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二O一一屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)
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二O一一屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一章 緒 論
1．1背景及研究的意義
20世紀(jì)各國(guó)的汽車工業(yè)在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造福于人類的同時(shí)，也給全球環(huán)境帶。來(lái)了災(zāi)難性的影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，42％的環(huán)境污染來(lái)源于燃油汽車的排放；80％的城市噪聲是由交通車輛造成的。此外，當(dāng)今世界石油儲(chǔ)量日趨減少，而燃油汽車則是消耗石油的大戶。因而，當(dāng)今石油資源匾乏導(dǎo)致的危機(jī)與環(huán)境保護(hù)的緊迫需求，都主導(dǎo)著汽車工業(yè)的發(fā)展勢(shì)必尋求低噪聲、零排放、綜合利用能源的方向。以開發(fā)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的替代動(dòng)力系統(tǒng)為基本思想，利用清潔能源為本質(zhì)特征的電動(dòng)汽車技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域發(fā)展的前沿課題之一。1873年戴維遜所研制成功的電動(dòng)汽車(Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱EV) [1]，從上世紀(jì)90年代以來(lái)，己再度成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。
目前，一些新穎的電動(dòng)汽車(EV)采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)方式，其代表是東京電力推出的IZA電動(dòng)車[2]，其中集成的技術(shù)是一種直接驅(qū)動(dòng)方法，每個(gè)輪裝有輪轂電機(jī)，不再需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和差速齒輪，可按所需動(dòng)力來(lái)分配兩電機(jī)的功率，因此整個(gè)系統(tǒng)的效率得到提高，同時(shí)，對(duì)于這種驅(qū)動(dòng)單元，需要一個(gè)電子差速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。現(xiàn)有關(guān)于電動(dòng)輪電子差速技術(shù)的研究很少，其中大部分集中在帶有差速運(yùn)行的特殊電機(jī)設(shè)計(jì)上。例如 F．Carricchi等提出了采用單定子，雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差速技術(shù)[3]；Kawamura等提出了一種ADTR (Anti．Directional—twin·rotary)電機(jī)[4] [5]：Patrick等提出了采用一個(gè)逆變器為兩個(gè)并聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)供電的結(jié)構(gòu)[6]等。但這些特殊的電機(jī)均存在一定的不足之處，尚不能完全解決電動(dòng)輪電子差速問題。綜合以上內(nèi)容可知，電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及是21世紀(jì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，但目前電動(dòng)汽車綜合性能與傳統(tǒng)汽車尚不能相比，而且價(jià)格也較后者高。提高電動(dòng)汽車的性價(jià)比是增強(qiáng)電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)力，加快其商業(yè)化進(jìn)程從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車普及所必需解決的問題。而電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)由于取消了機(jī)械傳動(dòng)，加上電動(dòng)機(jī)的良好控制性能，給電動(dòng)汽車帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn)，可明顯提高電動(dòng)汽車相對(duì)傳統(tǒng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)能力，有望成為新一代電動(dòng)汽車的核心驅(qū)動(dòng)技術(shù)。它將加速電動(dòng)汽車的商業(yè)化進(jìn)程，使電動(dòng)汽車快速普及，從而達(dá)到提高汽車能源利用率，緩解全球能源緊張的局勢(shì)，降低汽車排放，改善全球環(huán)境的目標(biāo)。
本課題以輪式后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的工程項(xiàng)目為背景，立足于其動(dòng)力系統(tǒng)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制，深入地研究了整車車輛差速控制的控制策略，開發(fā)了基于TI—DSP2407A的輪式后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。如上所述，本項(xiàng)目面向社會(huì)與新技術(shù)的發(fā)展需求，涉及車輛、電機(jī)、控制理論、電力電子等眾多學(xué)科與工程技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于進(jìn)一步研究開發(fā)電動(dòng)車新技術(shù)，具有現(xiàn)實(shí)的學(xué)術(shù)和工程意義。
1．2 電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述
電動(dòng)汽車電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)是利用多個(gè)獨(dú)立控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的四個(gè)車輪，動(dòng)力源與車輪及車輪與車輪之間沒有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。電動(dòng)機(jī)與車輪之間可以是軸式聯(lián)接也可以將電動(dòng)機(jī)嵌入車輪成為輪式電機(jī)，車輪可帶或不帶有輪邊的減速器。本文用的電機(jī)是嵌入車輪不帶輪邊減速器的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)汽車采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，能量源與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的功率傳遞采用軟電纜傳遞，擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)約束。這給整車帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn)，具體如下：由于取消了離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、差速器等部件，使傳動(dòng)系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，整車質(zhì)量大大減輕，使汽車很好的實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)，傳動(dòng)效率得到提高；減少了精密機(jī)械部件的加工費(fèi)用，使整車生產(chǎn)成本也有望降低；電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪甚至兩者集成為一體，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；電動(dòng)輪與動(dòng)力源之間采用軟電纜連接，占用空間很少，因此使電動(dòng)汽車整車布置設(shè)計(jì)非常靈活，容易實(shí)現(xiàn)汽車的低地板化，行李箱及乘客位置設(shè)計(jì)更靈活，整車質(zhì)量分布設(shè)計(jì)自由度大，使軸荷分配更趨合理；由于動(dòng)力傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)減少，與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，能夠降低噪音；容易實(shí)現(xiàn)性能更好的、成本更低的牽引力控制系統(tǒng)(TCS)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)(VDC)及電子穩(wěn)定功能(ESP)等；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)非?？?可達(dá)到0．2ms)且容易測(cè)得其準(zhǔn)確值，這對(duì)TCS、ABS、VDC系統(tǒng)來(lái)說是非常重要的；具有無(wú)級(jí)變速特性且便于實(shí)現(xiàn)汽車巡航控制功能：對(duì)各車輪采用制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，則可大大提高汽車能量利用率：容易實(shí)現(xiàn)汽車底盤系統(tǒng)的電子化、主動(dòng)化，各車輪的驅(qū)動(dòng)力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行時(shí)時(shí)控制，真正實(shí)現(xiàn)汽車的“電子主動(dòng)底盤”[7]。
1．3 電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車電子差速技術(shù)概述
當(dāng)車輛行駛在轉(zhuǎn)彎路面或彎道時(shí)，為了達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，車輛轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外輪應(yīng)當(dāng)具有一定的速度差，即差速。傳統(tǒng)汽車中是依靠行星輪的自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)左、右車輪差速，對(duì)于采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車來(lái)說，各輪之間同樣存在轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制的問題。電子差速(Electrical Differential，簡(jiǎn)稱ED)是一種以純軟件方式使各動(dòng)力輪的行駛速度滿足一定約束關(guān)系的差速方法，完全采用電控方式控制各車輪的轉(zhuǎn)速，使其以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向的同時(shí)保證車輪不發(fā)生拖動(dòng)或者滑移，而做純滾動(dòng)。該方法是實(shí)現(xiàn)其他復(fù)雜控制算法的基礎(chǔ)，它直接影響到整車控制算法的實(shí)施質(zhì)量瞵[8-10]。
電子差速轉(zhuǎn)向控制是雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動(dòng)輪電子差速技術(shù)已經(jīng)成為電動(dòng)輪整車控制系統(tǒng)必須解決的問題。電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車輪心通過懸架與車體相連，車輪輪心的水平速度與車體該處的水平速度相等，但由于懸架的上、下運(yùn)動(dòng)，還會(huì)引起輪心產(chǎn)生垂向速度(如車輪爬坡行駛)，這兩個(gè)速度分量的合成即為實(shí)際輪心速度，由此可見，在轉(zhuǎn)向及汽車在不平路面上行駛時(shí)，各輪輪心速度是不相等的，為此也要求各輪轉(zhuǎn)速也不相同，并與相應(yīng)輪心速度相協(xié)調(diào)。對(duì)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，各車輪之間沒有機(jī)械連接，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互獨(dú)立，那么電動(dòng)車各車輪在汽車轉(zhuǎn)向或在不平路面上行駛時(shí)同樣要滿足車輪旋轉(zhuǎn)線速度與該車輪的輪心速度相協(xié)調(diào)的關(guān)系。只有滿足這一前提，才能說解決了電動(dòng)輪汽車的差速問題。
1．4國(guó)內(nèi)外差速技術(shù)研究情況
國(guó)內(nèi)近兩年開始研究電子差速技術(shù)，但效果均不理想。從所掌握的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車的電子差速技術(shù)研究可分為兩條途徑，一條是通過整車控制器調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)；一條是通過電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
沈勇等提出了一種基于線性Ackerman轉(zhuǎn)向模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的復(fù)合模型，用于對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的各車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其模型參數(shù)可以用實(shí)際整車數(shù)據(jù)來(lái)直接整定。該控制方法利用Ackerman轉(zhuǎn)向模型輸出各車輪速度間的線形關(guān)系，而采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)彌補(bǔ)行駛時(shí)車輪速度的實(shí)際差異，以補(bǔ)償汽車的非線性特性，從而達(dá)到了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的目的，并在中低速行駛時(shí)使差速問題得到一定解決[11]。上述研究以采用Ackerman模型建立汽車各輪轉(zhuǎn)速關(guān)系為基礎(chǔ)建立電子差速控制器。我們知道，車輛純滾動(dòng)時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速比即為轉(zhuǎn)彎半徑之比，Ackerman模型只是進(jìn)行了靜態(tài)分析，沒有考慮輪胎的影響，忽略了車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的離心力和向心力。采用這種控制策略，在低速時(shí)其差速性能是可以接受的。但當(dāng)車速較高，轉(zhuǎn)向角較大時(shí)，汽車響應(yīng)與輸入之間的非線性特性非常明顯。此時(shí)，以理想Ackerman模型為基礎(chǔ)的差速控制器已很難滿足整車對(duì)差速性能的要求。
葛英輝，李春生等分析了上述控制方法的不足，提出電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車不應(yīng)采用車輪轉(zhuǎn)速作為控制變量，并考慮轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪垂直載荷的變化，提出以兩驅(qū)動(dòng)輪的附著力相等為目標(biāo)的電子差速控制策略，并以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使得車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性減到最小[12-16]。該方法在理論上是可行的，但在實(shí)際汽車行駛過程中，能否對(duì)汽車的小滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制是值得商榷的。
陳勇研究了采用兩直流電機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)方式解決電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車的差速技術(shù)[17]，該差速方法靠?jī)呻姍C(jī)的電壓與電樞電流的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)外輪轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)差速，但兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩不能實(shí)時(shí)控制。且該方法中各驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩相互關(guān)聯(lián)，失去了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)本身的優(yōu)勢(shì)。
國(guó)外研究發(fā)展和現(xiàn)狀Ju．sang Lee等則利用非線性Ackerman模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子差速器。該系統(tǒng)仍采用轉(zhuǎn)向角與車速作為控制器的輸入，輸出內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速[18]。Sinclair Gair等研究了后輪采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，提出了一個(gè)基于滑?？刂频牟钏倏刂撇呗?，根據(jù)加速踏板信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)及整車參數(shù)確定轉(zhuǎn)向時(shí)的左右車輪轉(zhuǎn)速，以加速踏板信號(hào)決定車速，轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)輪轉(zhuǎn)速等于加速踏板確定的車速，而外輪轉(zhuǎn)速則根據(jù)車速信號(hào)，整車參數(shù)及內(nèi)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算得出 [19]。Rafal Setlak研究了采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)鉸接重型卡車的差速技術(shù)，也是采用Ackerman模型控制各車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的[20]。
F．Carricchi等提出了采用單定子，雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差速技術(shù)。當(dāng)汽車直行時(shí)，定子磁通分成兩個(gè)相等的部分，故兩個(gè)轉(zhuǎn)子工作時(shí)的電磁條件相同。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，由于采用單逆變器供電，可認(rèn)為供電頻率為常數(shù)，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速增加，相應(yīng)轉(zhuǎn)子(稱為轉(zhuǎn)子)接近同步轉(zhuǎn)速，其繞組電流下降，對(duì)定子的電抗也下降，轉(zhuǎn)子2的滑差率更大，其繞組電流和電抗增加，故定子磁通流向轉(zhuǎn)子l，轉(zhuǎn)子2的電磁轉(zhuǎn)矩下降。因其外輪負(fù)載增加，故外輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也增加。雙轉(zhuǎn)子差速驅(qū)動(dòng)橋模型。Kawamura等論述了一種ADTR(Anti．directional．twin．rotary)電機(jī)，它把傳統(tǒng)的電機(jī)的定子重新設(shè)計(jì)使其也能轉(zhuǎn)動(dòng)。它轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子相反。由于這種電機(jī)以同樣轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)兩根軸，而不需要差速器，使電動(dòng)汽車傳動(dòng)系得到簡(jiǎn)化。但用它驅(qū)動(dòng)同軸車輪時(shí)須裝反向齒輪。后來(lái)該研究組又提出復(fù)合多相雙轉(zhuǎn)子交流電機(jī)，它通過對(duì)定子繞組輸入多相交流電來(lái)單獨(dú)控制每個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩[21]。Patrick等提出了采用一個(gè)逆變器為兩個(gè)并聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)供電結(jié)構(gòu)，通過建立雙電機(jī)矢量控制的模型，證明通過控制雙電機(jī)電流可控制兩電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，而通過控制電流控制兩電機(jī)差動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這種控制方法在兩電機(jī)從轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)進(jìn)入轉(zhuǎn)矩不等時(shí)，轉(zhuǎn)子電流波動(dòng)很大，且兩電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與電流互相影響。
從上述分析可知，目前電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車的差速技術(shù)還沒有得到有效解決。
1．5本課題的主要研究工作
(1) 電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速：電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能直接影響和制約著電動(dòng)汽車的行駛速度和穩(wěn)定性。本文選擇輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)兩組PWM占空比值，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)輪轂電機(jī)同時(shí)調(diào)速。
(2)電子差速的速度分配：本文通過測(cè)量車體的轉(zhuǎn)彎半徑和車輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)向角、方向盤的輸入模擬量和左右輪之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)差速控制。
(3)直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)。
1．6本論文各部分的主要內(nèi)容
本文以下內(nèi)容安排如下：第一章是目前電動(dòng)汽車的發(fā)展背景和各國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展的概述；第二章論述了無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及輪轂式直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)：第三章是關(guān)于電子差速的研究，對(duì)電子差速轉(zhuǎn)向時(shí)各個(gè)車輪的速度和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析和計(jì)算，并分析了轉(zhuǎn)向時(shí)電動(dòng)汽車的工作情況；第四章描述了電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制部分硬件設(shè)計(jì)；第五章是電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制部分軟件設(shè)計(jì)；第六章差速實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)、測(cè)試波形的結(jié)果；最后是關(guān)于電動(dòng)汽車差速控制的結(jié)論。
第二章 電動(dòng)車差速控制原理及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇
2．1 電子差速控制算法
2．1．1 自然差速的可行性分析
當(dāng)車輛行駛在轉(zhuǎn)彎路面或巷道時(shí)，為了防止不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，內(nèi)輪和外輪將具有不同的速度。傳統(tǒng)燃油汽車通過左右輪間的機(jī)械差速器保證了兩側(cè)車輪能夠以不同速度旋轉(zhuǎn)，如圖2．1所示。汽車處于直線行駛狀態(tài)，行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)，兩半軸齒輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)，汽車直線行駛?cè)鐖D2．1(右上)。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，行星齒輪既有公轉(zhuǎn)，又有自轉(zhuǎn)，使兩半軸齒輪以不同速轉(zhuǎn)動(dòng)，允許兩后輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)如圖2．1(右下)。這種調(diào)整是自動(dòng)的，這里涉及到“最小能耗原理"，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進(jìn)一個(gè)碗內(nèi)，豆子會(huì)自動(dòng)停留在碗底而絕不會(huì)停留在碗壁，因?yàn)橥氲资悄芰孔畹偷奈恢?位能)，它自動(dòng)選擇靜止(動(dòng)能最小)而不會(huì)不斷運(yùn)動(dòng)。同樣的道理，車輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)也會(huì)自動(dòng)趨向能耗最低的狀態(tài)，自動(dòng)地按照轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導(dǎo)致兩邊車輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫
使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，使外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車輪轉(zhuǎn)速的差異。以上可見差速器有三大功用：把發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳輸?shù)杰囕喩?，充?dāng)汽車主減速齒輪，在動(dòng)力傳到車輪之前將傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速減下來(lái)將動(dòng)力傳到車輪上，同時(shí)，允許兩輪以不同的輪速轉(zhuǎn)動(dòng)。
雖然差速器滿足了汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，同時(shí)也增加了減震懸架系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的效率。本研究的電動(dòng)汽車采用獨(dú)立的輪式驅(qū)動(dòng)方式[22]，即每個(gè)車輪有一個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。這樣，與單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車相比，本研究所要設(shè)計(jì)的樣車，其兩個(gè)后輪都能獨(dú)立提供驅(qū)動(dòng)力，可以按運(yùn)行工況需求獨(dú)立分配功率，因此不需要傳統(tǒng)的機(jī)械差速器，而代之為新技術(shù)內(nèi)涵的電子差速系
圖2.1傳統(tǒng)機(jī)械差速器
汽車的差速問題主要是指車輪旋轉(zhuǎn)線速度不能與車輪的輪心速度相協(xié)調(diào)?；蛘哒f，車輪滾過的距離不等于車輪輪心沿平行于行駛路面軌跡移動(dòng)的距離引起車輪拖滑或者滑轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致汽車不能正常行駛．即車輪運(yùn)動(dòng)不滿足以下兩式[23]：
(2.1)
(2.2)
式中，v為第i個(gè)車輪輪心處的速度：、分別為第i個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)角速度和車輪滾動(dòng)半徑；為車輪輪心沿平行于行駛路面軌跡移動(dòng)的距離。若汽車各車輪運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)滿足上式，則汽車不存在前述差速問題。電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車各車輪之間沒有機(jī)械連接，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互獨(dú)立，那么汽車各車輪在汽車轉(zhuǎn)向或在不平路面上行駛時(shí)的差速問題是電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)必須解決的。
在考慮汽車車體與車輪相互作用力時(shí)，汽車的受力如圖2.2：
圖2．2整車動(dòng)力系統(tǒng)模型
這里重點(diǎn)研究輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電子差速控制系統(tǒng)，因此，忽略懸架特性，選取其縱向、側(cè)向和橫擺三個(gè)自由度，建立整車動(dòng)力學(xué)模型，其方程如下[24]：
(2.3)
(2.4)
(2.5)
式中，m為整車質(zhì)量； 、分別為整車縱向速度和側(cè)向速度：V為車速，且。、分別為車輪所受的縱向力和側(cè)向力(下標(biāo)夕、fr、rl、及rr分別表示左前、右前、左后、右后車輪)；、氏分別為前輪內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)向角；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；g為重力加速度；為道路坡度角：為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；為空氣密度；、分別為汽車質(zhì)心到前、后軸的距離；CG為整車質(zhì)心：、分別為前、后軸車輪輪距；為車輛繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為車身側(cè)偏角：為橫擺角速度。車輪動(dòng)力學(xué)方程如下[25]：
（2.6）
式中，為單個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；為每個(gè)車輪的阻力矩，且，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；r為車輪半徑；Jm為折算到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這里減速比為1，因此有，其中、紈分別為電機(jī)和車輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，向心加速度會(huì)使整車軸載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而對(duì)輪胎滑移率產(chǎn)生影響。向心力可用下式計(jì)算：
（2.7）
輪胎的垂直載荷為[25]：
（2.8）
式中，h為質(zhì)心高度。輪胎側(cè)偏角計(jì)算如下[26]：
（2.9）
式中，車身質(zhì)心側(cè)偏角。輪胎縱向力和側(cè)向力可分別用以下兩式計(jì)算：
（2.10）
（2.11）
式中，i分別代表fl、fr、rl、rr；，、、分別為與地面狀況相關(guān)的常數(shù)。輪胎滑移率S可表示為：
（2.12）
2．1．2電子差速器差速原理
電子差速器要實(shí)現(xiàn)車輛直線行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)車輪線速度相等，通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量速度，將信號(hào)送入中央處理器，中央處理器比較左右兩輪的轉(zhuǎn)速，并通知電機(jī)控制器，使左右車輪速度一致，并且保證左右兩車輪滾過相同的距離；車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，欲使輪胎不發(fā)生滑移，需要保證驅(qū)動(dòng)車輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的角速度相等，根據(jù)方向盤給定的轉(zhuǎn)角、基于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽：乍差速控制設(shè)計(jì)
路面狀況和車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，中央處理器進(jìn)行計(jì)算，將兩輪所需的轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給電機(jī)控器，實(shí)現(xiàn)對(duì)左右兩車輪的差速控制‘271。車輛直線行駛時(shí)，由于電機(jī)直接與車輪相連，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度即為車輪的角速度，由于假設(shè)各個(gè)車輪的滾動(dòng)半徑相等，所以有下式成立：
（2.13）
式中，、分別為左右驅(qū)動(dòng)車輪的旋轉(zhuǎn)角速度；當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角≠O，存在部分車輪的轉(zhuǎn)速過快或過慢，這將導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向困難，出現(xiàn)某些車輪與地面相對(duì)的平移滑動(dòng)，從而加速了輪胎的磨損。因此，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保證在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，所有車輪均繞轉(zhuǎn)向中心O作純滾動(dòng)，內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角應(yīng)大于外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角。圖2.3為汽車轉(zhuǎn)向的幾何關(guān)系示意圖[27]。設(shè)向左轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角為正，向右轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角為負(fù)，在車輛低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，電子差速器可依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)[28]。由圖2．3，根據(jù)其幾何關(guān)系，得：
（2.14）
式中，、分別為前軸內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向半徑；、分別為后軸內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向半徑。
圖2．3汽車轉(zhuǎn)向示意圖
前軸內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)向角可表示為：
（2.15）
式中，為方向盤轉(zhuǎn)角；K為兩主銷中心延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離。汽車在良好路面上行駛(左右車輪地面附著系數(shù)相同)，當(dāng)正常轉(zhuǎn)向時(shí)，若車輪不產(chǎn)生滑動(dòng)，四車輪相對(duì)于轉(zhuǎn)向中心的角速度相等，設(shè)角速度為，前、后軸中心轉(zhuǎn)彎半徑、。其與軸距和方向盤轉(zhuǎn)角的函數(shù)：
（2.16）
整車中心相對(duì)轉(zhuǎn)向中心的旋轉(zhuǎn)半徑可表示為：
（2.17）
其旋轉(zhuǎn)角速度為：
（2.18）
又， 可用后軸中心速度表示：
（2.19）
式中、分別為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪的線速度， 并且有，
， 、分別為兩驅(qū)動(dòng)車輪的角速度，也即輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度。因此，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，以整車質(zhì)心速度為參考，計(jì)算每個(gè)車輪繞轉(zhuǎn)向中心的線速度，進(jìn)而得出每個(gè)車輪需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過向電機(jī)控制器發(fā)出電壓指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而調(diào)整車輪轉(zhuǎn)速，合理的分配每個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車輪的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向行駛。同時(shí)由兩后輪轉(zhuǎn)向角度相等可得出，車輛純滾動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速比即為其轉(zhuǎn)彎半徑之比。
綜上所述，本文提出的新的電子差速控制方案，基于上述己有的技術(shù)思路，以轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為控制變量，從而在力求完善電動(dòng)汽車操縱性能和平穩(wěn)性的前提下，EV直線前行時(shí)，轉(zhuǎn)矩將平均分配在左右輪上；在轉(zhuǎn)向運(yùn)行時(shí)，則對(duì)左右驅(qū)動(dòng)輪輸入不同的速脈沖以確保駕駛更安全平穩(wěn)。
2．2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇
2．2．1 電動(dòng)汽車對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，決定了整車性能的優(yōu)劣。電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況非常復(fù)雜， 既要能高速飛馳，又要能大負(fù)載爬坡，需要頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、快速超車、緊急剎車：既要能適應(yīng)雪天、雨天、盛夏、嚴(yán)冬等惡劣天氣條件，又要能承受道路的顛簸振動(dòng)，還要保證司乘人員的舒適與安全，在零排放或少排放的前提下，滿足汽車的各項(xiàng)性能、價(jià)格指標(biāo)的要求。因此，電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有別于一般工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，除了具有普通電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的共性，還需要滿足以下幾點(diǎn)要求[29-33]：
(1) 高轉(zhuǎn)矩一慣量比和寬調(diào)速范圍。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，低速(恒轉(zhuǎn)矩區(qū))運(yùn)行應(yīng)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足快速起動(dòng)、加速、爬坡等要求，在高速區(qū)(恒功率區(qū))，應(yīng)具有高轉(zhuǎn)速(低轉(zhuǎn)矩)、寬范圍的特性，以滿足汽車在平坦路面能夠高速行駛、超車等要求。
(2) 在整個(gè)轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)的高效運(yùn)行。電動(dòng)汽車頻繁起停，工作區(qū)域?qū)?，?jīng)常運(yùn)行在低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，因而要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(包括功率變換器、電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng))有盡可能寬的高效率區(qū)域，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛距離盡可能長(zhǎng)。
(3)加減速性能好，轉(zhuǎn)矩控制靈活且響應(yīng)快，可適應(yīng)路面變化及頻繁的起動(dòng)和剎車
(4) 電機(jī)及電控裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、抗顛簸振動(dòng)，有一定的過載能力，單位功率系統(tǒng)的設(shè)備成本盡可能低。
(5)可靠性好，適用于車輛的各種惡劣工況。電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)需要與能量管理系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、車身穩(wěn)定性系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、被動(dòng)安全系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作，最大限度的保障運(yùn)行的可靠性和安全性，保障車輛和人員安全。控制器體積小、成本低控制算法盡量簡(jiǎn)單實(shí)用，程序可靠性好、穩(wěn)定性高。
(6)可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，電氣系統(tǒng)保障措施完善。
上述要求對(duì)電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制提出了較高的要求，由此也引起了很多相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，下一小節(jié)將就此展開討論。
2．2．2電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是EV中最為關(guān)鍵的動(dòng)力系統(tǒng)。EV運(yùn)行性能主要決定于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型和性能。EV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由牽引電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)(包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控器及各種傳感器)、機(jī)械減速及傳動(dòng)裝置、車輪等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)通過接收加速踏板(相當(dāng)于燃油車的油門)、剎車、停車、前進(jìn)、倒車、空擋和轉(zhuǎn)向盤的輸出信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理，輸入到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制功率電路的功率輸出量實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，驅(qū)動(dòng)車輪。
電動(dòng)汽車運(yùn)行的顯著特點(diǎn)是頻繁的起、停、加減速?；贓V這一特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)有較高的瞬時(shí)功率和功率密度(w/kg)。而為了提高EV一次充電行駛距離，電動(dòng)機(jī)又應(yīng)有較高的效率，考慮到電動(dòng)汽車是變速工作的，所以電動(dòng)機(jī)有較高的高低速綜合效率。對(duì)應(yīng)于電動(dòng)汽車起動(dòng)和爬坡時(shí)速度較低，但要求轉(zhuǎn)矩較大；正常運(yùn)行時(shí)則所需力矩較小，而速度較高的運(yùn)行工況，故用于電動(dòng)汽車上的電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有以下機(jī)械特性：在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩特性，高速時(shí)則為恒功率特性，且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的范圍應(yīng)較寬。目前，電動(dòng)汽車中的驅(qū)動(dòng)控制系所使用的不同類型的電機(jī)可分為以下四類[34]：
(1) 直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
以直流電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)稱為直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器的功率電路，通常采用斬波器控制方法，它具有控制較簡(jiǎn)單、效率較高、成本低和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但直流電動(dòng)機(jī)具電刷、換向器等易損件，需定期維護(hù)，同時(shí)，與交流電動(dòng)機(jī)相比，其效率較低、價(jià)格高、重量及體積大等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受限。
(2) 交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
以交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)稱為交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常簡(jiǎn)稱交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比，具有效率高、體積小、重量輕、免維護(hù)、堅(jiān)實(shí)可靠、易冷卻和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但控制電動(dòng)機(jī)逆變器較復(fù)雜：～是控制用的大功率管的數(shù)量要多于直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；另一方面要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的良好調(diào)速性能必須采用矢量控制方法，從而在其逆變器中除需高性能的微處理器外，控制軟件也較復(fù)雜。應(yīng)當(dāng)指出，隨著電子技術(shù)的發(fā)展交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的逆變器技術(shù)己同趨成熟。
同樣，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展兩系統(tǒng)的成本差距只益接近。從目前來(lái)看，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總的成本高于直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本，但是由于交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有效率高、重量輕，能更有效地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)等固有特性，因此在工程應(yīng)用中己成為EV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選方案。
(3) 永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
在各類電機(jī)中，永磁電機(jī)具有最高的功率密度。以永磁同步電機(jī)(含無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BDCM)和三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM))為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系稱為永磁交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它與前二種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比較，是效率最高，體積最小、重量最輕，且無(wú)需維護(hù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在EV中也已得到了一定的應(yīng)用。但該類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前尚存在成本太高的缺點(diǎn)，而且在可靠性和使用壽命等指標(biāo)上也比交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差。同時(shí)，大功率的PMSM和BDCM的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造，尚存在一定的技術(shù)難度。然而，從發(fā)展角度看，我國(guó)是盛產(chǎn)永磁材料的國(guó)家，特別是稀土永磁材料，如釹鐵硼等資源非常豐富，因而隨著永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以及成本的不斷下降，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在
EV中的應(yīng)用前景令人矚目。
(4) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更為簡(jiǎn)單可靠，效率較高，特別是轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，適合于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊負(fù)載等工況條件。驅(qū)動(dòng)功率電路采用的功率開關(guān)元件較少，電路較簡(jiǎn)單。功率元件與電動(dòng)機(jī)繞組串聯(lián)，不易發(fā)生直通短路。能實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍，低速大轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)能量回饋等特性，因此該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別適合EV。當(dāng)然，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不足之處在于振動(dòng)較大，噪聲亦較大。
基于上述分析，本課題選擇永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即永磁同步電機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BDCM)和三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)中的BDCM作為驅(qū)動(dòng)主機(jī)。
2．2．3永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本特點(diǎn)和選擇
(1)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
無(wú)刷直流電機(jī)兼有交流異步電機(jī)簡(jiǎn)單、可靠、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)和有刷直流電機(jī)調(diào)速性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域得都到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和各種新型永磁材料的發(fā)展，直流無(wú)刷電機(jī)的制造和控制技術(shù)也趨于成熟，為許多高性能伺服系統(tǒng)提供了一種全新的執(zhí)行元件，無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為應(yīng)用研究的重點(diǎn)[35,36]。通常把無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)分成三個(gè)部分，即電機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路[37]，整個(gè)系統(tǒng)可以用圖2．4表示：
圖2.4無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)
直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：
① 因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用高磁能積的稀土磁鋼作為轉(zhuǎn)子磁鋼，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比鼠籠式轉(zhuǎn)子要小，所以對(duì)于給定的轉(zhuǎn)矩能夠響應(yīng)得更快，控制特性更好。
② 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的效率比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高。因?yàn)樵诟袘?yīng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的銅損和鐵損，在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中則沒有。基丁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車差速控制設(shè)計(jì)
③ 在相同容量下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的體積相對(duì)要比感應(yīng)電機(jī)小，重量輕。
④ 無(wú)刷直流電機(jī)的噪音小。
⑤ 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速方便、靈活、范圍廣。
由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)較多，所以其應(yīng)用廣泛。
(2)電動(dòng)車用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的選擇
從結(jié)構(gòu)形式上看，目前電動(dòng)車用電機(jī)主要采用中軸式和輪轂式。中軸式不但對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工藝要求較高，而且中軸式電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)占了原來(lái)已經(jīng)有些緊張的空間，這些都是它們的缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)重量較輕體積也不大；輪轂式采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，沒有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增大了安裝空間，對(duì)能量再生控制的實(shí)現(xiàn)也較為有利。但輪轂式電機(jī)的尺寸受到輪胎直徑的限制。本文考慮兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展方向，選擇了輪轂式的永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的機(jī)。就該電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理等方面進(jìn)行詳細(xì)的分析。本文使用的輪轂式永磁無(wú)刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式[38]，類似于傳統(tǒng)的永磁直流電機(jī)固定在轉(zhuǎn)子磁軛上的由釹鐵硼制成的永磁體磁鋼形成永磁體的磁極，其氣隙磁場(chǎng)一般梯形波分布。其定子繞組結(jié)構(gòu)類似于三相交流電動(dòng)機(jī)的整距繞組，三相繞組在空間以120度的電角度均勻分布。本研究樣車采用的輪轂電機(jī)額定直流電壓為48V，額定輸出功率為2kw，極對(duì)數(shù)為24，額定轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)／分。在供電方式上該輪轂式電機(jī)需要實(shí)時(shí)地根據(jù)轉(zhuǎn)子位置判斷定子繞組的供電序，這就需要相應(yīng)的控制邏輯電路和電力電子電路。
2．2．4位置傳感器的選擇
轉(zhuǎn)子位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器的種類很多，且各具特點(diǎn)。目前，在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種類型。
(1)電磁式位置傳感器
電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其位置測(cè)量作用的[39]，主要有開121變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種類型，在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，用的最多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但是這種傳感器的信噪比比較低，體積較大，同時(shí)輸出信號(hào)為交流，一般需要整流、濾波以后才能使用。其原理如圖2．5
圖2．5開口變壓器原理圖
(2)光電式位置傳感器
這種傳感器是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成[40]。光電式位置傳感器的性能比較穩(wěn)定，但存在光源燈泡壽命短、使用要求較高等缺陷，若采用新型光電元件，可克服這些不足之處。其原理如下圖2．6所示：
圖2．6光電式位置傳感器工作原理圖
(3)磁敏式位置傳感器
磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按照一定規(guī)律隨周圍磁場(chǎng)變化的半導(dǎo)體敏感元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)[41]。目前，常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。磁敏元件的主要工作原理是電流的磁效應(yīng)，它主要包括霍爾效應(yīng)，現(xiàn)介紹如下。任何帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場(chǎng)中沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都要受到磁場(chǎng)作用力，稱為洛倫茲力。洛倫茲力的大小與質(zhì)點(diǎn)的電荷量、磁感應(yīng)強(qiáng)度及質(zhì)點(diǎn)的速度成正比。例如，在圖2．7所示的長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上加上電場(chǎng)E后，在沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，電子沿外電場(chǎng)E的反方向運(yùn)動(dòng)(圖2．7(1))，當(dāng)加以與外電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)B時(shí)，運(yùn)動(dòng)著電子受到洛倫茲力作用向左邊偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度圖(2．7(2))，因此，在半導(dǎo)體橫向方向邊緣上產(chǎn)生了電荷，由于該電荷積累產(chǎn)生了新的電場(chǎng)，稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)又影響了元件內(nèi)部的電場(chǎng)方向，隨著半導(dǎo)體橫向方向邊緣上的電荷積累不斷增加，霍爾電場(chǎng)力也不斷增大，它逐漸抵消了洛倫茲力，使電子不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從
而使電流方向又回到平行于半導(dǎo)體側(cè)面方向(圖2．7(3))，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)這個(gè)霍爾電場(chǎng)的積累，就在元件兩側(cè)間顯示出電壓，稱為霍爾電壓，這個(gè)就是所謂的霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅髟韴D研究結(jié)果表明，在半導(dǎo)體薄片上產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)E(圖2．7(4))可用下式表示：
(2.20)
(2.21)
式中 —霍爾系數(shù)（）
— 控制電流(A)
B—磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)
d—薄片厚度(m)
p—材料電阻率()
u—材料遷移率()
若在式中常用系數(shù)表示，那么有
(2.22)
KH——霍爾元件的靈敏度(mV／(mA.T)，KH=RH／d。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾元件的平面法線成一角度時(shí)，那么實(shí)際上作用于霍爾元件的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量，此時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)為
(2.23)
上述霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大器，很不方便隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊N型硅外延片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路。這種集成電路包括線性型和開關(guān)型兩種，一般而言，無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器宜選用開關(guān)型。
圖2．7霍爾效應(yīng)原理
除了上述三大類位置傳感器外，還有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等多種位置傳感器。但是，這些元件成本較高，體積較大，而且所配電路復(fù)雜，因而在一般的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中很少采用。
從以上分析可知，靈敏度高、集成度高、占空間小、適合數(shù)字電路應(yīng)用的霍爾傳感器是本課題直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)使用的最佳選擇。
2．2．5 三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主電路選擇
(1)三相Y聯(lián)結(jié)全控電路
目前，對(duì)于普及的三相直流無(wú)刷電機(jī)，大多采用三相橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)[42],其結(jié)構(gòu)圖2．8示出了一種三相全控電路[43]，電動(dòng)機(jī)的電路為三相繞組Y聯(lián)結(jié)。節(jié)、、、、、為六只MOSFET功率管，起繞組的開頭作用。、、為P溝道朋MOSFET，其柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，、、為N溝道MOSFET，其柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通。它們的通電方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式兩種。
圖2.8 Y聯(lián)結(jié)繞組三相全控橋式電路
1.兩兩通電方式 所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60電角度)換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通120電角度。各功率管的導(dǎo)通的順序是、、、、、...當(dāng)功率管和導(dǎo)通時(shí)，電流從管流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)回到電源。如果認(rèn)定注入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.9(1)所示，其大小為行和-的角平分線上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過60度后，由通電換成通電。這時(shí)，電流從注入B相繞組再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖2.9(2)所示，其大小同樣為。但合成轉(zhuǎn)矩的方向轉(zhuǎn)過了60電角度。而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小始終保持不變。圖2-.9(3)示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。
圖2.9 Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
a),導(dǎo)通時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩 b),導(dǎo)通時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩
c)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
所以，同樣一臺(tái)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時(shí)，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路，在兩兩換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60電角度換相一次，每個(gè)功率管通電120度，每個(gè)繞組通電240度，其中正向通電和反向通電各120度。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)僅從0.87到。其換相的控制電路可由一片3-8型譯碼器和74LS09、74LS38兩片門電路組成，如圖2.10所示。
圖2.10 全控橋兩兩通電電路原理圖
2.三三通電方式 所謂三三通電方式，是指每一個(gè)瞬間均有三只功率管同時(shí)通電，每隔60電角度換相一次，每個(gè)功率管通電180度，它們的導(dǎo)通次序是、、、、、、.當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，電流從流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組(這時(shí)B, C兩相繞組為并聯(lián))分別從和流出。這時(shí)流過B相和C相繞組的電流分別為流過A相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩如圖2.11(1)所示，方向同A相，而大小為 ,.經(jīng)過60電角度后，換相到通電，即先關(guān)斷而后導(dǎo)通 (注意，一定要先關(guān)而后通,否則就會(huì)出現(xiàn)和同時(shí)導(dǎo)通，則電源被這兩個(gè)功率管短路，這是絕對(duì)不允許的)。這時(shí)電流分別從和注入，經(jīng)A相和B相繞組再流入C相繞組，經(jīng)流出，合成轉(zhuǎn)矩如圖2.11(2)所示。其方向與相同，轉(zhuǎn)過了60度，大小仍然是 ,.再經(jīng)過60電角度后，換相到通電，而后依次類推。它們的合成轉(zhuǎn)矩矢量如圖2.11(3)所示。
圖2-7 三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
1) 導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩 2) 導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩
3)三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩
其換相的邏輯控制電路如圖所示。在這種通電方式里，每瞬瞬間均有三個(gè)功率管通電。每隔60度換相一次，每次有一個(gè)功率管換相，每個(gè)功率管通電180度。
圖2．12 Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖
從某一相上看，它們的電壓波形如圖2．13所示：
圖2.13 Y聯(lián)結(jié)三三通電方式一相電壓波形
(2)三相△聯(lián)結(jié)全控電路
三相△聯(lián)結(jié)電路如圖2．14所示，也可分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式
圖2．14三相△聯(lián)結(jié)控制原理圖
1.兩兩通電方式 它們的通電順序是、、、、、…，當(dāng)通電時(shí)，電流從流入，分別通過A相和B, C兩相繞組，再?gòu)墓芰鞒?。這時(shí)繞組的聯(lián)結(jié)是B, C兩相繞組串聯(lián)后再同A相繞組并聯(lián)，如假定流過A相繞組的電流為I，則流過B, C相繞組的電流分別為I/2.這里的合成轉(zhuǎn)矩TO如圖2.15所示，其方向同A相轉(zhuǎn)矩，大小為A相轉(zhuǎn)矩的1.5倍。不難看出，其結(jié)果與Y聯(lián)結(jié)的三三通電相似。
圖2．15三相△聯(lián)結(jié)時(shí)兩兩通電合成轉(zhuǎn)矩適量圖
2.三三通電方式 這時(shí)的通電順序?yàn)?、、、、、?當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，電流從流入，經(jīng)A相和B相繞組，再分別從和流出。C相繞組則沒有電流通過，這時(shí)相當(dāng)于A, B兩相繞組并聯(lián)。如果假定電流的方向從A到B, B到C, C到A所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從B到A,C到B, A到C所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)。由圖可知，流向A相繞組所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩為正，而流入B相繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)。其合成轉(zhuǎn)矩矢量如圖2.16所示。其大小為A相轉(zhuǎn)矩的倍。不難看出，其結(jié)果與Y聯(lián)結(jié)兩兩通電的相似.所不同的是當(dāng)繞組Y聯(lián)結(jié)兩兩通電，為兩繞組串聯(lián)，而當(dāng)△聯(lián)結(jié)三三通電時(shí)，則為兩繞組并聯(lián)。
圖2.16三相△聯(lián)結(jié)時(shí)三三通電合成轉(zhuǎn)矩矢量圖
由于Y聯(lián)結(jié)相比△聯(lián)結(jié)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，控制電路也選擇和Y聯(lián)相關(guān)的控制電路。
2．2．6直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制原理
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它不僅包括電機(jī)本體部分，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅(qū)動(dòng)電路等。圖2．17給出了典型的三相橋式結(jié)構(gòu)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成。本控制系統(tǒng)采用PWM方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。其工作原理是：系統(tǒng)采用三相星形連接全控電路，采用兩兩導(dǎo)通方式。每一瞬間有2個(gè)功率管導(dǎo)通，每l／6隔周期(60。電角度)換向一次，每次換向一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120。電角度。
圖2．17無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖
控制回路以DSP芯片TMS320LF2407A為核心，采用雙閉環(huán)控制，以電流為內(nèi)環(huán)，
速度為外環(huán)，如圖2．18，在實(shí)際的過程控制與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最簡(jiǎn)單、最通用的控制器是比例．積分．微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制。它控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于整定，魯棒性好、可靠性高，在長(zhǎng)期工程實(shí)踐中己積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，是控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。在實(shí)際的過程控制與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，PID占有相當(dāng)?shù)牡匚?。DSP通過AD轉(zhuǎn)換接口，接收到I／O口的速度設(shè)定值，同時(shí)DSP也接收到確定轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)，通過讀霍爾信號(hào)值，確定所需逆變器通電相序，通過計(jì)數(shù)霍爾信號(hào)在周期內(nèi)的變化次數(shù)，確定電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器里進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速值，作為電流調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，電流從母線反饋到AD轉(zhuǎn)換接口，DSP將電流反饋值與電流設(shè)定值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的PWM控制信號(hào)U木，該信號(hào)控制PWM的占空比。PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)管的通斷，從而控制電源電壓輸出值。進(jìn)而控制電機(jī)的電流值，保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
圖2．18無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速原理圖
對(duì)電機(jī)的PWM(Pulse Widm Modulation)脈寬調(diào)制簡(jiǎn)寫為PWM控制有2種：半橋斬波和全橋斬波。其中只對(duì)上或下橋臂進(jìn)行PWM斬波控制的狀態(tài)，為半橋斬波。本項(xiàng)目用的是半橋斬波一上橋斬波。如果在下橋臂進(jìn)行PWM斬波的同時(shí)對(duì)相應(yīng)導(dǎo)通的上橋臂也進(jìn)行同樣的PWM斬波，則構(gòu)成全橋斬波的調(diào)壓調(diào)速控制。無(wú)論功率器件是全控的，是半控(六個(gè)功率器件中，只對(duì)其中的三個(gè)進(jìn)行斬波控制，例如只對(duì)下橋臂進(jìn)行斬波)的，由于上下橋臂各有功率器件導(dǎo)通，電流是從電源J下極經(jīng)過上橋臂，通過電機(jī)繞組和下橋臂功率器件流回電源的負(fù)極。當(dāng)斬波處于“斷開”狀態(tài)時(shí)全橋和半橋斬波則有不同的電流續(xù)流情況。對(duì)于全橋斬波，當(dāng)處于斬波“斷開"狀態(tài)時(shí)，各個(gè)功率器件均不開通。由于繞組電感的續(xù)流作用，電機(jī)電流將通過續(xù)流二極管形成回路。其方向是從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)下橋臂續(xù)流二極管、繞組和上橋臂續(xù)流二極管流回到電正極，電感儲(chǔ)能部分返回到電源。對(duì)于半橋斬波(以下半橋斬波為例)，由于“斷開”狀態(tài)只是半橋的功率件被關(guān)斷，下半橋仍然導(dǎo)通，故續(xù)流電流將通過一個(gè)下橋臂功率器件和一個(gè)橋臂續(xù)流二極管形成續(xù)流回路。此時(shí)，電感儲(chǔ)能并非反饋到電源，而是全部通過繞組轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能輸出。位置信號(hào)60度位置信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出下橋臂驅(qū)動(dòng)，120度位置信號(hào)輸出上橋臂功率開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)如圖2．19，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流。
圖2．19無(wú)刷商流電機(jī)控制邏輯關(guān)系圖
2．3本章小結(jié)．
本章闡述了電子差速的原理，輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車采用電子差速技術(shù)，使其轉(zhuǎn)向性能和系統(tǒng)的效率都更為優(yōu)異，是電動(dòng)車工程領(lǐng)域中富有特色的一類關(guān)鍵技術(shù)。本文通過對(duì)差速現(xiàn)象的深入分析和對(duì)現(xiàn)有的電子差速模型的系統(tǒng)化研究，提出了輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電子差速技術(shù)宜采用車輪速度作為控制變量的技術(shù)思路，構(gòu)建了低速行駛時(shí)的電子差速算法。這一算法的主導(dǎo)思想是考慮轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪轉(zhuǎn)向角度的變化以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性趨于極小值。為達(dá)到差速控制的要求，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行選擇，因此本章進(jìn)一步分析了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部聯(lián)結(jié)，位置傳感器和驅(qū)動(dòng)控制主式。得出了采用直流無(wú)刷Y聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī)，霍爾位置傳感器，上橋斬波調(diào)制控制。
第三章 電動(dòng)汽車差速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
電動(dòng)車系統(tǒng)一般由車體、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池和控制管理四個(gè)子系統(tǒng)組成。控制管理子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的智能核心，其作用是根據(jù)各種傳感信息，合理控制其余各子系統(tǒng)的工作，以獲得EV良好的動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)行特性和能量利用率。電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)則是電動(dòng)車行駛的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在很大程度上決定了整車的運(yùn)行性能和效率[44]。本文的硬件電路設(shè)計(jì)以TMS320LF2407A DSP為核心控制器，由主電路和控制電路兩部分組成；該系統(tǒng)主電路部分包括：三相橋式MOSFET逆變電路，霍爾位置檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)和功率保護(hù)電路，開關(guān)電源模塊四部分。主電路部分通過開關(guān)電源模塊為控制電路提供電源，同時(shí)將由PI控制算法產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路傳送到逆變電路的MOSFET觸發(fā)端?？刂齐娐钒―SP控制器，速度、電壓與電流等采樣模塊及相應(yīng)電路。DSP控制器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)，并產(chǎn)生12路PWM控制信號(hào)分別送給左、右電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3．1所示。當(dāng)電動(dòng)汽車上電運(yùn)行以后，DSP通過檢測(cè)電路實(shí)時(shí)獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓和電流等信號(hào)，同時(shí)由PI控制算法產(chǎn)生PWM信號(hào)傳送到逆變電路的MOSFET觸發(fā)端，在功率開關(guān)管的控制下將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)DSP通過A／D轉(zhuǎn)換接收到加速踏板送過來(lái)的設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)及反饋的霍爾的速度信號(hào)時(shí)，控制算法即做出調(diào)整，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定[45]。系統(tǒng)保護(hù)電路主要包括過(欠)壓、過流、短路、溫度等保護(hù)電路。
圖3．1電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖
3．1控制器DSP TMS320LF2407A概述
美國(guó)德州儀器公司的電機(jī)微控制器TMS320F2407是DSP(簡(jiǎn)稱DSP2407)控制器
24X系列的新成員，即電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品，它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降到3.3V，減小了控制器的功耗，處理性能更好(30MIPS)，幾種先進(jìn)外設(shè)被集成到該芯片內(nèi)，尤其是它具有兩個(gè)事件管理器模塊，所以能夠同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)。該基于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車差速控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)將其應(yīng)用到雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車電子差速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)得到了極大的簡(jiǎn)化[45]。
3，1．1 DSP的特點(diǎn)和資源
DSP芯片及數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP具有如下的主要特點(diǎn)[46,47]：
(1)在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和一次加法：
(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；
(3)片內(nèi)具有快速RAM，通常可以通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問；
(4) 具有低開銷或無(wú)開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；
(5)快速的中斷處理和硬件I／O支持；
(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；
(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作：
(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
TMS320LF2407A是基于TMS320C2XX型16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器的新型DSP
控制器。它是TI公司1997年針對(duì)新一代交流電機(jī)數(shù)字控制而推出的，除了具有以上DSP芯片的一般特點(diǎn)外，還有以下的特點(diǎn)[48]：
(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗。40MIPS(40百萬(wàn)條指令／秒)的執(zhí)行速度，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；
(2)基于TMS320C2xx的內(nèi)核，保證了與TMS320LF240x系列DSP的代碼兼容
性：
(3)片內(nèi)有高達(dá)32K字牛16位的flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5K字*16位的數(shù)據(jù)／程序RAM，544個(gè)字的雙端口RAM(DARAM)，2K的單口RAM(SARAM)；
(4)兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)均包括如下資源：兩個(gè)16位通用
定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制(PWM)通道，3個(gè)捕捉單元，1個(gè)QEP接口；
(5) 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共有192K字*16位的空間，分為64K字程序存儲(chǔ)空間、64K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和64K字的I／O空間；
(6)看門狗(WDl定時(shí)器模塊；
(7)16通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，具有可編程自動(dòng)排序功能，4個(gè)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換的
觸發(fā)源，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns：
(8)CAN2.0B模塊，即控制器局域網(wǎng)模塊；
(9) 串行通訊接口(SCI)和 16位串行外部設(shè)備接口(SPI)； ．．
(10)7個(gè)專用于串行掃描仿真口(JTAG口)的引腳，允許對(duì)器件進(jìn)行非侵入式的仿真，即無(wú)需使用連接至器件的全部引腳的插入式電纜。
3．1．2 控制系統(tǒng)中使用的DSP資源
(1) 中斷系統(tǒng)
TMS320LF2407A DSP的中斷分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩大類，其中可屏蔽中斷結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它采用CPU中斷和外設(shè)中斷兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)外設(shè)中斷擴(kuò)展器(PIE)對(duì)外設(shè)中斷進(jìn)行集中管理。其中有6個(gè)CPU中斷INTn，它們作為頂層中斷。還有38個(gè)外設(shè)中斷源，它們作為底層中斷。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：幾個(gè)外設(shè)中斷共用一個(gè)CPU中斷INTn作為中斷入口。當(dāng)這幾個(gè)外設(shè)中的某幾個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)生中斷申請(qǐng)時(shí)，它們中優(yōu)先級(jí)最高的獲得CPU中斷的響應(yīng)，硬件自動(dòng)地轉(zhuǎn)到這個(gè)CPU中斷入口地址(中斷向量地址)，同時(shí)將這個(gè)