矿用重载车辆电子差速系统设计.docx

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矿用重载车辆电子差速系统设计

矿用重载车辆电子差速系统设计

摘要：

为了降低能源消耗与减小环境污染，新能源电车已成为未来车辆行业发展的主要趋势。

国、内外各大汽车生产厂商与科研院所纷纷投入大量的人力、物力、财力来研究、制造电车及其相关的零部件。

目前轮毂电机驱动式电车以其简单的机械传动结构，较高的驱动效率，低廉的成本等诸多优点已成为研究的热点。

但轮毂电机驱动式电车不能采用传统的机械差速器，来实现车辆的顺利转弯。

而电子差速器则可以解决这一问题。

同时，文章完成了电子差速系统硬件电路的设计、软件的设计、CAN通讯协议的设计。

最后利用MATLAB/Simulink仿真软件，模拟仿真分析。

通过仿真表明，电子差速控制系统设计合理，差速效果良好。

电子差速器的设计，解决了轮毂电机驱动式矿用重载车辆的转向问题。

相比于传统的机械差速器，电子差速器避免了复杂的机械传动结构，大大简化了电车的底盘空间。

另外，相比于其它的电子差速器，此电子差速器避免考虑路面及转向角度的问题，简化了控制计算方法，提高了控制系统的稳定性，使车辆具有更佳的转弯性能和控制响应。

关键词：

矿用重载车辆；轮毂电机；自适应；电子差速

Designofelectronicdifferentialspeedsystemforheavydutyvehicle

Abstract:

Thenewenergyvehiclehasbecomethetrendoftheautomotiveindustryinthefuture,becauseitcanreducestheenergyconsumptionandenvironmentalpollution.Mostauto-builderandresearchinstituteshaveinvestedalotofmanpower,materialandfinancialtoresearchandmanufactureelectricvehicles.Recently,theelectricvehicleswhichdrovedbywheelmotorhasbecomethefocustoresearch,becauseithasasimplemechanicalstructure,higherdriveefficiency,lowercostandmanyotheradvantages.Buttheelectricvehicleswhichdrovedbywheelmotorcannotusethemechanicaldifferential,whenturning.Sotheelectronicdifferentialisneededtosolvethisproblem.

Thearticleanalysesthestructureandmechanicsprincipleofmechanicaldifferential,alsousedoftheprincipleofdifferentialunderthesameforceofmechanicaldifferential,putforwardacontrolstrategyofelectronicdifferential.Thedesignusedafront-wheel-drivebybrushlessDChubmotor,andanalysesthemotor’sstruckandworkingprinciple.ThroughbuildingthemathematicalmodelofbrushlessDChubmotor,analysestherelationofvariousparameters,andcombinedwiththespeedcontrolsystemofbrushlessDChubmotor,designedthespeedcontrolprogramofelectronicdifferential.Inordertoestablishamorespecificelectronicdifferentialcontrolmodel,thearticledesignedthehardwarecircuit,softwareandCANcommunicationprotocol.Lasttheelectronicdifferentialcontrolsystemwassimulatedbymatlab/simulink.Theresultsofthesimulationshowedthatthedesignofelectronicdifferentialcontrolsystemwasreasonableandelectronicdifferentialhadgoodeffectondifferential.

TheelectronicdifferentialcontrollersolvedtheproblemofthebrushlessDChubmotordrivecannotusethetraditionalmechanicaldifferentialanditalsoavoidedthemechanicaldifferentialtransmissionstructure,greatlysimplifiedtheelectricvehiclechassisspace.Comparedtootherelectronicdifferential,thisdesigndonotconsidertheproblemoftheroadsurfaceandthesteeringangle,hasaeasiercontrolcalculationmethod,improvesthestabilityofthecontrolsystem,makesthevehiclehasabettercorneringperformanceandcontrolresponse.

Keywords:

vehicle;wheelmotor;adaptiveprinciple;electronicdifferential

目录Ⅳ

1绪论

1.1文献综述

矿用重载车辆从发展最初到现在，它的结构最主要的有两种，一种是将电动机取代传统的内燃机的发动机，

这种结构的电车采用传统的机械系统差速器就可以实现转向；另一种结构是电车的每一个可以驱动的驱动轮都安装一个电机进行驱动，它们相互之间没有机械连接，这样就需要通过电子控制的方式进行控制，这样就需要研究电子差速控制系统。

从1882年德国西门子公司制成世界上第一台矿用电机车以来，矿用电机车的发展己有130多年的历史了。

为减少污染物的排放，节约企业、厂矿、社区等的运营成本，矿用电动车进入厂矿、企业、社区等，矿用电动车辆较大程度地降低了厂矿工人的劳动强度。

然而，矿用电动车的转向依靠电子差速器完成，电子差速器系统的设计对矿用电动车的稳定性具有重要的意义。

我们可以从以下两方面看到它的发展。

1）国外电子差速器的发展现状

电子差速的基础是电子线控转向系统。

1990年BenzCompany开始着手研发前轮电控转向的系统，并将这个系统开发用在400Carving上。

此时一些车辆厂家也在深入研究这种系统，现在有一些车辆公司研发出了可以利用的电控转向系统，有些国外公司已经在一些概念车上采用了这个电控转向系统。

YOKO技术研究所在日本开发了自己的一种电子转向系统。

在对路面上进行制动试验时也能基本保证车辆直线行驶，制动距离也就会大大缩短。

美国的Delphi还开发了线控转向系统。

由此可以看出电子差速的优势就更能表现，这样既提高了安全性又会降低成本。

2）国内电子差速器的发展现状

浙江大学电气工程学院对于两轮驱动轮毅电机的矿用重载车辆系统进行了一系列的研究:

对于一种新的电子差速控制方面，即矿用重载车的车轮与地面附着系数作为重点，把车辆容易滑动转向问题弱化了；该研究使用处理芯片DSP2407中的两个时间管理器，构成了电子差速器的驱动控制系统。

然后取得了一个结论：

在转动速度和转动角度两个都不小的时候，转矩的分配的比例相对不小，这个时候，由矿车车体运动时候产生的的离心力侧翻力矩扮演了重要的角色。

然而，车辆后面的轮子驱动的方法在车辆转向时的程度不高，电子差速控制在新型的四个轮子的电机相互独立驱动系统中，两轮子驱动控制系统相对来说不简单，驱动的方法特别多，驱动程度相对较高。

同济大学在《四轮电子差速转向控制系统》中论述的电子差速控制系统，可以实现车辆的轮子在运动的行程中和地面之间的运动为纯滚动，在很大程度上减少了车轮在运动中发生滑转以及滑移，所以这个电子差速控制系统使车轮与地面之间的摩擦减少了，在一定程度上，加大了轮胎的正常使用寿命，由于这个特性，同济大学研究的春晖系列3号就采用了这个方案。

在直线行驶时，使用同一电机驱动两侧车轮，两侧车轮得到相同的转速，如果两侧车轮行驶的路不等时，会使所走路程大的一侧车轮滑转或滑移，造成轮胎的磨损，甚至发生事故。

但双轮毅电机驱动或多轮毅电机驱动，由电机直接驱动车轮，当汽车转弯时不能再采用传统的机械差速器，来实现车辆的顺利转弯。

因此，研究电子差速器也成为矿用矿用重载车辆重要的研究项目。

矿用重载车辆的发展主要是电子差速系统的设计。

在当代社会提倡建设节约，低碳，环保型经济的发展环境下，电动车能够使厂矿企业节约企业成本，保护环境，具有显著的社会和经济双重效益，而电子差速系统则在其中扮演了重要的角色。

1.2矿用电车的轮毂式的电车的发展现状

1900年，保时捷汽车企业研制出了两前轮采用轮毂电机驱动式的矿用重载车辆，并在两年后又研制出了轮毂电机与发动机共用的混合动力矿用重载车辆。

上世纪90年代起，日本也推出了“IZA”、“Eco”、“Luciole”等轮毂电机驱动式矿用重载车辆。

美国的通用在2002年的北美国际车展上推出轮毂电机驱的燃料电池概念车。

哈尔滨工业大学研制开发了采用外转子型轮毂电机的矿用重载车辆。

现今轮毂电机驱动已成为国内外各大汽车厂商及科研院所的研究热点。

1.3电子差速器

1.3.1电子差速器的意义

在直线行驶时，也会由于内、外两侧车轮制造误差，轮胎及路面状况等情况的不同，而使内、外两侧车轮行驶的路程不等。

使用同一电机驱动两侧车轮，两侧车轮得到相同的转速，如果两侧车轮行驶的路程不等时，会使所走路程大的一侧车轮滑转或滑移，造成轮胎的磨损，甚至发生事故。

为了避免这种现象的发生，传统的汽车利用机械差速器中行星齿轮与锥齿轮的相互作用，维持汽车两侧车轮在行使路程不等时，具有不同的转速，从而使汽车安全、可靠地运行。

1.3.2电子差速器的特性

电子差速器与传统的机械差速器相比较主要由以下优点：

1）电子差速器简化了系统结构，节省了汽车底盘空间，有利于汽车底盘其他结构的自由设计。

2）电子差速器直接将电机通过联轴器与驱动轮相连，消除了减速器、离合器、差速器等传动中的摩擦问题，提高了系统的传动效率，节省了能量。

3）电子差速器利用电子控制各驱动轮，消除了机械差