四轮独立驱动电动汽车（精选4篇）
四轮独立驱动电动汽车 篇1
引言
四轮独立驱动电动汽车是目前国内外高校和研究院所研发的热点[1,2,3,4,5,6]。四轮独立驱动电动汽车四轮驱动力矩独立可控, 转矩转速易于测得, 因此在汽车控制方面具有良好优势[5,6]。汽车四轮转向控制能够有效减小汽车的转向半径和提高汽车的操纵稳定性[7,8], 是主动安全控制的重要研究内容之一。具有四轮转向的四轮独立驱动电动汽车是汽车主动安全控制的理想载体。论文以四轮独立驱动电动汽车为研究对象, 研究了四轮转向控制策略, 应用Car Sim与Matlab/Simulink搭建了整车模型和控制策略, 并进行了仿真试验验证。
1、整车模型
基于Matlab/Simulink与Carsim联合仿真搭建了整车动力学模型和控制系统, 如图1 所示。
Car Sim中的车辆模型为内燃机模型, 对模型进行修改变为四轮独立驱动电动汽车模型。应用Simulink搭建了四轮驱动力分配器和四轮转角分配器。四轮驱动力分配器根据驾驶员的目标车速和汽车实际反馈车速, 计算出整车所需的总的目标驱动力矩, 并进行四轮驱动力矩的分配, 论文采用四轮驱动力矩四等分方法。四轮转角分配器根据驾驶员方向盘转角进行四轮转角大小的计算与分配。四轮转角控制基于阿克曼转角的控制原理进行控制, 如图2所示。
驾驶员的方向盘转角除以转向系统传动比计算出虚拟中间转向轮转角, 根据阿克曼转向原理, 由整车基本结构参数计算出四轮转角。
四轮转角的计算公式, 如公式 (1) 到公式 (4) 所示:
式中, δ为等效前轮转向角, δfl为左前轮转向角, δfr为右前轮转向角, δrl为左后轮转向角, δrr为右后轮转向角, a为质心到前轴的距离, b为质心到后轴的距离, B1为前轮轴距, B2为后轮轴距。
2、仿真验证
在Car Sim软件中设置仿真工况对所研究的控制策略进行仿真验证。仿真工况:双移线工况, 车速30km, 路面附着系数为0.8。
由四轮转角曲线图 (3) 知在定速双移线工况下, 四轮均转动一定的预期角度, 由运动轨迹图 (4) 知车辆在四轮转向模式下, 车辆能较好的完成双移线工况。由图 (5) 知开始时由于车轮的滑磨, 驱动力矩会较大, 车辆运动稳定后, 驱动力矩恢复到较小值。由图 (6) 知车辆的稳定性控制采用PID纵向车速控制, 可知车辆有较好的稳定。
3、结论
应用Car Sim与Matlab/Simulink搭建了四轮独立驱动电动汽车四轮转向控制模型, 设计了四轮驱动力分配器和基于阿克曼转向原理进行了四轮转角分配器, 通过仿真试验验证了对所研究的四轮转向控制策略能够保证四轮独立驱动电动汽车具有良好的操纵稳定性。研究方法对于四轮独立驱动电动汽车四轮转向控制具有一定参考价值。
研究结果表明:在阿克曼转角原理控制下电动车能较好的完成四轮转向模式。
参考文献
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四轮独立驱动电动汽车 篇2
电动汽车的驱动电机响应快、易于控制,且较内燃 机汽车的机械传动效率高,因此可以开发出低成本、性能理想的电 动汽车底盘系统,提高电动 汽车性价 比,加速电动 汽车的普 及。而电动轮驱动技术是实现上述目标、解决目前电动汽车发展障碍的理想途径。在车辆的稳定性研究中,主动转向 技术、主动悬架技术与驱动力/制动力控制是当前所主要采用的方法。本文从四轮独立驱动电动车角度出发研究的稳定性控制策略对以后掌握采用四轮独立驱动的电动汽车的关键技术和形成自主开发能力具有指导意义。
1汽车稳定性因素分析
当前的汽车稳定性控制理念是选取汽车的横摆 角速度和质心侧偏角2个变量作为汽车稳定性的控制目标,通过一定的调节措施使得汽车的横摆角速度和质心侧偏角处于普通驾驶员的控制范围内。选取这2个变量表征汽车操纵稳定性的 原因如下:汽车行驶状态主要由纵向速度、侧向速度和横摆角 速度确定。纵向速度与侧向速度确定汽车质心的侧偏角,横摆角速度的积分得到汽车的横摆角,而质心侧偏角与 横摆角之 和为汽车行驶 的航向角。假 设汽车的 质心侧偏角较小,可忽略不 计,则汽车的航向角 主要由汽 车的横摆 角决定。航向角越大,汽车的转弯半径越小;航向角越 小,汽车的转 弯半径越大。因此,在质心侧偏角比较小的情况下,横摆角速度决定了汽车的稳定状 态。但是当汽 车处于低附着路面上,转弯时出现大的质心侧偏角时,横摆角速度就不能准确地表述汽车的稳定状态。这个时候质心侧偏角更能体现 汽车的稳定性。相关文献也指出,质心侧偏角对于车辆稳定性控制必不可少。
通过上述分析,可以得到以下结论:(1)车辆稳定性主要受车辆质心侧偏角与横摆角速度影响,二者之间存在耦合关 系,汽车转向的过度、不足均可由车辆横摆角速度表 示。另外,汽车转向过度还可以由车辆质心侧偏角表示。(2)车辆稳定性的重要影响因素包括 车辆质心 侧偏角,车辆质心 侧偏角越 是增大,司机转动方向盘时越是感到沉重吃力,车辆的侧向力矩、横摆力矩也就越加难以控制,从而易造成车辆失控。(3)车辆质心侧偏角与附着系数有关,质心侧偏角最大值会随着附着系数的减小而减小,即车辆稳定性受质心侧偏角的影响增大。(4)车辆质心侧偏角偏大,车辆转向的特征,即司机驾驶意向,可由车辆横摆角速度表示;但如果车辆质心侧偏角偏小,车辆行驶轨迹则无法由横摆角速度表示。
综上所述,本文选择横摆角速度和质心侧偏角联合作为表征汽车操纵稳定性的变量进行控制。
2 四轮独立驱动电动汽车稳定性控制策略
根据本文研究的车辆的特点以及稳定性控制 策略的总 体方案,确定稳定性控制策略分为3个步骤,即判断、控制、执行。
第一步,判断汽车是否失稳。
第二步,根据上一步的判断,如果确定汽车失稳,那么按照分层结构进行控制。先确定使汽车恢复稳定所需的总控 制量即附加横摆力矩ΔM,再通过相应的控制策略决策出各个车轮应该有什么样的滑移率/滑转率,以期使车辆受到 地面施加 的期望的附加横摆力矩ΔM。
第三步,通过控制驱动电机,将车轮的滑移率/滑转率控制在期望值。
完整的稳定性控制策略总体方案如图1所示。质心侧偏角与 横摆角之 和为汽车行驶 的航向角。假 设汽车的 质心侧偏角较小,可忽略不 计,则汽车的航向角 主要由汽 车的横摆 角决定。航向角越大,汽车的转弯半径越小;航向角越 小,汽车的转 弯半径越大。因此,在质心侧偏角比较小的情况下,横摆角速度决定了汽车的稳定状 态。但是当汽 车处于低附着路面上,转弯时出现大的质心侧偏角时,横摆角速度就不能准
根据当前驾驶员的操作,通过二自由度参考模型计算出当前汽车理想的横摆角速度,与实际的横摆角速度做差得到横摆角速度偏差,输入失稳判断模块。失稳判断模块需要的信号还有:实际的质心侧偏角、方向盘转角、路面附着系数、车速、侧向加速度;失稳判断模块通过判断汽车是过度转向失稳还是不足转向失稳,将结果输入力矩分配模块。横摆运动控制器根据横摆角速度偏差计算出的期望附加横摆力矩也输入力矩分配模块,力矩分配模块根据所得的数据决策出每个车轮期望的滑移率/滑转率λ*,与实际的滑移率/滑转率λ做差得到Δλ。因为轮胎受到的驱动力和制动力与滑转率/滑移率是非线性关系,而且车轮的力矩不能直接控制,需要通过电流信号改变电机的输出转矩。要直接写出关于滑移率/滑转率和电机电流的精确数学模型比较困难,所以采用简单的鲁棒性较强的PID控制器来得到电机的驱动电流。最终由电机驱动车轮,改变汽车的行驶状态。
3控制策略的适用范围
本文所研究的控制策略的适用范围与底层执行 机构的能力有关,驱动和制动都是由电机实现的,曲线表达式如下:
式中,n为电机转速;δ为加速 踏板开度;Mmax为电机发 出的峰值力矩;M为实际发出的驱动力矩。
电机可以进行电制动,根据实际情况,电机制动 力矩最大可以达到驱动力矩的90%左右,本文假设电机最大制动力矩为驱动力矩的85%。制动力矩如下式:
当加速踏板开 度为100% 时,最大的电 机驱动力 矩为45N·m,乘以减速比5.2得到车轮 受到的最 大驱动力 矩为234N·m。最大制动力矩为199N·m,最大的驱动扭矩只有在低速时电机才能提供。当电机转速增加时,电机的反电动势会提高,使电机输出的力矩降低。所以,由电制动和 电驱动产生的最大附加横摆力矩也会相应减小。
本文所设计的控制策略是主动安全控制策略,当驾驶员踩加速踏板的时候可以起作用,当驾驶员不踩油门踏板时也起作用,但是当驾驶员踩制动踏板时本文设计的控制策略不对汽车进行控制,因为当汽车失稳时控制策略要求驱动某一车轮,这会与汽车的液压制动系统产生干涉,所以当驾驶员踩制动踏板时控制策略不起作用。
4仿真实验及分析
通过对比装有SCS(稳定性控制策略)的四轮独 立驱动电动汽车和不装SCS的普通四轮独立驱动电动汽车的运动,来检验所设计的控制策略的有效性。实验路径为半径为20m的圆环轨道,路的宽度为16m,轨道如图2所示。
路面附着系数为1.0。汽车缓慢加速,经过5s将加速踏板踩到开度为80%,之后保持加速踏板的开度。本实验是闭环实验,通过CarMaker自带驾驶员保持汽车行驶在道路中央。对比装有SCS的车辆和不装SCS的车辆的运动。根据本文设计的控制策略对各个电机进行单独控制,如图3所示。
从图3可以看出,第24s后出现向左不足转向,此时对右前轮进行驱动、对左后轮进行制动来减小汽车的不足转向。控制策略起到了保持 稳定的控 制效果,但是汽车 的车速有 所降低,如图4所示,在第10s时施加控制的汽车车速小于未施加控制的汽车。从图中可以看出,此时车速仅为5km/h。如果汽车的车速很低,可以在出现失稳时通过驱动某一个或几个车轮进行调整,而不采用制动进行调整。
5结语
现如今,发展新能源汽车尤其是纯电动汽车成为了热门话题。在当前众多形式的电动车辆中,采用电动轮独立驱动的动力系统正日益成为发展方向,它因布局灵活、动力独立可控、性能优越等特点得到了广泛的研究和应用。
摘要：对汽车操纵稳定性影响因素进行分析,设计适合于四轮独立驱动汽车的稳定性控制策略,充分利用四轮独立驱动汽车每个轮的驱动力可以单独控制的优点,在传统车只能靠制动来改变车轮滑移率的基础上,增加了驱动控制,同时对汽车进行驱动和制动控制,通过仿真实验验证所设计的控制策略的有效性。
四轮独立驱动电动汽车 篇3
1.1 四种驱动方式的比较
微型纯电动汽车可以采用四种驱动方式: (1) 与传统燃油汽车相同; (2) 省略减速器; (3) 进一步省略差速器, 电动机同轴驱动车轮, 即轴驱; (4) 将电动机直接装在车轮内, 即轮驱。可以看出, 轮式驱动既完全消除了传动中的机械磨损, 提高了传动效率, 又具有最小的体积、最轻的重量, 同时故障率降低。轮式驱动一般采用两轮或四轮驱动方式。
1.2技术的优越性
四轮独立驱动电动汽车采用独立悬架, 通过4个轮毂电机直接驱动, 与传统内燃机车相比具有诸多优点: (1) 采用线控技术 (X-by-wire) 可对驱动力单独控制, 为改善汽车的动力性、稳定性及安全性提供了更大的技术潜力; (2) 取消了离合器、变速箱、传动轴、差速器等部件, 传动系统大为简化, 整车质量大为减轻, 传动效率得到提高; (3) 电机与动力源之间采用软连接, 占用空间少, 使电动汽车整车布置设计非常灵活, 轴荷分配更趋合理, 容易实现汽车的低地板化; (4) 电机转矩响应快 (可达到0.2 ms) 且易测得其准确值, 可实现性能更佳、成本更低的牵引力控制系统 (TCS) 、防抱死制动系统 (ABS) 及电子稳定性控制系统 (ESP) , 甚至实现多种先进车辆动力学控制系统的集成控制。采用四轮独立驱动的电动汽车在整车动力学控制、整车结构布置等方面具有非常明显的优势。因此, 轻量化、集成化、高性能的一体化四轮独立驱动系统是未来清洁、节能、安全型电动汽车的一种非常理想的驱动型式。
采用国际先进的永磁无刷电机和四轮独立驱动的技术, 可以最大限度地提高电池使用效率, 其先进的驱动构型, 可以充分发挥轮毂驱动的灵活性, 低成本实现国际先进的能量回馈技术、道路识别柔性控制技术、电助力制动、防抱死等。四轮独立驱动技术采用先进的柔性控制算法, 可根据路面状况、车身状况实时智能调节轮毂电机的驱动或制动力矩, 实现电子差速控制、电子辅助制动与制动能量回馈、2WD/4WD最优扭矩分配的综合控制功能。其大功率直流无刷电机控制器具有过载能力强, 输出力矩大, 低电磁噪声等优点。大功率永磁无刷电机机器控制技术, 加上动力总成的集成优化技术, 以及整车动力学控制技术, 可以有效提高电动汽车的舒适性、操纵感、及有限容量电池装载下燃料经济性等, 推进电动汽车以及混合动力汽车的产业化。
2 四轮独立驱动控制在实际应用中的前景
2.1国外应用前景
四轮独立驱动作为汽车驱动系统的优势及在电动汽车上应用的技术潜力, 已经为国外很多研究机构和汽车生产厂所重视。国外很多研究机构和汽车生产厂开始研究采用四轮独立驱动系统作为电动汽车的驱动系统。三菱、通用等已将四轮独立驱动作为其下一代电动汽车的核心技术。美国新一代的“悍马”军用汽车即采用了该项技术。日本东京电力公司推出的IZA电动车采用四轮独立驱动电动车, 它的集成技术采用了一种直接驱动方式, 每个车轮配备独立的驱动电机, 可按所需动力来分配电机的功率, 不再需要连杆、差速齿轮、齿轮、皮带轮、凸轮、制动器等传统的汽车传动部件, 节省了空间, 提高了传统系统的效率。日本东京大学YoichiHori课题组研制的电动汽车“UOT Electric March”, 进行了电动汽车防抱死控制、直接转矩控制, 以及实现路面情况预估进行牵引力控制等方面的研究。
2.2 国内应用前景
国内目前对四轮独立驱动技术的研究主要集中在电机的驱动与控制、电子差速控制以及整车动力学的建模仿真等方面, 大多数还处于起步阶段, 尚缺乏成熟、实用的控制策略。但难能可贵的是有越来越多的院校和科研机构开始尝试在微型纯电动汽车上采用该项技术, 并且小部分院校和科研机构已在该技术上取得重大突破, 进入产品小试阶段。
2.3 政策扶持
新能源汽车技术经过多年的研究和发展已到产业化边缘, 各国政府和各大汽车企业纷纷制定了近期 (1～2年内) 实现规模产业化的计划。相关零部件也纷纷到了产业突破阶段。今年一月国务院常务会议通过的《汽车业振兴规划》中明确指出:要实施新能源汽车战略, 推动电动汽车及其电动汽车关键零部件产业化。中央财政将安排补贴资金, 支持节能和新能源汽车在大中城市示范推广。这是国务院首次明确提出将电动汽车作为新能源汽车发展方向, 对电动汽车在国内的发展将产生深远影响。决定还强调要以新能源汽车为突破口, 加强自主创新, 形成新的竞争优势。国务院这一决定, 为中国在新能源汽车领域走在世界前列, 形成自己的竞争优势奠定了基础。
3 结语
综上所述, 微型纯电动汽车未来将拥有极为广阔的市场, 而四轮独立驱动控制作为其核心技术, 不仅能够提升产业科技水平, 还能引领健康和谐交通的生活方式, 为改善生活环境质量做出贡献。
摘要：四轮独立驱动技术是微型纯电动汽车的核心技术, 简述了四轮独立驱动控制的基本概要。综述了国内外四轮独立控制技术的现状, 分析了四轮独立驱动控制技术的发展趋势。
关键词：微型电动汽车,新能源,轮毂电机,四轮驱动
参考文献
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四轮独立驱动电动汽车 篇4
伴随着化石燃料燃烧造成的大气污染,各国越来越重视电动车辆和混合动力车的研究。其中的独立驱动电动汽车尤为热门,它的牵引力和动力学控制系统需要汽车内部ECU实时采集电机的转速、行驶状态和道路状况,然后通过中央控制器分配合理的输出转矩来满足每个电机的行驶要求,同时达到能量利用率的最大化[1]。 典型的四轮独立驱动汽车由四个轮毂电机组成,去除了质量较大的传动系统,使汽车实现了轻量化,节省了能量,但是电机控制过程为分别控制,很难保证电机的运行转速达到有效组合,而转速不一致将导致汽车的侧滑移,转向失去灵敏度等不利情况,同时对车轴有一定的纵向力损伤,所以需要实时采集和控制电机转速。国内外研究车速采集与控制主要通过传感器采集到的电压、 电容或者电流的变化来测量,通过脉冲或者A/D转换进入单片机显示。文中利用光电脉冲编码器输出量化的脉冲信号送到单片机,设计了可以高精度累加和计数脉冲的下位机程序,省去了模拟量输入单片机前的电路放大、削波、滤波、反相和量化等电路,节省了资源。下面重点讨论如何利用编码器,单片机和下位机程序实现四轮独立驱动电动车的实时转速测量[2，3]。
1电机转速测量原理概述
1.1总体框架
实验搭建是利用信号发生源产生方波脉冲,经过驱动电路使直流电机转动,通过飞思卡尔控制器对编码器送进的脉冲进行计数,得到电机转速。实验使用的器材包括示波器,信号源,无刷直流电机,飞思卡尔控制器。系统总体设计如图1所示。
1.2测量原理
通常电机的转速测量方法有模拟式和数字式两种, 模拟式采用的测试元件有测速发电机,输出的信号是电压量;数字式采用传感器,常用来输出脉冲信号的有光电编码器,霍尔元件等装置[1]。信号有正弦波(电流或者电压),方波如TTL电平,集电极开路信号(PNP, NPN),推拉等形式。通过光电编码器利用光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换为脉冲或数字量,实验中编码器输出的是长线差分驱动的TTL电平,经过后面的电路处理后,送入单片机的接收引脚,进行脉冲的累加计数。通过下面的公式(1)[5]计算电动机的实际转速Y(t)(r/min):
式中:n是脉冲累加器计算出的1秒钟的脉冲数,N是编码器在电动机转动一圈过程中输出的脉冲个数。
1.3测量模型
直流电机的换向刷较易产生电火花,不宜在粉尘易燃易爆的工作环境中工作,实验中采用带有H桥驱动的小型无刷直流电机,H桥有四个三极管组成两套相同的电路,同一个电路中,同时一个上拉,另一个下拉,两者保持相反的输出,可以在单电源的情况下使负载极性倒过来,导通对角线上的一对三极管,使电流流向不同从而来控制电机的转向[2]。试验用到的无刷直流电机是一种用电子换相的小功率直流电机,电机由同步电动机和驱动器组成,结构简单,运行可靠,电磁噪声低[3]。 控制器是由飞思卡尔公司生产的MC9S12XET256型号的单片机,内嵌V2内核,功能强大,性能稳定,自带高容量的FLASH存储器,内部自带I/O口驱动提供电源, 锁相环电源等外围电路,减少了开发者独自布线带来的麻烦。实验使用ATF20E型的信号源实时发送方波脉冲经过H桥驱动控制直流电机的转动,控制信号源发送不同频率和占空比的脉冲。首先确保上位机和下位机能够正常通信,然后在Code Warrior开发环境下,通过上位机设计程序,编写代码下载进单片机,计算单位时间内编码器送回的脉冲,计算后通过上位机直接显示。实验测量模型如图2所示。
2系统软件设计方案
系统软件架构步骤:首先设置锁相环的频率以提高总线运行频率;定义输入输出端口的方向;初始化ECT模块、PIT模块;设置PAI函数;初始化PWM模块。然后启动电机,在主程序里每次周期中断到来时,程序转向中断函数。最后当计时结束后清除中断,显示脉冲数。具体的设计如图3所示。
在中断函数里首先将count每次加1,当count不等于20时,PIT模块通道0发生时间溢出,当count等于20时进入循环。然后当ECT模块计算3125次达到12.5ms,再循环80次,共采集1000ms来计算脉冲个数。最后把间隔1秒的前后两次数据相减即得到1秒钟的脉冲个数,经过换算便得到转速。实验采用了MC9S12XET256开发板的ECT和PIT模块,设置1秒的中断采集。通过主函数调用中断来采集脉冲通过上位机显示,也可以通过示波器显示数值[3]。
中断函数如下:
3系统硬件环境设计与搭建
3.1硬件搭建
系统硬件环境主要以单片机作为主控制器,外部设置有驱动电路,电源电路,编码器处理电路等。具体模块如图4所示。
3.2电源转换电路
飞思卡尔MC9S12XET256单片机采用外部供电,可以使用5V的直流电源直接给单片机供电,但是考虑到单片机目前广泛的用在汽车电子产品中,而汽车上的主流电源是12V和24V。因此需要设计专门的电源电路对12V或者24V进行降压。如3.3V给内部的芯片使用, 7.2V供给驱动桥控制电机等[9]。电路如图5所示。
3.3驱动电路
实验利用H桥电路驱动电机,H桥使用了全桥的集成芯片MC33886来搭建,是单片机控制电机的重要电路,用来实现电机的正反转和速度大小调节。H桥由四个MOS管组成,通过不同MOS管的关断来控制电流经由VBAT流过MOTOR+和MOTOR-之间的电流方向,通过设置PWM占空比连续调节电机转速[4]。MC33886模块如图6所示。
3.4编码器处理电路
一般的光电编码器给出的信号幅度较小,所以首先必须进行放大整形,得到标准的方波信号,实验中设计了一种集光电隔离、鉴相、频率电压转换、电压调整输出等功能于一体的综合性电路[11]。该电路结构简单、 调整方便、线性度好。可以满足不同输出信号和不同分辨率转换要求,同时,为了满足对输出电压极性的不同要求,输出电路提供了互为反相的电压信号输出。利用A,B两种信号脉冲个数计算旋转过的角度,Z相信号计算编码器轴转过的圈数[11～13]。采用TPL521-2实现对于脉冲信号的光电隔离;采用了正交解码芯片LS7084判断电机的正反转;采用稳定性比较好的电压转换芯片LM331;电压调整模块采用LM324调整,使输出的电压信号幅度值得到提高,便于识别。编码器信号的处理电路如图7所示[5]。
4实验步骤及实验结果
四轮独立驱动的电动汽车一般为四个电机,由于本实验主要是验证电机通过单片机程序采集的有效性和精确性,使用了单个电机来验证。实验分为以下四步:
1)通过H桥把单片机和电机连接,按下单片机开关;
2 )为了可以把不同的转速送给电机,控制信号源发送不同占空比的脉冲送给电机,实时改变电机转速(利用单片机的PWM模块发送脉冲也是切实可行的);
3)电机的转速输出通过编码器接入单片机计数引脚,通过程序进行累加脉冲,控制电机旋转的同时,计算进入单片机接收引脚的脉冲个数;
4)编码器将脉冲送到单片机中计算1秒内的输出脉冲进而换算为电机转速[16]。
分别设置信号发生器的频率为900Hz,1.45KHz, 上位机显示的结果分别为900和1451,这个实验结果证明了装置的有效性。转速曲线反映了转速的不稳定性, 但是基本保持在900和1450上下。结果如图8、图9所示。
5结论