1、轮毂电机驱动车辆的差速控制模型研究简化版轮毂电机驱动车辆的差速控制模型研究一、电子差速原理介绍传统意思上的电子差速的基础是线控转向系统，主要指基于四轮线控转向技术的电子差速功能。电子差速是一种全新概念的汽车电子转向系统。它取消了差速器等机械结构，只是接收转向控制指令，使用电子线路控制转向时内外车轮之间的速度差，实现转向。电子差速控制系统，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。(1)动力控制的硬件连接改为软连接形式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变
2、速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车转向所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、机械差速器等部件，既方便了操作又使底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。(2)可以自由设计汽车转向的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间。(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和能量回馈制动，节约能源。本文主要研究的是前轮仍采用传统转向结构，而后轮采用轮毂电机驱动的情况，主要目的是实现后轮的电子差速功能，以配合驾驶员通过转向系统输入的转向信号，实现转向功能，避免后轮轮胎过渡磨损，保证整车的操控性能。因为仅在后轮使用轮毂电机，其控制方法与四轮都采用轮毂电
3、机会有所不同，最显著特点是四轮轮毂电机可以直接通过线控转向系统中的转角信号计算出理论上需要的差速量，并通过对四轮的转速控制实现，但是仅在后轮使用轮毂电机，转向信号从方向盘输入，很难直接通过方向盘信号计算出准确的后轮需要的差速量，需要全新的控制策略。这就是本文所主要研究的内容。二、电动机原理及数学模型1、轮毂电机驱动系统的特点轮毂电机驱动系统作为一种新兴的电机驱动方式，其布置非常灵活，可以根据车辆驱动方式分别布置在电动汽车的两前轮、两后轮或四个车轮的轮毂中。与内燃机汽车和其他驱动型式的电动汽车相比，轮毂电机驱动式电动汽车在动力源配置、底盘结构等方面有其独特的技术特征和优势，具体体现在以下几方面：
4、动力控制由硬连接改为软连接型式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速控制，省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁、有效利用空间大、传动效率提高。各车轮的驱动力直接独立可控，响应快捷，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越，显著提高了适应恶劣路而的行驶能力。容易实现各轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，还能对整车能源的高效利用实施最优化控制和管理，节约能源。整车布局和车身造型设计的自由度大大增加，将车架的承载功能和传动功能分离，结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，缩
5、短了新车的丌发周期，降低了开发成本。在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上，若进一步导入线控四轮转向技术，实现车辆转向行驶高性能化，减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加转向灵便性。2、轮毂电机的选型21电动汽车对电机的基本要求电动汽车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。目前电动汽车上使用的电动机一般有直流电机、感应电机、开关磁阻电机以及永磁无刷电机等。电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂，因此，对驱动系统的要求是很高的。电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强(过载系数应为3-4)，加速性能好，使用寿命长的特点。电动汽车用电动机应具有
6、宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足启动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，结构简单适宜大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。22电动机的种类目前应用较广的电动机主要有直流电动机和交流电动机两种，其基本原理如下：下图是直流电机的基本原理图。图1 直流电机原理图
7、如图所示，直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。电枢绕组每转动一圈，通过换向片电流方向改变一次，保证电枢绕组始终朝一个方向转动。交流电动机工作时，在定子中介入交流电，因为交流电本身的特性，会产生旋转的磁场，旋转的磁场在转子线圈中产生感应电流，感应电流受到电子力的作用带动转子转动。下图表示电机通三项电时在几个关键点的磁场方向，从图中可以看出，交流电机中的磁场随着时间不停转动，这正是交流电机转动的根源。图2 交流电机的接法图3
8、 交流电机各相位点磁场的方向目前主要的电动机有有刷直流电机、交流感应电机及无刷直流电机三种，其特点如下：直流电机 有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟，具有交流电机不可比拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷、换向器，另外，由于转子上存在损耗，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。交流感应电动机交流感应电动机是应用得最广泛的电动机，其定子和转子采用硅钢片叠压而成，在转子和定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经久耐用。交
9、流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到1200015000rmin，可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并能够实现洱，上反馈制动，与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导体器件，将直流电变为频率和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控制。主要有vf控制法、转差频率控制法和矢量控制法，对交流三相感应电动机的励磁绕组、交流电的频率和输入交流三相感应电动机的端电压进行谐调控制，控制交流三相感应电动机旋转磁场的磁通量和转矩，从而改变电机转速和输出转矩，来满足
10、负载变化的要求，并能够获得最高效率，这样就使得交流三相感应电动机在电动汽车上得到广泛应用。但是它也存在很多不容忽视的缺点，首先其耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时，需要保证对电机的冷却，否则会损坏电动机；另外交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于电机本身，大大增加了电动汽车的成本，最后其调速性也较差。永磁无刷直流电机永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。加之它采用永磁体转子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组又
11、装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以每分钟运行几十万转。与其它电动机系统相比它具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势束削弱定子绕组中的磁链。永磁无刷直流
12、电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得其功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。开关磁阻电机开关磁阻电动机驱动系统，其电动机结构比感应电动机更为简单可靠，且效率较高，特别是转子无绕组，适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件。驱动功率电路采用的功率开关元件较少，电路较简单。功率元件与电动机绕组相串联，不易发生直通短路。能实现较宽的调
13、速范围，低速大转矩和制动能量回馈等特性，因此该驱动系统特别适合电动汽车。当然，该驱动系统不足之处在于振动较大，噪声亦较大。电动机类型原理优点缺点直流电机转子通直流电，在定子构成的磁场中旋转，电流需换向控制简单、技术成熟电机过载能力与速度有限，需维护交流感应电机定子通交流电，通过电磁感应拉动转子转动1.没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经久耐用2.转速范围宽，效率高，经久耐用1.耗电量较大，转子容易发热2.控制系统较复杂3.调速性差永磁无刷直流电机转子通直流电，在定子构成的磁场中旋转，电流需换向具有直流电动机的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构驱动系统造价很高、控制系
14、统复杂开关磁阻电机定子通电流，依据磁阻最小原理，拉动转子转动简单可靠，且效率较高振动较大，噪声亦较大，技术成熟度低目前应用较为成熟的是交流感应电动机。三、电动机数学模型及控制策略介绍虽然不同电机的特性有较大差别，但是在考虑其在一定范围内，都可以按下述数学模型简化： 式中：包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为N.m电动机拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为N.m2=电动机的转矩电流电动机输入电压电动机自身的电阻机传输电阻电动机本身的电感系数电路电流说明：直流电机可以看成是一个单输入-单输出系统，输入变量为电枢电压，输出变量为转速。交流电机则可以看成是双输入双输出系统，输入变量是电压
15、向量和定子输入角频率，输出量是磁链向量和转子角速度。电流向量可以看作状态变量，与磁链向量存在数学关系，可简单描述为。但是无论直流电机与交流电机，在简化为单输入单输出模型的条件下都满足上述简化模型中的数学关系。对数学模型的关注变量不同，即形成了以下几种电动机的基本控制策略：电压控制策略通常所称的调压调速特性，即属电压控制策略。此外，采用线性的电流调节系数的电流负反馈控制系统，也属于电压控制范畴。永磁无刷直流电机系统在PWM调压驱动下的机械特性为：式中： 一绕组相电阻： 一转矩系数； 一电动势系数； 一电动机转速； 一单极性PWM控制时的占空比(设定与踏板踏位成线性关系)；U一电源电压。电机电磁转
16、矩为,式中：一电机转矩常数；一电机极对数；一电机绕组总导体数；一每极绕组磁通量；一绕组电流。如果采用线性调节系数的电流负反馈控制，控制框图如下图所示：其输出特性为其中,为与控制踏板对应的电压控制指令。上式变换可得：上式表明，随着转速的提高在相同的电压输入下，电动机的加速能力越弱，使电动机的输入电压与踏板力成正比关系的话，统一踏板行程下，速度越快加速能力越弱，这与驾驶员本身的感觉一致。电压控制策略下，随着车速的增加，驱动能力则相应下降，符合车辆稳定性和安全性的要求。转矩控制策略转矩控制策略指直接与电动机的输出转矩为控制目标，因为电动机的输出转矩实际与电动机的通过电流成正比，转矩控制策略是通过电流
17、控制实现的。这种控制策略在电源容量有限时，可以起到很多的加速特性，但在不同的输入指令下，机械特性的下降段却近乎重合。这样，当车辆运行处于这一区域时，对应于一定范围内输入指令的变化，车辆稳定的行驶速度却近乎相等。这表明，控制踏板踏位与车辆运行状态的对应关系与传统内燃机汽车相异，驾驶控制感觉将明显不同。因此，转矩控制策略不适用于轮式电动车控制系统。转矩控制策略依据转矩与电流成正比原理：-驱动电压-绕组相电阻-转矩系数-电动势系数-电机转速转速控制策略转速控制策略指直接以电动机的转速作为控制量，使每一个踏板行程下，车速处于一定值。但是由于实际操作时车速受到路面干扰比较大，按驾驶员惯性，速度下降时会下
18、意识增加踏板行程，要求驾驶员不断的调整踏板行程，而实际上微小的踏板行程的调整对于驾驶员而言是无法实现的，超出了人体的感觉的精度。这种控制策略在自动驾驶技术成熟时可以考虑，轮毂电机驱动的汽车上不建议使用。基于上述分析建议采用电压控制策略四、电子差速控制策略研究对于轮毂电机驱动的电动车，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，其研究内涵和深度相对于机械差速器有本质的不同。电子差速的方法主要有以下几种：以转速为控制变量的差速控制器和控制电机转矩、车轮转速随动的自适应差速控制器，以及以滑移率为控制变量
19、的差速控制方法。转速型差速控制策略转速型差速控制需要计算每个车轮需要的速度，进而得出每个车轮需要的电机转速，通过向电机控制器发出电压指令实现电机转速的调节，从而调整车轮转速，合理的分配每个电机的输出转矩，实现车轮的纯滚动转向行驶。轮毂电机直接连接在车轮上，车轮自身旋转角速度与电机转子的角速度相同，因而可以通过控制电机转速来调节车轮转速。由于车轮的转速与路面状况、车轮滑移率以及车轮转角均有关系，故电子差速器控制系统应全面考虑以上因素的影响，将转矩分配和车轮滑移率结合考虑，并根据方向盘转角和整车速度输入，控制器接收加速踏板信号和方向盘转角信号，根据车轮转速和电子差速控制策略分配两电机的转矩。对于仅
20、在后轮装轮毂电机的车轮而言，实际整车的转向指令仍由驾驶员通过方向盘输入转角发出，由于轮胎的侧偏等因素的存在，要准确计算出后轮差速所需要的转速比较困难，因素转速型差速控制策略不适用仅后轮装轮毂电机的汽车。转矩型自适应差速控制策略转矩自适应差速控制策略是基于以下对车轮的受力分析，将车轮作与汽车作为一个系统考虑车轮的受力方程可表达为：式中：-电机驱动力矩（N.m）-车轮质量（kg）-车轮轮心处速度（m/s）-车轮反力-制动力矩-车轮角速度-作用系数，制动时取0，驱动时取1根据以上公式，传统汽车转向时，之所以会产生差速效应，本质上由于左右轮的受力状态发生了变化，从而推动差速器作用产生差速。在安装轮毂电
21、机的汽车上，由于实际车辆的转向特性和准确位置难以确定，若直接以转速为对象进行差速控制，难免出现瞬时滑移率过大的现象，影响车辆的性能，加速轮胎磨损。所以以转矩控制，转矩本身对应的是电动机的电流，驱动过程中，由于外侧的滑移率降低，本身阻力减小，必然会导致车轮转速提高，而制动过程中则会导致，外侧车辆的速度增大。直接以滑移率控制差速转矩自适应差速控制的问题在于：一、在高速转向工况下，由于侧向加速度的存在，左右轮荷重新分配，可能外转向轮需要的驱动力会相对于低速情形大大增加，单以转矩控制可能产生，外轮没有足够的转弯，甚至出现反转现象，直接导致车辆甩尾。二、在需要加速器不起作用的情况下，无法识别，需要单独的
22、控制算法实现差速锁功能。所以转矩型自适应差速控制策略仅适用于低速，良好路面工况。为了使差速控制适应更多的工况，直接以滑移率作为控制指标，进行差速控制。同样，基于上述的车轮受力状况，转向时若不能很好的起到差速作用，最明显的体现就是车轮的滑移率异常，力学上滑移率异常则体现为，地面没有足够的驱动力，平衡整车对车轮的力。以驱动转向时为例，外轮需要较大的转速，若不能满足，直接体现就是滑移率大幅增加，此时，增加轮毂电机输出转矩，以使电机加速，则保证了差速功能的实现。与转矩自适应差速控制相比，因为直接使用滑移率作为指标，能够在轮荷改变的情况下同样实现差速。极限工况需要差速锁功能时，表现为内外轮滑移率差别很大
23、，此时直接对驱动电机实现转速控制，强制内外轮转速同步，差速锁功能即可实现。使用滑移率进行差速控制的控制策略唯一的问题在于选择合适的滑移率阀值，为避免与ABS系统冲突，应与ABS控制策略中的滑移率阀值有适当的隔离区间。目前ABS滑移率控制阀值在15%-20%，由于目前缺少相关资料，建议差速控制滑移率控制阀值在5%-10%选取，通过实车试验最终确定。驱动电机控制策略总结总结以上内容，以轮毂电机作为后轮驱动的车辆的控制策略如下：根据踏板行程计算出需要的轮毂电机控制电压，以此电压作为基础控制电压。同时监测轮胎滑移率，若滑移率大于控制阀值，则根据实际滑移率与滑移率阀值的差值，给出调整电压，基础电压与调整
24、电压的和即为轮毂电机的实际输入电压，此实际输入电压同时作为下一时刻的基础电压。同时监测踏板行程，与内外轮基础电压进行比较，在内外轮输出电压的平均值与踏板行程相对应得电压差别较大时，调整内外轮输出电压，以保证车辆按照驾驶员的意图前进，保证车辆的操稳性能。当判断出滑移率明显异常时，进入差速锁控制程序，直接时左右轮转速同步，滑移率较低一端的输入电压与踏板行程对应。控制流程图如下：五、电子差速功能验证差速功能的验证分两个层面：1、直接对差速功能进行验证，参考电子差速控制验证方案。2、整车性能验证，根据目前的性能试验方案，安装轮毂电机的车轮需要满足整车的操稳性能指标，加速性能指标，制动性能指标，若在这些
25、性能试验过程中出现明显的性能指标降低，或轮胎异常磨损，则判定差速功能不合格。在耐久试验的过程中，同样不应出现轮胎异常磨损的现象，因为缺乏具体数据，具体的量化指标还需要在试验过程的逐步摸索，确定。六、下一步工作方向1、与ABS系统及制动能量回收系统的集成控制。因为ABS系统同样也是使用滑移率作为主控指标，完全可以考虑电子差速与ABS的集成控制，这对改善整车的操稳性，行车的安全性，及降低能耗具有非常大的现实意义。2、试验验证方案的细化，及指标的量化。目前试验验证的方案未经过实车检验，难免有考虑不周之处，需要在实际工作中细化，完善，对评价指标进行量化，最终形成标准化的文件以指导后续的设计开发工作。3、查阅资料进行虚拟仿真研究，利用软件模拟实际情况，尽量先期发现问题。-电机实际输出力矩-电机负载，由实车提供-轮毂电机车轮总成转动惯量-车轮的转动角速度-控制器目标力矩-力矩系数-目标电流-实际电流-电机内阻-电机电感-电机输入电压采用PID控制，方程为：、-控制参数
