基于DSP的电动车多轮驱电机的协调控制(本、硕论文）

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1、 摘 要承载、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，

2、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TMS320F2812开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、

3、调速、正反转和电流闭环控制。全部试验结果表明，基于DSP的电动车多轮驱电机协调控制可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；DSP；电流闭环控制AbstractThree basic functions of the ground running vehicles are bearing, steering and traction. At present, the trend of the pure electric automobiles is the multiwheel drive.

4、This kind of system contains two driven motors at least. By coordinating control of the motors, the bidirectional traction of the electric vehicles can be realized, and coordinating control for the steering could become possible at the same time. Therefore, the related theory and experiment about co

5、ordinating control technology of the multiwheel drive has been researched in this paper.At first, the working principle and characteristic for the permanent magnet brushless dc motor have been analyzed. According to the technique of traditional automobile, the control functions and realization metho

6、ds of wheel-driven electric vehicle are researched systematically. The conceptual model of the electric tricycle composed of artificial steering wheel and two driven wheels is presented, and the system control strategy based on independent dual motor driven and flexible current instructions assignme

7、nt has been proposed. The current adjustment handle instructions and current assignment instructions are received in this system, and coordinating control for torque is realized by assignment and closed-loop control for current of the dual motors. Furthermore, steering coordinating control can be re

8、alized, while traction of the electric automobiles can be completed.Secondly, for the control need of the electric tricycle mentioned above, the hardware driven circuit of magnet brushless dc motor has been designed on the basis of comparing for power driven circuit structure, control means, mehod o

9、f current and rotors position signal detection of motor. And the hardware test and research platform of the dual-motor coordinating control system taking TMS320F2812 as the main controller has been builded up. The entire demand of software control system has been analyzed and input modules, output m

10、odules and control modules of system have been programmed. The software design of the dual-motor coordinating control system has been accomplished at last.Finally, system software and hardware joint debug has been completed on the experimental study platform. Speed detection subsystem has been calib

11、rated by the motor open-loop tests. Current detection subsystem has been calibrated by excitation permanent current imposed separately. And current closed-loop control of motor has been completed. The test results show that the control system can realize starting, speed adjustment, clockwise and ant

12、i-clockwise running and current closed-loop control functions of motor.All the test results show that the coordinating control for multiple driven motors of the electric vehicle based on DSP can realize coordinating control for the steering, while traction of the electric automobiles can be complete

13、d. Mature technique of current closed-loop control is adopted, and the function of differential mechanism can be replaced by software module, which gives the reference to the study of multiwheel electric vehicles.Keywords: Electric Vehicle; Multiwheel Drive; DSP; Current Closed-loop Control; 目 录第1章

14、绪 论11.1 课题研究背景及意义11.2 多轮驱协调控制的现状11.3 论文完成的主要工作3第2章 电动车控制技术研究42.1 无刷直流电动机分析42.1.1 工作原理42.1.2 数学模型62.1.3 建模仿真82.2 电动车控制功能及实现112.3 电动三轮车概念模型及策略142.3.1 电动三轮车概念模型142.3.2 双电机协调控制策略152.4 研究技术路线172.5 本章小结17第3章 电气控制系统硬件设计183.1 电气控制系统方案研究183.1.1 功率桥电路与控制183.1.2 电机电流检测方案213.1.3 转子位置信号检测213.2 控制调节系统研究223.2.1 控制

15、调节系统需求223.2.2 硬件解决方案223.3 电气控制系统的实现233.3.1 电流控制输入电路233.3.2 PWM信号隔离电路243.3.3 电机功率驱动电路243.3.4 转子位置检测电路283.3.5 电机电流检测电路283.4 控制系统可靠性设计303.4.1 电源去耦303.4.2 信号隔离313.4.3 布线线宽313.5 本章小结32第4章 控制系统应用软件设计334.1 软件总体分析334.2 输入模块软件设计344.2.1 控制信号输入344.2.2 转子位置检测384.2.3 电机转速测量384.2.4 电压电流采集414.3 输出模块软件设计424.4 控制模块软

16、件设计454.5 本章小结47第5章 系统调试与试验结果分析485.1 试验研究平台介绍485.2 电机开环调试495.2.1 转速标定495.2.2 转速/电流特性505.3 电流检测系统标定515.4 电流闭环系统调试52结 论55致 谢56参考文献57攻读硕士学位期间发表的学术论文61第1章 绪 论1.1 课题研究背景及意义采用电机驱动的电动汽车最早诞生于1873年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

17、汽车4-9，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

18、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。1.2 多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10-11

19、，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、转矩协调控制和转矩平均控制。(1) 转速闭环控制Ju-Sang Lee等人12根据ACKERMANN-JEANTAND提出的车辆低速运行时转弯模型，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

20、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BP神经网络的电子差速控制器。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PI参数自整定控制系统，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

21、定的缺陷。(2) 转矩协调控制葛英辉等人17-18设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15-16通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

22、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。当路况发生变化时，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

23、熟技术。1.3 论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TMS320F2812开发板为主控制器，搭建了双电机

24、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。第2章 电动车控制技术研究地面运行车辆的三大基本功能是承载、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。2.

25、1 无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。2.1.1 工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

26、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2.1是无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或驱动桥直流侧电流实现。图2.2为无刷直流电机驱动时的反电势和电流波形图，梯形波为三相绕组反

27、电动势波形，矩形波为所对应绕组流过的电流波形47。图2.1 永磁无刷直流电机全桥驱动原理图图2.2 无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。图2.1所示的全桥驱动电路中，转子位置位置信号与电机对应导通相关系如表2.1所示，相应的功率开关管通电规律如表2.2和2.3所示。其中，表2.2为电机正转时的功率管导通规律，表2.3为电机反转时功率管导通规律。表2.1 正反转时霍尔位置信号与导通相的关系正转反转位置信号(H3H2H1)导通相位置信号(H3H2H1)导通相001BNA00

28、1BNC011CNA011BNA010CNB010CAN110ANB110CNB100ANC100ANB101BNC101ANC表2.2 正转时功率开关管的导通规律转子位置001011010110100101开关管T3，T2T5，T2T5，T4T1，T4T1，T6T3，T6A相+B相+C相+表2.3 反转时功率开关管的导通规律转子位置001011010110100101开关管T3，T6T1，T6T1，T4T5，T4T5，T2T3，T2A相+B相+C相+2.1.2 数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46-48，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

29、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： (2-1)式中，为电机的电磁转矩，为电机极对数，为三相绕组瞬时电势，为三相绕组瞬时电流，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： (2-2)式中，为每相反电动势，为逆变器直流侧电流，则电磁转矩又可表示为： (2-3)考虑到定子每相绕组的反电动势正比于转子角速度，即： (2-4)式中，为电势常数。将(2-4)代入(2-3)，则电磁转矩可表示为： (2-5)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： (2-6)式中，为负载转矩，为电机转动惯量。由式(2-4)

30、可以得出电机的转速方程： (2-7)其中，为电机绕组两端的等效电压值，为电机各相绕组电阻值：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直流电压值可实现电机的调速控制。2.1.3 建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PWM调制波生成模块。通过模块组合，在MATLAB的SIMU

31、LINK仿真平台下建立了控制系统的仿真模型26-27。(1) 无刷直流电机本体模块在SIMULINK仿真环境下的SimPowerSystems工具箱中提供了多种电机的模型。本模型中选择同步电机Permanent Magnet Synchronous Machine，该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

32、四个输入端和一个总线输出端，输入端包括A、B、C三相输入电压信号以及电机的阻转矩信号，总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SimPowerSystems工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MOSFET三相桥式电路，当设置该模型为3个桥路时，3个输入端分别为

33、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、C三相电压信号，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，分别对应于电机的6个换相时刻。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) PWM调制

34、波生成模块无刷直流电机控制系统中一般通过PWM斩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MOSFET斩波器进行PWM斩波调制，控制无刷直流电动机两端的等效电压值。PWM斩波信号由一个固定频率的三角波与01V的可调直流电压信号，比较后接入到Relay模块，对Relay模块进行设置，控制其开通和关断时输出信号值，形成PWM调制信号。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0.66，各相电感为1.4mH，磁极磁通量为0.029Wb，电机转动惯量为0.810-3kg.m2，阻尼摩擦系数为110-3N.

35、m.s，电机极对数为4，电角度为120度，仿真模型如图2.3所示。模型中，DecoderA模块和GatesA模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Mosfet的PWM调制信号的占空比实现；PWM对前端斩波器Mosfet进行斩波开环控制，占空比设置为0.8，采用定步长设置，步长为1e-6s，PWM调制波的周期设置为40e-5s。初始时刻，电机在恒定负载转矩1Nm情况下启动；在0.2s时，转矩负载突变为2Nm。图2.4、图2.5和图2.6分别是A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2.3 无刷直流电机控制系统仿真模型图2.4 A相电流及反电动势

36、仿真波形图图2.5 转速仿真波形图图2.6 转矩仿真波形图从仿真波形可以看出：(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2.2所示理论波形一致；(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(2-4)、(2-5)保持一致；(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

37、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。2.2 电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(2-7)可以看出，可通过调节施加

38、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PWM信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PWM信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。(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

39、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PWM占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

40、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T形，使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。

41、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速器，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2.7所示。差速器的功能是：实现汽车运行过程中，两驱动轮之间的转矩分配，具体工作原理如下：a) 当汽车直线行驶时，差速锥齿受到的力

42、平衡，两个半轴所分配的驱动转矩相等，所以差速锥齿只随差速器壳公转而不自转。两侧半轴的转矩分配如下：式中为由主减速器传来的转矩，为左半轴分配的转矩，为右半轴分配的转矩。b) 当车辆转弯时，两侧车轮所受的力矩不再相等，通过半轴及半轴锥齿反作用于差速锥齿的作用力也就不相等，破坏了差速锥齿的平衡，差速锥齿随盘齿轮转动的同时还绕自身的轴线差速锥齿轴转动，使两个半轴所分配的驱动转矩发生变化。以车辆右转为例，具体力矩分配如下： 式中，为差速器的内摩擦力矩。左侧车轮分配的转矩减小，右侧车轮分配的转矩增大，左右车轮的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩。图2.7 机械差速器原理图由于目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器的

43、内摩擦力矩很小，可以认为：无论左右驱动轮转速是否相等，而转矩基本上总是对称分配的以上的分配比例对于汽车在良好路面上直线或转弯行驶时都是满意的，但是当汽车在泥泞或冰雪路面上行驶时，这样的力矩分配方式会因为车轮与路面的附着力减小，路面只能对半轴作用很小的反作用力矩，导致处于泥泞路面的车轮原地打滑而处于好路面的车轮静止不动，致使总的牵引力不足以克服行驶阻力，使汽车不能前进。为了提高汽车驱动轮出现打滑时的通行能力，经典汽车采用各种形式的防滑/限滑差速器。当一侧驱动轮滑转时，将发动机传递的大部分力矩甚至全部力矩分配给不滑转的驱动轮，以充分利用不滑转车轮的附着力而产生足够的牵引力，使汽车能继续行驶。综上所

44、述，经典汽车行驶过程中的差速器功能如下：a) 在驱动轮不打滑的情况下，两驱动轮之间力矩平均分配；b) 当某驱动轮打滑时，两驱动轮之间力矩重新分配，不滑转的驱动轮分配大部分力矩甚至全部力矩。针对电动车而言，差速控制功能实现方法：a) 当直线或转弯行驶且车轮与地面不出现打滑情况时，根据式(2-5)可知，无刷直流电动机的转矩与逆变器直流侧电流只是常系数比例关系，控制左右驱动电机的电流相等即可实现两驱动轮之间的力矩平均分配；b) 当驱动轮出现打滑情况时，通过调节左右驱动电机之间的电流分配，实现将大部分力矩甚至全部力矩分配给不滑转的驱动轮，即可满足与经典汽车相同的控制功能。通过以上对经典汽车功能的分析可

45、以看出，其功能是通过一系列的机械装置实现的。电动车由于采用电动机直接作用于驱动轮，采用相应的控制策略对驱动电机进行协调控制，即可使电动车提供与经典汽车相同的功能。与经典汽车相比，电动车整体结构更加简单，功能实现更加方便。2.3 电动三轮车概念模型及策略为简化对电动车控制分析，本节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，并针对电动车控制功能要求对电动三轮车双电机协调控制策略进行研究。2.3.1 电动三轮车概念模型两轮驱动电动三轮车的概念模型如图2.8所示。该模型电气控制系统主要由蓄电池、控制输入、控制器和电机驱动电路四部分组成。三轮车的转向控制通过驾驶员手动控制方向盘实现导向轮

46、偏转；控制输入包括倒车、刹车信号和电流控制及电流分配信号，其中刹车、倒车信号的给定采用控制开关的闭合和断开实现，电流控制和电流分配信号分别采用转把和旋钮实现控制信号调节；控制器通过检测控制输入信号、双电动机的转速和电流等反馈信息，给驱动电路提供控制信号；电机驱动电路实现对左右轮毂电机的驱动控制。与经典汽车的驱动方式相比，该模型中采用轮毂电机直接驱动车轮，消除了传统汽车传动中的机械磨损与功率损耗，提高了传动效率，又具有较小的体积、较轻的重量，使整体结构简单灵活。如果将单个导向轮改为经典汽车的双轮转向T形，即可组成电动汽车的概念模型。图2.8 两轮驱动电动三轮车概念模型2.3.2 双电机协调控制策

47、略通过2.2节对经典汽车的功能及电动车实现方法的分析可知，电动三轮车双电机协调控制策略的关键在于如何使三轮车在满足牵引功能的同时实现转向协调控制，即双驱动轮的差速控制。电动三轮车在直线和转弯行驶中，当左右驱动轮不打滑的情况下，两驱动轮之间转矩平均分配。通过控制流过两个驱动电机的电流相同实现双电机的转矩平均控制，驱动轮转矩通过与阻力矩平衡实现车轮转速的随动控制。将电动三轮车电流分配旋钮置于中间位置，实现对电流控制信号的平均分配；通过转动电流调节转把调节双电机控制电流，采用双电机电流闭环控制实现两驱动电机转矩恒定。当电动三轮车在泥泞或冰雪路面上行驶出现某个车轮打滑时，通过驾驶员人为调节力矩分配旋钮

48、，对两驱动轮电流进行重新分配，将大部分电流甚至全部电流分配给不滑转的驱动轮，充分利用不滑转车轮与地面的附着力而产生足够的牵引力，使电动车能够继续行驶。图2.9给出了电动三轮车双电机协调控制系统的整体控制框图。图2.9 电动三轮车控制系统整体框图电动车运行时，电流分配单元检测给定的电流调节信号和电流分配信号，对两个驱动电机的控制电流进行分配，和为两个驱动电机的电流控制信号。控制系统通过采集流过两电机直流侧电流信号与控制信号进行比较，通过PID调节器计算两驱动电机的PWM调制信号占空比，将PWM信号进行限幅处理，作用于功率桥驱动电路，对两个驱动电机进行电流闭环控制，并检测两电机的转速和，计算车体速

49、度。电流闭环控制信号流图如图2.10。 图2.10 双电机电流闭环控制信号流图2.4 研究技术路线论文以电动三轮车作为研究试验对象，驱动电机选用额定电压36V、额定功率300W、额定电流10A、相角度120度的永磁轮毂无刷直流电机，该电机内部集成霍尔位置传感器，电机换相简单方便；电机供电电源采用实验室现有的36V/3A的直流稳压电源。根据已有的实验设备选择合适的电气控制系统方案，对电动车控制系统的软硬件进行设计，组成电动三轮车的控制系统，并对相应的电流闭环控制功能进行验证。2.5 本章小结对永磁无刷直流电机特性分析得出：电机的输出转矩和直流侧电流为常系数的比例关系，通过控制直流侧电流实现电机输

50、出转矩控制。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了研究，得出了通过转矩协调控制实现电动车的牵引和转向。为简化设计，给出了一个两轮驱动电动三轮车的概念模型，并提出了一种基于双电机独立驱动、转矩指令协调的系统控制策略。该策略在正常运行情况下，两驱动轮力矩平均分配；车轮打滑时，根据人工调节电流分配旋钮，实现两驱动电机之间的力矩重新分配。第3章 电气控制系统硬件设计本章将针对2.3节描述的双轮驱三轮电动车概念模型，首先对电能-机械能转换的电气控制系统方案进行研究；其次针对控制调节系统需求进行控制器选型；最后对电气控制系统的硬件实现进行设计。3.1 电气控制系统方案研究3.1.1 功

51、率桥电路与控制无刷直流电动机功率桥电路的功能是将直流电源的电能转换为电机的机械能，实现电能到机械能的转换。无刷直流电动机功率桥电路结构根据参与PWM调制的功率开关管的个数分类，可分有两种：(1) 在驱动回路中串联一个功率开关管进行斩波控制，如图3.1所示，通过调节该功率开关管的PWM控制信号占空比控制施加到电机两端的等效电压值16，A、B、C信号线输出接无刷直流电机的三根相线。该结构中，无刷直流电机的换相开关信号只根据转子的位置情况触发相应的功率开关元件驱动电机运转，本身不参与车速或转矩的控制，电机转速、转矩控制通过调节斩波器的占空比实现。该功率桥电路只需要一路PWM信号即可实现对电机的调节控

52、制，但需要七个功率开关管。图3.1 单个PWM信号调制的功率桥结构(2) 采用六路PWM信号直接控制三相驱动桥的六支功率开关管，如图3.2所示。这种电路结构中，控制器在根据转子位置信号分配各个功率开关管的控制信号的同时，还需要调节PWM控制信号占空比控制电动机的转速或转矩。与第一种电路结构相比，该结构只需要六个功率开关管即可实现控制，整体结构更加简单。图3.2 六路PWM信号调制的功率桥结构由于采用软件编程实现硬件所需要的功能不仅可以减少硬件成本，而且可以减少电路设计中故障出现的可能性，因此本设计中第二种驱动桥结构。以下进一步针对其PWM调节控制方法进行研究。该设计中，直流无刷电动机电角度为1

53、20，采用三相六状态120导通方式，功率开关管导通方式如图3.3所示。PWM信号控制功能有以下两方面：(1) 电机运行过程中实现电机换相；(2) 对电机两端的直流电压等效值进行调节，实现对电机电流的控制。根据每个导通状态PWM作用管子数目的不同，把PWM调制方式分成两种方式：(1)“单斩”方式：在三相六状态任意一个状态区间，只有上桥臂或下桥臂的一个功率管进行PWM斩波控制，图3.4中为下桥臂单斩调制方式。(2)“双斩”方式：每个导通状态中，功率桥上下桥臂的功率管同时进行PWM斩波控制，如图3.5所示。由文献46可知，采用单斩PWM方式对无刷直流电动机进行控制时，流过电机绕组的最大电流波动值是双

54、斩PWM方式下的一半，而且在本设计中由于采用电流闭环控制实现对无刷直流电机的转矩控制，当电流波动较大时电机会出现抖动的现象。因此为了减小流过电机的电流脉动和功率管的开关损耗，设计中采用上桥臂直通、下桥臂单斩方式对无刷直流电动机进行调节控制。图3.3 三相六状态120导通方式图3.4 下桥臂单斩调制方式图3.5 双斩调制方式3.1.2 电机电流检测方案本设计中，双电机转矩协调控制的关键在于对流过电机直流侧电流进行闭环控制，实现在恒定电流调节信号下的转矩闭环控制，因此需要对流过电机的电流进行检测，为双电机电流闭环控制提供电流反馈信号。同时，需要对电机电流实时监测，防止电机过流，发生故障。对电机直流

55、侧电流的检测有以下两种方法：(1) 采用霍尔电流传感器，同时还可实现与高电压电路的电位隔离47，主要用于大功率电路；(2) 采用功率小电阻实现对直流侧电流的检测。由于电动三轮车的蓄电池电压为3236V，属于小功率电路，因此本系统中采用功率小电阻实现对电流检测。无论功率桥的PWM斩波控制是全控或半控，当电机绕组处于导通状态时，电流都是从电源正极经过上桥臂功率器件，再通过绕组和下桥臂功率器件流回电源的负极。因此设计中，采用在电源负极端串联一个功率小电阻来检测电动机的直流侧电流。3.1.3 转子位置信号检测无刷直流电动机正常运转离不开对转子位置的检测。转子位置信号的检测有以下两种功能：(1) 控制系

56、统通过检测转子位置变化，查表决定下一时刻功率开关管的导通顺序，实现电机换相；(2) 由于电机中霍尔位置传感器的安装位置相对电机外壳固定不变，故其输出两个换相点之间，电机转过的机械角度差是固定的，测量两个换相点之间的时间间隔就可以计算电机的转速。霍尔位置传感器输出信号的检测方法分为以下两种：(1) 传感器输出信号直接作为控制单元的I/O口输入17。这种方法中控制单元需要定时读取I/O端口状态，通过判断位置信号电平的高低变化，从而确定电机是否换相。该方法读取的转子位置信号与霍尔信号变化时刻之间存在时间差，电机转速的测量精度不高。(2) 输出信号与控制器的捕获单元连接。该方法利用控制器的捕获单元对电

57、机霍尔信号跳变进行捕获，并根据定时/计数器计算两次跳变点之间的时间间隔，不仅为电机换相提供转子位置信号，同时提高了转速测量精度。因此设计中选用第二种方法实现电机转子位置检测和转速测量。3.2 控制调节系统研究3.2.1 控制调节系统需求如图2.10，控制调节系统根据控制信号对双电机的电流指令进行分配，并通过对双电机直流侧反馈电流检测，实现对双电机的电流闭环控制；同时对双电机转速进行测量，计算车体运行速度。为满足以上功能，控制调节系统需要对调节及反馈信号进行检测和处理，输出符合驱动要求的控制信号，并对电机欠压、过流故障进行指示。总体输入和输出功能包括：输入功能：电流调节及电流分配信号检测、刹车倒

58、车信号检测、电源电压检测、双电机电流检测、双电机转速测量。输出功能：PWM调制信号产生、驱动保护指示。3.2.2 硬件解决方案TMS320F2812 DSP是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器36，器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。与F24x系列数字信号处理器相比，F281x系列数字信号处理器提高了运算的精度(32位)和系统的处理能力(达到150MIPS)；同时还集成了128KB的Flash存储器、4KB的引导ROM、数学运算表以及2KB的OPT ROM，从而大大改善了应用的灵活性；128位的密码保护机制有效保护了产品的知识产权；两个

59、事件管理器模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能；16通道高性能12位ADC单元可以实现对多通道模拟信号的采样等。为高性能、高精度和高集成度运动控制器的实现提供了优越的解决方案。经过比较分析，本设计选用TMS320F2812作为主控芯片，充分利用DSP片内丰富的外设资源，使控制系统的电路设计大为简化。在本系统中，通过DSP的外设模块单元实现如下功能：(1) 通过事件管理器(EV)模块的PWM完全比较单元产生12路死区可编程的PWM信号，经驱动单元及功率转换电路同时对两个无刷直流电动机的控制；(2) 利用EV模块中的捕获单元(CAP)中断对电机换相时刻进行捕获；根据换相时捕获端口状态查询换

60、相表，实现对两个电机的换相控制；(3) 当产生故障信号时，利用EV模块内部的驱动保护中断单元，将所有PWM输出引脚置为高阻态，实现对蓄电池欠压及电机过流保护；(4) 采用片内16路12位高精度的A/D转换器实现对电机电流、蓄电池电压、电流调速信号、电流分配信号等模拟量的采样；(5) 利用DSP内部丰富的中断资源和定时/计数功能实现对电机故障等中断和转速检测；(6) 通过I/O单元的设置驱动发光二极管，实现对电机欠压、过流或正常运行的指示，并实现刹车、倒车控制信号的检测。图3.6是以TMS320F2812为主控单元的控制系统原理框图。图3.6 以TMS320F2812为主控单元的控制系统原理框图

61、3.3 电气控制系统的实现为了简化电气控制系统设计，本文选用SEED_DSK2812开发板作为主控制器，根据控制调节系统需求，设计双电机的驱动电路。3.3.1 电流控制输入电路电动三轮车在行驶过程中，电流指令信号和电流分配信号调节分别采用转把和旋钮实现，两者均采用电位器调节实现，图3.7为电流指令调节转把工作电路图，力矩调节旋钮工作电路与之相同。图3.7 电流调节手把工作电路由于TMS320F2812的A/D转换单元的输入模拟信号范围为03V，因此采用2K电阻和3K的电位器组成分压电路，保证所对应的A/D转换模拟输入信号在03V范围内。为保证A/D转换精度，需要对输入模拟信号进行滤波处理，图中

62、，电流调节信号经过RC滤波和电压跟随电路，输出端接到DSP的A/D转换单元AD3输入引脚。A/D转换单元将电流调节转把和电流调节旋钮的电压采样值送入DSP主控单元，DSP将采样电压值转换为双电机电流调节信号和电流分配系数，实现对双电机的电流分配。3.3.2 PWM信号隔离电路由于电机驱动电路中存在感性负载，大电压干扰信号可能通过信号线串入DSP控制器，因此DSP控制板上的PWM输出信号需要和驱动板上的控制信号隔离。本设计中，由于DSP输出PWM信号的频率比较高，因此采用高速光耦HCPL-063A实现对PWM信号的隔离。以单电机驱动为例，6路PWM信号隔离电路如图3.8所示。图中，输入端电源+5

63、VD为DSP控制板产生的5V电压信号，输出端电源+5VG为驱动板上蓄电池电平转换产生的5V电压，PWM16为DSP控制板产生的6路PWM信号，GPWM16为光耦隔离后输入到电机驱动芯片的6路信号。光耦HCPL-063A输入输出两侧的电源信号不应相通，这样才能起到信号隔离的作用。3.3.3 电机功率驱动电路功率驱动电路是将输入直流电压逆变成所需要的“交流”电压来驱动无刷直流电机。由于上下桥臂管导通顺序及导通时间的长短不同，从而使电机准确换相并且能达到“变频”调速。图3.8 6路PWM信号的隔离电路系统中功率逆变电路由6只功率开关管组成，电机功率逆变电路设计主要有3种方法39：(1) 采用驱动芯片加IGBT的形式，该结构适用于大功率电机。(2) 采用智能功率模块，本身具有