矿用重载车辆电子差速系统设计【毕业论文+开题报告+外文翻译】
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矿用重载车辆电子差速系统
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任务书填写要求 1毕业设计任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在系的负责人审查、签字后生效。此任务书应在毕业设计开始前一周内填好并发给学生； 2 任务书内容必须用黑笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3 任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写； 4 任务书内有关“学院、系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字 代码。学生的“学号”要写全号（如 02011401不能只写最后 2 位或 1 位数字； 5 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2016 年 3 月 15 日”或“ 2016 毕 业 设 计 任 务 书 1毕业设计的任务和要求： 目前，随着我国节能减排任务的不断加重，矿用电动车辆已经成为我国乃至世界研发工作的重点。矿用电动车辆的转向依靠电子差速器完成，对其的电子差速系统设计决定了 车辆转向时的稳定性，由于车辆转向方式和转向系统的差异，电子差速器也面临更多的挑战。 本课题要求学生设计电动车辆前轮转向、全轮转向两种形式的电子差速系统，全轮转向又分为低速时的前后轮反向转向和高速时前后轮同向转向两种工况。 2毕业设计的具体工作内容： （ 1）某型号矿用重载 车辆 参数如下：轴距 2590距 2500车质量： 40000高车速： 9km/h，四轮毂电机全轮驱动。 （ 2）建立车辆转向数学模型，包括前轮转向工况、全轮转向低速时前后轮反向转向工况两种工况，获得两种工况的转向模型。 （ 3）编制两种工况的 算程序，要求得到两种工况的 算程序界面。 （ 4）设计电动车辆转向电子差速 路系统，实现电动车辆转向时的平稳和无顿挫感。 毕 业 设 计 任 务 书 3对毕业设计成果的要求： （ 1）毕业设计说明书，内容须包括详细的建模过程说明 （ 2）可视化 序界面两个，包括两种工况 （ 3） 路控制图 1 张 （ 4）相关外文文献翻译 1 份 4毕业设计工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2016 年 2 月 29 日 3 月 10 日 3 月 11 日 4 月 1 日 4 月 2 日 5 月 1 日 5 月 2 日 6 月 7 日 6 月 8 日 6 月 10 日 文献检索、撰写开题报告 建立车辆转向系统数学模型 编制 序 绘制 路控制图 论文答辩 学生所在系审查意见： 同意下发任务书 系主任： 2016 年 2 月 29 日 矿用车 矿用车由中国一拖集团生产，属非公路用车，主要用于矿山，工程方面，比一般载重车更耐用，载重也更多。从结构上看，矿用汽车和普通自卸卡车好像没有太大的区别，好像只是 “大 ”了一些。实际上，矿用汽车从设计理念上就与普通自卸汽车有着本质的区别。普通自卸汽车是为满足公路运输使用的，矿用汽车是为满足矿山施工作业的，因而矿用汽车的整车及所用零部件都考虑了矿山作业环境，是针对此类用户设计和制造的。 中国兵器工业集团北方重工北方股份生产的 360 吨尤尼特瑞格 世界最大电动轮矿用车在神华集团准格尔黑岱沟露天矿 完成总体装配，这是国内首台 360 吨世界最大电动轮矿用车的问世，标志着中国矿用汽车事业的发展又迈上了一个新的台阶。 360吨尤尼特瑞格 重 223吨，载重后为 557 吨，是目前为止世界上装载量最大的矿用车，证明了北方股份是目前世界上唯一一家能够在同一工厂、同一条生产线上生产 25 吨到 100 吨机械传动轮矿用车和120 吨到 360 吨电传动轮矿用车以及 23 吨到 42 吨铰接式自卸车三大系列产品的工程机械制造企业。同时也为保证北方股份顺利完成与神华集团 签订的 37台 360吨 8台 260吨 非公路 (矿用 )自卸车产品起源于国外，在国外已有几十年的发展历程，基础技术已经非常成熟，国外品牌主要有美国卡特彼勒、美国特雷克斯 立 本小松、德国利勃海尔等，五大厂家占据了全球市场 70%以上的份额。 目前，全球较大规模的矿用车生产企业不多，大吨位矿用车市场竞争刚刚拉开序幕，企业间竞争升级。随着竞争的加剧，众多矿用车生产企业产品线不断拓宽，越来越多的新兴企业加入进来。未来几年，矿用 车技术不断成熟，行业的进入壁垒逐渐增高，行业竞争格局将呈现集中化、稳定化的趋势。 is a a of In to is is to is to in of of 60 s s 60 of s of of to a 360 s 23 a 57 is by s is of in 5 00 20 60 of 3 2 of to 7 60 8 60 to a in of is 0% to As to to to in a of 毕 业 论 文 开 题 报 告 1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 电动汽车发展到现在，它的结构主要有两种，一种是将传统内燃机的发动机换成电动机，这种结构的电动车用传统的机械差速器就可以转向；另一种结构是汽车的每一个驱动轮都安装一个电机进行驱动，相互之间没有机械连接，所以就需要通过电控的方式 进行控制，即要研究的电子差速控制系统。 矿用电动车进入厂矿、企业、社区等，减少了污染物的排放，节约了企业、厂矿、社区等的运营成本，而且矿用电动车辆较大程度地 降低了厂矿工人的劳动强度。然而 ， 矿用电动车的转向依靠电子差速器完成，电子差速器系统的设计对矿用电动车的稳定性具有重要的意义。 我们可以从以下两方面看到它的发展： 1873 年，英国人 制了可供使用的电动汽车。 20 世纪初，奔驰公司推行了第一辆轮毅电动车，但是因为允电一次行驶里程不能达到要求，就销声匿迹了。在二十世纪七十年代，因为可用的能源越来越少和环境被污染的越来越严重，各个国家又开始重视电动汽车的研究。 电子差速的基础是电子线控转向系统。 20 世纪 60 年代末，德国 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。 1990 年 手研发前轮利用电控转向的系统，并将这个系统用在 400 。其他汽车厂家也在深入研究这种系统，现在有些汽车公司研发出了利用电控转向的系统，有些国外有名汽车公司已经在概念车上采用了此系统。 美国的 发了线控转向系统。 2002 年 11 月在德国慕尼黑举行的 织的论坛上，展出了 线控转向系统，道路识别系统将路线轨迹的信息通过 线传给计算机，计算机控制汽车的转向系统沿着道路行驶，驾驶员可以随时对线控转向系统进行纠正。 公司把转向盘去掉，而在驾驶员身边放置一个操纵杆 (即 y ，并在他们的概念车上进行试验。这样电 子差速的优势就更能表现，既提高了安全性又降低了成本。 2. 国内电动车及电子差速器的发展现状 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目，投入近 1 亿 元。而2001 年在十五国家 863 计划中，特别设立电动汽车重大专项，投入近 9 亿元。随着国家十五计划 “863”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。 沈勇等提出了一种基于线性 向模型和神经网络方法的复合模型，用 于 对四轮独立驱动电动车的各车轮转速进行控制，其模型参数可以用实际整车数据来直接 整定。该控制方法利用 向模型输出各车轮速度间的线形关系，而采用神经 网络方法来弥补行驶时车轮速度的实际差异，以补偿汽车的非线性特性，从而达到了简 化控制系统的目的，并在中低速行驶时使差速问题得到一定解决。 浙江大学电气工程学院对于两轮驱动轮毅电机的电动汽车系统进行了一系列的研 究 :轮毅电机控制系统、电子差速的控制系统；提出了基于车轮与地面附着系数为控对 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 ;利用处理芯片 两个时间管理器实现电子差速驱动控制系统。考虑转弯时车轮的垂直载荷的变化，以使 两驱动轮的附着率相等为目标，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。但是，后轮驱 动方式在车辆转向时驱动效率较低，新型的四个轮边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。 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，避免车轮发生滑转和滑移，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 3 号就使用了电子差速转向的方 案。 根据汽车理论可知，汽车在转向行驶时，内、外侧车轮在相同的时间内所行驶的路 程不同，内侧车轮行驶的路程要小于外侧车轮行驶的路程。在直线行驶时，也会由于内、 外两侧车轮制造误差，轮胎及路面状况等情况的不同，而使内、外两侧车轮行驶的路程 不等。使用同一电机驱动两侧车轮，两侧车轮得到相同的转速，如果两侧车轮行驶的路 程不等时，会使所走路程大的一侧车轮滑转或滑移，造成轮胎的磨损，甚至发生事故。 但双轮毅电机驱动或多轮毅电机驱动，由电机直接驱动车轮，当汽车转弯 时不能再采用传统的机械差速器，来实现车辆的顺利转弯。因此，研究电子差速器也成为矿用电动汽车重要的研究项目。 电动汽车的发展主要是电子差速系统的设计。在当代社会提倡建设节约，低碳，环保型经济的发展环境下，电动车能够使厂矿企业节约企业成本，保护环境，具有显著的社会和经济双重效益，而电子差速系统则在其中扮演了重要的角色。 参考文献 ： 1 施萝菲 走进汽车新时代 J2010， (03): 252 汤双清，廖道训，吴正佳，电动汽车的核心技术及发展展望，机械科学与技术， 2003， 22(2):189244. 3 郑国伟 J2011， (11):304 程如烟 J2011， (15):1575 靳立强，王庆年，王军年 J2007，(08):206 赵林辉，刘志远，陈虹 J2009， (06): 267 喻凡，李道飞 集成控制综述 J2008， (06):138 X, in an . )9 of )10 . of J. 1998,34:113111 (J. 2003(6): 512 葛英辉，倪光正 算法的研究 J2005, (3): 15 13 俞凡，林逸 M机械工业出版社， 2008: 114 吴志红，郭毅，朱元等 J2008(07):1515 N. H. 72005: 638 毕 业 论 文 开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 目前，随着我国节能减排任务的不断加重，矿用电动车辆已经成为我国乃至世界研发工作的重点。矿用电动车辆的转 向依靠电子差速器完成，对其的电子差速系统设计决定了车辆转向时的稳定性，由于车辆转向方式和转向系统的差异，电子差速器也面临更多的挑战。 为了降低能源消耗与减小环境污染，新能源电动汽车已成为未来汽车行业发展的主要趋势。国内外各大汽车生产厂商与科研院所纷纷投入大量的人力、物力、财力来研究、制造电动汽车及其相关的零部件。目前轮毂电机驱动式电动汽车以其简单的机械传动结构，较高的驱动效率，低廉的成本等诸多优点已成为研究的热点。但轮毂电机驱动式电动汽车不能采用传统的机械差速器，来实现车辆的顺利转弯。而电子差速器则可以解决这一问题。 本文分析了机械差速器的结构及力学原理，利用机械差速器“差速不差力”的“自适应”原理，设计电子差速系统的控制方案；分析了无刷直流轮毂电机控制系统的结构及工作原理，建立了无刷直流轮毂电机的数学模型，通过分析各参数之间的关系，结合无刷直流轮毂电机速度控制系统，设计了电子差速系统的速度控制方案。同时，文章完成了电子差速系统硬件电路的设计、软件的设计、 讯协议的设计。最后利用仿真软件仿真软件，对电子差速系统进行了模拟仿真分析。通过仿真表明，电子差速控制系统设计合理，差速效果良好。 电子差速器的设计 ，解决了轮毂电机驱动式电动汽车的转向问题。相比于传统的机械差速器，电子差速器避免了复杂的机械传动结构，大大简化了电动汽车的底盘空间。另外，相比于其它的电子差速器，此电子差速器避免考虑路面及转向角度的问题，简化了控制计算方法，提高了控制系统的稳定性，使车辆具有更佳的转弯性能和控制响应。 附件：参考文献注释格式 学术期刊 作者 论文题目 期刊名称，出版年份，卷 (期 )：页次 如果作者的人数多于 3 人，则写前三位作者的名字后面加“等”，作者之间以逗号隔开。例如： 1 李峰 ， 胡征 ， 景苏等 . 纳米粒子的 控制生长和自组装研究进展 . 无机化学学报， 2001, 17(3): 315324 2 of 2001,233:5 7 学术会议论文集 作者 论文题目 文集编者姓名 学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次 例如： 3 司宗国，谢去病，王群 重子湮没快度关联的研究 见赵维勤，高崇寿编 第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会 文集，北京：中国高等科学技术中心， 1996： 105 图书 著者 书名 版本 出版地：出版者，出版年 页次 如果该书是第一版则可以略去版次。 例如： 4韩其智，孙洪洲 群论 北京：北京大学出版社， 1987 101 预印本 作者 论文题目 预印本编号（出版年份） 例如： 5uo to 810548(1998) 学位论文 作者 论文题目 学 士 (或硕士、博士 )学位论文 . 出版地：出版者，出版年份 例如： 6 陈异 . 纳米粒子形貌控制研究 . 硕士学位论文 . 北京 ： 中国科学院 , 2002 电子文献 主要责任者 . 电子文献题名 电子文献的出处或可获地址 . 发表或更新日期 例如： 7 王明亮 . 关 于 中 国 学 术 期 刊 标 准 化 数 据 库 系 统 工 程 的 进 展 . , 1998 专利 专利所有者 . 专利名称 . 专利国别：专利号，日期 . 例如： 8 姜锡洲 中国专利： 881056073， 1989 毕 业 设 计 开 题 报 告 指导教师意见 ： 张文斌同学本学期的课题是“矿用重载车辆电子差速系统设计”所要求的任务符合教学要求，课题具有一定的实际意义。 自开学以来，张文斌同学能参加指导教师和个别辅导，该同学具备了完成“矿用重载车辆电子差速系统设计”的基本知识，有完成本学期课题所要求的各项任务。 指导教师： 2016 年 3 月 22 日 所在系审查意见： 同意开题 系主任： 2016 年 3 月 22 日 I 矿用重载车辆电子差速系统设计 摘要： 为了降低能源消耗与减小环境污染，新能源电车已成为未来车辆行业发展的主要趋势。国、内外各大汽车生产厂商与科研院所纷纷投入大量的人力、物力、财力来研究、制造电车及其相关的零部件。目前轮毂电机驱动式电车以其简单的机械传动结构，较高的驱动效率，低廉的成本等诸多优点已成为研究的热点。但轮毂电机驱动式电车不能采用传统的机械差速器，来实现车辆的顺利转弯。而电子差速器则可以解决这一问题。同时，文章完成了电子差速系统硬件电路的设计、软件的设计、 讯协议的设计 。最后利用 真软件，模拟仿真分析。通过仿真表明，电子差速控制系统设计合理，差速效果良好。电子差速器的设计，解决了轮毂电机驱动式矿用重载车辆的转向问题。相比于传统的机械差速器，电子差速器避免了复杂的机械传动结构，大大简化了电车的底盘空间。另外，相比于其它的电子差速器，此电子差速器避免考虑路面及转向角度的问题，简化了控制计算方法，提高了控制系统的稳定性，使车辆具有更佳的转弯性能和控制响应。 关键词： 矿用重载车辆；轮毂电机；自适应；电子差速 of of in it a of to by to it a by So is to of of of of a of a by C s of C of of C of In to a AN by of of on of C it to do of a of a V 目 录 摘要 . . 目录 . 1 绪论 . 1 献综述 . 1 用电车的轮毂式的电车的发展现状 . 2 子差速器 . 2 子差速器的意义 . 2 子差速器的特性 . 3 子差速控制方法 . 3 文研究的主要内容 . 4 结 . 4 2 无刷轮毅电机驱动控制的研究 . 5 刷直流轮毅电机的原理 . 5 毅电机的选型 . 5 刷直流轮毅电机的驱动原理 . 5 刷直流轮毅电机速度控制系统 . 6 机调速方法及 速控制 . 6 度控制算法 . 8 结 . 9 3 电子差速控制策略 . 11 械差速器的力学分析 . 11 械差速器的结构 . 11 械差速器的力学分析 . 11 子差速控制思想 . 12 V 结 . 13 4 电子差速系统的设计 . 14 子差速器的硬件设计 . 14 子差速系统控制芯片的选择 . 14 率 驱动电路的设计 . 14 子位置信号和开关量信号的检测 . 15 子差速系统建模与仿真 . 16 制系统建模 . 16 子差速控制系统建模与仿真 . 18 电子差速系统仿真 . 18 5 结 论 . 23 参考文献 . 26 致谢 . 24 1 1 绪论 文献综述 矿用重载车辆从发展最初到现在，它的结构最主要的有两种，一种是将电动机取代传统的内燃机的发动机， 这种结构的电车采用传统的机械系统差速器就可以实现转向；另一种结构是电车的每一个可以驱动的驱动轮都安装一个电机进行驱动，它们相互之间没有机械连接，这样就需要通过电子控制的方式进行控制，这样就需要研究电子差速控制系统。从 1882 年德国西门子公司制成世界上第一台矿用电机车以来，矿用电机车的发展己有 130 多年的历史了。 为 减 少污染物的排放，节约企业、厂矿、社区等的运营成本，矿用电动车进入厂矿、企业、社区等，矿用电动车辆较大程度地降低了厂矿工人的劳动强度 。 然而，矿用电动车的转向依靠电子差速器完成，电子差速器系统的设计对矿用电动车的稳定性具有重要的意义。我们可以从以下两方面看到它的发展。 1) 国外电子差速器的发展现状 电子差速的基础是电子线控转向系统。 1990 年 始着手研发前轮电控转向的系统，并将这个系统开发用在 400 。此时一些车辆厂家也在深入研究这种系统，现在有一些车辆公司研发出了可以利用 的电控转向系统，有些国外公司已经在一些概念车上采用了这个电控转向系统。 术研究所在日本开发了自己的一种电子转向系统。在对路面上进行制动试验时也能基本保证车辆直线行驶，制动距离也就会大大缩短。 美国的 开发了线控转向系统。由此可以看出电子差速的优势就更能表现，这样既提高了安全性又会降低成本。 2) 国内电子差速器的发展现状 浙江大学电气工程学院对于两轮驱动轮毅电机的矿用重载车辆系统进行了一系列的研究 :对于一种新的电子差速控制方面，即矿用重载车的车轮与地面附着系数作为 重点，把车辆容易滑动转向问题弱化了；该研究使用处理芯片 的两个时间管理器，构成了电子差速器的驱动控制系统。然后取得了一个结论：在 2 转动速度和转动角度两个都不小的时候，转矩的分配的比例相对不小，这个时候，由矿车车体运动时候产生的的离心力侧翻力矩扮演了重要的角色。然而，车辆后面的轮子驱动的方法在车辆转向时的程度不高，电子差速控制在新型的四个轮子的电机相互独立驱动系统中，两轮子驱动控制系统相对来说不简单，驱动的方法特别多，驱动程度相对较高。 同济大学在四轮电子差速转向控制系统中论述的电子差速控制系 统，可以实现车辆的轮子在运动的行程中和地面之间的运动为纯滚动，在很大程度上减少了车轮在运动中发生滑转以及滑移，所以这个电子差速控制系统使车轮与地面之间的摩擦减少了，在一定程度上，加大了轮胎的正常使用寿命，由于这个特性，同济大学研究的春晖系列 3 号就采用了这个方案。 在直线行驶时，使用同一电机驱动两侧车轮，两侧车轮得到相同的转速，如果两侧车轮行驶的路不等时，会使所走路程大的一侧车轮滑转或滑移，造成轮胎的磨损，甚至发生事故。 但双轮毅电机驱动或多轮毅电机驱动，由电机直接驱动车轮，当汽车转弯时不能再采用传统的机械差 速器，来实现车辆的顺利转弯。因此，研究电子差速器也成为矿用矿用重载车辆重要的研究项目。 矿用重载车辆的发展主要是电子差速系统的设计。在当代社会提倡建设节约，低碳，环保型经济的发展环境下，电动车能够使厂矿企业节约企业成本，保护环境，具有显著的社会和经济双重效益，而电子差速系统则在其中扮演了重要的角色。 矿用电车的轮毂式的电车的发展现状 1900 年，保时捷汽车企业研制出了两前轮采用轮毂电机驱动式的矿用重载车辆，并在两年后又研制出了轮毂电机与发动机共用的混合动力矿用重载车辆。上世纪 90 年代起，日本也 推出了 “ “ “轮毂电机驱动式矿用重载车辆。美国的通用在 2002 年的北美国际车展上推出轮毂电机驱的燃料电池概念车。哈尔滨工业大学研制开发了采用外转子型轮毂电机的矿用重载车辆。现今轮毂电机驱动已成为国内外各大汽车厂商及科研院所的研究热点。 电子差速器 电子差速器的意义 3 在直线行驶时，也会由于内、外两侧车轮制造误差，轮胎及路面状况等情况的不同，而使内、外两侧车轮行驶的路程不等。使用同一电机驱动两侧车轮，两侧车轮得到相同的转速，如果两侧车轮行驶的路程不 等时，会使所走路程大的一侧车轮滑转或滑移，造成轮胎的磨损，甚至发生事故。为了避免这种现象的发生，传统的汽车利用机械差速器中行星齿轮与锥齿轮的相互作用，维持汽车两侧车轮在行使路程不等时，具有不同的转速，从而使汽车安全、可靠地运行。 电子差速器的特性 电子差速器与传统的机械差速器相比较主要由以下优点： 1) 电子差速器简化了系统结构，节省了汽车底盘空间，有利于汽车底盘其他结构的自由设计。 2) 电子差速器直接将电机通过联轴器与驱动轮相连，消除了减速器、离合器、差 速器等传动中的摩擦问题，提高了系统的传动效率，节省了能量。 3) 电子差速器利用电子控制各驱动轮，消除了机械差速器中振动及噪音等问题 电子差速控制方法 目前电子差速控制主要分为：基于转速控制的电子差速器与基于转矩控制的电子差速器。 1) 基于转速控制的电子差速器 差速控制算法，多采用神经网络与模糊控制算法。控制算法比较复杂，并且理论上只能分析静态和非时变参数，而矿用重载车辆在实际的转弯过程中，两驱动轮所受的负载是随时间变化的，很难建立准确地数学模型，所以这类差速器在使用中受到一定程度的限制。 2) 基于转矩控制的电子差速器 这种电子差速器主要是滑移率的控制。它相对于上述的电子差速器相比，优势是就地面状况与轮胎的影响进行了研究，在应用上价值不低，但也有缺点，比如控制滑移率相对来说比较复杂，成本相对较高，在应用实践上不多。在上述差速控制方案的基础上，本文运用差速器的原理，对关于转矩控制的 “自适应 ”这类差速器进行研究。 4 论文研究的主要内容 研究的主要内容包括： 1) 在机械差速器上进行力学的受力分析，在机械差速器运行的原理的基础上提出电子差速控制运行策略。 2) 分析无刷直流轮毂电机的控制系统 ，设计出电子差速控制的具体方案。 3) 对电子差速系统硬件及软件的设计。 4) 用 真电子差速系统，验证电子差速控制方案设计的合理性。 小结 面对能源短缺与环境污染两大问题，矿用重载车辆已成为国内外汽车行业未来发展的趋势。通过分析国内外矿用重载车辆及轮毂式矿用重载车辆的发展，提出了采用电子差速器解决轮毂电机驱动式矿用重载车辆的转向问题。 5 2 无刷轮毅电机驱动控制的研究 无刷直流轮毅电机的原理 轮毅电机的选型 现在矿用重载车辆驱动电机 大多数用异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、横向磁阻电机等 1。为了保使用证矿用重载车辆有良好的运动性能，驱动电机应该有较宽的调速范围、良好的可控性能、小一些的体积、较低的成本、足够大的启动扭矩等特点。本文选择的是矿用重载车辆驱动电机。 轮毅式矿用重载车辆的驱动车轮根据驱动电机是高速内转子型还是低速外转子型可以分为带减速器式电动轮和直接驱动式电动轮 2。直接驱动式的低速外转子型轮毅电机，直接驱动车轮转动 ,传动效率高，但要求电机有较小的体积。同时，由于直接驱动式低速外转子型电机在低速转动时，要求 很大的驱动转矩和调速范围，所以电机的成本也比较高。而带减速器的高速内转子型轮毅电机的驱动车轮，对轮毅电机的性能要求较低，还具有转速高，效率高，成本低的优点 3。 基于以上因素电子差速控制系统的电机选择直接驱动式高速内转子型的无刷直流轮毅电机。 无刷直流轮毅电机的驱动原理 一般的无刷直流电机包括电机、电子换相电路、位置传感器等。原理为采用位置传感器来检测转子的位置，通过这个方法，控制晶闸管的导通与否，主要是依靠电子换相电路将位置信号转换为电信号，然后在恰当的时间对 A, B, C 三相 绕组进行通电。其工作原理如图 示。 图 永磁无刷直流电机原理 6 无刷直流轮毅电机速度控制系统 电机调速方法及 速控制 无刷直流轮毅电机的调速方法 是常见的 有三种 :电枢电压 得到改变 ，磁路磁通 得到改变 和电枢回路电阻 得到改变 。其中占空比占可以表示为 : （ 式中： t 号的有效导通时间； T 一 号周期。 形图如图 示。 图 形图 单极性 制在每一个 60。电角度范围内，两个处于工作状态的晶闸管，其中一个晶闸管始终为导通状态，另一个晶闸管为 冲宽度调制状态，其触发信号如图 示 。 7 图 极性 制各触发信号 采用单极性 制时，无刷直流轮毅电机处于工作状态的绕组两端的平均电压为 : 1（ 式中： 源电压， V。 采用双极性 制方式时，无刷直流轮毅电机处于工作状态的绕组两端的平均电压为 : 11 12（ 采用单极性 制相比与双极性 制，无刷直流轮毅电机电流的波动较小，并且单极性 制不存在同一桥臂晶闸管同时导通的时刻，所以不用设置死区时间。此外，采用双极性 制 6 个晶闸管都处于开关状态，功率损耗比较大 。 综合以上因素，电子差速无刷直流轮毅电机控制采用单极性 制。把电机绕组的一端接到高端驱动器晶闸管上，在低端驱动器晶闸管上添加占空比可 变 的号，从而改变绕组两端的电压，实现电机速度的调节。 8 度控制算法 当系统的给定值发生变化或是 受到干扰时，导致原来稳态的系统受到破坏，致使输入输出量发生 变化，此时经过 解，可以使系统重新恢复稳定的平衡状态。其控制原理框图如图 示。 图 制系统原理图 控制规律为 : （ 式中： 偏差量，为系统给定值 实际输出值 差值 （ 例系数； 分时间常数； 分时间常数； 对 模拟的 算公式 (散化处理，用和式代替积分，得到数字化的 kj 0 （ 式中： 9 k 采样序号， 2,1,0k ； k 次采样输出值 ； k 次采样输入的偏差值； 分系数，； 行 制时的原始初值。 上式 (19)为位置型的 算公式，用它计算输出 将其进一步变化可得 : kj 1011 （ 则第 k 次的输出增量为 u 11（ 所以， 11（ 式 (为增量式 算公式。由式 (19)和式 (22)比较可知，使用位置型制算 法，系统每次输出值的计算都会累加过去所有的偏差值，当系统存在计算误差或是精度不够时，会产生较大的累积误差，影响计算值的精确性。此外增量式计算公式中没有 计算机出现故障需要手动切换时没有冲击现象产生。所以，文中电子差速系统速度、电流控制均采用增量式 制算法。 比例调节控制 :即按比例的调节系统的偏差 e（ t）。积分调节控制 :积分控制调节可以消除系统的偏差，使有差系统变成无差系统。增大积分时间常数 统的积分作用增强，但当积分作用太大时，会降低系统的稳定性。 微分调节作用 :微分调节即根据偏差变化的速度调节，反应系统偏差的变化率。 结 对无刷直流轮毅电机的控制系统进行了分析研究，主要内容包括 : 1) 分析了无刷直流轮毅电机的原理，包括电机的选型及电机的驱动原理。 10 2) 阐述了无刷直流轮毅电机速度控制系统，指出了电机调速方法，分析了 度控制算法原理及电机转速的控制方法。 11 M 213 电子差速控制策略 机械差速器的力学分 析 机械差速器的结构 以对称式锥齿轮差速器为例，结合马俊对对称式锥齿轮机械差速器动力学原理的分析，在矿用重载车辆运动过程中，对驱动轮、机械差速器及地面之间的相互作用进行受力分析，阐述机械差速器的原理。 机械差速器的力学分析 设由减速器的从动齿轮传来的驱动扭矩为 M 0。在 M 0 的作用下行星齿轮受到驱动力是 P 。行星齿轮在力的作用下带动左、右两个锥齿轮的转动，把驱动力 P 分别分给左、右两锥齿轮两个相同的力，在这个时候，行星齿轮就成为了一个等臂杠杆。 在满足全润滑的条件下，加 上这两个锥齿轮的半径大小一样，不管它有没有自动转动，来自减速器的从 动齿轮驱动扭矩 M 0都会平均分配给左驱动轮和右驱动轮，然后左驱动轮和右驱动轮获得驱动力矩。 (当矿用重载车辆在平整的路面上做纯滚动直线行驶时，左、右两驱动车轮在驱动力矩别对地面施加一个与矿用重载车辆行驶方向相同的周缘力于两驱动轮的 半径相等，所以 F ( 而此时，路面也会对左、右两驱动车轮产生与左、右两周缘力大小相等，方向 相反的地面切向反作用力 F (其中，地面的切向反作用力 和 别通过左、右半轴和锥齿轮反传给差速器的行星齿轮，并在啮合点 A、 B 上形成两个与驱动力 2P 大小相等，方向相反的阻碍行星轮运动的阻力（忽略传动过程的摩擦损失）。此时行星齿轮受力平衡， 12 不能产生自转，只能随行星架一起公转。 在相对光滑的柏油马路上，当矿用重载车辆从直线运动的过程中转弯时，先以用右转弯为例。车辆转弯刚刚开始的时候，差速器不会有差速的作用，左轮和右轮转速都一样。不过在一定程度上，车辆右转弯的时刻，右侧车轮行驶的路程比左边少一些，所以左边的车轮，会发生滚动和滑拖来配合右边的车轮。但是滑拖会相对路面产生周缘力 即方向向前，相对来说，路面也会对左侧车轮也会产生附加阻力 即大小一样、方向向后。这个 路面会左侧轮的转动产生影响，会起相反作用，即作用力 右边车轮会产生滚动和打滑。 通过上述分析，可以知道不管直线行驶或转弯行驶，两驱动轮在内侧和外侧受到的驱动转矩一样。因为两边的轮子同时受到的地面阻力不一样，所以车辆转弯得时后，导致行星轮与两侧锥齿轮在相互啮合的地方同时受到的阻力不一样，然后行星轮自转，最终导致了机械差速的“自适应”。 电子差速控制思想 根据第二章的分析 ，以“差速不差力”为主 要思想，来实现“自适应”电子差速。汽车转弯时，内侧驱动车轮受到地面的阻力矩大于外侧驱动车轮受到的地面阻力，进而造成内侧驱动电机的相电流较外侧驱动电机的相电流幅值上升大。为实现矿用重载车辆顺利的转弯，应满足内侧车轮的转速小于外侧车轮的转速。利用机械差速器原理中阻力矩、电磁转矩与速度之间的关系，当矿用重载车辆转弯时，控制左、右两侧驱动电机的电磁转矩相等，由于外负载不同，实现“差速不差力”的自适应电子差速。 电子控制可以方便的控制两侧电流的大小。当矿用重载车辆直线行驶时，两侧驱动电机均实行速度、电流双闭环控 制。在相等的给定转速下，左、右侧两驱动电机得到相等的驱动转矩。由于直线行驶，两侧驱动车轮负载力矩相同，使两侧车轮具有相同的转速，实现平滑的直线行驶。 在理想的状况下，矿用重载车辆由直线行驶转向 转弯时，同功率的电机在相等的速度和相同的工况下，电机输出扭矩大小相等，转弯时由于外负载的不同造成两侧驱动轮所需转矩的大小不同，内侧车轮所需输出扭矩大，而外侧车轮所需输出转矩小，进而造成内侧驱动电机相电流较外侧驱动电机相电流幅值上升大。 13 转弯行驶时，加速踏板给定左侧驱动电机速度，对左侧驱动电机速度、电流双闭环控制 ，右侧驱动电机电流由左侧控制器给定，维持两驱动电机有相同的给定电 流。 小结 通过对机械差速器的力学分析，利用机械差速的 “差速不差力 ”的 “自适应 ”差速原理，确定 了电子差速器的控制思想：通过控制两侧驱动电机电磁转矩相等，根据行车状况的不同，阻力矩不同，实现“自适应”差速。此外，设计了车辆直线行驶或是转弯行驶状况的判定装置。 14 4 电子差速系统的设计 电子差速器的硬件设计 根据无刷直流轮毅电机控制系统的硬件电路及双闭环调速控制系统的硬件电路，设计 电子差速控制系统的硬件电路。 电子差速系统控制芯片的选择 电子差速控制芯片是数字信号处理的核心单元，本文选择 列的芯片，更能满足高性能的数字信号的处理，并且 有很高的性价比。 功 率驱动电路的设计 文中采用芯片三相逆变驱动器 为功率驱动电路的驱动器。它具有 3个独立的高压、低压输出通道可以输出 6 路驱动脉冲，并且融合了过流和电池欠压保护电路，简化了控制系统的设计，减少了元件的使用数量。其驱动电路，如 图 逆 变器驱动芯片 (制 驱动电路图 图中 口为单片机输出的 冲信号， 口给驱动电路提供电源， 口为驱动电路输出， 口为晶体管 控制端。当电机启动时，有很大的冲击电流，因此需要对控制系统进行电流保护。其中 脚为主回路中的电流信号输入端口，当主回路中的电流过大时，会使 脚的电压高于 15V，此时， 部电流快速增大，发生故障信号，关闭 6 15 路驱动输出，从而实现过流保护的功能。 转子位置信号和 开关量信号的检测 转子位 置的检测不仅用于电机换相的控制，还可以经过计算，用于转速的测量。此差速控制系统使用三个霍尔元件检测转子的位置。由这三个霍尔元件的输出能构成六种不一样的状态，然后根据这六种的组合状态来控制功率管的导通，进一步控制三相绕组的通断。电子差速控制采用的 片机自身带有电平变化中断引脚，只有这个引脚输出高电平才会起作用，如图 示。 图 子位置信号与开关量信号检测电路图 16 电子差速系统建模与仿真 使用 块仿真电子差速控制系统。利用此软件进行系统仿真，就是用图形化的方法直接建立系统的仿真模型，并通过 境下的示波器 块 将结果显示出来，操作简单且便于观察。 选用直流无刷轮毅电机，额定功率 ，额定电压 8，额定电流2 ，额定转速 500 ，电势常数 e ，主回路总电阻 ,触发整流环节的放大系数倍数 35磁时间常数工 机电时间常数 电流反馈系数 ，电流反馈滤波时间常数 速度反馈系数 ，速度反馈滤波时间常数 控制系统建模 1)确定比例系数 定比例系数时，令积分系数 K;，微分系数 为零。 0 开始琢渐增大，当 节系统出现震荡时再琢渐减小，直到震荡消失，记录此时的 系统设定的 为当前值的 60 %取 时系统的阶跃响应曲线如图 示。 图 ，系统阶跃响应曲线图 2)确定积分系数 17 比例系数 定之后，先设定一个较小的积分系数 K;，然后琢渐增大 K;值，当系统出现震荡时，再减小 K;直到震荡消失。记录此时的 K=20，而系统设定 50%取 K=时系统阶跃响应曲线如图 示。 图 0 时，系统阶跃响应曲线图 3)确定微分系数 分系数的设定方法与积分系数 设定方法相同，而一般设定微分系数，为了减小系统动态响应的时间，通过调节设定微分系数 时系统的阶跃响应曲线如图 示。 图 ，系统阶跃响应曲线图 速度环 节的方法与电流环相同。通过调节得到速度环的 节比例系数 分系数 分系数 18 电子差 速控制系统建模与仿真 图 电子差速控制系统模型 同步 6脉冲触发器模块可以输出 16号脉冲，依次送给三相全控整流桥 (应的 6 个晶闸管，控制三相电机的换相。同时通过触发器脉冲宽度的调节控制晶闸管导通的时 间。同步 6 脉冲触发器和晶闸管整流桥如图 示。 图 同步 6 脉冲触发器和晶闸管整流桥 电子差速系统仿真 19 1) 矿用重载车辆直线行驶时 两驱动电机所 给定的 转速为 2000r/侧驱动电机 都 不 会 加负载，相当于矿用重载车辆在道路上 直线行驶。 直线行驶时，左侧驱动电机的速度及电磁转矩的仿真结果如图 示。 图 线行驶时，左侧驱动电机速度曲线 图 线行驶时，左侧驱动电机电磁转矩曲线 直线行驶时，右侧驱动电机的速度及电磁转矩仿真结果 如图 示。 图 线行驶时，右侧驱动电机速度曲线 20 图 线行驶时，右侧驱动电机电磁转矩曲线 由以上仿真结果可知 :左、右两侧驱动电机给定相同转速，电机启动时由以上仿真结果可知 :左、右两侧驱动电机给定相同转速，电机启动时 ,左、右两侧驱动电机需要较大的电磁转矩电机的转速进入稳态，驱动电机的速度琢渐增大，在 本为零
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