國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)： 際圖書(shū)分類號(hào)： 學(xué) 位 論 文 基于 電動(dòng)車 多輪驅(qū)電機(jī) 的協(xié)調(diào) 控制 年 級(jí) 姓 名 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 專 業(yè) 控制理論與控制工程 指 導(dǎo) 教 師 年 月 ： F N 2006 009 西南交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1保密，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)； 2不保密，使用本授權(quán)書(shū)。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)老師簽名： 日期： 日期： 西南交通大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明。本人完全意 識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新 如下： 針對(duì)電動(dòng) 三輪 車控制需求，給出了其雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，利用 軟件編程代替 了 傳統(tǒng)機(jī)械差速器功能， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 靈活性高， 易于實(shí)現(xiàn) 。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 福星電子網(wǎng) 、轉(zhuǎn)向和牽引 是 地面運(yùn)行車輛的三大 基本 功能。 目前純 電動(dòng)汽車 正在向多輪驅(qū)方向發(fā)展，這種系統(tǒng)至少含有兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)對(duì)多電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，不僅可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的雙向牽引，而且為同時(shí)實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)向 協(xié)調(diào)提供了可能。為此 ， 本文 圍繞多輪驅(qū)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的理論與試驗(yàn)研究。 首先，對(duì) 永磁無(wú)刷直流電 動(dòng) 機(jī) 的工作原理與特性 進(jìn)行 分析 ； 借鑒 經(jīng)典汽車技術(shù)，系統(tǒng) 的 研究了 輪驅(qū)式電動(dòng)車 的控制功能及實(shí)現(xiàn)方法 ； 給出 一個(gè)由人工轉(zhuǎn)向輪 +兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組成的電動(dòng)三輪車概念模型 ， 并 提出了一種基于雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、 電流 指令 靈活 分配的 控制 系統(tǒng)策略 。 該系統(tǒng)接 收 電流調(diào)節(jié)手把指令 和電流分配指令 ，通過(guò)雙電機(jī)電流 信號(hào)分配及 閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩 協(xié)調(diào)控制 ， 使 電動(dòng)車 在 牽引驅(qū)動(dòng)的同時(shí) ， 實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制 。 其次，針對(duì)上述電動(dòng)三輪車 的控制需求，在對(duì) 電機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu) 與控制方式 、電流及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)的 硬件 驅(qū)動(dòng) 電路，搭建了 以 發(fā)板 為主控制器的雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件試驗(yàn)研究平臺(tái) ；分析了 控制系統(tǒng) 軟件 整體需求 ，編寫(xiě)了 系統(tǒng)輸入、輸出及控制模塊軟件 ，完成了 雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 。 最后， 在 試驗(yàn)研究平臺(tái)上，完成了系統(tǒng) 軟件與硬件聯(lián)合調(diào)試。通過(guò)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)試 ， 標(biāo)定 了速 度檢測(cè)子系統(tǒng)；單獨(dú)施加 恒定 激勵(lì)電流，標(biāo)定了電流檢測(cè)子系統(tǒng)；外加 可變 負(fù)載， 驗(yàn)證了 電機(jī) 電流閉環(huán)控制 功能 。 調(diào)試結(jié)果 表明， 控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和電流閉環(huán)控制 。 全部試驗(yàn)結(jié)果表明， 基于 引驅(qū)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào) ， 采用成熟的 電流 閉環(huán)控制技術(shù)，以軟件代替機(jī)械差速器的功能，可供多輪驅(qū)電動(dòng)汽車的研究參考。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車 ；多輪驅(qū)； 流閉環(huán) 控制 福星電子網(wǎng) , 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 星電子網(wǎng) , of of SP of be of is of be by to of 福星電子網(wǎng) 8，而 采 用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的 經(jīng)典 汽車要 晚 10余 年 。 由于發(fā)現(xiàn)了廉價(jià)的 化 石能源 ，且 電池的能量 /重量比居高不下，經(jīng)典 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車得到了百 余 年 的 發(fā)展，給人類帶來(lái)了極大的方便，但也帶來(lái)了極大的污染 。 大約從 1980年 開(kāi)始，人們轉(zhuǎn)而積極發(fā)展 電動(dòng) 汽車 4其 采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源， 不僅 具 有較 高 的 驅(qū)動(dòng)效 率， 并且 最大的特點(diǎn)是環(huán)保，所以 有 逐漸取代 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng) 的趨勢(shì) 。坦克及裝甲車的電驅(qū) 化 1，移動(dòng)機(jī)器人的電動(dòng) 控制 2，輪軌機(jī)車的電氣化 3都是 電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì) 的 具體 體現(xiàn) 。 傳統(tǒng) 電力驅(qū)動(dòng)的 電動(dòng)汽車是在內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，采用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)， 實(shí)現(xiàn) 一輛車采用一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng) ，利用離合器、齒輪箱和差速器等一系列機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到車輪之間的動(dòng)力傳遞。 隨著電動(dòng)車的發(fā)展，其電力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了多種不同的形式，逐漸由傳統(tǒng)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展為多電機(jī)驅(qū)動(dòng)即 一個(gè)車輪采用一臺(tái)電機(jī) 驅(qū)動(dòng) ， 電動(dòng)機(jī)輸出力矩直接通過(guò)減速器作用于 車輪， 使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)一步 得到減化 。 最新的發(fā)展是將電動(dòng)機(jī)直接裝在車輪里面，使車速控制直接等同于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)徹底擺脫了齒輪箱和差速器等機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)了車輛底盤系統(tǒng)的電子化、主動(dòng)化，因此 多電機(jī) 輪式 驅(qū)動(dòng) (多輪驅(qū) )電動(dòng)車越來(lái)越受到人們的重視。 對(duì) 多個(gè)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)協(xié)調(diào)控制， 電動(dòng)車不僅可 實(shí)現(xiàn) 牽引功能，而且為 同時(shí) 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng) 轉(zhuǎn)向 提供了可能。采用良好的協(xié)調(diào)控制策略， 軌道車輛可 以提高彎道牽引力，節(jié)省能源，降低噪音；電動(dòng)汽車可以降低輪胎磨耗，避免車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生側(cè)滑。 因此研究多 輪驅(qū) 電機(jī)的協(xié)調(diào)控制以保證 車輛安全、高效運(yùn)行具有重要意義。 輪驅(qū)協(xié)調(diào)控制的現(xiàn)狀 由于多輪 驅(qū) 電動(dòng)車輛具有 以上 優(yōu)點(diǎn) ， 因此得到了 多家 汽車公司和研究機(jī)構(gòu)的重視 10多電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略也得到眾多學(xué)者的研究。 多 輪驅(qū) 協(xié)調(diào)控制 是通過(guò)調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)輪電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩 ， 實(shí)現(xiàn) 對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的控制。目前已有的多輪驅(qū)協(xié)調(diào)控制策略 可 分為三種：轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、福星電子網(wǎng) 。 (1) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 12根據(jù) 彎模型 ， 提出 了一種 理想情況下的 多輪驅(qū) 協(xié)調(diào) 控制策略。 該策略 以車輛 運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)向 角度值和車體的運(yùn)行速度作為輸入變量 ，以車輛 左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為控制變量 ，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子差速控制器， 對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行速度閉環(huán)控制 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的控制。 郭建龍 等人 13在此基礎(chǔ)上， 考慮 了 電動(dòng) 車 在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于 車體結(jié)構(gòu)、路面狀況、以及風(fēng)阻力和輪胎側(cè)向力等因素引起差速器輸出的車輪轉(zhuǎn)速與車體速度、轉(zhuǎn)角之間的非線性關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 制器。其 控制 策略 與文獻(xiàn) 12不同之處在于 ： 設(shè)計(jì)了 一個(gè) 多電機(jī)模糊 使控制參數(shù)能夠隨 著 車輛結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況 的改變而相應(yīng)作出調(diào)整，以保證控制系統(tǒng)的可靠性 。 這兩種控制策略實(shí)質(zhì)上均是通過(guò) 驅(qū)動(dòng) 電 機(jī) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)車體運(yùn)行速的控制。當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑比較大時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差比較小， 這就要求對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的檢測(cè) 有相當(dāng)高的 精度； 而且車輛行駛過(guò)程中不可避免存在車輪滑轉(zhuǎn)， 采用速度閉環(huán)會(huì)導(dǎo)致車體 偏移，發(fā)生危險(xiǎn)， 因此 基于驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速閉環(huán) 控制策略 存在一定的缺陷 。 (2) 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制 葛英輝 等人 17計(jì)了一種 以 左右 車 輪的附著系數(shù)相等為目標(biāo) ，通過(guò)對(duì) 左右 輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 進(jìn)行合理 分配 ， 使車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性減到最小 ，保證車輛在直線和轉(zhuǎn)彎運(yùn)行過(guò)程中良好運(yùn)行 。 靳立強(qiáng) 等人 19通過(guò)對(duì) 電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué) 的分析， 提出對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用按轉(zhuǎn)矩指令進(jìn)行控制車輪轉(zhuǎn)速隨動(dòng)的 控制 策略 ， 實(shí)現(xiàn)各 驅(qū)動(dòng) 輪 在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的自適應(yīng)差速，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)車對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明了其控制策略的可行性。 (3) 轉(zhuǎn)矩平均控制 華中科技大學(xué) 陶桂林 等人 15過(guò)對(duì)車輛直線和轉(zhuǎn)彎 行駛 過(guò)程中內(nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪 運(yùn)行 規(guī)律的分析，得出了采用兩 臺(tái)無(wú)刷 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)串聯(lián) 驅(qū)動(dòng) 的外特性與汽車的行駛狀態(tài) (轉(zhuǎn)彎或直行 )無(wú)關(guān) ， 提出了一種基于雙電機(jī)串聯(lián)控制策略，即保證驅(qū)動(dòng)輪在直線和轉(zhuǎn)彎 過(guò)程中驅(qū)動(dòng)輪力矩平均分配， 大大降低電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度 ，但該策略僅停留在仿真階段，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 福星電子網(wǎng) ，如路滑導(dǎo)致單個(gè)車輪滑轉(zhuǎn)時(shí)，希望控制系統(tǒng)能夠根據(jù)路況變化采用單個(gè)輪驅(qū)動(dòng)打滑輪隨動(dòng)的控制策略，而串聯(lián)控制系統(tǒng)由于控制結(jié)構(gòu)的原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)該控制策略，從而使串聯(lián)控制策略產(chǎn)生局限性。 通過(guò)對(duì)多輪驅(qū)協(xié)調(diào)控制的研究現(xiàn)狀分析可以看出，目前多輪驅(qū)協(xié)調(diào)控制技術(shù)正在得到發(fā)展，控制方法 也呈現(xiàn)出多樣性 ； 同時(shí) 采用內(nèi)燃機(jī) 驅(qū)動(dòng) 的經(jīng)典 汽車經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展其 相關(guān) 技術(shù)已經(jīng)形成共識(shí)。 因此本文認(rèn)為：要研究新型的多輪驅(qū)協(xié)調(diào)控 制技術(shù)，首先應(yīng)該從經(jīng)典汽車中學(xué)習(xí)其成熟技術(shù) 。 文 完成的 主要 工作 針對(duì)目前多輪驅(qū)電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及現(xiàn)有控制策略在實(shí)用方面存在的問(wèn)題，論文配合牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的自主研究課題 “ 獨(dú)立輪電氣耦合導(dǎo)向機(jī)理與技術(shù)研究 ” ， 主要完成了以下工作： (1) 闡述了輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展概況及多輪驅(qū)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)多輪驅(qū)協(xié)調(diào)控制的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述 ； (2) 在研究永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理與特性的基礎(chǔ)上，借鑒經(jīng)典汽車技術(shù)，對(duì)電動(dòng)車的控制需求及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究，給出了一個(gè)兩輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)三輪車的概念模型 及其雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略 ； (3) 完成 了 兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)三輪車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，以 主控制器 ，搭建了雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件試驗(yàn)研究平臺(tái) ； (4) 分析 了 控制系統(tǒng)軟件整體需求，編寫(xiě)了系統(tǒng)輸入、輸出及控制模塊軟件，完成了控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ； (5) 在試驗(yàn)研究平臺(tái)上 對(duì) 系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn) 了電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)矩 閉環(huán)控制功能 。 福星電子網(wǎng) 、轉(zhuǎn)向和牽引。 電動(dòng)車 采用 多 輪驅(qū) 動(dòng)結(jié)構(gòu)， 本身即可實(shí)現(xiàn)車輛的承載和牽引功能，如何 在 牽引的同時(shí)， 通過(guò)對(duì)多電動(dòng)輪 協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向 即為 本文研究的重點(diǎn)。本章 將 首先對(duì)所選 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 的 工作原理和特性進(jìn)行分析；結(jié)合 經(jīng)典 汽車的 功能設(shè)置 ， 對(duì)電動(dòng)車的控制功能及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述 ， 給出一個(gè)兩輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)三輪車概念模型，并 對(duì)其控制策略進(jìn)行研究。 刷直流電動(dòng)機(jī)分析 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 利用 功率電子開(kāi)關(guān)和 轉(zhuǎn)子 位置傳感器代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，實(shí)現(xiàn)了由 電子換相代替機(jī)械換相， 既保留了 有刷直流電 動(dòng) 機(jī)良好的 運(yùn)行 性能， 又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、維護(hù)方便和運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 得 到 了 廣泛的應(yīng)用 5， 因此 本 文 選 用輪轂式 無(wú) 刷直流電 動(dòng) 機(jī) 作為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)源 。 作原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)相比， 結(jié)構(gòu)上有很多相似之處 ： 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 用永磁體轉(zhuǎn)子取代永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極 、 用具有三相繞組的定子取代電樞 、 用逆變器和轉(zhuǎn)子位置 傳感 器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷 。 其控制系統(tǒng)主要由永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和功率電子開(kāi)關(guān)三部分組成 。 工作時(shí)， 直流電源通過(guò)功率電子開(kāi)關(guān)電路給定子三相繞組供電， 利用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 位置信號(hào)，通過(guò)有序觸發(fā)功率開(kāi)關(guān) 電路中 對(duì)應(yīng) 的 功率 開(kāi)關(guān) 管，進(jìn)行 電子 換 相 ，驅(qū)動(dòng)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) ，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換 48。 圖 刷直流電動(dòng) 機(jī)三相繞組星形連接全橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖， 采用兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式。電機(jī)運(yùn)行 中，霍爾位置傳感器 反饋當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，電子換相邏輯單元根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置信息 判斷下 一相 所對(duì)應(yīng) 功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電子換相。 電機(jī) 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，可通過(guò)控制電機(jī)兩端的 等效 直流電 壓 U 或驅(qū)動(dòng)橋直流側(cè)電流 i 實(shí)現(xiàn)。 圖 無(wú)刷直流電 機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的反電勢(shì)和電流波形圖， 梯形波 E 為三相繞組 反電動(dòng)勢(shì)波形，矩形波 I 為所對(duì)福星電子網(wǎng) 47。 本 體T 1T 6T 3T 2T 5T 4直 流電 源位 置傳 感 器電 子 換 向邏 輯驅(qū) 動(dòng) 控 制直 流 側(cè) 電 流磁無(wú)刷直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)原理圖 刷直流電機(jī)反電勢(shì)和電流波形圖 電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中， 電子換相 的 關(guān)鍵在于 ： 當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置 變化的同時(shí)， 查詢 換相邏輯表 ， 并 開(kāi)通下一 位置狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的功率電子開(kāi)關(guān) 組合 46。 福星電子網(wǎng) ，轉(zhuǎn)子位置位置信號(hào) 與電機(jī) 對(duì)應(yīng) 導(dǎo)通相關(guān)系如表 示，相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管通電規(guī)律如表 示。其中， 表 反轉(zhuǎn)時(shí)霍爾位置信號(hào)與導(dǎo)通相的關(guān)系 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 位置 信號(hào) (導(dǎo)通相 位置 信號(hào) (導(dǎo)通相 001 01 11 11 10 10 10 10 00 00 01 01 轉(zhuǎn)時(shí)功率開(kāi)關(guān)管的 導(dǎo)通 規(guī)律 轉(zhuǎn)子位置 001 011 010 110 100 101 開(kāi)關(guān)管 5， 5， 1， 1， 3， 相 + + B 相 + + C 相 + + 表 轉(zhuǎn)時(shí)功率開(kāi)關(guān)管的 導(dǎo)通 規(guī)律 轉(zhuǎn)子位置 001 011 010 110 100 101 開(kāi)關(guān)管 1， 1， 5， 5， 3， 相 + + B 相 + + C 相 + + 學(xué)模型 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的 論述 46本節(jié)中僅就與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行研究分析 ，以“ 120導(dǎo)通型” 電機(jī) 為例進(jìn)行分析 ： 無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： 福星電子網(wǎng) /)( (2式中，、be 組瞬時(shí) 電勢(shì)，、為三相繞組 瞬時(shí) 電流， r 為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。 在理想情況下，由于任何時(shí)刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通，則電磁功率 又 可表示為： )( (2式中，相反電動(dòng)勢(shì) ，變 器直流側(cè)電流 ，則電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為： /2/ (2考慮到定子每相繞組的反 電動(dòng)勢(shì) 正比于轉(zhuǎn)子角速度，即 ： E (2式中， 數(shù) 。將 (2入 (2 則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： 2(2其中，為轉(zhuǎn)矩 常 數(shù)。 在忽略永磁體阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程表示為： )( (2式中， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩， J 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 由 式 (2以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速 方程： 2 (2其中 ， U 為電機(jī)繞組兩端的等效電壓值，繞組電阻值： 從以上 公式 可以得出： (1) 無(wú)刷直流電機(jī)輸出 電磁轉(zhuǎn)矩與 逆變器直流側(cè)電流 值 為常系數(shù)關(guān)系 ，調(diào)節(jié) 逆變器 直流側(cè) 電流的大小 可 實(shí)現(xiàn)電機(jī) 輸出 轉(zhuǎn)矩 調(diào)節(jié) ； (2) 當(dāng) 逆變器 直流側(cè) 電流恒定不變，即電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩恒定 時(shí) ，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)繞組兩端所加 等效 直流 電壓值 成正比，調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端所加 等效福星電子網(wǎng) 。 模仿真 直流無(wú)刷 電機(jī) 控制系統(tǒng)的 仿真模型主要包括以下四 個(gè)模塊 ：無(wú)刷直流電機(jī)本體模塊、 三相橋式 功率逆變電路模塊、霍爾傳感信號(hào)譯碼器模塊和 過(guò) 模塊組合， 在 統(tǒng)的仿真模型 26 (1) 無(wú)刷直流電機(jī) 本體 模塊 在 真環(huán)境下的 具 箱 中 提供了多種電機(jī)的模型。 本模型中 選擇同步電機(jī) 電機(jī)模型有兩種仿真模式： 一 種 是普通永磁同步電機(jī)，另一 種 是永磁無(wú)刷直流電機(jī)。 通過(guò) 模型的參數(shù) 設(shè)置 可 實(shí)現(xiàn) 該模型 作為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真 ，同時(shí)還可對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括電機(jī)各相繞組的相電阻、相電感、磁通量、電 機(jī) 電角度、極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及電機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩系數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的設(shè)置建立一個(gè)完整的無(wú)刷直流電機(jī)本體模型 。 該電機(jī)模型有四個(gè)輸入端和一個(gè)總線輸出端， 輸入端 包括 A、 B、 入 電 壓信號(hào)以及電機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩線輸出端的信號(hào) 有霍爾 位置 傳感器信號(hào) 、 電 動(dòng) 機(jī) 三 相 繞組 相電流及 反電動(dòng)勢(shì) 信號(hào) 、 電 動(dòng) 機(jī)的 輸出電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度 信號(hào) ， 可通過(guò) 信號(hào)選擇模塊 選擇 所需 輸出 。 (2) 三相橋式 功率逆變 電路模塊 具箱 的 電力電子模塊庫(kù)中 提供了多功能橋式功率開(kāi)關(guān)電 路 模型 ，該 模型 既可用作整流，又可用作逆變。 通過(guò)設(shè)置 其參數(shù)，不僅可以改變 其輸入 相數(shù)和 功率 開(kāi)關(guān) 管 類型 ，而且還可設(shè)置功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通及關(guān)斷電阻值，使其模型更接近 實(shí)際 。 本模型中， 功率逆變電路 選用 相橋式電路，當(dāng)設(shè)置該模型為 3個(gè)橋路時(shí)， 3 個(gè)輸入端分別 為直流 電源的正、負(fù)極 接入端 和功率 開(kāi)關(guān) 管的觸發(fā)脈沖信號(hào) 總線接入端； 輸出端 為 A、 B、 分別連接到無(wú)刷直流電機(jī)的 三相電壓 輸入端。 (3) 霍爾傳感信號(hào)譯碼器模 塊 無(wú)刷直流電機(jī) 要正常運(yùn)轉(zhuǎn)就需通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào) 對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相控制。 轉(zhuǎn)子 位置信號(hào)采用 無(wú) 刷直流電機(jī)本體模型中的 三路 霍爾 位置 傳感器信號(hào) 得到 。每 個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生 180 度脈寬的輸出信號(hào)， 三個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)互差 120 度相位，電機(jī)的 每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中共有 6個(gè)上升 沿 或下降沿，福星電子網(wǎng) 。 本模型中， 位置信號(hào)譯碼模塊 接收從無(wú)刷直流電機(jī) 檢測(cè)的霍爾傳感器 信號(hào)，根據(jù)換向 邏輯 表 ， 產(chǎn)生觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)橋所需要的 開(kāi)關(guān) 信號(hào)。 (4) 生成模塊 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中一般通過(guò) 波控制直流電源加到電機(jī)繞組兩端等效電壓的大小，從而控制無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速。本模型采用外接一個(gè)功率波器進(jìn) 行 波調(diào)制，控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兩端的等效電壓值。 1 比較后接入到 行 設(shè)置 ， 控制其開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)輸出信號(hào)值，形成 現(xiàn)以某永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行建模仿真。電機(jī)具體參數(shù)如下：額定電壓 為 36V， 各 相電阻 為 ， 各 相電感 為 磁極磁通量為 機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為 0 阻尼 摩擦系數(shù) 為 110 電機(jī) 極對(duì)數(shù)為 4，電角度為 120 度 ，仿真 模型 如圖 模型中 ， 塊作為換相觸發(fā)邏輯單元，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制通過(guò)調(diào)節(jié)施加到斬波器 制信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn) ； 前端斬波器 行斬波 開(kāi)環(huán) 控制，占空比設(shè)置為 用定步長(zhǎng)設(shè)置，步長(zhǎng)為 1制波的周期設(shè)置為 40初始 時(shí)刻， 電機(jī)在 恒定 負(fù)載 轉(zhuǎn)矩 1況下啟動(dòng) ；在 ，轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變?yōu)?2 相繞組電流及反電動(dòng)勢(shì)波形圖、電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形圖和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形 圖。 圖 刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型 福星電子網(wǎng) ： (1) 電機(jī)各相繞組 反電動(dòng)勢(shì)為矩形波，相電流為近似方波，與圖 (2) 當(dāng) 電機(jī)兩端等效電壓值保持不變 且 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 恒定時(shí)， 電 機(jī) 轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)； 負(fù)載增大， 電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，繞組反電動(dòng)勢(shì)下降，流過(guò)電機(jī)電流增大， 輸出電磁轉(zhuǎn)矩變大 ， 仿真波形與公式 (2 (2持一致 ； (3) 電機(jī) 啟動(dòng) 階段，轉(zhuǎn)矩 有 較大的峰值，這是 由于 電機(jī) 在 啟動(dòng)時(shí) ， 繞組 反電勢(shì)還沒(méi)來(lái)得及建立 ，相電流較大，造成了轉(zhuǎn)矩峰值；反電勢(shì)建立后，轉(zhuǎn)矩迅速下降到穩(wěn)態(tài)值 ，但由于電機(jī)存在換相， 造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 。 仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，且系統(tǒng) 運(yùn)行 平穩(wěn) 。 采用該模型可 通過(guò)增加或修改功能模塊， 對(duì) 實(shí)際 系統(tǒng) 進(jìn)行建模仿真及算法驗(yàn)證 ，為 控制系統(tǒng) 分析和設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 動(dòng)車控制功能 及 實(shí)現(xiàn) 本 文 采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng) 內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，在對(duì)電動(dòng)車多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及控制策略研究之前， 首先傳承 經(jīng)典汽車 的控制技術(shù) ，對(duì)輪驅(qū)式電動(dòng)車的控制功能及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了 研究 。 通過(guò) 分析 經(jīng)典汽車功能設(shè)置及實(shí)現(xiàn)技 術(shù) 23，電動(dòng)車應(yīng) 滿足以下功能： (1) 汽車變速 經(jīng)典 汽車在行駛過(guò)程中由于實(shí)際裝載質(zhì)量、道路坡度、路面狀況、道 路寬度和曲率以及交通情況所允許的車速都在很大范圍內(nèi)變化，這就 要求汽車 具有變速功能 。 經(jīng)典汽車中 該功能通過(guò)機(jī)械變速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 電動(dòng)車要實(shí)現(xiàn)變速功能， 從式 (2以看出， 可 通過(guò) 調(diào)節(jié)施加到電動(dòng)機(jī)兩端的 等效 直流電壓值的大小 可 以 對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 進(jìn)行 控制 ，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車變速功能 。 調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的 等效 電壓 值 有 兩種方法： a) 在直流回路中串聯(lián)一個(gè)斬波器， 利用 號(hào)控制斬波器的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間控制施加到電機(jī)兩端 的 等效 電壓值的大小 ，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 轉(zhuǎn) 速控制； b) 直接利用 號(hào)控制驅(qū)動(dòng)橋中 六個(gè) 功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，控制電機(jī) 兩端等效 電壓 值 ，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 轉(zhuǎn) 速控制。 從以上兩種調(diào)速方法可 看出 ： 電動(dòng)車 的調(diào)速方法與 經(jīng)典 汽車的調(diào)速方法相比，徹底取消了 機(jī)械 變速器裝置。 福星電子網(wǎng) (2) 汽車倒車 汽車 在某些情況下，如進(jìn)入停車場(chǎng)或車庫(kù)及在窄路上掉頭時(shí)，需要倒向行駛。由于經(jīng)典汽車的 內(nèi)燃機(jī)是不能反向旋轉(zhuǎn)的，因此 要求 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)必須保證在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下，使驅(qū)動(dòng)輪 實(shí)現(xiàn) 反向旋轉(zhuǎn)， 該功能 通過(guò) 在變速器內(nèi)加設(shè)倒檔實(shí)現(xiàn)。 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)采用的 無(wú)刷直流電 機(jī) 可以通過(guò)改變 電機(jī)換相順序?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的 正 /反轉(zhuǎn)控制， 使 電動(dòng)車 的優(yōu)勢(shì)更加明顯。 (3) 中斷動(dòng)力傳遞 在汽車長(zhǎng)時(shí)間駐?；蛘咂嚝@得相當(dāng)高的車速后，欲停止對(duì)汽車供給動(dòng)力，使之靠自身慣性進(jìn)行長(zhǎng)距離滑 行時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間保持在中斷動(dòng)力傳遞狀態(tài)，為此傳統(tǒng)汽車需 設(shè)有空檔。 電動(dòng)車只需要關(guān)斷直流電源的供給回路或者調(diào)節(jié) 空比 最小即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞 中斷 功能 。與經(jīng)典汽車實(shí)現(xiàn)方法相比，電動(dòng)車控制更加方便且在斷電滑行情況下沒(méi)有額外的功率消耗。 (4) 汽車轉(zhuǎn)向 汽車在行駛過(guò)程中，需按駕駛員的主觀 愿望 改變其行駛方向。實(shí)現(xiàn) 汽車轉(zhuǎn)向的方法是駕駛員 手動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤控制轉(zhuǎn)向 汽車轉(zhuǎn)向輪相對(duì)于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定的角度。 相對(duì)而言，電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向控制方式就比較多樣化，可分為以下三種：一是與傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)向方式完全相同， 駕駛員手動(dòng)方向盤施加轉(zhuǎn)向力矩 ，控制轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)；二是在導(dǎo)向輪與車架之間安裝導(dǎo)向電機(jī)，通過(guò)控制導(dǎo)向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向車輪 主動(dòng)偏轉(zhuǎn)；三是采用萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的 協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)車體轉(zhuǎn)向。后兩種方法在機(jī)器人及導(dǎo)航小車的設(shè)計(jì)中 應(yīng)用 比較普遍，在汽車設(shè)計(jì)中考慮到社會(huì)安全等因素，該方法一般不予采用。 (5) 差速功能 通過(guò) 對(duì) 驅(qū)動(dòng)輪 差速控制可以 使 電動(dòng)車 在牽引 驅(qū)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制，這 是本文研究工作的重點(diǎn)。 經(jīng)典汽車 當(dāng)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)車輪在同一時(shí)間內(nèi)滾過(guò)的距離往往是不相等的，即外側(cè)車輪的行程始終比內(nèi)側(cè)車輪的行程大。如果兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪僅用一根剛性軸驅(qū)動(dòng)，汽車轉(zhuǎn)彎過(guò)程中 ，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸傳給左右兩驅(qū)動(dòng)車輪時(shí)，則二者角速度 相等，必然產(chǎn)生某一驅(qū)動(dòng)車輪相對(duì)于地面滑移或滑轉(zhuǎn)，使汽車轉(zhuǎn)向困難、動(dòng)力消耗增加、輪胎磨損加大 。 經(jīng)典汽車采用在 驅(qū)動(dòng)橋內(nèi) 安 裝機(jī)械差福星電子網(wǎng) ， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪力矩分配， 使左右輪以不同的角速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪之間的差速功能。 常用的機(jī)械差 速器 是對(duì)稱式錐齒輪差速器， 其 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)如圖 。差速器的