基于4台无刷直流轮毂电机的控制方案

基于4台无刷直流轮毂电机的控制方案

1电子时差电子好随着严重的污染污染和能源危机，传统交通工具（车辆）的可持续发展正变得越来越严重。电动汽车（ev）是解决上述问题的有效手段，并得到了越来越多的研究和开发。对于电机驱动控制系统,大部分电动车采用驱动电机与减速器相连再带动车轮的方式,通过被电机驱动的两个内外车轮的速度差实现差速。车轮的速度计算必须通过对一系列减速器的减速比计算,才能得到和电机转速之间的关系。这种复杂的计算方法对于电动车丧失了电子控制的实时性,如果电机转速和车轮转速能够保持实时一致,电子差速的功能就可以得到最好的体现。所谓电子差速(ElectronicDifferentialSystem,简称EDS)是完全采用电控方式控制各个车轮的转速,使车轮以不同速度转动。为了提高电动车运行的速度和效率,同时基于能量传递效率和车体空间限制等考虑,近年来采用无刷直流轮毂电机四轮独立驱动式电动车已经成为研究热点。轮毂电机彻底改变了汽车传统的驱动方式,电动机安装在车轮的轮毂内,电机的转子为外转子,输出转矩直接传输到车轮,舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥、差速器等机械部件,使整车重量减轻,降低了机械传动损耗,并具有灵活的行驶特性。本文所设计的电动车利用位移传感器提供模拟信号输入,驾驶者通过方向盘、加速踏板、制动踏板提供起动、加减速、转向、制动、停车等外部指令,指令经过位移传感器转换为模拟电信号输入控制器。因此,本文电动车取消了以往汽车电子转向系统中的转向电机,直接使用无刷直流轮毂电机提供转向动力,是一种全新的电子转向方案。在已经设计完成的电动车原理样车基础上,针对电子差速问题进行研究,设计了一套完整的电机驱动和电子差速控制器,借以提高车辆的操纵性和稳定性能。2“双向”向电子差速的方法是通过驾驶者输入信号,控制器改变车轮速度实现转向,如图1所示。方向盘的转动轴底部直接连接一个误差为0.5%的位移传感器,该传感器的位移范围是(0～200)mm,模拟电压输出范围为(0～5)V,作为电子差速转向系统的指令输入。2.1速度机转向总体控制四轮电子差速需要对4个轮毂电机同时进行速度控制和差速计算,是一个复杂的控制系统。硬件结构包括方向盘、位移传感器、控制器、4个轮毂电机、每个电机的转子位置传感器。图2为电子差速转向总体控制框图。电子差速转向系统通过调整电机转速,改变车轮的转速实现差速转向。当电动车需要转向时,转向的内侧车轮速度小于外侧车轮速度。由于内外轮侧的速度差异,相同时间内,内侧车轮驶过的距离较小,外侧车轮驶过的距离较大,车体必然向内侧偏转,从而实现转向。具体转向过程如下:首先将方向盘的角度输出转换成控制系统可以接收的模拟信号,在执行转向之前,定义方向盘的角度输出与模拟量之间的关系;然后对模拟信号的变化范围进行分析,经过计算即可得到不同的方向盘位置与转向时各个车轮转速的分配;内外侧车轮产生速度差异,实现转向。2.2机械转向机构的模型电子差速系统的输入装置为方向盘,且通过一个位移传感器将角度变化输入到控制器,因此输入量为方向盘的角度和位移传感器的模拟输出。首先需要计算的方程就是输入角度δ与位移传感器模拟量x之间的关系:δ=f(x)。(1)在计算此方程时,先对方向盘的模拟输入量进行定标,随着方向盘的转动,确定位移传感器模拟量输出的可取范围;然后,测量方向盘的转角范围,显然,δ和x成线性关系。本文的电子差速方案的目的是研究汽车转向时的车速、转向角、每一个车轮的速度关系,忽略了地面因素、轮胎差异因素、假设电动车在普通公路地面上运行来计算各个参数。在计算电动车转向时的各个车轮速度时,为了研究转向方向盘的输入角度与车轮速度变化的关系,必须建立速度计算方程。假设某时刻汽车的运动模型如图3所示。根据Ackermann-Jeantand模型,涉及到的车体参数有:δin为前内轮转向角;δout为前外轮转向角,单位为角度;L为车身长度;W为车身宽度;R为转向半径;Rin为内轮转向半径;Rout为外轮转向半径;Cin为内轮一圈转过的距离;Cout为外轮一圈转过的距离。设当方向盘输入的模拟电压值为x时,电动车以v的速度稳定转向。4个车轮输出不同的转速值,将前内轮转速称为vin,前外轮转速称为vout,后内轮转速称为v3,后外轮转速称为v4。由图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为车轮转过一圈所需时间。由式(1)、(7)和(8)的推导可得,vin和vout是关于模拟输入量x的方程;是相对于车速关于x两个对称变量。在机械转向机构中,ΔT的计算需要通过实际测量车轮转圈的时间实现。本文采用了轮毂电机作为实现电子差速的驱动电机,车轮的转速与电机的转速一致,因此ΔT的计算只需计算电机的转速,即通过控制电路求出。设电机的转速为vm,且由于是轮毂电机驱动vm=v,则有ΔT=2πRvm=2πRv,(9)ΔΤ=2πRvm=2πRv,(9)因此式(7)和(8)可以简化为vin=v(1-tanδ·W/L),(10)vout=v(1+tanδ·W/L)。(11)电动车在使用两轮电子差速方案转向时,由于每一个车轮和地面的受力情况都发生了改变,因此不但需要计算转向驱动轮的速度变化,同时也要计算非转向驱动轮的速度。在图3的模型中,由方程组v3v4=RinRout,v3+v4=2v,Rin=Ltanδ−W2,Rout=Ltanδ+W2,⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(12)v3v4=RinRout,v3+v4=2v,Rin=Ltanδ-W2,Rout=Ltanδ+W2,}(12)计算v3和v4。由上述联立方程式可以计算得: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是关于车速v和转向角δ的变量。2.3驾驶感受的数控制策略文献指出,两轮驱动电动车驱动轮的转矩比为K(v,δ)=W2HWg−v2sinδW2HWg+v2sinδΚ(v,δ)=W2ΗWg-v2sinδW2ΗWg+v2sinδ,(15)式中:v为电动车的速度;H为车辆质心到地面的高度;g为重力加速度。为了获得与传统汽车类似的驾驶感觉,在对转矩控制时,应当遵循以下原则:对一定的力矩,输入指令对应于线性速度控制;对一定速度,输入指令对应于线性力矩控制。这样,指令输入时对应于控制踏板位置的变化,输出具有良好的线性驱动响应特性。电机电磁转矩为Tm=CTΦIa,(16)其中:CT=pN/2aπ为电机转矩常数;p为电机极对数;N/2a为电机绕组总导体数;Φ为每极绕组磁通量;Ia为绕组电流。由电磁转矩表达式可以看出,无刷直流电机的电磁转矩的大小正比于电枢电流,因此对电机转矩的控制可以等效为对绕组电流的控制。控制踏板输入相当于转矩控制指令,采用线性调节负反馈的电流控制,有与传统汽车类似的驾驶感觉。转弯时内外侧轮的转矩差为ΔTp=1−K(v,δ)1+K(v,δ)TmΔΤp=1-Κ(v,δ)1+Κ(v,δ)Τm,(17)内外侧轮所需实际转矩分配分别为Tin=Tm-ΔTp,(18)Tout=Tm+ΔTp。(19)3电子时差方案的影响电动车在进行电子差速转向时,其当前的运行方式对电子差速方案的实施有着重要的影响。根据不同的工作模式,电子差速运行时,当前电动车的速度状态和转向角度指令都要作相应的变化和调整。3.1影响电机转速的因素电动车在进行匀速前进时,由于路面存在高低不平、轮胎参数有差异,4个车轮的速度必然会受到影响,导致4个车轮转速不同。如果不进行纠正,就会引起电动车向转速较慢的那一方转向,若四轮车速相差较大更会引起车辆行驶的不稳定。利用PID调速方法对电机转速进行闭环控制,可提高电机调速的响应时间和调速稳定性,有利于4台轮毂电机转速的一致性协调。转速一致性协调遵循以下法则:在电动车直线前进时,在采样点时刻求出4个车轮转速的最小值,使其他3个车轮的转速与其始终保持一致,其流程如图4所示。3.2加速/转速转向操作当电动车在加速前进时,加速踏板发出的速度指令在不断变化,控制器根据加速指令的变化改变控制器的PWM占空比输出,轮毂电机的转速也相应在变化。此时产生转向指令,若保持电机处于加速状态同时进行转向操作,必然会导致在转向过程中电动车的不稳定运行。本文采取的策略是记录转向指令发生时刻的PWM占空比值和车速,并保持PWM占空比值不变。根据车速和转向角度计算4个车轮的各自的转速,并开始实施转向;当转向指令后结束后,PWM的占空比值从转向指令发生时刻记录的数据开始随着加速踏板指令变化,车速也随着作相应变化。具体实施策略如图5所示。图中v是电动车的车轮速度,T是电动车车轮的转矩。3.3全球旋转控制电动车在运行过程中需要对多种运行状态下进行转向控制和速度计算,图6是整车转向时的控制策略框图。4电机转向速度v/d转变驱动电机一机为了进一步对电动车行驶时的电子差速转向进行研究,制造了一台电动车的原理样车,其基本性能参数如下:最高车速38km/h;载重能力200kg;一次充电行驶里程50km。电动车的速度指令、制动指令、转向指令的输入方式分别采用加速踏板、制动踏板和方向盘。为了便于安装和提高测量精确度,速度指令、制动指令、转向指令的输入方式转换成电信号模拟量采用的都是高精确度位移传感器。传感器的一端固定在车身,另一端固定在发生位移变化的对象上。传感器量程为(0～200)mm,输出模拟量范围(0～5)V,相对误差0.5%。驱动电机选取永磁无刷直流轮毂电机,外转子式设计,额定转速800r/min,额定功率是700W,车轮直径为410mm,电机转子磁极数为8对极。经过测量方向盘的角度变化范围:顺时针和逆时针旋转均为70°,相应位移传感器输出为1.5V～3.6V,且成线性关系。为方便计算,把方向盘顺时针方向的转动定义为“+”,逆时针方向的转动定义为“-”,则根据式(1)可得:δ=f(x)=66.67x-170。(20)测得电动车车轮处于直行状态时的x=2.55V,当CPU的转向模拟量输入口的模拟电压值从1.5V～3.6V变化时,通过A/D转换就可以计算出电动车的方向盘转角,为车轮的速度计算作准备。根据差速计算公式(10)、(11)、(13)和(14),可以根据不同的转向角度δ计算车轮的速度分配。根据样车相关参数,取L=2.6m、W=1.55m时,将数据代入计算可得电动车转向时的速度方程: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模型速度计算根据上述分析,对四轮毂电机电动车电子差速进行仿真。仿真对象为永磁无刷直流轮毂电机,额定功率700W,额定转速800r/min,转子磁极数为8对极,电动轮直径410mm。分别取v=2m/s、v=4m/s、v=6m/s、v=8m/s和v=10m/s,代入式(21)～(24),对前轮差速vin和vout,后轮差速v3和v4的速度计算结果进行对比,结果如图7和图8所示。由图7速度曲线图可知,当转向角δ=0°,即电动车直行时,vin和vout速度保持一致。随着δ在0°～70°范围内逐渐增大,vout随着角度增加而逐渐增大,vin随着转向角度增加而逐渐减小,尤其是当δ超过60°时,处于内侧的轮毂电机开始反向旋转。而当δ在0°～-70°范围内逐渐减小时,定义为vin的轮毂电机此时已经处于外侧,而v