毕业设计（论文）-电动车辆电子差速系统设计.docx

毕业设计说明书电动车辆电子差速系统设计机械与动力工程学院学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 2017年 6 月 中北大学2017届毕业设计说明书摘要随着能源危机和环境污染问题的加重，传统燃油汽车的发展受到了限制，电动汽车的崛起和研究越来越被人们重视。电动汽车由于无污染、耗能低，近几年得到了迅速发展，电动汽车是解决问题最有效的途径。其中，轮毂电机驱动电动车由于结构布置简单，传动效率高，减轻了汽车质量，汽车内部空间充足，各个驱动轮能够独立控制，具有较大的灵活性和应用前景而被关注。全套图纸加扣 3012250582汽车在转弯的时候，各驱动轮行驶距离不同，传动汽车通过机械差速的方法控制驱动轮速度，轮毂电机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。这就是我们本论文研究的电子差速系统。为了验证研究的电子差速系统的有效性，需要建立一个反应汽车运动状态的整车模型，便是汽车动力学模型，忽略悬架特性，包括汽车纵向、侧向、横摆三个自由度。得到了电动汽车整车动力学方程，并且进行了分析。电动车在实际运动过程中，车轮会变形或者滑动影响轮胎与地面之间的作用力，分析了汽车轮胎模型，使整车模型能够更好反应汽车实际运动。研究了双后轮轮毂电机驱动电动汽车的驱动系统，选择电机和电机参数计算和轮毂电机的设计，并且研究了电子差速控制系统，采用滑模变结构控制驱动轮转矩，同时考虑到驱动轮物理限制，实现了对左右驱动轮输出力矩的合理分配。当输入的总力矩过大或者路面附着系数低的时候，确定了最佳滑转率。通过MATLAB/Simulink平台，实现了电子差速控制系统的设计，对汽车电子差速进行了仿真研究，验证了电子差速系统的有效性。关键词：电动汽车，轮毂电机，电子差速，滑模控制，滑转率Abstract With the development of energy crisis and environmentalpollution, the development of traditional fuel vehicles has been limited, and the rise and research of electric vehicles have been paid more and more attention. Electric vehicles have been developing rapidly in recent years because of no pollution and low energy consumption. Electric vehicles are the most effective way to solve the problem. The wheel motor drive electric vehicle due to the structure of simple layout, high transmission efficiency, reduce the quality of the car, the car interior space is enough, each driving wheel can be controlled independently,with flexibility and wide application prospect is concerned. When the car is in a turn, each driving wheel driving distance, driving the car through the method of mechanical differential control driving wheel speed, wheel motor to cancel the steering wheel and steering wheel the mechanical connection between the steering control, just received instructions, control the speed difference between the steering wheel and when the electronic circuit used to realize. This is our electron differential system in this thesis. In order to verify the effectiveness of the electronic differential system of the vehicle model, the need to establish a reaction state of vehicle movement, is the vehicle dynamic model, ignoring the suspension characteristics, including vehicle longitudinal, lateral, yaw three degrees of freedom. The dynamic equations of electric vehicle are obtained and analyzed. When the electric vehicle is in the course of actual movement, the wheel will deform or slide, which will affect the force between the tire and the ground. The model of the automobile tire is analyzed, so that the vehicle model can better reflect the actual movement of the car. The research on driving system of double rear wheel motor drive electric vehicle, motor and motor design and parameter calculation of wheel motor, and studied the electronic differential control system, the sliding mode variable structure control the torque of the driving wheel, driving wheel and considering the physical constraints, the reasonable distribution of the output torque of the driving wheel around. When the input total torque is too large or the coefficient of road adhesion is low, the optimum slip ratio is determined. Through the MATLAB/Simulink platform, the design of electronic differential control system is realized. The simulation of vehicle electronic differential is carried out to verify the effectiveness of the electronic differential system. Key words: electric vehicles, wheel motors, electronic differential, sliding mode control, slip ratio 中北大学2017届毕业设计说明书目录1 引言11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的意义21.3 国内外研究现状31.3.1 电子差速器国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.4 轮毂电机驱动电动汽车的结构61.5 课题研究的内容71.6 本章小结72 建立和分析汽车动力学模型82.1 整车动力学模型建立的方法82.2 建立汽车动力学模型82.3 整车动力学方程92.3.1汽车动力学微分方程102.3.2 车轮动力学方程102.3.3 电机方程132.4 轮胎模型分析132.5 本章小结153 汽车运动状态参数的获取和计算163.1 汽车纵向车速163.2 汽车侧向车速163.3 汽车质心侧偏角163.4 汽车前后轴侧偏刚度163.4.1 汽车二自由度模型173.4.2 二自由度下汽车前后轴侧偏刚度183.5 汽车驱动车轮的驱动力193.6 汽车驱动轮的垂直载荷193.7 轮胎与地面最大纵向附着系数和最佳滑转率203.8 本章小结224 纯电动双后轮轮毂电机驱动系统的研究234.1 整车纵向行驶模型234.2 电机模型244.3 电机选型264.3.1 电动机参数设计264.3.2 传动系统传动比的选择274.3.3 电池容量设计284.4 轮毂电机的设计和研究294.4.1 连续力矩计算304.4.2 电枢绕组选择304.5 本章小结315 电子差速控制系统的研究325.1 电子差速控制系统转矩控制结构325.1.1 滑模变结构控制的概念335.1.3 滑动模态的规律335.1.4 滑模控制结构的设计345.2 基于滑转率的转矩控制345.3 驱动轮转矩分配控制365.4 本章小结376 电子差速器系统的仿真和分析386.1 仿真软件的介绍386.2 电子差速器系统仿真模型的建立386.3 车辆仿真模型的主要参数396.4 仿真结果406.5 仿真结果分析456.6 本章小结457 总结与展望46参 考 文 献47致 谢49III中北大学2017届毕业设计说明书1 引言1.1 课题研究的背景伴随全球环境污染和能源紧缺，传统汽车的可持续发展面临着非常严峻的形势。汽车自发明以来，他便成为人们生活中不可或缺的交通工具。汽车缩短了人与人之间的距离，改变了人类的生活方式，迅速提高了人们的生活质量。但是汽车因为消耗资源巨大、排放废气污染环境和产生噪音等一系列缺点，带来了无法避免的负面影响。面对如此形势，电动汽车引起了全世界的关注，电动汽车的研究开始受到重视1。电动汽车由于无污染、耗能低，近几年得到了迅速发展，电动汽车是解决问题最有效的途径。电动汽车以给电机提供电能，用电机作为驱动系统，从而使汽车在道路上行驶。从能量利用形式来说，电动汽车分为用燃料电池的电动汽车、用电能的电动汽车、发电机和燃料电池结合的电动汽车；从车的结构特点来说，电动汽车有轮毂电机驱动的电动汽车和中置电机驱动的电动汽车。本课题研究是轮毂电机驱动的电动汽车。轮毂电机电动车各个车轮安装一个电机驱动，相互之间没有机械连接，所以需要通过电控的方式给驱动轮发送命令，控制汽车左右驱动轮的速度而转向，这便是研究的电子差速器系统。轮毂电机电动汽车抛弃了传统汽车的离合器、变速器和差速器等装置，结构布置简单，传动效率高，减轻了汽车质量和汽车内部空间充足等，各个驱动轮独立可控，具有较大的灵活性和应用前景，电子差速器应运而生2。下图为中国新能源汽车的发展：图1.1 中国新能源汽车的发展1.2 课题研究的意义随着电子技术、自动控制技术、电气技术的不断发展,各种技术的结合成为汽车研究机构越来越关注的发展热点。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。电子差速,简称是采用电控的方式控制各个车轮的转速,使车轮以不同速度滚动,不但达到转向目的,同时保证车轮不发生滑动或滑移,作纯滚动运行。汽车在转向的时候，为了满足汽车转向动力学的要求，电动汽车外车轮走过的行程始终大于内轮走过的。如果用一根驱动轴把动力传递给汽车的左右车轮，左右车轮的转速相等但是行使路程不等，此时汽车的外轮会发生滚动和滑移。当汽车在不平道路上行驶，由于轮胎的大小存在误差和磨损，车轮的半径不会都相等，如果车轮的角速度都相等，就会存在相对于地面的滑动，这样就导致轮胎磨损加快，减少使用寿命。并且还会因为不能按中心旋转，使操作稳定性变差。如果在路面附着系数较低的地方行使，汽车转向时特别容易发生侧滑，造成危险。为了避免这种现象，使汽车两侧的驱动轮转速不同，把汽车两侧的车轮分别用两根轴连接，通过差速器分别驱动两个车轮。通过机械差速器达到汽车内外轮差速转向的。机械差速器就会使汽车的左右车轮的滚动转速不同，两侧车轮尽量作纯滚动运动。而研究的是双后轮独立驱动电动车，由两个电机单独控制汽车的两个后轮，两个后驱动轮是独立的，相互之间没机械连接，所以为使电动车在转向时平稳，就需要设计电子差速控制系统3。论文以双后轮轮毂电机驱动电动车为研究对象，研究稳定可行的电子差速器控制系统。目前，电子差速器系统的研究分为两个方向：集中于自适应差速的特殊电机设计、集中于应用基于各种控制理论的差速控制策略的电子差速系统调节电机的研究。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。并且简化了底盘，大大减轻了整车质量，传动效率提提高，汽车续驶里程也被提高，同时采用轮毂电机单独驱动，减小单个电机尺寸，整车分配更加合理，底板的高度低，适合城市区域内行驶。电子差速器系统是电动汽车发展的方向，也是汽车转向系统的重大革新。电子差速器系统的优越性：(1) 提高汽车的操纵性能。(2) 提高汽车的稳定性能。(3) 改善驾驶员的路感。(4) 省去了传递效率低的皮带传动,减低了燃油消耗,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4。1.3 国内外研究现状1.3.1 电子差速器国外研究现状全世界的汽车企业和研发中心对采用电子差速控制系统的电动汽车进行了大量的研究,开始应用到自己研发的汽车上面。日本对轮毂电机驱动电动汽车的研究最早，成果显著，位于世界领先位置。1873年，英国Robert Davidson研发了电动汽车。20世纪初，奔驰公司首先研发出了第一辆轮毂电动汽车，却由于一次充电不能满足行驶里程的要求就销声匿迹了。后来环境污染严重和能源危机，电动汽车研究再次被重视。日本到目前为止，针对轮毂电机驱动电动汽车，已经研发出许多样车。1996年，日本研究所研发的双后轮独立驱动电动车，采用的是永磁无刷直接电机。2001年，日本科学与技术事业团历经5年的时间研制了轮毂驱动电动车，以锂电池作为能量来源，采用交流电机驱动，车上8个车轮配备8个电机独立驱动，还安装有减速装置。2003年，丰田公司推出了可以使用电控方式控制、以燃料电池为能量来源的概念车，于2006年推行了四轮轮毂驱动电动车FINE-T。三菱公司MIEV技术采用轮毂电机驱动技术，目前在ColtEV、i-MiEV和概念车i-MiEV Sport得到应用。2005年三菱公司的i-MiEV电动汽车采用了三个驱动电机，前轮用两个电机独立驱动，后左右轮只用一个电机驱动5。宝马公司的MINI COOPER，采用的也是轮毂电机驱动技术，轮毂电机由PML公司生产，满电量行驶里程为1500km。欧洲标志雪铁龙出了四轮轮毂电机驱动电动车，奥迪公司也在2004年研发了轮毂驱动概念车R-zero，在2009年开发了高性能电动跑车，采用每个车轮用单独电机控制的方法。日本Keio大学的ELIICA八轮驱动新型电动车，每个车轮采用60kw的日本明电舍公司生产的永磁同步轮毂电机，4.2秒将速度由0提高到100公里，7秒车速能达到160公里。1.3.2 国内研究现状目前国内还没有汽车厂家能够量产轮毂电机驱动的电动车，但是轮毂电机驱动电动汽车的概念车和实验车已经研发成功。如比亚迪的四轮驱动概念车“ET”，国内第一台生产商自主研发的四轮轮毂电机驱动车。2001年GM公司研制了采用电控的方法驱动轮毂电机的电动汽车，该电动车采用燃料电池作为能量来源，并在2005年研制了用轮毂电机驱动后轮的电动车，车的两个前轮只用一个电机驱动，汽车的左右两后轮分别用两个轮毂电机驱动。国内对电动车的研发也在逐渐深入，2002年8月、2004年7月和11月同济大学研制成功了轮毂电机驱动的“春晖”系列概念车，该车是以采用燃料电池为能量来源。北京GM公司开发的电动小汽车也采用轮毂电机驱动。2004年比亚迪推出了ET概念车用四个电机单独驱动四个车轮。中科院研究两个电机驱动的电动汽车，以自由轮转速信息和驱动防滑为控制，在转向Ackermann模型下确定了在理想状态下车轮驱动和制动中转矩变化的条件。 同济大学的四轮电子差速转向控制系统中提出的电子差速控制系统，能使车轮在行驶过程中与地面作纯滚动，避免车轮滑转和滑移，减小车轮与地面之间的摩擦，这样可以使轮胎使用时间更长，同济大学的“春晖”系列的号就使用了电子差速转向的方案。浙江大学电气工程学院对两轮驱动轮毂电机的电动汽车系统进行了一系列的研究，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。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。由哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究院所承担的“863”电动汽车重大专项 “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2004年通过了验收。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。中科院电工研究所电动汽车研究团队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114km/h、爬坡度大于20%、0到50km/h加速时间9.85秒。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。在2005年上海工博会上的“春晖三号”转向驱动系统采用了线控技术6。下图为“春晖三号”:图1.2 春晖三号1.4 轮毂电机驱动电动汽车的结构整车控制系统如图，采用镍氢电池给电机供电，两台低速大转矩永磁同步电机安装在两个后车轮内，前轮转向，后轮轮毂电机驱动的方式。图1.3 轮毂电机驱动电动车结构每个电机都有单独控制器，整车的控制器通过接收方向盘转角和加速踏板、制动踏板、电池管理系统、电机控制器以及轮速等信号，根据内部控制计算出每个电机需要提供的转矩，并给电机控制器发送指令，控制电机的转速，从而控制电动车轮速7。1.5 课题研究的内容以双后轮轮毂电机驱动电动汽车作为研究对象：(1) 研究如何建立汽车动力学模型，分析汽车动力学公式。汽车动力学模型是研究的基础，直接影响控制器的效果。(2) 汽车运动参数的获取和计算。有些数据可以直接测量或者查阅资料，而有些参数需要进行大致计算和估计。(3) 研究电子差速器控制系统。(4) 在matlab环境中建立模型，然后用控制系统仿真，最后和实际效果比较。1.6 本章小结本章我首先查阅资料，了解了课题研究的背景及其意义，双后轮轮毂电机驱动电动车的结构脑海中有了模型。并且我自己对我课题的研究有了明确的目标。2 建立和分析汽车动力学模型2.1 整车动力学模型建立的方法建立汽车动力学模型是汽车仿真的关键。建立模型通常有两种方法：(1) 根据物理学公式描述汽车运动微分方程，求解得到我们需要的参数或者直接积分产生仿真结果。(2) 针对多体系统的动力学，进行动力解析。在控制系统的设计过程中，需要一个比较精确的汽车模型来反应汽车的运动。车辆在行驶过程中，整个车辆的运动和轮胎的运动比较复杂，实际数据和理论数据不完全符合，所以不能用固定的方程描述。所以我们有必要对建立的模型做简化：(1) 整个车辆只做纵向、侧向、横摆三个自由度，忽略汽车沿z轴的垂直运动和绕y轴的俯仰运动。(2) 不考虑汽车质心高度变化。(3) 只考虑轮胎的滚动阻力和空气阻力。(4) 忽略悬架特性8。2.2 建立汽车动力学模型把汽车静止时候的质心作为原点，汽车纵向轴为x轴，前进方向为正；在x轴平面上，过原点垂直于x轴的为y轴，汽车前进方向的左侧为正方向；过原点和x轴、y轴平面垂直的方向是z轴，向上为正方向。假设地面坐标系为绝对坐标系，地面坐标系原点和汽车质心投影到地面的点重合，建立汽车动力学模型9。整车动力学模型如下：图2.1 整车动力学模型2.3 整车动力学方程论文研究的是轮毂电机独立驱动电动汽车电子差速器系统，忽略悬架特性，从纵向、侧向和横摆三个自由度，建立整车动力学模型。方程： 公式中，m是整车质量；分别是整车纵向速度和侧向速度；v是车速，；分别是车轮所受纵向力和侧向力；分别是前轮内外车轮转向角；f是滚动阻力系数；是空气阻力系数；A是迎风面积；a、b分别是汽车质心到前后轴的距离；B是前后轴车轮轮距；是车辆绕z轴的转动惯量；是车身侧偏角；是横摆角速度。2.3.1汽车动力学微分方程(1) 车辆纵向运动方程 轮胎纵向力之和： 汽车所受的空气阻力： 汽车纵向加速度： (2) 车辆侧向运动方程 轮胎侧向力之和： 汽车侧向加速度： (3) 车辆横摆运动方程 汽车横摆力矩之和： (4) 车辆侧倾动力学方程 2.3.2 车轮动力学方程汽车转向的时候，车辆转动动力学方程为：， 公式中，是车轮驱动转矩；是轮胎转动惯量；是车轮旋转角速度；是轮胎的纵向力；R是车轮滚动半径；对于非驱动轮。图2.2 车轮模型车轮受力方程如下： 公式中，是每个电机的转矩；是每个车轮的阻力矩，是驱动力；r是车轮半径；是折算到电机的转动惯量。公式表现中去除了变速装置，减速比是1，有，分别是电机和车轮的转速。(1) 轮胎向心力当车辆转向行驶时，向心加速度会使整车轴荷发生转移，进而会对轮胎滑移率产生影响。向心力： (2) 车轮偏侧角汽车在转向时，车轮在侧向力的作用下，车轮的弹性变形和轮胎侧偏特性会影响使车轮产生侧偏角，各个车轮的侧偏角由各个车轮轮心的纵向速度和侧向速度决定。 公式中，车身质心侧偏角。(3) 轮胎垂直载荷汽车行驶过程中，汽车加速减速和车身的侧倾都影响轮胎的垂直载荷。影响各个车轮垂直载荷的主要因素有汽车静态时各车轮的轴荷分配，侧倾和侧向加速度引起车轮的负荷转移和纵向加速度引起载荷变化。汽车静止时候，前轴的左右载荷为，后轴的左右载荷为。在纵向力作用下，汽车前后轴的载荷转移为。 公式中，h 是质心高度。(4) 轮胎纵向力和侧向力轮胎纵向力： 轮胎侧向力： 公式中，代表；分别代表与地面状况相关的参数。(5) 轮胎滑移率 2.3.3 电机方程永磁无刷直流电机驱动系统具有较好的鲁棒性，电机气隙较小使其具有较高的电枢反应，可以控制电机在恒转速的弱磁功率区内高速运行，控制特性非常满足电动汽车的运行。和同功率的其它电机相比，永磁电机体积小、质量轻，可以实现低速大转矩，尤其适合轮毂式驱动。电机方程分为电气特性方程和机械特性方程。电气特性方程： 公式中，分别是定子绕组q、d轴的电感；R是定子绕组内阻；分别是q、d轴的电流；是转子的角速度；是磁通幅值；p是磁极对数；是电磁转矩。机械特性方程： 公式中，J是负载和转子的转动惯量之和；F是负载和转子阻力之和；是转子转角位置10。2.4 轮胎模型分析在车辆运动过程中，轮胎对车的性能影响非常大。轮胎与地面接触产生的力会直接影响汽车的运动。所以轮胎模型的精确直接关系到整车模型的精度。目前的轮胎模型主要有三种：理论模型、自适应模型、经验模型。轮胎理论模型就是用数学公式表示出轮胎模型的各种特性，这种方式建模精度较较高。轮胎自适应模型是根据理论数据和实验数据模拟轮胎，对于不同的参数输入具有自适应性。轮胎经验模型是依据实验数据和人的经验建立起来的模型。当汽车运动时，轮胎有三种运行状态：纯滚动状态、滚动时有滑移或滑转。当驱动电机提供的驱动力大于轮胎与地面之间的最大附着力时，车轮会发生滑转或滑移。通过matlab仿真单个车轮在垂直载荷为5000N时，当侧偏角一定时，纵向力与滑转率的关系11。图2.3 纵向力与滑转率关系图2.4 侧向力与滑转率关系2.5 本章小结本章的目的是建立汽车的动力学模型。根据论文中所用的方法建立汽车动力学模型，并得到整车动力学方程，分析了汽车动力学公式。3 汽车运动状态参数的获取和计算整个控制系统涉及到汽车运动模型中横摆角速度的计算。需要知道前轮转角，汽车纵向速度、轮胎与路面的最大附着系数等。有些数据查阅资料可以得到，有些数据需要估算。不能直接测量的参数就需要设计估算模块，对这些参数实时估算，得到汽车理想模型的参数。3.1 汽车纵向车速本论文研究的双电机后轮轮毂电机驱动的电动车，汽车的前轮是从动轮，通过测量两个从动轮得到汽车纵向车速。 3.2 汽车侧向车速汽车侧向速度过大或者是在附着系数低的路面行驶时，汽车容易发生侧滑，发生危险，所以对侧向车速的控制非常重要，但是侧向车速不能直接测量，可以通过侧向加速度传感器测量，再计算： 3.3 汽车质心侧偏角汽车的质心侧偏角是反映汽车稳定性能和安全性能的重要因素。汽车质心偏侧角太大的时候会发生危险状况，所以估算质心侧偏角的值对控制系统的稳定性有重大的意义。 将前面估算的横向速度和纵向速度代入，得到质心偏侧角的估算值。 3.4 汽车前后轴侧偏刚度轮胎侧偏刚度是影响汽车稳定性能的重要参数，它受到垂直载荷的影响，垂直负荷越小，侧偏刚度越小。汽车在转弯时，内外车轮的垂直负荷会发生变化，导致轮胎侧偏刚度发生变化。为了控制系统更加精确，需要对汽车的前后轴侧偏刚度进行估算。3.4.1 汽车二自由度模型图3.1 汽车二自由度模型模型按照下面简化：（1）汽车在平滑路面上没有垂直运动和俯仰运动。（2）忽略汽车转向，左右前轮转角相等。（3）不考虑空气阻力，汽车纵向速度不变。（4）忽略轮胎特性变化。（5）汽车前面两轮转角相等。那么汽车二自由度模型方程如下。侧向运动方程： 横摆运动方程： 公式中，是汽车前左右轮胎的侧向合力；是汽车后左右轮胎的侧向合力；分别是汽车纵向速度和侧向速度；是横摆角速度；m是整车质量；是转动惯量；a、b分别是质心到前后轴的距离。汽车侧偏力与侧偏角和轮胎的侧偏刚度有关。 公式中，、分别是汽车前后轴侧偏刚度；、分别是前后轮的侧偏角；是质心侧偏角；因为很小，cos=1，因此=cos。， 整理得到汽车二自由度模型微分方程： 3.4.2 二自由度下汽车前后轴侧偏刚度基于二自由度汽车理想模型，行驶运动微分方程： 根据方程推出： 而，轮胎侧偏刚度定义 汽车轮胎前后轴侧偏刚度： 根据前面内容，得到汽车轮胎前后轴侧偏刚度估算值： 3.5 汽车驱动车轮的驱动力汽车驱动轮的驱动力和角速度是由轮毂电机产生转矩传递给车轮。驱动轮微分方程： 公式中，是轮毂电机输出有效转矩；R是车轮滚动半径；是驱动轮的驱动力；是转动惯量；是车轮旋转角速度。对于双后轮轮毂电机驱动的电动车，根据电流计算，用角速度传感器测到，R和是已知量。驱动轮的驱动力：， 3.6 汽车驱动轮的垂直载荷汽车在行驶过程中，汽车的纵向加减速度会导致汽车前后轴载荷发生变化，在转弯时汽车的侧向加速度和汽车发生侧倾会引起汽车左右轮的负荷变化，轮胎的纵向滑移和滑转，轮胎的侧偏性能都与轮胎的垂直载荷有很大的联系。考虑到汽车侧倾角不易测量，且现代汽车侧倾角一般都较小，引起的的汽车左右轮载荷变化不是很大，因此忽略侧倾引起的载荷变化。汽车驱动轮驱动载荷的估算： 只需要直到纵向加速度和侧向加速度就可以估算左右驱动轮驱动载荷。3.7 轮胎与地面最大纵向附着系数和最佳滑转率汽车行驶过程中，通过增大转矩达到增大汽车的驱动力的目的，但是这样的方法只是在轮胎与地面有充足的附着力的时候才起作用。如果汽车在附着系数低的地面上行驶时，如果增加汽车的驱动力，会引发汽车车轮发生滑转，反而让汽车不能行驶。所以汽车行驶除了受驱动力影响外，与轮胎与地面之间的纵向附着系数关系也很重要。 有驱动力和轮胎垂直载荷的值，就可以求得路面附着系数。 从公式可以得知不同状态的滑转率。根据纵向附着系数和滑转率可以直到他们之间的变化曲线，从而得到最大附着系数。图3.2 纵向附着系数和滑转率关系从图中看出，当滑转率较小时，路面的纵向附着系数基本上与滑转率成线性关系，当没达到峰值附着系数时，车轮是滚动运动状态，轮胎与地面之间没有发生滑动现象，当滑转率增大到纵向附着系数快到达附着系数峰值点时，轮胎与地面之间有发生滑动的趋势，当附着系数过了峰值点之后，轮胎与地面之间又相对滑动，摩擦因素由静摩擦因素变为动摩擦因素，而动摩擦因素小于静摩擦因素，所以当滑转率增加时，附着系数减小了，并且滑转率越大附着系数越小。汽车行驶时应尽量保证车轮处于滚动运动状态，附着系数峰值点对应的滑转率为最佳的滑转率。在达到附着系数峰值点前的曲线与抛物线趋势接近，可以把曲线近似成抛物线，求出附着系数峰值和对应的滑转率。对应方程： 把公式求导： 联立这2个方程得知汽车某一时刻附着系数，滑转率和在这一时刻附着系数变化率，就求出m，n的值12。附着系数峰值和最佳滑转率： 3.8 本章小结为了获得汽车实际运动的状态参数，设计了状态参数观测器。估算了如下参数：汽车纵向速度、汽车侧向速度、汽车质心偏侧角、汽车前后轴侧偏刚度和汽车驱动力等参数。为双后轮轮毂电机驱动电动车的控制系统提供了有效的数据。4 纯电动双后轮轮毂电机驱动系统的研究在进行电子差速系统的研究之前，首先要考虑如何让所设计的概念车能在纯电动模式下运动，也就是后电动桥驱动电机能够驱动概念车行驶。因此本章研究内容是设计双电机后轮驱动控制策略及系统驱动概念车行驶。4.1 整车纵向行驶模型本章研究的目的为设计双电机驱动系统，驱动汽车直线行驶。所以只对汽车纵向行驶动力学模型分析，建立双轴四轮后轮轮毂电机驱动电动车纵向行驶模型。图4.1 整车纵向行驶模型汽车整车纵向行驶模型中，分别是前后轴两轮所受纵向力之和；分别是前后轴所受垂直载荷；CG是汽车重心；h是汽车重心到地面高度；a、b分别是汽车重心到前后轴的水平距离；是汽车纵向行驶速度；是汽车纵向行驶所受空气阻力；m是整车质量；是路面坡度；是空气密度；A是迎风面积；是空气阻力系数13。建立整车纵向行驶模型： 前后轴所受载荷：前轴所受载荷： 后轴所受载荷： 整车为后轮驱动，前轴两轮所受纵向力之和： 4.2 电机模型由于永磁无刷直流电机的气隙磁场属于非正弦分布的，因此不能够用空间矢量来描述，也就是不能用空间矢量建立无刷直流电机的数学模型，因此采用状态变量法来建立无刷直流电机的数学模型。假定无刷直流电机三相绕组为 Y 联结，无中线引出，永磁转子为面装式结构，3个霍尔元件在空间上相隔 120对称放置。在这结构基础上，做如下简化模型：（1）不考虑电机铁心饱和，不计算涡流损耗和磁滞损耗。（2）忽略电枢反应，气隙磁场分布近似为平顶宽度为 120电角度的梯形波。（3）不考虑齿槽效应，电枢导体均匀分布在电枢表面。（4）驱动系统逆变器电流的功率管和续流二极管均有理想的开关特性。根据无刷直流电机原理，建立电压方程： 公式中，是定子绕组；是定子三相绕组自感；分别是定子三相绕组互感；分别是定子三相绕组电压；分别是三相绕组感应电动势。对于转子结构，认为自感和互感是常数，和转子无关。即有： 公式，每相绕组自感；M是相间互感。因为： 所以: 利用上述关系，把建立的电压方程变成： 根据上述得到无刷直流电机等效电路图：图4.2 无刷直流电机等效电路图电磁转矩方程： 运动方程： 机械特性方程： 公式中，是电磁转矩，正方向为转速方向；是负载转矩，正方向和相反；是旋转阻尼系数；J是包括转子在内的系统惯量；U是输入电机的平均值14。4.3 电机选型本论文研究采用外转子永磁无刷直流电机，在选择电机型号前，须先确定电机持续运行的最大转速。电机持续运行的最大转速为驱动系统由纯电动模式后桥双电机驱动转换至发动机单独驱动时的临界转速。为了保证发动机在燃油经济性好的区域内工作，避免小负荷、低速等经济性差的工况，考虑纯电动模式下续航里程和电池成本。4.3.1 电动机参数设计电动机功率包括额定功率和最大功率。电动机的功率越大，电动汽车后备功率越多，加速和爬坡性越好，但同时电动机的体积和质量也会增加，而且让电动机不能在峰值功率附近工作，从而导致电动机效率下降。因此电动机的功率应该按照电动汽车最高行驶速度、爬坡度和加速性能来确定。根据汽车最高车速来确定电动机功率：设计中常常先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。已知电动汽车期望的最高车速，选择电机功率大体上等于汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗的功率之和。电动汽车以最高车速行驶消耗的功率： 公式中，M是整车质量；f是滚动阻力系数；是迎风阻力系数；A是迎风面积；是最高行驶车速。M=1860kg，f=0.0144，=0.26，A=1.5，=200km/h。计算得到发动机最大功率:电动汽车所用的电动机具有较大的过载能力，最大功率可以达到额定功率的3倍。所以按照匀速模式下选择的电机满足加速模式下动力性能的要求。4.3.2 传动系统传动比的选择当电动机的输出特性是一个常数的时候，传动系统传动比的选择依赖整个电动汽车动力性能的要求。电动汽车传动比的选择要满足电动汽车最高期望车速、最大爬坡度和加速时间等各个要求。1 传动比上限由发动机最高转速和最高行驶车速决定。 是主减速器传动比；是变速器传动比。2 传动比下限（1）由发动机的最高转速对应的最大输出转矩和最大行驶车速对应的行驶阻力来确定。 是电动汽车最高行驶车速对应的行驶阻力；是电动机最高转速对应的输出转矩。（2）由发动机最大输出转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力决定。 是电动汽车最大爬坡度对应的行驶阻力；是电动机最大输出转矩。目前，电动汽车主要在城市市区或者郊区行驶，单靠电动机的力矩不能满足电动汽车的行驶特性，需要在电动机和驱动轮之间安装变速器和减速器。一方面达到电动汽车行驶要求，一方面把电动机控制在高效率的工作范围，减少电动机和电池组的负荷。 （1）主减速器传动比假设传动系变速器III档是直接档，。任务书要求给出主减速器传动比。（2）变速器传动比汽车传动系统各档的传动比按照等比级数分配，这种分配变速器传动比的方法能够使汽车在大功率范围内工作，充分利用了蓄电池一次充放电提供的能量，提高了动力性能，行驶里程增长。通过计算得到，按照等比级数分配： 。4.3.3 电池容量设计电池容量的选择考虑电动汽车行驶时最大输出功率和消耗能量，保证电动汽车达到动力性能和续驶里程的要求。由电动汽车所需要的最大功率确定电池数目：蓄电池携带的能量必须大于或者等于电动汽车最大消耗能量，这样才能达到电动汽车行驶要求。电池组数目： 公式中，是电动机工作效率；是电动机控制器的工作效率；N是单个电池组包括的电池数目。电池类型选择镍氢电池，比电压是1.2V，比电容是250Ah，比功率是230W/kg，比能量达80Wh/kg。由电动机功率确定电池组数目： 是单体电池电动势，是等效内阻。由公式求得单个电池最大输出功率为1.0667kw。进而求得电池组数目n=21.9494，取电池组数目n=22。4.4 轮毂电机的设计和研究汽车在城市道路行驶主要应用纯电动模式，充电站建立在城市里。设计电池组为22节单节电压12V电池串联成，临界车速为200km/h。电机临界转速： 城市道路最大爬坡度是5%，取。电动汽车两后轮纵向力之和： 其中，m=1860kg，A=1.5，。得到汽车行驶需要总功率：P=59.539kw 每个电机的功率电机满载运行功率有余量，设计每个电机功率为30kw。4.4.1 连续力矩计算电机在固定速度运行，忽略峰值力矩和有效力矩，计算连续力矩。电机转轴的输出功率、力矩和转速之间有如下关系： 公式中，M是转轴上的力矩，n是转轴的转速。我们计算需要的连续力矩： 4.4.2 电枢绕组选择选择电枢绕组之前，首先要从电动机厂家提供的产品中选择一个反电动势常数低的电枢绕组，在输入电压的作用下达到行驶速度要求。（1）理想空载转速： 选择的电枢绕组反电动势常数，直流电阻，力矩灵敏度。本论文前面计算出电动机转速是1560r/min，绕组的选择是合适的。（2）反电动势 （3）产生力矩的电压 （4）产生力矩的电流 （5）驱动负载需要的电流 所以所选的电枢绕组能够提供系统需要的连续力矩15。4.5 本章小结本章的目标是研究双后轮轮毂电机驱动系统。首先是选择电机模型，然后计算电机各种参数，最后对轮毂电机进行了研究。5 电子差速控制系统的研究电子差速结构图16：图5.1 电子差速结构框图 5.1 电子差速控制系统转矩控制结构电子差速器控制系统和汽车行驶稳定性有着密不可分的关系，使用转矩控制能够更好有效的执行。电子差速器转矩控制系统将电动汽车运动参数和理想参数进行比较，达到汽车行驶的稳定性。电子差速器转矩控制系统如下图：图5.2 电子差速转矩控制系统滑模变结构控制器是整车控制系统最重要的部分，起着决定性作用。控制系统接收前轮转角和汽车纵向速度，根据汽车理想状态得到最终目标横摆角速度，和实际值比较，通过它们的差值求得质心横摆力矩。5.1.1 滑模变结构控制的概念滑模变结构控制也叫做滑模控制，它与一般的控制方法不同，是一种非线性控制。特点：滑模控制的控制是不连续控制，控制结构会随着时间的变化而变化。滑动状态：系统在某一个限制特定状态下的运动。在这种滑动状态下，控制系统不会受到其他不确定因素带来的影响。但是也会有一个缺点就是控制系统运动状态到达滑模面之后，不会总是沿着滑模面运动，这个时候系统会发生抖振。5.1.2 滑动状态的条件控制系统到达滑模面附近的时候，需要满足如下条件： 滑动状态全局达到条件：，x可以取任意值。5.1.3 滑动模态的规律为了使整个控制系统趋近滑模面，有下面几个趋近控制规律。(1) 固定速度规律趋近 越小，速度越慢，需要的时间也就会长；越大，速度越快，需要的时间也会变短，但是速度过快会引起抖动。(2) 指数规律趋近 是以一个速度趋近，是指数规律趋近。5.1.4 滑模控制结构的设计滑模控制结构的框图：图5.3 滑模控制结构框图滑模控制结构设计的最终目标是把质心侧偏角和横摆角速度达到理想的数值。5.2 基于滑转率的转矩控制汽车从高附着系数的路面行驶进入低附着系数的路面，汽车在高附着系数的路面时，汽车有很大的驱动转矩，但是进入附着系数低的路面，驱动力的转矩过大不适合当前的路面，就会导致汽车车轮发生滑转。因此我们需要研究驱动轮的滑转率，保证汽车能够稳定行驶，提高