电动汽车10kw轮毂电机设计

北京理工大学珠海学院2020届本科毕业设计电动汽车10kw轮毂电机设计摘要由于国内外对电动汽车产业越来越重视，所以电动汽车在未来一定有很大的发展前景，因此本文在电动汽车轮毂电机方面展开设计。本文首先对国内外电动汽车行业进行了系统的调查，发现在很早的时候国外在轮毂电机方面已经展开了研究。确定了研究目标和研究内容，并设定了关键的研究问题，随后分析了电动轮毂汽车的结构特点，依据轮毂电机的原理完成了前后悬架的连接的设计，制动系统和转向系统的安装，通过软件matlab对轮毂电机驱动设计进行了仿真驱动控制系统建模与分析，从示波器中可以看到一些波形图，整个控制上形成一个闭环的连接，最后对轮毂电机参数进行了设计，在电动汽车的动力性能、转速、功率、扭矩、加速性能和轮毂电机轴尺寸方面进行了计算，对轮毂电机轴强度也进行了校核。关键词：轮毂电机；纯电动；无刷直流电动机ABSTRACTAsmoreandmoreattentionispaidtotheelectricvehicleindustryathomeandabroad,theelectricvehiclewillhaveagreatdevelopmentprospectinthefuture.Therefore,thispaperdesignsthehubmotoroftheelectricvehicle.Inthispaper,Then,thestructuralcharacteristicsoftheelectricwheelhubvehiclehavebeenanalyzed.Accordingtotheprincipleofthewheelhubmotor,theconnectiondesignofthefrontandrearsuspension,theinstallationofthebrakesystemandthesteeringsystemhavebeencompleted.Thisdesignmainlyadoptsthedoubleclosed-loopbrushlessThebasicprincipleofDCmotordrive,throughthesoftwareMATLABtosimulatethedesignofthedrivecontrolsystemmodelingandanalysis,fromtheoscilloscopecanseesomewaveforms,thewholecontrolformaclosed-loopconnection,finallythewheelmotorparametersaredesigned,intheelectricvehiclepowerperformance,speed,power,torque,accelerationperformanceandwheelmotorshaftsizeThestrengthoftheshaftofthehubmotorisalsochecked.Itcanbeseenfromthesimulationthattheperformancedesignobjectivesofeachpowerofthehubmotorarebasicallyachieved,whichshowsthatthehubmotordesignedinthisdesignmeetsthedesignrequirementsandcanbeusedasaplatformforsubsequentresearch.Keywords:hubmotor；Electric；brushlessdirectcurrentmotor目录TOC\o"1-3"\h\u185751绪论 1绪论1.1纯电动汽车的发展概况根据用途类型的不同，电动汽车可分为电动式轿车、电动式卡车和电动式公交车三种类型。（1）除了一些还无法完成的概念车外，纯电动汽车已经进行了小批量的生产，并进入了汽车的市场。（2）电动卡车还是比较少的用于动力运输的电动卡车，而一些大吨位的纯电动卡车已经出现在矿山，建筑工地和一些特殊场所。（3）电动公交车目前也不多见。纯电动公交车已经作为公交车使用，在一些城市的公交线路上，以及世博会，世界运动会上都有不错的表现。电驱动装置取代内燃机，通过离合器将电机的动力与驱动轮连接或切断，变速箱提供不同的传动比来改变速度-功率曲线匹配的需要，变速箱实现转弯时两轮以不同速度的驱动[1]。目前纯电动汽车独有的是一种以蓄电池为能源的结构。蓄电池可布置在顶部周围，这两种结构不仅分离了比较能量和比功率的要求，还可以在汽车下坡或刹车时利用蓄电池回收能量[3]。1.1.1国外电动汽车的发展现状早在1900年，保时捷设计了世界上第一辆使用轮毂电机驱动的电动汽车，如图1.1所示，但由于受到当时驱动电机以及动力电池技术发展水平的限制，并没有能够实现量产化[1]。图1.1保时捷电动汽车日本对于轮毂电机电动汽车的研究是比较早的，并且也得到了一定的研究成果，其技术的发展水平在世界各国的研究领域里有一定的主导地位[4]。丰田公司在很早就开始研究轮毂电机四轮驱动电动汽车的相关内容了，其其研究的重点是通过更改老式动力传动汽车的底盘，达到使其能够应用轮毂电机的目的。米其林公司也对轮毂电机驱动系统有很高的的关注度，作为米其林公司对其未来车轮行业的发展的判断，米其林公司主动研发了车轮的新型技术，将电机集成在驱动轮内，从而改善汽车平顺和稳定性。如图1.2所示。图1.2米其林主动轮1.1.2国内电动汽车的发展现状国内针对轮毂电机驱动型电动汽车的研究主要是由高校和一些科研单位进行的。哈尔滨工业大学是国内最早研究该项目的院校之一。早在1999年联合哈尔滨大电机研究所，开发轮毂电机驱动技术系统，进行整车性能试验[7]。同济大学是从2002年开始对轮毂电机驱动型电动汽车项目进行研究的，其试验研制的“春晖”系列电动试验车，前后轮均配备了自主开发的轮毂电机驱动系统模块。其性能已经达到了相应的水平，并且具备了一定的市场价值，如图1.3所示。图1.3春晖电动车新能源汽车的发展方向很多，但其中有一项氢燃料电池技术不成熟，价格昂贵，是20年后的技术。虽然没有公开表态，但据悉，国家内部决策层已经明确表示，中国不适合发展氢燃料电池汽车，氢燃料电池汽车仅作为科研跟踪[1]。1.2轮毂电机电动汽车的研究意义如图1.4所示相对于传统的电动汽车，有以下几个优点：图1.4轮毂电机的驱动轮对于整车的结构方面，轮毂电机驱动型电动汽车采用动力电池与驱动电机之间的能量传递，不用考虑发动机，变速器等传递装置的约束，而且不光简化了底盘的结构，同时也节省了车内乘客和行李箱的空间[10]，也减轻了车整体的质量，使布置变得更加灵活，也提高了舒适性，并降低了车的开发成本，从而缩短了车的开发周期。在汽车智能控制方面，基于线控技术来控制驱动车轮，具有更快的反应速度和更高的精准度，而且各驱动轮独立可测，可控，可以更好地实现汽车的制动，牵引力，转向系统等，使整车的行驶稳定性得到而提高[11]。在汽车的动力性能方面，可以直接将能量传递到驱动轮上，并且具有更高的传递效率，使结构更加简便，而且只需要来确定电池及其他设备的位置就可以达到合适的前后轴荷比，提高其四轮性能，增加抓地力，而且相对于传统的电动车，其制动能量的回收率也会增加，从而提升整车的续航。1.3研究目标、研究内容和解决关键的问题1.3.1研究目标：研究的主要目标就是实现单轮驱动，通过单独控制各个轮毂，从而驱动电动汽车，让轮毂成为个体发动机，为整车提供动力。1.3.2研究内容：（1）了解国内外的发展情况：德国的保时捷公司在轮毂电机式电动车方面开启了新潮，该车是由54各串联的蓄电池作为发电能源，在60km/h速度的行驶下，最高的行驶时间可达3个小时，但是当时在电池方面的限制，内燃机汽车在稳定和动力方面都有很大的优势，随后日本对轮毂电机电动式汽车产生了兴趣，以传统内燃机为基础，对底盘进行一系列优化，从而使轮毂电机技术走向世界[9]。（2）设计方案的确定需考虑以下内容（1）电机的选择是否符合使用条件（2）各部件之间的尺寸是否搭配，磨合（3）整车轮与车身的连接1.3.3拟解决的关键问题：完成matlab的仿真1.4本文的主要研究内容本轮毂电机独立驱动技术要求查阅相关的资料，运用所学基础知识和专业知识，根据模拟电路传输的系统，设计内容包括电路结构设计、轮毂电机设计、轮毂电机仿真设计。1.5本章小结本章节部分主要介绍了该轮毂电机设计的选题和研究目标。并且确定了其设计的方向。本文简要介绍了轮毂电机技术的选题意义及其在国内外相关领域的发展情况，使大家对轮毂电机技术的起源，发展和历史有一定的了解。2轮毂电机的原理及设计2.1总体设计简述轮毂电机式电动汽车设计的目的是为了在电动汽车的基础上，为了提高传动效率，减轻车整体的质量，将原本加在车内的电机放置在轮毂内，起到电机直接驱动车轮旋转，从而达到汽车向前行驶的目的。2.2轮毂电机的结构及原理轮毂电机是电动汽车里的一种比较特殊的方式，按照其转子的不同，一般可分为高速内转子型和低速外转子型，其布置设计也有很多不同。如图2.2所示，高速内转子型轮毂电机其整个驱动系统是由两部分组成，高速内转子电机机构和减速行星齿轮机构。有更高的功率比、效率，又因为电机本身的体积和重量可以再低速行驶时输出平稳转矩的优点，但是还要布置减速机构，从而大大增加动力输出系统的质量，提高了布置的难度。图2.2高速内转子型轮毂电机微型电动车如图2.3所示，低速外转子型轮毂电机也叫直接驱动型轮毂电机，在老式传统的汽车上减去了减速机构并简化了整个驱动轮的结构和悬架系统，传导其行驶速度和传动效率也得到了提升，但缺点是只靠电机本身来传递能量，来满足各种动力需求，所以对电机的要求比较高，从而研发成本也增加。图2.3外转子轮毂电机2.3转向系统的安装设计转向系统包括转动轴，方向盘，转向器摇臂等机构。转向系统在车上的安装包括三个部分转向器的中间部分要通过配套的固定件与车架的底盘相连接在一起。转向轴总成部分同样要通过配套的固定件与车架的悬挂想安装在一起。转向拉杆分别安装在配套的转向节相对应的位置上。图2.4转向节图2.5轴套2.4轮毂电机的连接设计本文采用的是外转子型轮毂电机式直接驱动电动车，所以转子外壳上的固定螺栓与轮胎轮毂直接相连。2.4.1前悬架连接设计前悬架的连接件采用的是三段式空心轴，两侧的部分半径比较小，并且分别用于与前悬架转向节和电机的定子轴连接固定，用于制动卡钳的安装。如图2.6所示，前悬架转向节的中间部分的轴承座为一个直径为66.6mm的孔，因此将前连接件的一端设计成了外部直径为77mm的轴承座。同时在转向节中孔内部和连接件上还需要铣出一个键槽，采用的是平键连接方式，以防止行驶时连接件与转向节之间的会相对转动。图2.6轴承座2.4.2后悬架连接设计本设计采用的后悬架为本设计采用的后悬架为拖拽臂式非独立悬架，后悬架的连接件同样采用三段式空心轴的设计，两侧的部分连接固定的分别是轮毂电机定子轴与悬架后轴，中间部分向以往一样用于安装制动卡钳。2.5制动系统的安装设计本车将采用驱动电机再生制动与机械制动相结合的制动方式，其中的机械制动部分主要是由在轮毂电机上的制动盘以及制动卡钳和制动主缸组成的，制动卡钳分别安装在上文所涉及的前后悬架的连接器上面。制动盘如图2.7。图2.7制动盘2.6驱动电机的特性驱动电机在满足在行驶时能提供动力外，还要考虑行驶的平稳性、舒适性以及安全性。因此要具备以下几种特性：考虑到电动汽车行驶的复杂性，其驱动电机应该有宽广的恒功率区间。经过传动系统输出的驱动电机的最高转速一定要满足最高车速的设计目标。考虑到整车的质量问题，减轻车重，增加电机的续航能力，提升汽车行驶里程，驱动电机要有较高的功率密度、转矩密度和效率，同时还要具备能量回收能力。为了保证在雨雪、高温天气下可以正常工作，驱动电机应具有良好的封闭性和较高的可靠性。无刷直流电动机使用了永磁体励磁来提高效率，获得更高的转矩，并且质量很轻。由于没有传统的换向器和电刷，无刷直流电动机的维护变得非常简单，并且噪音很小，满足电动汽车在各种行驶工况下的动力需要。2.7动力电池的选择目前电动汽车普遍应用的动力电池一般都是铅酸蓄电池、镍基蓄电池和锂基蓄电池。铅酸蓄电池的使用是非常普遍的，并且有很久远的历史。因为其成本低，技术成熟，相对功率也非常的高。但是存在的缺点是低温下功率就降低。现代人们对铅酸蓄电池在材料和结构方面进行了改善，是=使其使用寿命大大增加，在充电和维护方面也进行了提升，但是成本也相对增加。镍基蓄电池一般有很好的电化学性能，镍铁蓄电池有比铅酸蓄电池密度更高的特点，但其结构比较复杂，需要在放电的过程中释放氢和氧进行处理。其缺点是在低温下性能有很大的局限性，而且成本比较高，但依旧被认为是电动汽车电机方面很重要的选材之一。2.8本章小结本章对简单概括了轮毂电机的结构和原理，并且对轮毂电机在整车的前悬架、后悬架的连接方面，以及转向系统和制动系统也进行了说明，也对驱动电机的特性进行说明，在电机的电池选材方面也进行了简单的分析，对电机整体的要求也进行了表述。3仿真驱动控制系统建模与分析3.1控制系统建模无刷直流电机的双闭环仿真，结构分为两部分，500v直流电源，直流电源经过逆变电路，变为abc三项，并且给无刷直流电机进行供电，整个仿真在控制上分为两个环，转速外环，电流内环，转速环的参考值设定为3000，希望转速稳定在3000r/s，整个仿真的控制框架如下。图3.1matlab仿真控制模拟图简单来说，希望整个控制上形成一个闭环的连接，希望参考值与比定值进行比较，通过控制使参考值与实际值达到一个相对一致的情况，形成区域稳定，就说明控制比较良好了，首先是转速环，经过了一个电流环，然后经过一个PWM控制，PWM控制也就是外观调制技术，PWM主要是来控制开关管的开通和关断。PWM技术一般是载波和调制波进行比较，载波一般会采用三角波，矩形波，调制波一般采用参考量两个进行比较，得到一个脉冲，来控制开关管的间断。首先是转速波形，如图3.2所示，最后稳定区域在3000，因为设定的参考值就是3000。图3.2转速波形随后是电流波形，如图3.3所示，是abc三项的电流波形图。图3.3电流波形图3.4转矩波形图图3.5反电动势波形图3.2扩展速度技术双闭环无刷直流电机由于弱磁能力有限，固有恒功率范围较小。这是由于双闭环体磁场的存在，只有与转子磁场相反的定子磁场分量才能削弱双闭环体磁场。其速比通常小于2。最近又开发了附加励磁绕组来扩大双闭环无刷直流电机的转速范围。该技术的关键是控制励磁电流，使双闭环体提供的气隙磁场在高速恒功率运行时得以减弱。由于双闭环体和励磁绕组的存在，这种电机被称为双闭环混合电机。双闭环混合电机的速比约为4。双闭环混合电机驱动的最佳效率图如图所示。但双闭环混合动力电机存在结构相对复杂的缺点，其速比仍不足以满足车辆的性能要求，尤其是在越野车中，因此需要采用多挡位传动装置。3.3本章小结本章主要通过对电机部分的几种性能比较的分析，得出双闭环无刷直流电机的性能参数更符合本文轮毂电机技术对电机部分的要求以及在制动器的选择上的要求。通过双闭环无刷直流电机与浮钳制动器的配合，可以对整车的制动性能达到更好的制动效果，使整车的安全性，可靠性和耐久性比其他方案更适合。4轮毂电机相关参数设计4.1电动汽车动力性能计算电动汽车在斜坡道路上加速时，受到的阻力包括滚动阻力，空气阻力，斜坡阻力和加速阻力。电动车的驱动力等于阻力之和。电动车的驱动方程为:（式4.1）式中:M为轿厢总质量；F为滚动阻力系数；是一个斜坡；是空气阻力系数；A为迎风区；对于行驶速度；车辆转动质量换算系数。其中它是电机的总输出功率。电动汽车的动力性能评价指标与传统燃油汽车相同，主要有三个评价指标:最大速度，加速时间和最大爬坡角。电动车的最高车速是指在无风条件下，车辆满载在良好的水平路面上所能达到的最高车速。加速时间是指电动车在无风条件下，以最强动力起步后，加速到一定速度所需的时间。最大爬坡角是指在路面平整度较好，满载情况下，电动车以最低速度上坡行驶的最大坡度。电动汽车的最大速度可以由电机的最大速度和轮胎的外径来确定，即。（式4.2）式中:D为轮胎外径；是马达的最高转速。电动车从一个速度加速到另一个速度所需的时间是:（式4.3）电动车最大爬坡角为:（式4.4）4.2轮毂电机参数选择轮毂电机参数的选择应根据电动汽车的基本参数，包括迎风面积A，车辆总质量M，最高速度，加速度和爬坡能力，轮毂和轮胎相关参数等，为了满足实际需要，选择电动汽车的相关参数如表4.1所示。车辆主要参数要求单位数值迎风面积2.38汽车总质量1500最高时速110最大爬坡角度18爬最大坡度时速200~60km/h加速时间20轮毂外径381轮胎外径500滚动阻力系数0.016空气阻力系数0.4旋转质量换算系数1.03表4.1某德系汽车相关参考参数4.3轮毂电机转速的计算电机转速的确定不仅与电动车的行驶速度有关，还与轮胎的外径有关。城市平整道路的平均车速为40～60km/h，电机转速应选择在额定转速附近。本文根据上一节公式可以得到电机的额定转速。4.4轮毂电机功率的计算如果电机的额定值过小，在运行过程中往往会处于过载状态，从而降低其使用寿命。电动汽车在水平道路上以最高速度行驶所消耗的功率为:（式4.5）电动车以一定速度爬坡所消耗的功率为:（式4.6）电动汽车在水平道路上加速所消耗的动力为:（式4.7）电动车的最大功率应满足车辆对最大速度，加速度和爬坡程度的要求，因此电动车电机的最大功率为:当电动车以最高速度行驶在水平道路上时，通过公式得到了耗电量。由于电动车在以一定速度爬坡时，耗电量是通过公式得出的。由于电动车的加速并不均匀，公式也不是恒定的，所以不能简单地用公式计算出加速时各时刻的耗电量。车辆的常规正式车速低于最高车速，不会经常以该车速爬升最大坡角。因此电动车的额定功率为20kW，每个轮毂电机的额定功率为5kW。由于双闭环同步电机过载能力强，电动汽车最大功率为30kW，每台轮毂电机最大功率为7.5kW，这也为加速和爬坡留下了足够的后备动力。4.5轮毂电机扭矩的计算任何时刻扭矩，功率与转速的关系为:电动车在水平路面上以最大速度行驶的最大扭矩为:（式4.8）电动车在爬坡工况下的最大扭矩表达式如下:（式4.9）4.6加速性能计算加速时间是加速性能最重要的指标。从0加速到0所需的时间为:（式4.10）式中:车轮扭矩；就是输出功率。根据公式可进一步计算出车速从0～60km/h的加速时间t为20s，从而满足加速要求。4.7轮毂电机轴颈尺寸计算根据电机的峰值功率=7.5kW,和电机的峰值转速，可求出电机受力部分的最小轴颈：（式4.11）考虑电机轴采用40Cr，通过查表可知，A=103，故4.8轮毂电机电机轴强度校核1）根据初选轴颈进行强度校核根据前述的设计要求，电机的额定转矩；电机的额定转速；电机的额定功率，车辆在正常行驶过程中，假定电机输出的为额定转矩，由于车轮型号的限制，电机壳体的直径D=300mm。图4.2电机轴弯矩图通过查表，可知40Cr调质，抗拉强度极限=750MPa，屈服强度极限=550MPa，弯曲疲劳极限=355MPa，剪切疲劳极限=200MPa，许用弯曲应力=70MPa。2）确定支反力水平面内的支反力3）垂直面内支反力4）计算轴的弯矩，并画弯矩图水平面弯矩垂直面弯矩合成弯矩画弯矩图，如上图4.2所示进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩及转矩的截面的强度。所以轴的强度合格。图4.3轮毂电机cad设计图4.9本章小结本章对轮毂电机的主要参数进行了计算和设计，并对电机内部的关键零部件进行了设计和强度校核，确保电机能够满足性能要求，不会因设计缺陷而引发安全事故。5结论随着社会的发展进步，人们对车的要求越来越高，从开始的传统内燃机到如今持续发展的电动机，人们无时无刻在电动技术方面进行突破。本文的设计结合现阶段轮毂电机的研究现状和发展方向，对轮毂电机进行了相应的分析论证，并针对实际应用方向细化了相应零部件的选择和设计方案。设计阶段主要分为明确方向，了解国内外电动汽车现状，仿真驱动控制系统分析，轮毂电机相关参数设计，本设计的主要工作：通过百度文库及馆内相关场所借阅传统汽车，电动汽车方面的书籍和；论文。通过资料中相应的公式和方案来整理和确定零件的尺寸，本文的设计是合理的。采用matlab软件对轮毂电机仿真驱动控制系统进行分析。利用cad绘制了一些关键零件的二维图，在此过程中，对零件使用的尺寸，进行了校核。对轮毂电机相关参数进行了设计，采用了相关的计算公式，对轮毂电机的转速、功率、扭矩、性能和电机轴尺寸进行计算。致谢在本次毕业论文的设计过程中，首先我要感谢宋长森老师和苑士华老师对本论文从选题，大纲，立意，结构设计等方面进行了指导和教学，一遍遍地指出每一篇稿件和绘图中存在的问题，严格把关，循循善诱，使我最终能够顺利完成毕业论文的设计，其次，感谢工业自动化学院的全体领导和老师，由于他们的悉心教导，我学到了很多相关的专业知识，掌控的扎实的专业技能。时光飞逝，转眼间四年紧张又充实的大学生活就要结束了，在数控学习方面，作为车辆工程专业的学生，通过实训中心老师的授课解惑，我由衷地感到自己学到了太多原来专业没有学到的知识和专业技能。在学习生活中，老师们严谨的为我们讲解各种机械的用法，治学态度，丰富渊博的学识，精益求精的工作态度，耐心地为我们解疑答惑，我历历在目地记得他们，老师们的这些精神将在我们今后的工作中起到非常重要的示范作用，让我们进入社会后知道如何做好自己，端正自己的位置，为国家贡献自己的力量。最后，感谢我的家人再次给予我包容、关爱和鼓励，以及所有陪我一路走来的朋友跟同学们，正时他们的照顾与支持，我才能安心学习，并顺利完成我四年的学业。毕业在即，在今后的工作和生活中，我会铭记老师们的教诲，继续不懈努力地去追求，来报答曾经支持和帮助过我的人，在此，我衷心感谢宋老师对我无微不至的关怀和教导，对在百忙之中对本课题进行审阅和点评，并给出宝贵意见和建议的各位老师表示衷心的感谢！参考文献[1]曹秉刚电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报，2004，38（1）:1-5.[2]CHANCC.Thepast,presentandfutureofelectricvehicledevelopment[C].IEEE1999IntemationalConferenceonElectronicsandDriveSystemsHongKong:IEEEPress,1999:11-13.[3]胡骅，宋慧.电动汽车[M].北京:人民交通出版社，2002.[4]汤双清，廖道训，吴正佳，电动汽车的核心技术及发展展望[J].机械科学技术，2003，22（2）:189-192.[5]WUHongxing,CHENGShukang,CUIShumeiCommunicationofvehiclemanagementunitintheelectricvehicle[C].IEEETransactionsonMagnetics,IEEEPress,2005,41(1):514-517.[6]DIEMW.Thehands-offapproach[J].AutomotiveEngineer,2000,25(10):38-29.[7]葛英辉，李春生，倪光正.DSP2407在电动车电子差速控制中的应用[J]，电力电子技术，2003，37（5）:1-4.[8]顾云青，张立军.电动汽车电动轮驱动系统开发现状与趋势[J].汽车研究与开发，2004，12（1）:27-30.[9]杨邦鼎，杨雷.减速驱动方式在电动车中的应用[J].电器工业，2002，6（1）:7-8.[10]张东，江建中，施进浩.车用轮毂式双闭环无刷直流电动机的设计[J].维特电机，2005，33（6）:5-8.[11]KazimCakir.In-WheelMotorDesignForElectricVehicles[D].SabanciUniversity,2004[12]杨祖元，秦大同.电动汽车动力性参数设计及动力性仿真[J].重庆大学学报，2002，29（6）:19-22.[13]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社，2002:1-267.[14]李国良，初亮.采用交流感应电机的电动汽车动力传动系统的合理匹配[J].吉林大学学报，2001，31（4）:6-11附录Theautomobilehasdevelopedfromtheoriginalstep-by-steptooltoaculturalproductrepresentingtheinnovationtechnologyofthetimes.Especiallyintoday'seraofprominenttrafficsafetyproblems,globalenergyscarcityandglobalexpansionofpollutionproblems.Inthebackground.Inordertomeetthesocialresponsibilityofenergyconservationandenvironmentalprotection,everycountryiscommittedtothedevelopmentofkeytechnologiesofelectricvehicles.Thewheelmotorcontroltechnologywithfour-wheelindependentdriveisoneofthemostpotentialtechnologiesinelectricvehicles.Thefour-wheelindependentdriveelectricvehiclecancontrolthesteering,brakinganddrivingofthevehicleinonestationthroughthewirecontroltechnology,whichlightensthecontrolpressureandhashighexecutionprecisionandfastreal-timeresponse.Itisthebestshortcuttodeveloptheintelligentcontroltechnologyofthevehicleandrealizethedynamiccontrolofthevehicle.Inthispaper,thefour-wheelindependentdrivehubmotordrivenelectricvehicleistakenastheresearchobject,andasimulationplatformisbuilt.Onthisbasis,thedrivinganti-skidcontrolandelectronicdifferentialcontrolstrategiesarestudied,andthewholevehiclecontrolsystemschemeisdesignedforrealvehicleverification.Firstofall,accordingtothemodelingrequirementsofthefour-wheelindependenthubmotordrivenelectricvehicle,thispaperusesthemodularmodelingideatomakemodelassumptions,andconstructsa15degreeoffreedomsimulationmodelofthefour-wheelindependentdriveelectricvehicle,whichincludesfour-wheelindependentfoursteeringdegreesoffreedom,wheel4verticalfreedom,body6Thedynamicmodelofdegreeoffreedomandonedegreeoffreedomoffrontwheelsteeringanglearegiven,andthedetaileddynamicequationsofthewholevehicleandeachsubsystemmodulearegivenindetail.Secondly,intermsofcontrolstrategy,theelectricalparametersofBLDCMaredeterminedaccordingtothedynamicperformancerequirementsofthewholevehicle,andthetorqueanalysisiscarriedout,thedoubleloopPIDspeedregulationprincipleisgiven,andtheelectronicdifferentialcontrolstrategyisproposed;becausetheelectronicdifferentialcontrolstrategydoesnotconsidertheinfluenceofwheelslipfactors,thefuzzyPIDbasedonslipratecontrolisdesignedonthisbasisThecontrollermakestheactualslipratestableontheoptimalsliprate,soastorealizetheeffectivedrivingantiskid.Inthispaper,accordingtothetechnicaladvantagesofthefour-wheelindependentdrivehubmotorelectricvehicle,thelongitudinalmotiondrivecontrolisstudied.Themaincontentsareasfollows:Throughtheanalysisofthecontrolprincipleoflongitudinalmotionandmotordrive,thesimulationmodelsofvehiclemodel,dynamicmodel,controlmodelandmotormodelarebuilt.Asimpledrivermodelbasedonvehiclespeedfeedbackisestablishedandverifiedbysimulation.Theexperimentalresultsshowthatthemodelcantransformtheexpectedvehiclespeedinputbythedriverintothefinaloutputtorque,andensurethatthevehiclecanmoveneartheexpectedvehiclespeed.Theadvantagesanddisadvantagesofeachwheelmotordrivecontrolstrategyarecompared,andtheadvantagesofvoltagecontrolandspeedclosed-loopcontrolareintegrated.Adoubleloopcontrolsystemisdesigned,anditsfeasibilityandeffectivenessareverifiedbySimulinksimulationexperiment.Inordertosolvetheproblemofvehicleinstabilitycausedbythechangeoffrontandrearaxleloadintheprocessofvehiclelongitudinaldriving,thispaperdesignsacontrolalgorithmtodynamicallyadjustthefrontandrearaxledistributiontorque.Thevehiclelongitudinaldrivingisdividedintostartingcondition,middleandlowspeedacceleratingconditionandhighspeedacceleratingcondition.Differenttorquedynamicadjustmentratioissetfordifferentconditions.Inordertoreducethecalculationburdenofthecontrolsystem,thetorquedynamicadjustmentratioissetasafixedvalue.Inthehigh-speedaccelerationcondition,duetotheincreaseofairresistance,theaxleloadwilltransfertotherearaxle.Itisnecessarytodynamicallyadjustthedrivingtorqueaccordingtotheaxleloadtransfer,andadjusttheoutputtorqueaccordingtothereal-timefrontandrearaxleloaddistribution.Thesimulationresultsshowthatthedesigneddistributionalgorithmcompletesthedistributioncontroloftheoutputtorqueinthefrontandrearaxlewell,andensuresthatthedynamicadjustmentratioofthetorqueisfixedunderthestartingandmiddleandlowspeedaccelerationconditions,andtheoutputtorqueisdistributedunderthehighspeedaccelerationconditionsaccordingtothereal-timeloadchanges.Afuzzycontrolstrategybasedonthestateparametersofmotorandwheelisproposedtodealwiththewheelslipandidlingundertheconditionofstraightstartingandacceleration.Basedontheinformationofwheelangularacceleration,theprincipleofjudgingvehicleslipstateisanalyzed,andthealgorithmofjudgingvehicleslipstateisdesigned.Itisfoundthatthederivativeratiobetweenthedrivingforceofthewheelandthedrivingtorqueofthedrivingmotorcanhelpustojudgethevehicleslipstate.Throughthefuzzycontroltheory,underthejointactionoftheparametersandthewheelangularacceleration,theadjustmentcontroloftheresearchtorqueofthefour-wheelindependentdrivewheelmotorelectricvehiclelongitudinaldrivecontrolisrealized.Comparingthefuzzycontrolalgorithmdesignedinthispaperwiththeclassicalmodeltrackingcontrolalgorithm,itisfoundthatthefuzzycontrolalgorithmdesignedinthispapernotonlyhasthesameanti-skidcontroleffectwiththemodeltrackingcontrol,butalsohasagoodconsiderationofthedynamicperformanceofthevehiclewhendriving.Comparedwiththetraditionalelectricvehicle,thefour-wheelindependentdrivehubmotorelectricvehiclehasauniquestructuraladvantage,whichisacharacteristicdevelopmentdirectionoftheelectricvehicle.Comparedwithtwowheeldrivevehicles,four-wheeldrivevehiclescanattachtothegroundbetter.Throughthereasonableadjustmentofthedrivingforceofeachtire,energyconsumptioncanbereduced,andithasmoreadvantagesinpreventingvehicleskidding.Therefore,howtocontroltheoutputdrivingforceofeachwheelisakeytechnologyintheresearchoffour-wheelindependentdrivehubmotorelectricvehicle.Inaddition,inthecontrollerdevelopment,accordingtotheoverallschemeofthefour-wheelindependentdrivevehiclecontrolsystemdesigned,Theselectionandfunctionofeachpartofthecontrolsystemareanalyzedindetail.Thevehiclecontrollerandthebottommotordrivecontrolleraredesigned.Theprinciple,functionandrealizationprocessofthehardwareandsoftwaredesignofthecontrollerareintroducedindetail.Then,thesimulationanalysisofthecontrolsystemiscarriedout.ThroughthesimulationcomparisonbetweentheCarSimsoftwareandthemodel,itisdeterminedthatthemodelcanaccuratelydescribethedynamicperformanceofthevehicleandverifytheaccuracyofthefour-wheelindependentdrivehubmotorelectricvehiclemodel.Onthissimulationplatform,thefuzzyPIDisappliedTherationalityofthecontrolstrategyandthedifferentialcontrolstrategyissimulated.ThesimulationresultsverifytheeffectivenessofthefuzzyPIDcontrolstrategyandtheelectronicdifferentialcontrolstrategy.Finally,thetestvehicledesignedbytheprojectteamisusedtocarryoutthetestunderstraightdrivingandturningconditions.Itisverifiedthatthesystemcanrespondtosteeringanddrivinginstructionswell,andthefeasibilityofelectronicdifferentialcontrolstrategyisverified.ModelingrequirementsofelectricvehicledrivenbyhubmotorAsanimportantinnovationtechnologyinthedevelopmentofelectricvehicles,wheelmotordrivesystemhasdevelopedrapidlywithitsuniqueadvantages.Thewheelmotordrivecompletelycancelsthemechanicalcouplingmodessuchasclutch,transmissionshaftanddifferential,whichgreatlyimprovesthepowerandflexibilityofthewholevehicleandsimplifiesthemodeloftheelectricvehicle.Becausethehubmotordrivesystemissensitivetothesignalresponse,butalsoneedstheaccuratestructureofmodeloutput,andtheelectricvehiclecontainsavarietyofcomplexnonlinearsystems,whichhavemutualdisturbance,sotheestablishedmodelcanfullysimulateallthemotionrelationsandworkingconditionsoftheelectricvehicle,sothecurrentresearchlevelcannotbeachieved.Therefore,weneedtosimplifyandmergethemodelproperlyaccordingtothemainparametersoftheresearchproblem,andestablishanappropriatemodelthatcanaccuratelydescribetheperformanceofthevehicleunderstudy.Inordertomakethefour-wheelindependentwheelhubmotordrivemodelaccuratelyrespondtothelongitudinal,transverseandyawmotionsofthevehicletocorrectlyreflecttheride,handlingstabilityanddynamicperformanceofthevehicle.BasedonMATLAB/Simulinksimulationsoftware,thispaperestablishesafour-wheelindependentdrivewheelmotordrivemodel.Themodelfocusesonthedescriptionofthewholevehicledynamicscharacteristics,four-wheelsteeringcharacteristics,wheelmotordrivingandbrakingcharacteristics,andachievesthefollowingrequirements:underspecificinputconditions,thesub-systemmodulesofeachdivisioncanaccuratelyrespondtotheinput,andmakefeedback,toachievethefunctionalgoalofmoduleestablishment.Thewholevehiclemodulecanmonitorthestatevariablesofthevehicleintherunningprocessandsimulatethedynamicperformanceofthevehicle.ModuledivisionofelectricvehicledrivenbyhubmotorThefour-wheelindependentdriveelectricvehicleusesbustechnologytoconnectthevehiclecontrollerandeachsubsystemcontroller,soastodeterminethepriorityandindependenceofthecontrolsignal,whichismoreconducivetotherealizationofdifferentcontrolmodulealgorithms.Thebiggestinnovationtechnologyofthehubmotordrivenelectricvehicleistogetridofthemechanicaltransmissionrelationship,sothatthecontrolofthedrivingwheelismoreflexible.Thefourdrivingwheelscanbecontrolledindependentlyaccordingtotheroadconditionsanddrivingmode,andthetorquecanbeoptimizedanddistributedreasonably.WanfangDatamaster'sthesisofHangzhouUniversityofElectronicScienceandtechnologyInthispaper,themodulemodelingmethodofoveralldifferentiationisusedtodividethevehicleasawholebasedonthestudyoftheforcetransmissiondirectionoftheparameterobject,andtheinputandoutputportsofparametertransmissionareestablishedbetweeneachsubsystem.TheseI/Oportsconnectdifferentsystemmodulestoformtheoverallframework.Thismethodiseasytorealizetheoperationofdifferentalgorithmsamongdifferentsystems,simplifiesthemodelingprocess,andgreatlyenhancesthematchingandextensionofmodeling.Thefour-wheelindependenthubmotordrivenelectricvehicleframeiscomposedofthewholevehicledynamicsmodule,thefour-wheelindependentsteeringmoduleandthehubmotordrivenbrakingsystemmodule,andtheconnectionrelationshipbetweeneachmoduleisestablished.Amongthem,thewholevehicledynamicsmoduleiscomposedoftiredynamicsmodel,tiremodel,roadidentificationsystemmodelandvehicledynamicsmodel;thefour-wheelindependentsteeringmoduleiscomposedofdrivingswitchingmodeandfour-wheelindependentsteeringmodel;thewheelhubmotordrivebrakingsystemmoduleiscomposedofdrivingswitchingmode,wheelhubmotormodecontrolmodelandfour-wheelindependentdrivemodel.Thefour-wheelindependentelectricvehicledrivenbyhubmotormakesuseoftheintegratedapplicationtechnologyofhubmotor,sothatthevehiclesystemcontrolmodeistransformedfromthepastpuremechanicalcontroltotheintelligentelectromechanicalintegratedcontrol.Thiscontrolmodegreatlysimplifiesthemechanicalstructureofthetraditionalautomobile,savesthetraditionalmechanicaltransmissionfrombindingtheautomobilechassis,andliberatesthespace.Thefour-wheelindependentdriveelectricvehiclehasdifferentdrivingswitchingmodes.Thedrivercanchangethedrivingswitchingmodeaccordingtodifferentroadconditionstocontrolthedriving,steeringandbrakingoftheelectricvehicleasawhole.Theoff-linesimulationandoverallcontrolofthewholevehicledynamicssystemandthefour-wheelindependentdrivecontrolsystemforthefour-wheelindependenthubmotordriveelectricvehicleisnotonlyconducivetotherealizationofavarietyofdrivingswitchingmodealgorithms,butalsoconvenientforthedevelopmentofthevehiclecontrolalgorithmofthevehiclesystem.StructureanalysisofelectricvehicledrivenbywheelmotorComparedwiththetraditionalinternalcombustionenginevehicle,thestructureofthefour-wheeldrivehubmotorelectricvehiclestudiedinthispapermainlyincludes.Thefollowingdifferences:firstly,thepowertransmissionmechanicalpartssuchasclutch,transmission,transmissionshaftanddifferentialareremoved,whichmakestheinternalspaceofthevehicleincrease,andismoreconducivetothesizedesignandlayoutofotherpartsinthevehicle;secondly,becauseitintegratesthemotorintotherimofthevehicle,thewholepowertransmissionsystemisremovedfromtheoverallstructurelayoutofthevehicle,whichmakestheoverallstructureofthevehicleSimpler;finally,theoriginalfueltankandfuelsupplysystemarereplacedbybatteriesandrelatedbatterymanagementsystem.汽车已经从最初的代步工具发展到成为代表时代革新技术的一种文化产物。尤其是在现下，交通安全问题突出、全球能源稀缺，污染问题全球性扩张的时代背景下。为迎合节能环保的社会责任，各个国家都在致力于电动汽车关键性技术的开发。四轮独立驱动的轮毂电机控制技术是目前电动汽车中最具潜力的一种科技手段。四轮独立驱动电动汽车通过线控技术可以一站式的控制汽车的转向、制动、驱动，轻化了操纵压力的同时且执行精度高、实时响应快，是开发车辆智能型化操纵技术、实现车辆各项动力学控制的最优捷径。本文以四轮独立驱动的轮毂电机驱动型电动汽车为研究对象，构建了仿真平台，在此基础上对驱动防滑控制、电子差速控制策略进行了研究，并设计了整车控制系统方案进行实车验证。首先，本文根据四轮独立轮毂电机驱动电动汽车建模要求，采用模块化建模思想，作出模型假设，构建了15自由度的四轮独立驱动电动汽车仿真模型，包含有四轮独立4转向自由度，车轮4垂向自由度、车体6自由度动力学模型及1个前轮转向角自由度，并详细给出了整车及各子系统模块详细的动力学方程。其次，在控制策略上，根据整车动力性能要求确定了无刷直流电机的电气参数，并对其进行转矩分析，给出了双环PID调速原理，提出了电子差速控制策略；由于电子差速控制策略并未考虑车轮滑转因素的影响，故在此基础上设计了基于滑转率控制的模糊PID控制器，使实际滑转率稳定在最优滑转率上，从而实现有效的驱动防滑。本文针对四轮独立驱动轮毂电机电动汽车的技术优势，对其纵向运动驱动控制进行深入研究。主要内容如下：（1）通过对汽车纵向运动和电机拖动控制原理的分析，完成了对车辆整车模型、动力学模型、控制模型和电机模型等仿真模型的搭建。建立了基于车速反馈的简单驾驶员模型并进行了仿真验证，实验结果显示该模型能够将驾驶员输入的期望车速