基于4臺無刷直流輪轂電機的控制方案

1電子時差電子好隨著嚴重的污染污染和能源危機，傳統交通工具（車輛）的可持續發展正變得越來越嚴重。電動汽車（ev）是解決上述問題的有效手段，并得到了越來越多的研究和開發。對于電機驅動控制系統,大部分電動車采用驅動電機與減速器相連再帶動車輪的方式,通過被電機驅動的兩個內外車輪的速度差實現差速。車輪的速度計算必須通過對一系列減速器的減速比計算,才能得到和電機轉速之間的關系。這種復雜的計算方法對于電動車喪失了電子控制的實時性,如果電機轉速和車輪轉速能夠保持實時一致,電子差速的功能就可以得到最好的體現。所謂電子差速(ElectronicDifferentialSystem,簡稱EDS)是完全采用電控方式控制各個車輪的轉速,使車輪以不同速度轉動。為了提高電動車運行的速度和效率,同時基于能量傳遞效率和車體空間限制等考慮,近年來采用無刷直流輪轂電機四輪獨立驅動式電動車已經成為研究熱點。輪轂電機徹底改變了汽車傳統的驅動方式,電動機安裝在車輪的輪轂內,電機的轉子為外轉子,輸出轉矩直接傳輸到車輪,舍棄了傳統的離合器、減速器、傳動橋、差速器等機械部件,使整車重量減輕,降低了機械傳動損耗,并具有靈活的行駛特性。本文所設計的電動車利用位移傳感器提供模擬信號輸入,駕駛者通過方向盤、加速踏板、制動踏板提供起動、加減速、轉向、制動、停車等外部指令,指令經過位移傳感器轉換為模擬電信號輸入控制器。因此,本文電動車取消了以往汽車電子轉向系統中的轉向電機,直接使用無刷直流輪轂電機提供轉向動力,是一種全新的電子轉向方案。在已經設計完成的電動車原理樣車基礎上,針對電子差速問題進行研究,設計了一套完整的電機驅動和電子差速控制器,借以提高車輛的操縱性和穩定性能。2“雙向”向電子差速的方法是通過駕駛者輸入信號,控制器改變車輪速度實現轉向,如圖1所示。方向盤的轉動軸底部直接連接一個誤差為0.5%的位移傳感器,該傳感器的位移范圍是(0～200)mm,模擬電壓輸出范圍為(0～5)V,作為電子差速轉向系統的指令輸入。2.1速度機轉向總體控制四輪電子差速需要對4個輪轂電機同時進行速度控制和差速計算,是一個復雜的控制系統。硬件結構包括方向盤、位移傳感器、控制器、4個輪轂電機、每個電機的轉子位置傳感器。圖2為電子差速轉向總體控制框圖。電子差速轉向系統通過調整電機轉速,改變車輪的轉速實現差速轉向。當電動車需要轉向時,轉向的內側車輪速度小于外側車輪速度。由于內外輪側的速度差異,相同時間內,內側車輪駛過的距離較小,外側車輪駛過的距離較大,車體必然向內側偏轉,從而實現轉向。具體轉向過程如下:首先將方向盤的角度輸出轉換成控制系統可以接收的模擬信號,在執行轉向之前,定義方向盤的角度輸出與模擬量之間的關系;然后對模擬信號的變化范圍進行分析,經過計算即可得到不同的方向盤位置與轉向時各個車輪轉速的分配;內外側車輪產生速度差異,實現轉向。2.2機械轉向機構的模型電子差速系統的輸入裝置為方向盤,且通過一個位移傳感器將角度變化輸入到控制器,因此輸入量為方向盤的角度和位移傳感器的模擬輸出。首先需要計算的方程就是輸入角度δ與位移傳感器模擬量x之間的關系:δ=f(x)。(1)在計算此方程時,先對方向盤的模擬輸入量進行定標,隨著方向盤的轉動,確定位移傳感器模擬量輸出的可取范圍;然后,測量方向盤的轉角范圍,顯然,δ和x成線性關系。本文的電子差速方案的目的是研究汽車轉向時的車速、轉向角、每一個車輪的速度關系,忽略了地面因素、輪胎差異因素、假設電動車在普通公路地面上運行來計算各個參數。在計算電動車轉向時的各個車輪速度時,為了研究轉向方向盤的輸入角度與車輪速度變化的關系,必須建立速度計算方程。假設某時刻汽車的運動模型如圖3所示。根據Ackermann-Jeantand模型,涉及到的車體參數有:δin為前內輪轉向角;δout為前外輪轉向角,單位為角度;L為車身長度;W為車身寬度;R為轉向半徑;Rin為內輪轉向半徑;Rout為外輪轉向半徑;Cin為內輪一圈轉過的距離;Cout為外輪一圈轉過的距離。設當方向盤輸入的模擬電壓值為x時,電動車以v的速度穩定轉向。4個車輪輸出不同的轉速值,將前內輪轉速稱為vin,前外輪轉速稱為vout,后內輪轉速稱為v3,后外輪轉速稱為v4。由圖3的模型,有R=Ltanδ,(2)R=Ltanδ,(2)Rin=R?W2,(3)Rin=R-W2,(3)Rout=R+W2,(4)Rout=R+W2,(4)Cin=2πRin=2πR-πW,(5)Cout=2πRout=2πR+πW,(6)vin=CinΔT=2πR?πWΔT=2πRΔT?πWΔT=v?K,(7)vin=CinΔΤ=2πR-πWΔΤ=2πRΔΤ-πWΔΤ=v-Κ,(7)vout=CoutΔT=2πR+πWΔT=2πRΔT+πWΔT=v+Kvout=CoutΔΤ=2πR+πWΔΤ=2πRΔΤ+πWΔΤ=v+Κ。(8)其中K=πW/ΔT,ΔT為車輪轉過一圈所需時間。由式(1)、(7)和(8)的推導可得,vin和vout是關于模擬輸入量x的方程;是相對于車速關于x兩個對稱變量。在機械轉向機構中,ΔT的計算需要通過實際測量車輪轉圈的時間實現。本文采用了輪轂電機作為實現電子差速的驅動電機,車輪的轉速與電機的轉速一致,因此ΔT的計算只需計算電機的轉速,即通過控制電路求出。設電機的轉速為vm,且由于是輪轂電機驅動vm=v,則有ΔT=2πRvm=2πRv,(9)ΔΤ=2πRvm=2πRv,(9)因此式(7)和(8)可以簡化為vin=v(1-tanδ·W/L),(10)vout=v(1+tanδ·W/L)。(11)電動車在使用兩輪電子差速方案轉向時,由于每一個車輪和地面的受力情況都發生了改變,因此不但需要計算轉向驅動輪的速度變化,同時也要計算非轉向驅動輪的速度。在圖3的模型中,由方程組v3v4=RinRout,v3+v4=2v,Rin=Ltanδ?W2,Rout=Ltanδ+W2,???????????????(12)v3v4=RinRout,v3+v4=2v,Rin=Ltanδ-W2,Rout=Ltanδ+W2,}(12)計算v3和v4。由上述聯立方程式可以計算得:v3=v(L/tanδ?W/2)L/tanδv3=v(L/tanδ-W/2)L/tanδ,(13)v4=v+vW/2L/tanδv4=v+vW/2L/tanδ。(14)由式(13)和(14)可知,v3和v4是關于車速v和轉向角δ的變量。2.3駕駛感受的數控制策略文獻指出,兩輪驅動電動車驅動輪的轉矩比為K(v,δ)=W2HWg?v2sinδW2HWg+v2sinδΚ(v,δ)=W2ΗWg-v2sinδW2ΗWg+v2sinδ,(15)式中:v為電動車的速度;H為車輛質心到地面的高度;g為重力加速度。為了獲得與傳統汽車類似的駕駛感覺,在對轉矩控制時,應當遵循以下原則:對一定的力矩,輸入指令對應于線性速度控制;對一定速度,輸入指令對應于線性力矩控制。這樣,指令輸入時對應于控制踏板位置的變化,輸出具有良好的線性驅動響應特性。電機電磁轉矩為Tm=CTΦIa,(16)其中:CT=pN/2aπ為電機轉矩常數;p為電機極對數;N/2a為電機繞組總導體數;Φ為每極繞組磁通量;Ia為繞組電流。由電磁轉矩表達式可以看出,無刷直流電機的電磁轉矩的大小正比于電樞電流,因此對電機轉矩的控制可以等效為對繞組電流的控制。控制踏板輸入相當于轉矩控制指令,采用線性調節負反饋的電流控制,有與傳統汽車類似的駕駛感覺。轉彎時內外側輪的轉矩差為ΔTp=1?K(v,δ)1+K(v,δ)TmΔΤp=1-Κ(v,δ)1+Κ(v,δ)Τm,(17)內外側輪所需實際轉矩分配分別為Tin=Tm-ΔTp,(18)Tout=Tm+ΔTp。(19)3電子時差方案的影響電動車在進行電子差速轉向時,其當前的運行方式對電子差速方案的實施有著重要的影響。根據不同的工作模式,電子差速運行時,當前電動車的速度狀態和轉向角度指令都要作相應的變化和調整。3.1影響電機轉速的因素電動車在進行勻速前進時,由于路面存在高低不平、輪胎參數有差異,4個車輪的速度必然會受到影響,導致4個車輪轉速不同。如果不進行糾正,就會引起電動車向轉速較慢的那一方轉向,若四輪車速相差較大更會引起車輛行駛的不穩定。利用PID調速方法對電機轉速進行閉環控制,可提高電機調速的響應時間和調速穩定性,有利于4臺輪轂電機轉速的一致性協調。轉速一致性協調遵循以下法則:在電動車直線前進時,在采樣點時刻求出4個車輪轉速的最小值,使其他3個車輪的轉速與其始終保持一致,其流程如圖4所示。3.2加速/轉速轉向操作當電動車在加速前進時,加速踏板發出的速度指令在不斷變化,控制器根據加速指令的變化改變控制器的PWM占空比輸出,輪轂電機的轉速也相應在變化。此時產生轉向指令,若保持電機處于加速狀態同時進行轉向操作,必然會導致在轉向過程中電動車的不穩定運行。本文采取的策略是記錄轉向指令發生時刻的PWM占空比值和車速,并保持PWM占空比值不變。根據車速和轉向角度計算4個車輪的各自的轉速,并開始實施轉向;當轉向指令后結束后,PWM的占空比值從轉向指令發生時刻記錄的數據開始隨著加速踏板指令變化,車速也隨著作相應變化。具體實施策略如圖5所示。圖中v是電動車的車輪速度,T是電動車車輪的轉矩。3.3全球旋轉控制電動車在運行過程中需要對多種運行狀態下進行轉向控制和速度計算,圖6是整車轉向時的控制策略框圖。4電機轉向速度v/d轉變驅動電機一機為了進一步對電動車行駛時的電子差速轉向進行研究,制造了一臺電動車的原理樣車,其基本性能參數如下:最高車速38km/h;載重能力200kg;一次充電行駛里程50km。電動車的速度指令、制動指令、轉向指令的輸入方式分別采用加速踏板、制動踏板和方向盤。為了便于安裝和提高測量精確度,速度指令、制動指令、轉向指令的輸入方式轉換成電信號模擬量采用的都是高精確度位移傳感器。傳感器的一端固定在車身,另一端固定在發生位移變化的對象上。傳感器量程為(0～200)mm,輸出模擬量范圍(0～5)V,相對誤差0.5%。驅動電機選取永磁無刷直流輪轂電機,外轉子式設計,額定轉速800r/min,額定功率是700W,車輪直徑為410mm,電機轉子磁極數為8對極。經過測量方向盤的角度變化范圍:順時針和逆時針旋轉均為70°,相應位移傳感器輸出為1.5V～3.6V,且成線性關系。為方便計算,把方向盤順時針方向的轉動定義為“+”,逆時針方向的轉動定義為“-”,則根據式(1)可得:δ=f(x)=66.67x-170。(20)測得電動車車輪處于直行狀態時的x=2.55V,當CPU的轉向模擬量輸入口的模擬電壓值從1.5V～3.6V變化時,通過A/D轉換就可以計算出電動車的方向盤轉角,為車輪的速度計算作準備。根據差速計算公式(10)、(11)、(13)和(14),可以根據不同的轉向角度δ計算車輪的速度分配。根據樣車相關參數,取L=2.6m、W=1.55m時,將數據代入計算可得電動車轉向時的速度方程:vin=v(1-0.6tanδ),(21)vout=v(1+0.6vtanδ),(22)v3=v(1-0.3tanδ),(23)v4=v(1+0.3vtanδ)。(24)5模型速度計算根據上述分析,對四輪轂電機電動車電子差速進行仿真。仿真對象為永磁無刷直流輪轂電機,額定功率700W,額定轉速800r/min,轉子磁極數為8對極,電動輪直徑410mm。分別取v=2m/s、v=4m/s、v=6m/s、v=8m/s和v=10m/s,代入式(21)～(24),對前輪差速vin和vout,后輪差速v3和v4的速度計算結果進行對比,結果如圖7和圖8所示。由圖7速度曲線圖可知,當轉向角δ=0°,即電動車直行時,vin和vout速度保持一致。隨著δ在0°～70°范圍內逐漸增大,vout隨著角度增加而逐漸增大,vin隨著轉向角度增加而逐漸減小,尤其是當δ超過60°時,處于內側的輪轂電機開始反向旋轉。而當δ在0°～-70°范圍內逐漸減小時,定義為vin的輪轂電機此時已經處于外側,而v