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电动汽车电子差速器设计说明,电路图及CAD图.rar
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- 1．1背景及研究的意义
20世纪各国的汽车工业在推动国民经济发展，造福于人类的同时，也给全球环境带。来了灾难性的影响。统计数据表明，42％的环境污染来源于燃油汽车的排放；80％的城市噪声是由交通车辆造成的。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。因而，当今石油资源匾乏导致的危机与环境保护的紧迫需求，都主导着汽车工业的发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。以开发内燃机系统的替代动力系统为基本思想，利用清洁能源为本质特征的电动汽车技术已经成为当今汽车领域发展的前沿课题之一。1873年戴维逊所研制成功的电动汽车(Electric Vehicle，简称EV) [1]，从上世纪90年代以来，己再度成为世界各国研究的热点。
目前，一些新颖的电动汽车(EV)采用独立的驱动方式，其代表是东京电力推出的IZA电动车[2]，其中集成的技术是一种直接驱动方法，每个轮装有轮毂电机，不再需要传动机构和差速齿轮，可按所需动力来分配两电机的功率，因此整个系统的效率得到提高，同时，对于这种驱动单元，需要一个电子差速驱动控制系统。现有关于电动轮电子差速技术的研究很少，其中大部分集中在带有差速运行的特殊电机设计上。例如 F．Carricchi等提出了采用单定子，双转子感应电机实现电动轮驱动系统的差速技术[3]；Kawamura等提出了一种ADTR (Anti．Directional—twin·rotary)电机[4] [5]：Patrick等提出了采用一个逆变器为两个并联的感应电机供电的结构[6]等。但这些特殊的电机均存在一定的不足之处，尚不能完全解决电动轮电子差速问题。综合以上内容可知，电动汽车的发展与普及是21世纪人类社会可持续发展的必然要求，但目前电动汽车综合性能与传统汽车尚不能相比，而且价格也较后者高。提高电动汽车的性价比是增强电动汽车竞争力，加快其商业化进程从而实现电动汽车普及所必需解决的问题。而电动轮驱动技术由于取消了机械传动，加上电动机的良好控制性能，给电动汽车带来很多优点，可明显提高电动汽车相对传统汽车的竞争能力，有望成为新一代电动汽车的核心驱动技术。它将加速电动汽车的商业化进程，使电动汽车快速普及，从而达到提高汽车能源利用率，缓解全球能源紧张的局势，降低汽车排放，改善全球环境的目标。
本课题以轮式后轮驱动电动汽车的工程项目为背景，立足于其动力系统性能的优化设计与控制，深入地研究了整车车辆差速控制的控制策略，开发了基于TI—DSP2407A的轮式后轮驱动电动汽车驱动控制系统。如上所述，本项目面向社会与新技术的发展需求，涉及车辆、电机、控制理论、电力电子等众多学科与工程技术领域，对于进一步研究开发电动车新技术，具有现实的学术和工程意义。
1．2 电动轮驱动技术概述
电动汽车电动轮驱动技术是利用多个独立控制电动机驱动汽车的四个车轮，动力源与车轮及车轮与车轮之间没有机械传动环节。电动机与车轮之间可以是轴式联接也可以将电动机嵌入车轮成为轮式电机，车轮可带或不带有轮边的减速器。本文用的电机是嵌入车轮不带轮边减速器的电动机。电动汽车采用电动轮驱动技术后，能量源与驱动电机之间的功率传递采用软电缆传递，摆脱了传统机械传动的设计约束。这给整车带来很多优点，具体如下：由于取消了离合器、变速箱、传动轴、差速器等部件，使传动系统得到简化，整车质量大大减轻，使汽车很好的实现了轻量化目标，传动效率得到提高；减少了精密机械部件的加工费用，使整车生产成本也有望降低；电动机直接驱动车轮甚至两者集成为一体，便于实现机电一体化；电动轮与动力源之间采用软电缆连接，占用空间很少，因此使电动汽车整车布置设计非常灵活，容易实现汽车的低地板化，行李箱及乘客位置设计更灵活，整车质量分布设计自由度大，使轴荷分配更趋合理；由于动力传动的中间环节减少，与内燃机汽车相比，能够降低噪音；容易实现性能更好的、成本更低的牵引力控制系统(TCS)、防抱死制动系统(ABS)、动力学控制系统(VDC)及电子稳定功能(ESP)等；电动机转矩响应非常快(可达到0．2ms)且容易测得其准确值，这对TCS、ABS、VDC系统来说是非常重要的；具有无级变速特性且便于实现汽车巡航控制功能：对各车轮采用制动能量回收系统，则可大大提高汽车能量利用率：容易实现汽车底盘系统的电子化、主动化，各车轮的驱动力可根据汽车行驶状态进行时时控制，真正实现汽车的“电子主动底盘”[7]。
1．3 电动轮驱动汽车电子差速技术概述
当车辆行驶在转弯路面或弯道时，为了达到转向的目的，车辆转向时内外轮应当具有一定的速度差，即差速。传统汽车中是依靠行星轮的自转实现左、右车轮差速，对于采用电动轮驱动的电动车来说，各轮之间同样存在转速协调控制的问题。电子差速(Electrical Differential，简称ED)是一种以纯软件方式使各动力轮的行驶速度满足一定约束关系的差速方法，完全采用电控方式控制各车轮的转速，使其以不同速度转动，在转向的同时保证车轮不发生拖动或者滑移，而做纯滚动。该方法是实现其他复杂控制算法的基础，它直接影响到整车控制算法的实施质量瞵[8-10]。
电子差速转向控制是双电动机驱动汽车的关键技术之一。电动轮电子差速技术已经成为电动轮整车控制系统必须解决的问题。电动轮驱动汽车轮心通过悬架与车体相连，车轮轮心的水平速度与车体该处的水平速度相等，但由于悬架的上、下运动，还会引起轮心产生垂向速度(如车轮爬坡行驶)，这两个速度分量的合成即为实际轮心速度，由此可见，在转向及汽车在不平路面上行驶时，各轮轮心速度是不相等的，为此也要求各轮转速也不相同，并与相应轮心速度相协调。对电动轮驱动的电动汽车，各车轮之间没有机械连接，运动状态相互独立，那么电动车各车轮在汽车转向或在不平路面上行驶时同样要满足车轮旋转线速度与该车轮的轮心速度相协调的关系。只有满足这一前提，才能说解决了电动轮汽车的差速问题。
1．4国内外差速技术研究情况
国内近两年开始研究电子差速技术，但效果均不理想。从所掌握的文献来看，对电动轮驱动汽车的电子差速技术研究可分为两条途径，一条是通过整车控制器调节各驱动电机的转矩和转速实现；一条是通过电机结构设计来实现。
沈勇等提出了一种基于线性Ackerman转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Ackerman转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[11]。上述研究以采用Ackerman模型建立汽车各轮转速关系为基础建立电子差速控制器。我们知道，车辆纯滚动时内外侧车轮的转速比即为转弯半径之比，Ackerman模型只是进行了静态分析，没有考虑轮胎的影响，忽略了车辆转弯行驶时的离心力和向心力。采用这种控制策略，在低速时其差速性能是可以接受的。但当车速较高，转向角较大时，汽车响应与输入之间的非线性特性非常明显。此时，以理想Ackerman模型为基础的差速控制器已很难满足整车对差速性能的要求。
葛英辉，李春生等分析了上述控制方法的不足，提出电动轮驱动汽车不应采用车轮转速作为控制变量，并考虑转弯时车轮垂直载荷的变化，提出以两驱动轮的附着力相等为目标的电子差速控制策略，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[12-16]。该方法在理论上是可行的，但在实际汽车行驶过程中，能否对汽车的小滑转率进行实时检测和控制是值得商榷的。
陈勇研究了采用两直流电机串联或并联方式解决电动轮驱动汽车的差速技术[17]，该差速方法靠两电机的电压与电枢电流的大小自动调节内外轮转矩实现差速，但两电机转矩不能实时控制。且该方法中各驱动电机之间的转速与转矩相互关联，失去了电动轮驱动本身的优势。
国外研究发展和现状Ju．sang Lee等则利用非线性Ackerman模型和神经网络方法设计了基于神经网络的电子差速器。该系统仍采用转向角与车速作为控制器的输入，输出内外轮转速[18]。Sinclair Gair等研究了后轮采用电动轮驱动的电动汽车，提出了一个基于滑模控制的差速控制策略，根据加速踏板信号和转向信号及整车参数确定转向时的左右车轮转速，以加速踏板信号决定车速，转向时，内轮转速等于加速踏板确定的车速，而外轮转速则根据车速信号，整车参数及内轮转速计算得出 [19]。Rafal Setlak研究了采用四轮独立驱动铰接重型卡车的差速技术，也是采用Ackerman模型控制各车轮转向时的转速实现的[20]。
F．Carricchi等提出了采用单定子，双转子感应电机实现电动轮驱动系统的差速技术。当汽车直行时，定子磁通分成两个相等的部分，故两个转子工作时的电磁条件相同。当汽车转弯行驶时，由于采用单逆变器供电，可认为供电频率为常数，外侧车轮转速增加，相应转子(称为转子)接近同步转速，其绕组电流下降，对定子的电抗也下降，转子2的滑差率更大，其绕组电流和电抗增加，故定子磁通流向转子l，转子2的电磁转矩下降。因其外轮负载增加，故外轮驱动转矩也增加。双转子差速驱动桥模型。Kawamura等论述了一种ADTR(Anti．directional．twin．rotary)电机，它把传统的电机的定子重新设计使其也能转动。它转动方向与转子相反。由于这种电机以同样转矩驱动两根轴，而不需要差速器，使电动汽车传动系得到简化。但用它驱动同轴车轮时须装反向齿轮。后来该研究组又提出复合多相双转子交流电机，它通过对定子绕组输入多相交流电来单独控制每个转子的转矩[21]。Patrick等提出了采用一个逆变器为两个并联的感应电机供电结构，通过建立双电机矢量控制的模型，证明通过控制双电机电流可控制两电机的平均转矩，而通过控制电流控制两电机差动转矩。这种控制方法在两电机从转矩平衡状态进入转矩不等时，转子电流波动很大，且两电机转子转矩与电流互相影响。
从上述分析可知，目前电动轮驱动汽车的差速技术还没有得到有效解决。
1．5本课题的主要研究工作
(1) 电机的闭环调速：电机驱动控制系统的性能直接影响和制约着电动汽车的行驶速度和稳定性。本文选择轮毂电机作为驱动电机，设计电机的驱动控制系统。通过调节两组PWM占空比值，实现对两个轮毂电机同时调速。
(2)电子差速的速度分配：本文通过测量车体的转弯半径和车轮转速的关系，计算转向角、方向盘的输入模拟量和左右轮之间的关系，实现差速控制。
(3)直流无刷电机的驱动保护。
1．6本论文各部分的主要内容
本文以下内容安排如下：第一章是目前电动汽车的发展背景和各国电动汽车的发展的概述；第二章论述了无刷直流电机的驱动技术，以及轮毂式直流无刷电动机的驱动：第三章是关于电子差速的研究，对电子差速转向时各个车轮的速度和转矩进行了分析和计算，并分析了转向时电动汽车的工作情况；第四章描述了电动汽车的驱动控制部分硬件设计；第五章是电动汽车的驱动控制部分软件设计；第六章差速实现试验、测试波形的结果；最后是关于电动汽车差速控制的结论。 ...
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