne l e c q l i cv e h i c l e sh a v eb e c o m ean e wr e s e a r c hd i r e c t i o n w i t hi t si d e a l c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sa n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n , w h i c hh a sa t t r a c t e da c a d e m i ca n d 0 1 1 9 i n e e r i n g sw i d e s p r e a dc o n c e r n , c h i n ai nt h e s ef i e l d s ，i ti sj u s tas t a r t i nt h i sp a p e r , e l e c t r i cv e h i c l ee l e c t r i c w h e e ld r i v es y s t e ma sar e s e a r c ho b j e c t , w ef u c u $ o nt h e r e s e a r c ha n da n a l y s i so f t h ed s pc o n t r o ls y s t e m si nt w o - w h e e ld r i v ee l e c t r i cv e h i c l e s c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lf u e lv e h i c l e s ，w h e e l d r i v e ne l e c t r i cv e h i c l e se a c h d r i v i n gw h e e l st o r q u ec a nb ec o n t r o l l e di n d i v i d u a l l y a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a l e l e c 蛹cv e h i c l e sa n df u e lv e h i c l e s d i f i e r e n tt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s w eb u i l da n e l e c t r i cc a rd r i v i h gs y s t e m ，f o c u so nt h ew h e e lm o t o rs e l e c t i o n , c o n t r o l m e t h o d s ，a n d r e l yo nd r i v e r sd r i v i n gf e e l ，c o m p a r ea n dc h o o s et h em o t o rc o n t r o ls t r a t e g i e s i no r d e rt os o l v et h ee l o c t r i cc a r sc l ：l r v ed r i v i n gp r o c e s s ，t h ew h e e l sm o v i n g a b o u tn oe q u a lt ot h ed i s t a n c e b a s e do ut h et r a d i t i o n a le l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sar e l y i n go nw h e e ls p e e dt oc a l c u l a t et h em a r # no f e l e c t r o n i ct o r q u ea l g o r i t h m i na d d i t i o n , b a s e do nf u z z yc o n t r o lm e t h o d w er e a l i z e t h ev e h i c l es l i pr a t i o sc o n t r 0 1 c o n s e q u e n t l yi ti m p r o v e sv e h i c l em a n e u v e r a b i l i t y , s t a b i l i t ya n ds e c u r i t y a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t si td e m o n s t r a t e dt h e s y s t e m sg o o dp e r f o r m a n c e i nv i e wo ft h ea b o v e - d r i v e ns y s t e m , b yu s i n gd s pc h i pw ed e s i g nt w o - w h e e l m o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h r o u g ho w n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ， c o m b i n i n ge l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a la l g o r i t h ma n dt h es l i pr a t ec o n t r o la l g o r i t h m , i t r e a s o n 曲l yc o n t r o l se l e c t r i cv e h i c l e s t w od r i v i n gw h e e l s t h u st h ee l e c t r i cv e h i c l e s a c h i e v eg o o dd y n a m i ca n ds t a t i co p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s i i la d d i f i o n , i no r d e rt oa c h i e v ed r i v ec o n t r o ls y s t e ma n db a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m s ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed i s p l a ys y s t e m sa n d0 t h e l e q u i p m e n t sf o rd a t a c o m m u n i c a t i o n s ，w ed e s i g nac a nb u sc o m m u n i c a t i o na g e n c i e s ，a n dt i e - i nh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，t w o w h e e ld r i v e ，p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h i c s sd c m o t o r s ，e l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a ls y s t e m ，s l i pr a t i o 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性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字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作的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：雳爱日期：刎6 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：i ：趋导师签名：研究生签名：嘻砰l 导师签名： 日期：坦2 武汉理i 人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 自从2 0 世纪汽车工业开始在世界各国兴起，它在推动国民经济发展，造福 人类的同时，也给全球环境带来了严重污染【1 】。据欧盟环境污染监测中心最近的 调查研究证实，各类机动车辆排气污染已占城市大气部分污染物的7 0 以上， 汽车尾气排放的污染物正在使蓝天变少，使人们的呼吸不再那么自如。进入欧 洲大气层中的氧化氮，有4 2 是汽车造成的【2 】。同时，经过研究证实，汽车尾气 排放物产生的光化学反应造成了近地臭氧水平过高，增大了有害气体的浓度， 致使呼吸道疾病人数明显增多。此外，当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽 车则是消耗石油的大户，据最新数据公布全球汽车保有量已达到8 亿辆，它们 每年消耗的能源约占世界石油产量的一半以上，在中国这一数字更加突出，中 国机动车目前已消耗全国石油总产量的8 5 。虽然不断有新的石油资源被发现， 但是毕竟地球的石油资源是有限的，经过长时期大规模的开采，石油资源已日 渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果照目前的消耗水平，仅仅可以 维持6 0 至1 0 0 年左右，到那时，能源危机将对世界经济的发展带来严重的影响。 面对日益严重的环境污染和石油危机，对汽车工业的发展提出了极为严峻 的挑战。为了汽车工业能够可持续发展，以开发和推广电动车、多种代用燃料 汽车为主要内容的“绿色汽车”工程已在世界范围内展开”】。世界各大汽车公司 争相研制各种新型的无污染环保车，而在所有的开发项目中，又以采用电能的 电动机为驱动设备的电动汽车能真正实现“零污染”，现已成为各国汽车研发的 一个重点。 电动汽车是指以电力作为能源、由电动机驱动的机动车辆。在外形上电动 汽车与传统的汽车并无显著区别，其主要区别在于动力和驱动系统。它们一般 采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源。电动汽车无需再用内燃机，因此， 电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱，由于 电能是二次能源，它可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式，所以， 电动汽车是非常有发展前景的替代能源汽车，成为2 1 世纪的主要交通工具【4 】。 武汉理i ：大学硕士学位论文 本课题将选择4 8 v 蓄电池作为动力源，并对电动汽车整车动力驱动系统进 行构建，将整车动力驱动系统定位为多电机分布式电动轮驱动，在控制技术方 面则基于o s p 控制的轮式驱动电动车控制系统，根据车载传感器所采集的信息， 由控制电路做出判断，分别对左右轮毂电机进行差速控制，在运动中则对车辆 滑转率进行调整以提高车辆的牵引稳定性，并选择了c a n 总线作为本系统各分 支机构的通信保障。 本文所研究的系统是车辆运行的核心，相比于传统燃油汽车，电动汽车中 电机控制响应快、精度高”j 。其意义具体如下： ( 1 ) 动力控制的硬件连接改为软连接型式，通过电子线控技术，实现各电动轮 从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车所 需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等。 ( 2 ) 采用模糊算法实现对车辆滑转率的大小控制，从而提高了车辆的操纵性、 稳定性和安全性。 ( 3 ) 各电动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便，能合 理地控制各电动轮的驱动力。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 底架结构大为简化，可使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。 1 2 国内外电动汽车技术发展概况 1 2 1 国外发展现状 2 0 世纪7 0 年代，燃油汽车在国外的保有量呈几何级数增长，造成了严重的 环境污染。随着光化学污染等环境污染的发生，西方发达国家政府开始注重环 境保护，一些著名的汽车公司转向研究和开发电动汽车。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【6 】。美、日、欧这几 个世界有名的汽车工业发达地区，到目前为止都己经开发出实用的商业电动汽 车。下面分别予以介绍：。 ( 1 ) 美国 1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用 2 武汉理工大学硕士学位论文 法令，以立法的形式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。1 9 9 1 年， 美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同协议，成立了“先 进电池联合体”( u s a b c ) ，共同研究开发新代电动汽车所需要的高能电池。 后又由联邦运输管理署( f t a ) 、纽约州财团、纽约市运输局、纽约电力局、州电 力研究协会、电动研究院等部门共同制定美国混合式电动大客车的发展规划， 规划目标是研制1 2 2 m ( 4 0 f t ) 低通道、2 2 5 k w 高功率、低尾气排放的混合式电动 大客车。目前，车辆的第一阶段和第二阶段的研制和运行测试都已完成。在纽 约市的运行实验中，其尾气排放和燃用压缩气燃气( c n g ) 的大客车相比大致一 样。从此车研制发展的趋势看，有专家预测可能会在3 5 年内引发一场公共车辆 运输事业的革命。 美国电动汽车的研究和开发，得到了美国政府的支持，投入了大量的资金 和科研力量，使得资金来源有可靠的保证，在应用现代技术上得到广泛的支持。 在美国三大汽车公司之间，共同协议来促进电动汽车的开发和研究。以三大汽 车公司为主导，利用大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件，开发出 不同特点的电动汽车。并充分利用汽车、机电、电子、控制和材料等行业的优 势，分工开发电动汽车的各种总成和技术单元。推动电动汽车迅速的发展和不 断的改进提高。 ( 2 ) 日本 从世界范围的电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车 的国家之一。日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，油价很贵。 日本工业发达，人口密度很大，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动 汽车的研究和开发。日本从1 9 6 5 年开始电动车的研制、通产省正式把电动车列 入国家项目，1 9 6 7 年成立了日本电动车协会，促进了电动车事业的发展，1 9 7 1 年日本通产省就制定了电动汽车的开发计划，1 9 9 1 年日本通产省又制定了“第三 届电动汽车普及计划”，提出到2 0 0 0 年日本电动汽车的年产量达到l o 万辆，保 有量达到2 0 万辆。 1 9 9 8 年日本东京电力公司联合日本电池公司，共同开发了“z a ”牌电动汽车， 该电动轿车采用了当今高新技术，使该电动汽车性能具有当时世界最高水平。 日本大发汽车公司从1 9 7 6 年开始生产电动汽车，特别是电动轻型客车是大发汽 车公司的主导产品。9 0 年代丰田汽车公司等多次展出豪华型的电动轿车，日本 3 武汉理 ：人学硕士学位论文 各大电力公司不仅在资金上参与电动车的开发，而且还在公务车的选用上优先 选用电动车。丰田汽车公司在1 9 9 6 年就成功地研制出各公司至今仍在开发着的 燃料电池汽车的生产样车，并先于其他汽车厂家在1 9 9 7 年开始批量生产混合动 力汽车，成为环保技术领域和世界电动汽车产业化的领头羊。 ( 3 ) 欧洲 欧洲国家向来提倡节能与环保，他们在电动汽车领域投入了大量的资金。 其中英国是当今世界生产电动汽车较先进和使用最广泛的国家，使用历史已有 5 0 年之久，上个世纪8 0 年代中期就有1 2 万辆车在运行，目前全国已拥有4 0 万 辆电动车。英国政府投资2 0 0 0 多万英磅支持开发电动车，实行多项优惠政策给 使用者免收牌照税、养路费，夜间充电只收1 2 的电费。英国国际汽车设计公司 从1 9 7 9 年开始研制电动汽车，卢卡斯、贝德福电动送货车及轿车。1 9 9 1 年克罗 德里蓄电池公司投资建立电动汽车生产集团，研制成m o l c 3 型混合瓶动电动 汽车，行程1 3 0 k m 。在法国，1 9 9 0 年标致一雪铁龙汽车公司所开发的j 一5 和c 一2 5 电动货车投入生产。1 9 9 5 年法国能源部、标致一雪铁龙汽车公司开发了标致一 1 0 6 和s a x o 型四座电动轿车，用雪铁龙一a x 型轿车改装的电动轿车，雷诺汽 车公司的c l i o 型四座电动轿车及其变型车等，并投放在罗切里市进行试验。1 9 9 7 年法国的电动汽车产量达到2 0 0 0 辆左右。在德国，政府指定奔驰汽车公司和大 众合资建立的德国汽车工业有限公司的科技开发机构，1 9 9 2 年德国政府拨款 2 2 0 0 万马克，在吕根岛建立欧洲电动汽车试验基地，组织了四大公司6 2 辆各类 电动车在吕根半岛运行试验，对6 4 辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行长达 4 年的大规模试验，并有很多国家和城市都派有电动汽车参加吕根岛的实验。 1 9 9 4 年展示出了1 9 种轿车，1 3 种面包车，4 种大客车，现都进入了实用阶段。 同时，欧洲为了调整汽车发展结构，部分国家的燃料税高达2 0 0 到3 0 0 ，而 对电动汽车项目进行投资、税收优惠、政府补贴等积极措施，鼓励电动汽车的 生产和消费。 1 2 2 国内发展现状 面对世界各国开发电动汽车迅速发展的步伐，8 0 年代初我国对电动汽车就 开展了研究。“十五一期佃，科技部在国家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专 4 武汉理j ：大学硕士学仿论文 项，预计投入2 4 亿人民币，动员全国有关专业的技术力量协助攻关。2 0 0 1 年 l o 月，国家投入8 8 亿元的电动汽车专项基金正式启动，内容分5 部分：燃料 电池汽车技术、混合动力电动汽车技术、纯电动汽车技术、电动汽车共性技术 研究，以及推动电动汽车发展的运行机制、相关政策、技术标准与法规的研究。 目前我国已经成功研制出部分电动汽车样车，如以清华大学为主研制的1 6 座电 动中巴车，以及以北京理工大学为主研制的大客车。2 0 0 2 年1 1 月，同济大学试 制成我国第一台由直流无刷轮毂电机独立驱动的燃料电池微型电动汽车“春晖 一号”，它配置了锂离子蓄电池和燃料充氢电池两种混合动力。续驶里程1 5 0 k m 。 2 0 0 4 年9 月，武汉理工大学设计制造出武汉首款电动概念车实体“热望”并参 加2 0 0 4 年米其林必比登国际汽车挑战赛，武汉理工对整车的外形、底盘、车身 及电器拥有完全知识产权，时速可达1 0 0 多公里，一次充电后可持续行驶2 0 0 公里以上。2 0 0 3 年，东风电动与公交集团共同设立了东风扬子江汽车( 武汉) 有限责任公司，计划在2 0 0 8 年达到电动汽车万辆的产能，在“十一五”末期达 到混合动力公交车3 0 0 0 台、混合动力轿车2 0 0 0 0 台、纯电动场地车5 0 0 0 台的 年产销量。 电动汽车技术是目前各国都在普遍探索的技术 7 1 ，尽管遇到了一些困难，但 也取得了很多成果，在这一技术上，中国目前与各国应该说是在同一起跑线上， 如果在这一领域获得突破，不仅可以使中国的汽车工业在下一轮竞争中取得优 势，而且很可能在根本上缓解中国的能源隐忧。北京奥委会已经决定在2 0 0 8 年 奥运会上全部使用电动大客车，这将是一个令人鼓舞的信号。在这种背景下发 展电动汽车产业，是千载难逢的好机会1 1 3 本课题的研究内容 当前，在电动汽车研发的众多技术选型之中，轮式驱动电动车为一种新颖 的电动车选型方向，受到学术和工程界的普遍关注。就国内的相关研究而言， 尚属刚起步阶段。但由于轮式驱动独特的优点，其应用前景令人瞩目。 车辆控制系统是车辆的运行核心，相比于传统燃油汽车，电动汽车中电机 驱动的控制响应快、精度高，尤其对于轮式驱动电动车，每个驱动轮的转矩可 以单独控制，这样传统车辆上的先进控制系统的功能主要可通过软件实现，其 控制装置凸现低成本、高性能的独特优势f 8 】。本课题即以此为切入点，进行了以 5 武汉理工人。硕士学位论文 下几方面的研究工作： ( 1 ) 电动汽车动力驱动系统的研究 传统内燃机汽车，其机构复杂、效率较低、布置方式不够灵活，因此一种 简洁有效的整车驱动系统的构建对于提高电动汽车行驶效率和操纵稳定性有极 高的保障作用l l o i 。本文分析了几种常用的汽车驱动系统布局形式，针对电动车辆 与传统燃油汽车的不同技术特征，以及两轮独立驱动与单动力源驱动的不同机 理，本文对电动汽车整车动力驱动系统进行了构建，将整车动力驱动系统定位 为多电机分布式电动轮驱动，从而省略传统汽车所需的机械式操纵换档装置、 离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得汽车布局更为灵活，让设计师 在兼顾乘坐空间、结构设置与碰撞吸能区域设计方面有了更多的回旋余地。电 机动力部分从结构简单、运行可靠、维护方便等实际要求，选择了高效实用的 无刷直流轮毂电机i ”并对其控制方法进行了研究。此外，还对电动汽车电机驱动 控制策略进行了研究，比较了各策略间的优缺点，选取一种适合本系统的动力 系统驱动控制策略，从而在整体上构建了本电动汽车动力艇动系统的框架。 ( 2 ) 电动汽车电子差速及滑转率控制技术的研究 当车辆行驶在转弯路面或巷道时，为了防止不稳定的驱动，内轮和外轮将 具有不同的速度。传统的内燃机车通过一个带减速装置的机械差速器来实现这 一功能。本文研究的电动汽车采用独立的轮式驱动方式，与单电机驱动的电动 汽车相比，本文所研究的电动汽车，两个后轮能独立提供驱动力，并按运行工 况需求独立分配功率，因此不需要传统的机械差速器，而代之为新技术内涵的 电子差速系统。鉴于现有差速控制模型单凭车轮速度作为控制变量很容易造成 系统不稳定，影响整车的运行。为摈弃上述控制模型的缺点，本文采用了改进 型的电子差速控制方案，结合p w m 调压控制策略，以驱动轮的转矩t d 为控制 变量，力求达到差速差力的最佳设计效果。 与此同时，当轮胎与路面间的作用力接近或达到附着极限，常常会发生车 辆驱动扭矩超过轮胎与路面间的附着极限情况，这加剧了轮胎磨损，增大了传 动系载荷和驾驶员负担，而且损害了车辆的操纵性、稳定性和安全性。合理调 节车辆轮胎与路面问的作用力，对于提高汽车的主动安全性具有重要意义，而 大量试验证明，轮胎与路面之间的附着系数与滑转率有直接关系，当滑转率控 制在o 0 8 0 2 的范围内时，车辆会具有良好的牵引性，本文利用这一关系，基 6 武汉理】：人学硕士学位论文 于模糊算法实现了对滑转率的大小控制，从而提高了车辆的操纵性、稳定性和 安全性。 ( 3 ) 基于d s p 的双轮彀电机驱动控制系统的设计 电动汽车的控制电路部分是整个系统运行的智能核心，其作用是采集和处 理各种传感信息，合理控制电动汽车其余各子系统的工作，以获得车辆良好的 动、静态运行特性和能量利用率。电机的驱动部分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。d s p 控制器具有控制精度高、 抗干扰能力强和成本较低等优点，可以为商性能传动控制提供可靠高效的信号 处理与硬件控制。本文采用美国德州仪器公司生产的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，在基于此芯片所设计的控制系统中，从总体结构规划、设计到各功能的 硬、软件构成，显示了由上到下的设计思路，文中就电机驱动系统中驱动装置 设计、d s p 2 8 1 2 控制板、开关电源、驱动桥检测与保护等方面提出了相应的理 论分析与设计方案，以表明本研究成果的应用与推广的价值。 ( 4 ) 分布式驱动系统的通信设计 c a n 总线被认为是电动车最佳通讯结构，我国“8 6 3 计划”关于电动汽车 的说明中已经明确提出，新申报的电动车开发项目必须采用c a n 总线通讯模式。 基于c a n 总线的数据通信与网络技术在汽车行业有良好的应用前景。本文采用 c a n 通讯总线作为分布式驱动通讯总线。上位机主电机控制器完成电动汽车的 整车控制策略，包括车体运动状态数据的采集，按照预定车体运动控制算法处 理和向下位机发送指令，作为下位机的电池组管理系统、人机界面显示系统等 多个设备，这些子系统之间通过c a n 进行数据通讯和命令传输。每个节点设备 都能够在脱离c a n 总线的情况下独立完成自身系统的运行，从而满足车辆运行 安全性的需要。同时，c a n 总线也不会因为某个设备的脱离而出现系统结构崩 溃的现象。 综上所述，本文对电动汽车整车动力驱动系统进行了构建，将整车动力驱 动系统定位为多电机分布式电动轮驱动，在控制技术方面则基于d s p 控制的轮 式驱动电动车控制系统，根据车载传感器所采集的信息，由控制电路做出判断， 分别对左右轮毅电机进行差速控制，在运动中则对车辆滑转率进行调整以提高 车辆的牵引性，并选择了c a n 总线作为本系统各分支机构的通信保障。 7 武汉理i ：大学硕士学位论文 第2 章电动汽车驱动系统及控制策略的研究 2 1 整车动力驱动系统的选择及构建方案 2 1 1 整车动力驱动系统的选择 按照动力驱动系统布局形式划分，电动汽车可归为两大类：集中式( 单电 机) 与分布式( 多电机) 。根据使用场景，选择不同的布局形式，就决定了电动 汽车所采用的技术路线。以上两种布局各有优缺点，现分析如下： ( 1 ) 集中式布局 单电机集中式布局是目前通用的驱动系统结构( 如图2 1 左所示) ，在一般 情况下，这套体系由电机、离合器、变速箱、传动轴、差速器、半轴、驱动轮 组成，广泛应用在串联、并联混合动力车中。总的来说，这种体系脱胎于传统 内燃机汽车，其机构复杂、效率较低、布置方式不够灵活。 图2 - l 整车动力驱动系统：集中式( 左) 与分布式( 右) ( 2 ) 分布式布局 多电机分布式布局即一辆汽车装备两个或两个以上驱动电机，各电机之间 由电子控制的差速器连接，它用来控制电机或车轮在电动汽车直线行驶时同步 转动和在电动汽车转弯时差速转动。多电机分布式布局使得电动汽车的驱动系 统模式产生了根本变化f l l 】，形成电动汽车独特的驱动系统。 倘若更进一步将电机直接与轮毂结合，便成为电动轮( 或称轮毂电机) 驱 武汉理：i ：人学硕士学位论文 动方式【1 2 1 其结构如图2 1 右所示。电动轮结构紧凑、传动链极短、效率高，分 散的布置使单个动力装置( 电机及控制器) 所需容量大为减小。单电机集中式 布局中所必须的机械差速器在多电机驱动汽车中自然省去：不仅如此，比机械 差速性能更为理想的电子差速也可望实现，进一步结合其它一些提高操纵稳定 性的控制措施即可获得极佳的主动安全性【1 3 】。此外多电机分散布置使得汽车布局 更为灵活，让设计师在兼顾乘坐空间、结构设置与碰撞吸能区域设计方面有了 更多的回旋余地，从而有利于改善被动安全性。本论文将整车动力驱动系统定 位为多电机分布式电动轮驱动方式，整体动力驱动系统布局如图2 - l 右所示。 2 1 2 整车动力驱动系统的构建方案 从提高电动汽车动力性能和操作灵活性，方便汽车的空间布局，节省开发 成本等方面的考虑“4 1 ，本项目将整车动力驱动系统定位为多电机分布式电动轮驱 动方式。具体的构建方案上分三步走： ( 1 ) 分布式布局在电动车上的应用 多电机分布式即在一辆汽车装备两个或两个以上驱动电机，每个电机通过 各自独立的控制装置与整车主机相连。目前多电机分布式驱动有半轴传动和电 动轮驱动两种驱动方式。根据前文分析，我们选择了将电机直接与轮毂相结合 的电动轮驱动方式，依托电动轮结构紧凑、传动链极短、效率高的优点，可缩 小单个动力装置容量。 本课题中，我们在车体上装备了两部电动轮，作为后轮驱动系统的动力源， 两个前轮作为控制方向的随动轮。这样设计，一可提高系统汽车的操纵稳定性。 因为如果将质量都集中在汽车的前部，汽车的后部将会变得很轻，这样后轮的 附着力就会变小，在有冰覆盖的路面上行驶车尾就很容易发生侧滑。二可减小 前轮所承受的负荷。我们知道，前轮必须传递加速度，转向和制动时地面作用 于轮胎的力。而轮胎拥有的附着力是有限的，当附着力一部分用来加速时，就 必定会减少其它部分的作用力。因此基于分布式布局的后轮驱动更加满足于本 项目的设计要求。 ( 2 ) 基于电动轮的汽车后桥设计 由前面分析我们得知，本课题采用后轮驱动模式，因此汽车的后桥设计成 为重中之重。在该汽车后桥中，我们将聚焦于轮式驱动方式下动力系统性能的 9 武汉理1 ：大学硕士学位论文 优化设计与控制，在本论文的第三章，将提出一种新型的轮式驱动电动车差速 控制策略，以摈弃传统的机械差速器，通过电子方式解决车辆行驶在转弯路面 或巷道时候的内轮和外轮不同速的问题。这样设计的汽车后桥上，两个独立的 电动轮将做协调配合，完全消除传动中机械磨损与损耗，提高了传动效率，又 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，车轮空间也能得 到有效利用。 ( 3 ) 整车动力驱动系统控制部分设计 在前面两个步骤中，我们依次分析了电动车的动力布局、汽车的后桥设计， 解决了车辆驱动系统的结构构建问题，下面将简要介绍汽车驱动系统的控制部 分的构建。 在一个完备的控制系统中，除了主控芯片外，还需要采集的数据有油门踏 板输入、各车轮转速、驱动桥路电流等信息。油门踏板传感器有专用的电子油 门传感器。车轮转速可以通过速度传感器测量安装在轮毂上的齿轮转速而得到， 驱动桥路电流信息可由霍尔效应电流检测计测量取得。本文将对所收集到的车 辆信息进行处理，并通过一种新型的轮式驱动电动车差速控制策略，结合数字 信号处理器对两个驱动轮的控制，进而设计了一种合宜、有效的双轮驱动电动 车控制系统。 2 2 轮毂电机的选择及控制方法 2 2 1 轮毂电机的选择 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民 经济的各个领域以及人们的日常生活中。电动机主要有同步电动机、异步电动 机与直流电动机3 种，其容量小到几瓦，大到上千瓦。直流电动机具有运行效 率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机采用电刷，以机械方式进 行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及 寿命等弱点，再加上制造成本高、维修困难等缺点，从而限制了它的应用范围。 针对上述传统直流电动机的弊病，人们研制出以电子换相来代替电刷机械换向 的直流无刷电动机【l ”。由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单运行 可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗 1 0 武汉理亡大学硕士学位论文 以及调速性能好等诸多优点。基于上述考虑，本项目将采用永磁无刷 流式的 轮毂电机。 永磁无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分 组成。电动机本体主要包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相( 三相、 四相、五相不等) ，转子由永磁材料按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ) 组成。图2 2 为 一个本体为三相两极的直流无刷电动机的原理图，三相定子绕组分别与电子开 关线路中相应的功率开关器件相连悯。 图2 2 直流无刷电动机的结构原理图 为了清晰地阐述这种直流无刷电动机的工作原理和特点，下面以图2 2 的 三相星形绕组半控桥电路为例，其中h 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v 1 、 v 2 、v 3 相连，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接，此处采用光电器件 作为位置传感器。 图2 2 中，3 个光电器件v p l 、v p 2 、v p 3 的安装位置各相差1 2 0 度，均匀的 分布在电动机一端。借助于安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使得从光 源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光器件是否被照射到光 线来判断转子磁极的位置。 假定此时光电器件v p l 被照射，从而使功率晶体管v l 呈导通状态，电流流 入绕组a - a ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按照顺 时针方向转动。当转子磁极转过1 2 0 度以后，直接装在转子轴上的旋转遮光板 也跟着同时转动，并遮住v p l 而使v p 2 受光照射，从而使晶体管v 1 截止，晶体 管v 2 导通，电流从绕组a - a 断开而流入绕组b b ，使得转予磁极继续朝着箭 武汉理j 人学硕士学位论文 头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转子磁极再次转过1 2 0 度以后，此时旋转遮光板已经遮住v p 2 而使v p 3 受光照射，从而使晶体管v 2 截 止，晶体管v 3 导通，电流流入绕组c - c ，于是驱动转子磁极继续朝着顺时针方 向旋转，转过1 2 0 度以后，重新开始下次的3 6 0 度旋转。 这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器v p i 、v p 2 、 v p 3 的控制下，一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换向。 不难看出，在换向过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场 是跳跃式的，这种旋转磁场在3 6 0 度的电角度范围内有3 种磁状态，每种磁状 态持续1 2 0 度电角度。图2 - 3 给出了各相绕组的导通顺序示意图。 a c c 图2 3 各相绕组的导通示意图 位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开 关电路提供正确的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然 后去控制定子绕组换向。其种类很多，目前主要有电磁式位置传感器、光点式 位置传感器和磁敏式位置传感器，另外，近年来还出现了利用电动机定予绕组 的反电动势作为转子磁钢的位置信号的应用，该信号被检测到以后，经数字电 路处理，并送给逻辑开关电路去控制直流无刷电动机的换向。本项目采用的轮 毂电机为磁敏式直流无刷电动机，这种结构的轮毂电机性能相对比较经济和耐 用，控制方式比较简单【1 7 1 。 1 2 武汉理f ：大学硕士学位论文 2 2 2 轮毂电机的控制方法 根据前面的分析，我们大体对无刷直流轮放电机的结构和性能有了具体理 解，根据实际需要和现实条件，我们选择了磁敏式无刷直流轮毅电机，它的内 部为三相绕组，可采用三相y 联结全控电路来控制【1 8 1 。在实际工作中，磁敏式位 置传感器中的某些电参数按一定规律随周围磁场变化，其基本原理为霍尔效应 和磁阻效应，由于灵敏度高、体积小、寿命长和输出信号可以直接使用等优点， 如今在工程项目中仍被广泛被使用。 为了讨论方便起见，我们把功率管主电路和转子磁敏式位置传感器合并在 一起，称之为电子换相器，其主要功能是保证电动机定子绕组准确换相，确保 直流无刷电动机在运行过程中，定转子两磁场始终保持基本上垂直，以提高其 运行效率，若换相不准，则定子与转子无法处于最佳角度，将严重削弱电机的 输出功率。所以，电子换相这一部分的设计可以说关系到对无刷直流轮毂电机 控制的成败，本小节将围绕这一部分做深入研究，而关于无刷直流轮毂电机的 其他硬件设计部分，将在第四章中再做讨论。 图2 - 4 轮毂电机控制原理图 如图2 4 所示，要让电机转动起来，首先控制部就必须根据晷尔传感器感 应到的电机转子目前所在位置，然后依照定予绕线决定开启( 或关闭) 驱动桥中 场效应管的顺序，如土图驱动桥中q l 、q 3 、0 5 ( i g 些称为上臂场效应功率管) 及 武汉理工大学硕士学位论文 q 2 、q 4 、q 6 ( 这些称为下臂场效应功率管) ，使电流依序流经电机线圈产生顺向( 或 逆向) 旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时逆时转动。 控制中心通过检测装置在电机轴上的三路位置检测器来实现电机的转子的 实际位置监测。其中霍尔传感器t u ，t v ，t w 属于绝对式编码，该检测可粗略的 检测实际转子的位置。每路转子检测信号相差1 2 0 度，实际图形如图2 3 所示， 下附转子位置角度与传感器信号关系表，在实际编写程序过程中对照此表，在 一个周期的u 、v 、w 信号，可以将电动机转子位置初步确定在某个6 0 度电角度 的范围内。 表2 1 转子位置角度与传感器信号关系表 嚣子位 篁 o - 6 0 6 0 - 一1 2 01 2 0 h 1 8 0l s 2 4 02 4 0 3 0 03 0 0 - 3 6 0 信号 u l l10oo v0o1llo wl oooll 当电机转动起来，由电动机中的霍尔器件所输出的转予位置信号被直接送 往t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上c a p 捕获单元进行处理，每个霍尔传感器的输出与捕获 单元的一个输入引脚相连。3 个霍尔传感器输出3 个1 8 0 度的交叠信号，每个输 出信号的上升沿和下降沿都被检测，从而产生了6 个强制换向信号，每两个换 向信号之间相差6 0 度。 控制部会根据驱动器设定的速度及加减速率所组成的命令( c o m m a n d ) 与 c a p 捕获单元信号变化的速度加以比对( e h 软件运算) 再来决定由下一组开关导 通，以及导通时间长短。速度不够则加长，速度过头则减短，此部份工作就由 p w m 来完成。p w m 是决定轮毂电机转速快或慢的方式，如何产生这样的p w m 才是 要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的c l o c k 分 辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，而在我们的系统中，由于采用的是高 档d s p 2 8 1 2 作为处理器，其运算速度足够支撑高转速的速度控制要求。另外对 于霍尔传感器信号变化的资料采集与存取方式也可影响到处理器效能与判定正 确性、实时性，这需要在调试过程中反复调整程序参数值。在本方案中， t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内置e v a 的定时器2 作c a p 捕获单元的时间基准，定时器2 处 于连续增计数模式，其周期寄存器被设定为0 f f f e h ，预定表因子被设定为1 2 8 。 1 4 武汉理 人学硕十学位论文 2 3 电动汽车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，即 t w - - o a n s t( 2 - 1 ) 但实际上当w o 时不可能达到t - - 。o ，因此，在工程可实现的范围内，理想的 车辆原动机的输出特性应如图2 5 所示： 善 h i 图2 - 5 理想的车辆原动力的驱动特性 f 图2 - 6 内燃机的驱动特性 对于传统的燃油汽车，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围较窄。为适应车辆行驶的不同驱动力的 要求，众所周知，又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 的操作，由此汽车的发动机控制系统通过调节发动机的燃油喷射、节气门的开 度和点火时刻，调整车辆驱动特性以响应驾驶者的操作。在驾驶者的不同加速 踏板踏位下，汽车的驱动特性示意图如图2 6 所示。一般内燃机汽车的变速器有 4 6 档，图中实线示意三个变速档位下，相应的加速踏板踏位控制下的驱动特性。 虚线示意三个加速踏板踏位控制下的不同档位驱动特性的外轮廓。可见，在行 驶车速不变的条件下，不同的踏板踏位对应于不同的行驶车速；在行驶车速不 变的条件下，不同的踏板踏位对应于不同的驱动力矩。在任意档位下，加速踏 板踏位的变化，必导致行驶状态的变化【1 9 】。 对于电动车辆，一般继承已被人们接受的传统内燃机车辆踏板式或手柄式 武汉理) ：丈学硕士学位论文 的控制方式，对驾驶者的驱动意识，也应具有与传统内燃机车辆一致或更优良 的驱动响应。因此，对电动车，尤其是对取消了传统车辆传动系统的轮式驱动 方式o o l ，更需作细致深入的分析和比较，以确定与之相比较，与之相匹配的电机 控制策略。 2 3 1 电压控制策略 通常所称的调压调速特性，即属电压控