电动汽车的电子差速系统.docx
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电动汽车的电子差速系统
摘要
电动汽车是当今汽车行业发展的重要分支，它涉及到车辆工程、电机及其驱动技术、控制技术、电池技术等领域的核心技术，其独特的发展前景吸引了国内外大型研究机构的大力推动，成为当前相关领域的研究热点，各项成果也相继被推出。
两轮驱动电动车表征了一种新颖的电动车（ElectriCvehicle，简称EV）发展方向，同步于当今世界电动车研发和产业化的进程，以其理想的控制特性和广泛的应用前景，受到学术和工程界的普遍关注。
本文针对两轮驱动电动车的单片机控制系统进行了相关的研究、分析、设计和实验。
本文首先对国内外电动汽车的发展背景进行了很详细的分析，介绍了驱动系统的分类及比较。
其次，本文就电机转速的测量，以及轮毅电机的控制进行分析。
再次，于传统的电子差速算法上，本课题以简单新颖的轮式驱动电动汽车的工程项目为背景，立足于其动力系统性能的优化设计与控制，深入地研究了整车先进车辆差速控制的控制策略，提出了基于单片机的轮式驱动电动车辆驱动的设计思路，并围绕此思路，设计了硬件电路。
最后，本文还涉及了开关电源方面的研究，在全文最后分析了得到了根据输入参数实测的波形，验证了电动汽车电子差速控制方案的可行性。
关键词:
电动汽车，差速控制，单片机，直流无刷电机
ABSTRACT
TheElectricVehicleistheimportantbranchofautomobiledevelopment,itconcernsvehiclesproject,electricalmotoranditsdrivingtechnology,controltechnology,batterytechnologyetc.
Thesecriticaltechnologies,itsuniqueprospectattractsthedomesticandforeignlarge-scaleinstitutionspayingsomuchattentiononit.Afteritbecomesthefocusofrelativedomain，muchachievementisalsopromotedoneafteranother.
ThetwoIn-wheelsDrivenElectricVehicle（EV）isoneofthedevelopingdirectionsforfurtherEVs.ItsdevelopmenthasbeensynchronizingwiththatoftheresearchingandindustrializingofEVsintheworld.Becauseofitsperfectcontrollingperformanceandpotentialinengineeringapplications,moreandmoreeffortshavebeendevotedtothetwoin-wheelDrivenEVbybothacademiciansandengineersalike.Thisthesisstrivestothecomprehensivestudyofthemicrocontrollecontrolsystemofatwoin-wheelsDrivenEV.
Firstly，thisthesisdescribesthedevelopmentbackgroundofdomesticandforeignElectricVehicleexplicitly,introducestheeffortswhichhavedonebydomestic,andintroducestheclassificationandthecomparisonofdrivensystem.
Secondly,thisthesisanalyzesthespeedrotationsurveyofelectricalmotor，aswellasdrivenofin-wheelmotor.
Thirdly，basesonthetraditionaldifferentialalgorithm，ThisthesistakesthesimpleIn-wheelDrivenEVengineeringprojectasbackground，basesonthedesignofitsoptimizationofdynamicsystemperformanceandcontrol,studiesadvancedvehiclesdifferentialcontrolstrategythoroughly，proposestheIn-wheeldrivenEVbasedontheMicrocontroller,anddesignsthehardwareelectriccircuitsfromthat.
Last，thisthesisinvolvesresearchofDC/DCpowersupply，accordingtotheinputparameterofanglesensor,getstherelevantwaveforms,itprovesthefeasibilityofdifferentialcontrolonEV.
Keywords:
ElectricVehicle,DifferentialControl,Microcontroller,In-wheelDEV
目录
第1章绪论1
1.1背景及研究的意义1
1.2目前电动汽车发展的概况1
1.3本课题的主要研究工作3
第2章直流无刷电机的选型及控制方法4
2.1传感器的选择4
2.2直流无刷电动机的微机控制5
第3章电子差速控制算法的选择7
3.1自然差速的可行性分析7
3.2现有电子差速方案的讨论8
第4章基于单片机的控制系统设计14
4.1基于MCS-51的电机驱动控制系统设计14
4.2单片机的选择15
4.3电机与单片机的连接16
4.4方向盘转角控制16
4.5晶振连接17
4.6硬件接线图19
4.7硬件实物图20
第5章实验数据、初值计算、软件编程及元器件列表21
5.1计算数据及给定值21
5.2程序初值计算及软件编程22
5.3元器件列表27
第6章总结28
参考文献29
致谢30
第1章绪论
1.1背景及研究的意义
20世纪各国的汽车工业在推动国民经济发展，造福于人类的同时，也给全球环境带来了灾害性的影响。
统计数据表明，42%的环境污染来源于燃油汽车的排放;80%的城市噪声是由交通车辆造成的。
此外，当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车则是消耗石油的大户。
因而，当今石油资源匾乏的危机与环境保护的紧迫需求，都主导着汽车工业的发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。
1873年戴维逊研制成功的电动汽车（ElectricVehicle简称EV），从上世纪90年代以来，己再度成为世界各国研究的热点。
电动汽车具有低噪声、零排放、综合利用能源等突出的优点，正是当今汽车工业籍以解决能源、环保等问题的可持续发展的重要途径。
目前，电动汽车的研究己成为汽车行业先进技术的研究主流。
电动汽车的发展关键是在研发新型动力源的同时，进一步提高其动力系统的性能及降低成本。
文献[1]指出:
电动车辆应满足在各种恶劣情况下的可靠工作，要以民品的价格实现近似军品的性能。
这对现代工业，特别是对电池、电力电子、电机等行业既是发展并应用新技术的重大的挑战，也提供了合成新兴支柱产业的重大的机遇。
所以，电动汽车的开发具有深远的现实意义:
首先，这一系统工程符合当代国际汽车工业和高新技术产业的发展趋势，具有良好的经济、环保、节能效益;其次，项目的实施有助于加速缩短我国与发达国家在汽车工业上的差距，为我国新型工业的增长点奠定良好的基础。
本课题以轮式驱动电动汽车的工程项目为背景，立足于其动力系统性能的优化设计与控制，深入地研究了整车车辆差速控制的控制策略，开发了基于单片机的轮式驱动电动车辆驱动控制系统。
如上所述，本项目面向社会与新技术的发展需求，涉及车辆、电机、控制理论、电力电子等众多学科与工程技术领域，对于进一步研究开发电动车新技术，具有现实的学术和工程意义。
1.2目前电动汽车发展的概况
1.2.1电动汽车驱动方式及轮式驱动研究现状
传统的燃油汽车的驱动系统包含发动机、减速器和差速器。
这是由于内燃机的速度可变范围窄，必须用减速器来扩大速度的调节范围，同时，使用差速器以便于转向。
减速器和差速器为一系列传动齿轮，在汽车运行中消耗一部分机械能，从而使车轮得到的功率不到发动机功率的2/3，大大降低了汽车的效率。
然而，由于电动机固有的特点，电动汽车可采用四种驱动方式:
与传统汽车相同，即传动轴上带有减速器和差速器;省略减速器:
进一步省略差速器，电动机与驱动车轮同轴安置即轴驱;将电动机直接装于车轮内即轮式驱动。
面向电动汽车产业化的紧迫需求，在突出解决其动力电池源的关键技术的同时，显然还必须对另一方面的关键技术[2]，即电机驱动的动力系统及其控制技术进行整体优化的重新设计。
顺应上述电动汽车关键技术研发的态势，本课题即聚焦于轮式驱动方式下动力系统性能的优化设计与控制。
应指出，轮式驱动既完全消除了传动中的机械磨损与损耗，提高了传动效率，又在相比之下具有较小的体积和最轻的重量，在提高效率的同时，车轮空间也能得到有效利用。
此外，轮毅电动机的应用改变了汽车传统的驱动方式，更有利于实现机电一体化和现代控制技术。
至今，国内外对轮式驱动都己取得了一定的研究成果。
电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车，目前主要指纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三大类型。
20世纪70年代，由于汽车保有量呈几何级数增长，造成了严重的环境污染。
尤其在一些大城市，随着一系列光化学污染等环境污染时常的发生，西方发达国家政府开始注重环境保护，这使得一些著名的汽车公司转向研究和开发电动汽车。
从20世纪70年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车商业化开发和应用[3]。
到20世纪90年代，欧美发达国家纷纷制定了汽车尾气排放标准并严格执行
1.2.2结论
节能与环保成为当今世界汽车发展的两大主题，汽车工业的可持续发展战略及我国汽车工业所面临的现状迫使我们必须寻求新的发展道路，电动汽车为我国提供了一次机遇，我国在电动汽车研发方面呈现出明显的跟进战略特点，和发达国家的科技水平差距不是很大，我国完全有条件、有可能生产出达到当代国际水平并具有自主知识产权的电动汽车。
但与发达国家政府和企业联合制定各种计划，投入巨额资金，大力发展电动汽车产业等措施与政策相比，我国虽然也设立了专项资金鼓励发展电动汽车，但在力度、商业化进程方面与国外相比还有较大差距。
面对这一振兴我国汽车工业的巨大机遇，我国必须借鉴国外经验，集中力量在全国建设1-2个产业化体系健全，研发、试验、制造水平先进，实力雄厚，具有强大产业竞争力、发展环境良好的电动汽车产业中心城市，积极参与国际竞争，在竞争中快速发展我国的电动汽车产业。
由于轮式驱动的电动轮的转矩可控性，使得电动汽车的转向灵活性和姿态上海电机学院学位论文控制性都较普通汽车得到了改善。
因为轮式驱动控制方式较为复杂，故在其关键技术电子差速控制方面，国外大多采用机械和电子控制相结合的方式:
前轮通过机械差速转向，后轮则采用电子差速转向控制。
在电动汽车的电动轮驱动系统中，电子差速控制的实质就是电动轮利用电机装置及计算机软硬件自动控制车轮的转速，因此，电子差速控制技术的发展状况取决于电子技术和控制技术的发展水平。
目前，国外已有样车研制成功，“IZA”牌电动汽车就采用电动轮驱动系统，并实现了电子差速控制。
近年来随着我国电子工业的发展，在汽车电子技术领域也做了大量的研究与开发工作，但进展较为缓慢，其主要原因是:
（1）受国内大环境技术水平的影响，缺乏系统深入研发，以及应用汽车电子技术的社会背景;
（2）整个汽车行业缺乏先进的汽车电子的规划与实施方案，前景有待开拓。
1.3本课题的主要研究工作
当前，在电动汽车研发的众多技术选型之中，轮式驱动电动车作为一种新颖的电动车选型方向，受到学术和工程界的普遍关注。
就国内的相关研究而言，轮式驱动电动车的研究尚属起步阶段。
但由于其独特的优点，应用前景令人瞩目。
车辆控制系统是车辆的运行核心，相比于传统燃油汽车，电动汽车中电驱动的控制响应快、精度高，尤其对于轮式驱动电动车，每个驱动轮的转矩可以单独控制，这样，传统车辆上的先进控制系统的功能在电动车上主要可通过软件实现，凸显其系统低成本、高性能的独特优势。
本课题即以此为切入点，进行了以下几方面的研究工作:
（1）电机驱动:
对本文使用的无刷直流电机进行驱动和调速控制，达到调速平滑稳定。
（2）两轮驱动:
对电动汽车的两个电机车轮使用一体控制分体驱动技术，保证汽车匀速前进时各车轮的转速一致。
（3）电子差速转向:
在汽车需要转向时，对两个驱动车轮的速度进行计算，做到转向角度、方向盘输入量与转速相对应。
本文主要存在的难点有:
电子差速的速度分配:
本文通过测量车体的转弯半径和车轮转速的关系，计算转向角、方向盘的输入模拟量和左右轮之间的关系，实现差速控制。
第2章直流无刷电机的选型及控制方法
通常把无刷直流电机系统分成三个部分，即电机本体、位置传感器和电子开关线路[4]，整个系统可以用图2-1表示:
图2-1无刷直流电机系统
直流电机转速不只与电压有关，还与负载大小有关。
电压一定时，负载扭矩越大，转速越低，近似反比关系。
而负载一定时，电压越高，转速越高（在额定范围内），而且近似为平方关系
2.1传感器的选择
电机转速的检测通过传感器检测，位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。
下面简单介绍一下几种传感器的优缺点：
（1）电磁式位置传感器
电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点;但这种传感器信噪比较大，体积较大，同时其输出波形为交流，一般需整流、滤波后方可应用[5]。
（2）光电式位置传感器
和开口变压器一样，遮光板所开的缝隙也可以为180度电角度。
光电式位置传感器性能较稳定，但光源灯泡寿命短、使用环境要求较高等缺陷，不过现在己经有新型光电元件出现，可克服这些不足之处[6]。
（3）磁敏式位置传感器
霍尔元件产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便。
随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块N型外延片上，这就构成了霍尔集成电路。
这种集成电路包括线性型和开关型两种，一般而言，无刷直流电机的位置传感器宜选用开关型[6]。
（4）无传感器位置检测
近年来，还出现了无位置传感器无刷直流电机，此种电机利用定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，送给逻辑开关电路去控制无刷直流电机的换向。
由于它省去了位置传感器，使得无刷电机的结构更加紧凑，所以应用日趋广泛[7]。
2.2直流无刷电动机的微机控制
20世纪70年代以来，计算机工业的发展突飞猛进，主要表现在它的运算速度起来越快，各种功能日益完善，而体积越来越小，价格日趋便宜，从而大大推动了计算机实时控制不断高速发展，应用范围已普及各个学科领域。
如图2-2[8],8751单片机有两个独立的控制口，现将其中的P1口置成输出口，同7406反向门电路连接去控制直流无刷电动机的换相，P2口置成输入口，用于测量来自转子磁钢位置传感器的信号Hl、H2、H3,P0口作为输出口，外接一个数/模转换器。
图2-2计算机控制原理图
根据定子绕组的换相方式（如采用三三换相或是两两换相等），首先找出三个转子磁钢位置传感器信号Hl、H2、H3的状态与6只功率管导通之间的关系，以表格的形式存放在单片机的EPROM中。
表2-1示出了某三相直流无刷电动机采用的两两换相方式时位置传感器输出状态同主电路功率管导通之间的对应表。
这样一来，8751单片机只需要根据来自P2口的H1、H2、H3的状态，控制对应的管子导通，并通过在Pl口送出相应的控制字，就可以控制直流无刷电动机的换相。
表2-1换相表（正转）
H1
H2
H3
导通的管子
控制字
1
0
1
T1、T2
23
1
0
0
T2、T3
32
1
1
0
T3、T4
38
0
1
0
T4、T5
2C
0
1
1
T5、T6
0E
0
0
1
T6、T1
0B
第3章电子差速控制算法的选择
3.1自然差速的可行性分析
当车辆行驶在转弯路面或巷道时，为了防止不稳定的驱动，内轮和外轮将具有不同的速度。
传统的内燃机车辆通过一个带减速装置的机械差速器来实现这一功能[9]，如图3-1所示。
本研究的电动汽车采用独立的轮式驱动方式，即每个车轮有一个直接驱动的电机。
这样，与单电机驱动的电动汽车相比，本研究所要设计的样车，其两个后轮都能独立提供驱动力，可以按运行工况需求独立分配功率，因此不需要传统的机械差速器，而代之为新技术内涵的电子差速系统。
图3-1传统机械差速器
根据汽车行驶运动学，以及实际的车轮、道路及它们之间的相互关系可以知道:
汽车在行驶过程中，左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是不相等的。
例如，汽车在转弯时，为满足运动学的要求，汽车外侧车轮的行程始终长于内侧的行程。
此外，即使汽车直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面情况的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同，以及制造误差引起左右车轮外径不等或滚动半径不等，而导致车轮行程不等。
在上述状态下，如采用单一驱动轴将动力传给左右车轮，则会由于左右车轮的转速相等而行程不同的运动学矛盾必然引发某一驱动车轮产生滑转或滑移，其结果除了会使轮胎过早磨损、无益地消耗功率和燃料及使驱动轮轴超载等外，而且，还会因不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。
同时，由于车轮与路面间，尤其在转弯时若有大的滑移或滑转，则易使汽车在转向时失去抗侧滑的能力而使稳定性变坏。
因此，为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产生的这些弊病，传统汽车左右轮间装有机械差速器，从而保证了汽车驱动桥两侧车轮在行程不等时，具有不同旋转速度的可能性，使之满足汽车行驶运动学的规律性的要求。
两轮驱动电动车电动机直接安装于后轮上，在无人工参与调节的自然差速的条件下，其驱动力的大小取决于电机的机械特性，即该两无刷直流电机在相同的工作特性曲线下运行。
这样，当转向时，由转向的约束条件（纯滚动状态）可知:
外轮转速应大于内轮转速，同时，在向心力的作用下，内外轮垂直载荷发生变化，相应的摩擦阻力也是内小外大（滚动阻力主要与车轮载荷有关，并且近似呈线性关系），则外轮电机的出力应大于内轮电机的出力。
然而，轮毅式永磁无刷直流电动机的机械特性如图3-2所示[10]，显然无法与自然差速条件相匹配。
换句话说，在无人工参与调节的前提下，既不可能按自然差速条件，自动调节两驱动轮的转速，也不可能使之具有转速与出力（转矩）同比增大的这类机械特性的要求。
因此，轮式驱动EV在摈弃机械差速器的同时，理所当然地关注着电子差速系统的新技术的发展。
图3-2永磁直流无刷电动机机械特性
3.2现有电子差速方案的讨论
差速器有三大功用:
把发动机发出的动力传输到车轮上，充当汽车主减速齿轮，在动力传到车轮之前将传动系的转速减下来将动力传到车轮上，同时，允许两轮以不同的轮速转动[11]。
为什么需要差速器，当汽车转向时，车轮以不同的速度旋转。
在汽车转弯时，每个车轮驶过的距离不相等，即内侧车轮比外侧车轮驶过的距离要短。
因为车速等于汽车行驶的距离除以通过这段距离所花费的时间，所以行驶距离短的车轮转动的速度就慢。
同时需要注意的是:
前轮较之后轮，所走过的路程是不同的。
对于后轮驱动型汽车的从动轮，或前轮驱动型汽车的从动轮来说，不存在这样的问题。
由于它们之间没有相互联结，它们彼此独立转动。
但是两主动轮间相互是有联系的。
因此一个引擎或一个变速箱可以同时带动两个车轮。
如果你的车上没有差速器，两个车轮将不得不固定联结在一起，以同一转速驱动旋转。
这会导致汽车转向困难。
此时，为了使汽车能够转弯，一个轮胎将不得不打滑。
对于现代轮胎和混凝土道路来说，要使轮胎打滑则需要很大的外力，这个力通过车桥从一个轮胎传到另一个轮胎，这样就给车桥零部件产生很大的应力。
差速器就是一种将发动机输出扭矩一分为二的装置，允许转向时输出两种不同的转速。
在现代轿车或货车，包括许多四轮驱动汽车上，都能找到差速器。
这些四轮驱动车的每组车轮之间都需要差速器。
对于轮式驱动的电动车，由于去除了机械差速器，其差速功能主要由软件完成，即代之为电子差速控制。
这样，电子差速完全摆脱了目前传统车辆主要从机械角度改进差速器的技术路线，其研究内涵相对于机械差速器无疑有本质上的飞跃和进步。
低速时，由ACKERMANN和JEANTAND提出的分析模型如图3-3[12]所示，广泛用于确定车辆的驱动策略。
该分析模型的假设条件为
（l）车体刚性;
（2）车轮纯滚动;
（3）轮胎侧向变形和侧向力成正比。
图3-3低速行驶时ACKERMAN和JEANTAND模型
从这一简化的分析模型出发，可得
其中Cin，Cout分别为内、外侧车轮轨迹圆的圆周长；Vin，Vout分别为内、外侧车轮的旋转线速度（m/s）；Vc为后轮平均旋转线速度（m/s）;△T为对应于轨迹一圈所需要的时间文献分析了这个模型，遵循其左右驱动轮转速为控制变量的技术思路，提出的电子差速控制系统如图3-4所示。
该系统将车体速度和转角作为输入参数，通过经样车训练的基于神经网络的差速控制器确定每个驱动轮的目标速度，对每个驱动轮进行速度闭环控制。
图3-4基于单片机的电子差速系统结构框图
国内关于电子差速的研究甚少，在所见到的文献[13],[14]中均采用了更为简化的模型，即
其中W1,W2分别为内外侧车轮的旋转角速度。
该简化模型表明，车辆纯滚动转弯时内外侧车轮的转速比即为其转弯半径比。
本文进一步指出，由上述分析模型可知，在给定转角的情况下，如果后轮驱动并同时对两个驱动轮进行转速闭环控制，一旦实际系统稍有误差，将导致被控各个车轮滑移率不同，甚至会产生滑转，造成系统不稳定，影响整车的运行。
因而，作者认为，轮式驱动电动车的电子差速不宜采用车轮速度作为控制变量。
综上所述，本文提出的新的电子差速控制方案，基于上述己有的技术思路，以转向轮的转动角度为控制变量，从而在力求完善电动汽车操纵性能和平稳性的前提下，EV直线前行时，转矩将平均分配在左右轮上;在转向运行时，则对左右驱动轮输入不同的转速脉冲以确保驾驶更安全平稳，如图3-5所示。
图3-5基于前转向轮转角控制的电动汽车模型
从稳定运行的需求出发，人们希望在车辆驱动时能够对车轮的滑移状态进行控制，以保证不发生滑移、滑转等失控状态。
众所周知，滑移率控制成本较高且系统复杂。
为此，对本文所研发的电动样车（设计时速是20km/h），基于实效、低成本的控制技术的设计思想，本文还
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