【毕业学位论文】(Word原稿)基于DSP的电动车多轮驱电机的协调控制-控制理论与控制工程

国内图书分类号： 际图书分类号： 学 位 论 文 基于 电动车 多轮驱电机 的协调 控制 年 级 姓 名 申请学位级别 专 业 控制理论与控制工程 指 导 教 师 年 月 ： F N 2006 009 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1保密，在 年解密后适用本授权书； 2不保密，使用本授权书。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新 如下： 针对电动 三轮 车控制需求，给出了其双电机协调控制策略，利用 软件编程代替 了 传统机械差速器功能， 系统结构简单， 灵活性高， 易于实现 。 学位论文作者签名： 日期： 福星电子网 、转向和牵引 是 地面运行车辆的三大 基本 功能。 目前纯 电动汽车 正在向多轮驱方向发展，这种系统至少含有两台驱动电机，通过对多电机的协调控制，不仅可实现电动车的双向牵引，而且为同时实现 转向 协调提供了可能。为此 ， 本文 围绕多轮驱电机的协调控制技术进行相关的理论与试验研究 。 首先，对 永磁无刷直流电 动 机 的工作原理与特性 进行 分析 ； 借鉴 经典汽车技术，系统 的 研究了 轮驱式电动车 的控制功能及实现方法 ； 给出 一个由人工转向轮 +两个驱动轮组成的电动三轮车概念模型 ， 并 提出了一种基于双电机独立驱动、 电流 指令 灵活 分配的 控制 系统策略 。 该系统接 收 电流调节手把指令 和电流分配指令 ，通过双电机电流 信号分配及 闭环控制实现转矩 协调控制 ， 使 电动车 在 牵引驱动的同时 ， 实现 转向协调控制 。 其次，针对上述电动三轮车 的控制需求，在对 电机 功率驱动电路结构 与控制方式 、电流及转子位置信号检测方法进行比较分析的基础上，设计了无刷直流电动机的 硬件 驱动 电路，搭建了 以 发板 为主控制器的双电机协调控制系统硬件试验研究平台 ；分析了 控制系统 软件 整体需求 ，编写了 系统输入、输出及控制模块软件 ，完成了 双电机协调控制系统 软件设计 。 最后， 在 试验研究平台上，完成了系统 软件与硬件联合调试。通过电机开环调试 ， 标定 了速 度检测子系统；单独施加 恒定 激励电流，标定了电流检测子系统；外加 可变 负载， 验证了 电机 电流闭环控制 功能 。 调试结果 表明， 控制系统可实现电机启动、调速、正反转和电流闭环控制 。 全部试验结果表明， 基于 在牵引驱动的同时实现转向协调 ， 采用成熟的 电流 闭环控制技术，以软件代替机械差速器的功能，可供多轮驱电动汽车的研究参考。 关键词： 电动汽车 ；多轮驱； 流闭环 控制 福星电子网 , At of is of at By of of be at of in At dc to of of of of is on in is by of be of be of of dc on of of s of of as of of of at on by 星电子网 , of of SP of be of is of be by to of 福星电子网 8，而 采 用内燃机驱动的 经典 汽车要 晚 10余 年 。 由于发现了廉价的 化 石能源 ，且 电池的能量 /重量比居高不下，经典 内燃机驱动汽车得到了百 余 年 的 发展，给人类带来了极大的方便，但也带来了极大的污染 。 大约从 1980年 开始，人们转而积极发展 电动 汽车 4其 采用电动机作为驱动源， 不仅 具 有较 高 的 驱动效 率， 并且 最大的特点是环保，所以 有 逐渐取代 内燃机驱动 的趋势 。坦克及装甲车的电驱 化 1，移动机器人的电动 控制 2，轮轨机车的电气化 3都是 电机驱动优势 的 具体 体现 。 传统 电力驱动的 电动汽车是在内燃机驱动的基础上发展而来的，采用电动机代替内燃式发动机， 实现 一辆车采用一台电机驱动 ，利用离合器、齿轮箱和差速器等一系列机械装置，实现电动机到车轮之间的动力传递。 随着电动车的发展，其电力驱动结构也出现了多种不同的形式，逐渐由传统的单电机驱动发展为多电机驱动即 一个车轮采用一台电机 驱动 ， 电动机输出力矩直接通过减速器作用于 车轮， 使机械传动系统 进一步 得到减化 。 最新的发展是将电动机直接装在车轮里面，使车速控制直接等同于电动机的转速控制，使多电机驱动系统结构彻底摆脱了齿轮箱和差速器等机械装置，实现了车辆底盘系统的电子化、主动化，因此 多电机 轮式 驱动 (多轮驱 )电动车越来越受到人们的重视。 对 多个驱动 电机协调控制， 电动车不仅可 实现 牵引功能，而且为 同时 实现主动或被动 转向 提供了可能。采用良好的协调控制策略， 轨道车辆可 以提高弯道牵引力，节省能源，降低噪音；电动汽车可以降低轮胎磨耗，避免车辆在转弯时发生侧滑。 因此研究多 轮驱 电机的协调控制以保证 车辆安全、高效运行具有重要意义。 轮驱协调控制的现状 由于多轮 驱 电动车辆具有 以上 优点 ， 因此得到了 多家 汽车公司和研究机构的重视 10多电机协调控制策略也得到众多学者的研究。 多 轮驱 协调控制 是通过调节各驱动轮电动机的转速或转矩 ， 实现 对车辆运行状态的控制。目前已有的多轮驱协调控制策略 可 分为三种：转速闭环控制、福星电子网 。 (1) 转速闭环控制 12根据 弯模型 ， 提出 了一种 理想情况下的 多轮驱 协调 控制策略。 该策略 以车辆 运行过程中的转向 角度值和车体的运行速度作为输入变量 ，以车辆 左右驱动轮转速为控制变量 ，设计了一个基于神经网络的电子差速控制器， 对每个驱动轮进行速度闭环控制 ，实现对车辆运行状态的控制。 郭建龙 等人 13在此基础上， 考虑 了 电动 车 在转向行驶时，由于 车体结构、路面状况、以及风阻力和轮胎侧向力等因素引起差速器输出的车轮转速与车体速度、转角之间的非线性关系，设计了一个基于 制器。其 控制 策略 与文献 12不同之处在于 ： 设计了 一个 多电机模糊 使控制参数能够随 着 车辆结构及运行工况 的改变而相应作出调整，以保证控制系统的可靠性 。 这两种控制策略实质上均是通过 驱动 电 机 转速闭环控制 ，实现对车体运行速的控制。当转弯半径比较大时，两驱动轮之间的速度差比较小， 这就要求对驱动轮转速的检测 有相当高的 精度； 而且车辆行驶过程中不可避免存在车轮滑转， 采用速度闭环会导致车体 偏移，发生危险， 因此 基于驱动轮转速闭环 控制策略 存在一定的缺陷 。 (2) 转矩协调控制 葛英辉 等人 17计了一种 以 左右 车 轮的附着系数相等为目标 ，通过对 左右 轮的驱动转矩 进行合理 分配 ， 使车辆发生滑转的可能性减到最小 ，保证车辆在直线和转弯运行过程中良好运行 。 靳立强 等人 19通过对 电动轮旋转动力学 的分析， 提出对驱动电机采用按转矩指令进行控制车轮转速随动的 控制 策略 ， 实现各 驱动 轮 在转弯过程中的自适应差速，并设计了试验车对控制策略进行验证，试验结果证明了其控制策略的可行性。 (3) 转矩平均控制 华中科技大学 陶桂林 等人 15过对车辆直线和转弯 行驶 过程中内外侧驱动轮 运行 规律的分析，得出了采用两 台无刷 驱动 电机串联 驱动 的外特性与汽车的行驶状态 (转弯或直行 )无关 ， 提出了一种基于双电机串联控制策略，即保证驱动轮在直线和转弯 过程中驱动轮力矩平均分配， 大大降低电动车驱动控制系统的复杂程度 ，但该策略仅停留在仿真阶段，没有进行实验验证。 福星电子网 ，如路滑导致单个车轮滑转时，希望控制系统能够根据路况变化采用单个轮驱动打滑轮随动的控制策略，而串联控制系统由于控制结构的原因无法实现该控制策略，从而使串联控制策略产生局限性。 通过对多轮驱协调控制的研究现状分析可以看出，目前多轮驱协调控制技术正在得到发展，控制方法 也呈现出多样性 ； 同时 采用内燃机 驱动 的经典 汽车经过近百年的发展其 相关 技术已经形成共识。 因此本文认为：要研究新型的多轮驱协调控 制技术，首先应该从经典汽车中学习其成熟技术 。 文 完成的 主要 工作 针对目前多轮驱电动机协调控制技术的发展现状，以及现有控制策略在实用方面存在的问题，论文配合牵引动力国家重点实验室的自主研究课题 “ 独立轮电气耦合导向机理与技术研究 ” ， 主要完成了以下工作： (1) 阐述了轮式驱动电动汽车的发展概况及多轮驱系统的特点，对多轮驱协调控制的研究现状进行了评述 ； (2) 在研究永磁无刷直流电动机工作原理与特性的基础上，借鉴经典汽车技术，对电动车的控制需求及实现方法进行了研究，给出了一个两轮驱动电动三轮车的概念模型 及其双电机协调控制策略 ； (3) 完成 了 两轮独立驱动电动三轮车驱动系统硬件设计，以 主控制器 ，搭建了双电机协调控制系统硬件试验研究平台 ； (4) 分析 了 控制系统软件整体需求，编写了系统输入、输出及控制模块软件，完成了控制系统软件设计 ； (5) 在试验研究平台上 对 系统软硬件联合调试，实现 了电机启动、调速、正反转和转矩 闭环控制功能 。 福星电子网 、转向和牵引。 电动车 采用 多 轮驱 动结构， 本身即可实现车辆的承载和牵引功能，如何 在 牵引的同时， 通过对多电动轮 协调控制实现转向 即为 本文研究的重点。本章 将 首先对所选 无刷直流电动机 的 工作原理和特性进行分析；结合 经典 汽车的 功能设置 ， 对电动车的控制功能及实现方法进行论述 ， 给出一个两轮驱动电动三轮车概念模型，并 对其控制策略进行研究。 刷直流电动机分析 无刷直流电动机 利用 功率电子开关和 转子 位置传感器代替有刷直流电机的电刷和换向器，实现了由 电子换相代替机械换相， 既保留了 有刷直流电 动 机良好的 运行 性能， 又具有交流电动机结构简单 、维护方便和运行可靠的优点，在电动汽车驱动系统设计中 得 到 了 广泛的应用 5， 因此 本 文 选 用轮毂式 无 刷直流电 动 机 作为电动车的驱动源 。 作原理 无刷直流电动机和永磁有刷直流电动机相比， 结构上有很多相似之处 ： 无刷直流电动机 用永磁体转子取代永磁有刷直流电动机的定子磁极 、 用具有三相绕组的定子取代电枢 、 用逆变器和转子位置 传感 器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷 。 其控制系统主要由永磁无刷直流电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关三部分组成 。 工作时， 直流电源通过功率电子开关电路给定子三相绕组供电， 利用转子位置传感器检测电动机转子 位置信号，通过有序触发功率开关 电路中 对应 的 功率 开关 管，进行 电子 换 相 ，驱动电机 转动 ，实现机电能量的转换 48。 图 刷直流电动 机三相绕组星形连接全桥驱动电路原理图， 采用两相导通三相六状态工作方式。电机运行 中，霍尔位置传感器 反馈当前电机转子位置信息，电子换相逻辑单元根据当前转子位置信息 判断下 一相 所对应 功率开关管的导通顺序，实现电子换相。 电机 转速和转矩控制，可通过控制电机两端的 等效 直流电 压 U 或驱动桥直流侧电流 i 实现。 图 无刷直流电 机驱动时的反电势和电流波形图， 梯形波 E 为三相绕组 反电动势波形，矩形波 I 为所对福星电子网 47。 本 体T 1T 6T 3T 2T 5T 4直 流电 源位 置传 感 器电 子 换 向逻 辑驱 动 控 制直 流 侧 电 流磁无刷直流电机全桥驱动原理图 刷直流电机反电势和电流波形图 电机运行过程中， 电子换相 的 关键在于 ： 当检测到当前转子位置 变化的同时， 查询 换相逻辑表 ， 并 开通下一 位置状态所对应的功率电子开关 组合 46。 福星电子网 ，转子位置位置信号 与电机 对应 导通相关系如表 示，相应的功率开关管通电规律如表 示。其中， 表 反转时霍尔位置信号与导通相的关系 正转 反转 位置 信号 (导通相 位置 信号 (导通相 001 01 11 11 10 10 10 10 00 00 01 01 转时功率开关管的 导通 规律 转子位置 001 011 010 110 100 101 开关管 5， 5， 1， 1， 3， 相 + + B 相 + + C 相 + + 表 转时功率开关管的 导通 规律 转子位置 001 011 010 110 100 101 开关管 1， 1， 5， 5， 3， 相 + + B 相 + + C 相 + + 学模型 无刷直流电动机的数学模型在很多文献中已经进行了详细的 论述 46本节中仅就与电动机驱动相关的电磁转矩和转速特性进行研究分析 ，以“ 120导通型” 电机 为例进行分析 ： 无刷直流电机的电磁转矩方程为： 福星电子网 /)( (2式中，、be 组瞬时 电势，、为三相绕组 瞬时 电流， r 为电机转子角速度。 在理想情况下，由于任何时刻定子绕组只有两相导通，则电磁功率 又 可表示为： )( (2式中，相反电动势 ，变 器直流侧电流 ，则电磁转矩又可表示为： /2/ (2考虑到定子每相绕组的反 电动势 正比于转子角速度，即 ： E (2式中， 数 。将 (2入 (2 则电磁转矩可表示为： 2(2其中，为转矩 常 数。 在忽略永磁体阻尼的情况下，转子运动方程表示为： )( (2式中， 负载转矩， J 为电机转动惯量。 由 式 (2以得出电机的转速 方程： 2 (2其中 ， U 为电机绕组两端的等效电压值，绕组电阻值： 从以上 公式 可以得出： (1) 无刷直流电机输出 电磁转矩与 逆变器直流侧电流 值 为常系数关系 ，调节 逆变器 直流侧 电流的大小 可 实现电机 输出 转矩 调节 ； (2) 当 逆变器 直流侧 电流恒定不变，即电机的输出电磁转矩恒定 时 ，电机转速与电机绕组两端所加 等效 直流 电压值 成正比，调节电机绕组两端所加 等效福星电子网 。 模仿真 直流无刷 电机 控制系统的 仿真模型主要包括以下四 个模块 ：无刷直流电机本体模块、 三相桥式 功率逆变电路模块、霍尔传感信号译码器模块和 过 模块组合， 在 统的仿真模型 26 (1) 无刷直流电机 本体 模块 在 真环境下的 具 箱 中 提供了多种电机的模型。 本模型中 选择同步电机 电机模型有两种仿真模式： 一 种 是普通永磁同步电机，另一 种 是永磁无刷直流电机。 通过 模型的参数 设置 可 实现 该模型 作为无刷直流电动机进行仿真 ，同时还可对直流无刷电机内部参数进行设置，包括电机各相绕组的相电阻、相电感、磁通量、电 机 电角度、极对数、转动惯量以及电机的阻转矩系数，通过对这些参数的设置建立一个完整的无刷直流电机本体模型 。 该电机模型有四个输入端和一个总线输出端， 输入端 包括 A、 B、 入 电 压信号以及电机的阻转矩线输出端的信号 有霍尔 位置 传感器信号 、 电 动 机 三 相 绕组 相电流及 反电动势 信号 、 电 动 机的 输出电磁转矩和电机旋转角速度 信号 ， 可通过 信号选择模块 选择 所需 输出 。 (2) 三相桥式 功率逆变 电路模块 具箱 的 电力电子模块库中 提供了多功能桥式功率开关电 路 模型 ，该 模型 既可用作整流，又可用作逆变。 通过设置 其参数，不仅可以改变 其输入 相数和 功率 开关 管 类型 ，而且还可设置功率开关管的导通及关断电阻值，使其模型更接近 实际 。 本模型中， 功率逆变电路 选用 相桥式电路，当设置该模型为 3个桥路时， 3 个输入端分别 为直流 电源的正、负极 接入端 和功率 开关 管的触发脉冲信号 总线接入端； 输出端 为 A、 B、 分别连接到无刷直流电机的 三相电压 输入端。 (3) 霍尔传感信号译码器模 块 无刷直流电机 要正常运转就需通过检测转子位置传感器信号 对电机进行换相控制。 转子 位置信号采用 无 刷直流电机本体模型中的 三路 霍尔 位置 传感器信号 得到 。每 个霍尔传感器都会产生 180 度脉宽的输出信号， 三个霍尔传感器的输出信号互差 120 度相位，电机的 每个机械转中共有 6个上升 沿 或下降沿，福星电子网 。 本模型中， 位置信号译码模块 接收从无刷直流电机 检测的霍尔传感器 信号，根据换向 逻辑 表 ， 产生触发功率驱动桥所需要的 开关 信号。 (4) 生成模块 无刷直流电机控制系统中一般通过 波控制直流电源加到电机绕组两端等效电压的大小，从而控制无刷直流电机调速。本模型采用外接一个功率波器进 行 波调制，控制无刷直流电动机两端的等效电压值。 1 比较后接入到 行 设置 ， 控制其开通和关断时输出信号值，形成 现以某永磁无刷直流电动机为例进行建模仿真。电机具体参数如下：额定电压 为 36V， 各 相电阻 为 ， 各 相电感 为 磁极磁通量为 机 转动惯量 为 0 阻尼 摩擦系数 为 110 电机 极对数为 4，电角度为 120 度 ，仿真 模型 如图 模型中 ， 块作为换相触发逻辑单元，电机转速控制通过调节施加到斩波器 制信号的占空比实现 ； 前端斩波器 行斩波 开环 控制，占空比设置为 用定步长设置，步长为 1制波的周期设置为 40初始 时刻， 电机在 恒定 负载 转矩 1况下启动 ；在 ，转矩负载突变为 2 相绕组电流及反电动势波形图、电机转速仿真波形图和电机输出转矩波形 图。 图 刷直流电机控制系统仿真模型 福星电子网 ： (1) 电机各相绕组 反电动势为矩形波，相电流为近似方波，与图 (2) 当 电机两端等效电压值保持不变 且 负载转矩 恒定时， 电 机 转速比较平稳； 负载增大， 电机转速降低，绕组反电动势下降，流过电机电流增大， 输出电磁转矩变大 ， 仿真波形与公式 (2 (2持一致 ； (3) 电机 启动 阶段，转矩 有 较大的峰值，这是 由于 电机 在 启动时 ， 绕组 反电势还没来得及建立 ，相电流较大，造成了转矩峰值；反电势建立后，转矩迅速下降到稳态值 ，但由于电机存在换相， 造成转矩脉动 。 仿真结果表明：波形符合理论分析，且系统 运行 平稳 。 采用该模型可 通过增加或修改功能模块， 对 实际 系统 进行建模仿真及算法验证 ，为 控制系统 分析和设计提供了基础。 动车控制功能 及 实现 本 文 采用电动机驱动取代传统 内燃机驱动，在对电动车多电机协调控制系统及控制策略研究之前， 首先传承 经典汽车 的控制技术 ，对轮驱式电动车的控制功能及实现方法进行了 研究 。 通过 分析 经典汽车功能设置及实现技 术 23，电动车应 满足以下功能： (1) 汽车变速 经典 汽车在行驶过程中由于实际装载质量、道路坡度、路面状况、道 路宽度和曲率以及交通情况所允许的车速都在很大范围内变化，这就 要求汽车 具有变速功能 。 经典汽车中 该功能通过机械变速器来实现。 电动车要实现变速功能， 从式 (2以看出， 可 通过 调节施加到电动机两端的 等效 直流电压值的大小 可 以 对电动机转速 进行 控制 ，从而实现电动车变速功能 。 调节电机两端的 等效 电压 值 有 两种方法： a) 在直流回路中串联一个斩波器， 利用 号控制斩波器的导通和关断时间控制施加到电机两端 的 等效 电压值的大小 ，实现电机 转 速控制； b) 直接利用 号控制驱动桥中 六个 功率开关管的导通和关断时间，控制电机 两端等效 电压 值 ，实现电机 转 速控制。 从以上两种调速方法可 看出 ： 电动车 的调速方法与 经典 汽车的调速方法相比，彻底取消了 机械 变速器装置。 福星电子网 (2) 汽车倒车 汽车 在某些情况下，如进入停车场或车库及在窄路上掉头时，需要倒向行驶。由于经典汽车的 内燃机是不能反向旋转的，因此 要求 转动系统必须保证在发动机旋转方向不变的情况下，使驱动轮 实现 反向旋转， 该功能 通过 在变速器内加设倒档实现。 电动车驱动采用的 无刷直流电 机 可以通过改变 电机换相顺序实现电动机的 正 /反转控制， 使 电动车 的优势更加明显。 (3) 中断动力传递 在汽车长时间驻停或者汽车获得相当高的车速后，欲停止对汽车供给动力，使之靠自身惯性进行长距离滑 行时，传动系统应能长时间保持在中断动力传递状态，为此传统汽车需 设有空档。 电动车只需要关断直流电源的供给回路或者调节 空比 最小即可实现电动机动力传递 中断 功能 。与经典汽车实现方法相比，电动车控制更加方便且在断电滑行情况下没有额外的功率消耗。 (4) 汽车转向 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的主观 愿望 改变其行驶方向。实现 汽车转向的方法是驾驶员 手动 转动方向盘控制转向 汽车转向轮相对于汽车纵轴线偏转一定的角度。 相对而言，电动车的转向控制方式就比较多样化，可分为以下三种：一是与传统汽车的转向方式完全相同， 驾驶员手动方向盘施加转向力矩 ，控制转向轮偏转；二是在导向轮与车架之间安装导向电机，通过控制导向电机的转动角度 实现导向车轮 主动偏转；三是采用万向轮结构，通过驱动电机 的 协调控制实现车体转向。后两种方法在机器人及导航小车的设计中 应用 比较普遍，在汽车设计中考虑到社会安全等因素，该方法一般不予采用。 (5) 差速功能 通过 对 驱动轮 差速控制可以 使 电动车 在牵引 驱动的同时实现转向协调控制，这 是本文研究工作的重点。 经典汽车 当转弯行驶时，左右驱动车轮在同一时间内滚过的距离往往是不相等的，即外侧车轮的行程始终比内侧车轮的行程大。如果两侧驱动轮仅用一根刚性轴驱动，汽车转弯过程中 ，当驱动力通过驱动轴传给左右两驱动车轮时，则二者角速度 相等，必然产生某一驱动车轮相对于地面滑移或滑转，使汽车转向困难、动力消耗增加、轮胎磨损加大 。 经典汽车采用在 驱动桥内 安 装机械差福星电子网 ， 通过驱动轮力矩分配， 使左右轮以不同的角速度旋转，实现驱动轮之间的差速功能。 常用的机械差 速器 是对称式锥齿轮差速器， 其 内部 结构如图 。差速器