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電動(dòng)汽車電子差速器設(shè)計(jì)說明,電路圖及CAD圖.rar
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- 1．1背景及研究的意義
20世紀(jì)各國的汽車工業(yè)在推動(dòng)國民經(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，簡稱EV) [1]，從上世紀(jì)90年代以來，己再度成為世界各國研究的熱點(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)汽車競爭力，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)汽車帶來很多優(yōu)點(diǎn)，可明顯提高電動(dòng)汽車相對傳統(tǒng)汽車的競爭能力，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，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)非常快(可達(dá)到0．2ms)且容易測得其準(zhǔn)確值，這對TCS、ABS、VDC系統(tǒng)來說是非常重要的；具有無級變速特性且便于實(shí)現(xiàn)汽車巡航控制功能：對各車輪采用制動(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，對于采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車來說，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國內(nèi)外差速技術(shù)研究情況
國內(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)來看，對電動(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，能否對汽車的小滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測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]，該差速方法靠兩電機(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。
國外研究發(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)基于滑模控制的差速控制策略，根據(jù)加速踏板信號和轉(zhuǎn)向信號及整車參數(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，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)系得到簡化。但用它驅(qū)動(dòng)同軸車輪時(shí)須裝反向齒輪。后來該研究組又提出復(fù)合多相雙轉(zhuǎn)子交流電機(jī)，它通過對定子繞組輸入多相交流電來單獨(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)展背景和各國電動(dòng)汽車的發(fā)展的概述；第二章論述了無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及輪轂式直流無刷電動(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。 ...
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