， ，，

（1.西安理工大學(xué)電氣工程系，陜西西安 710048；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049）

1 引言

電動(dòng)汽車以電機(jī)為動(dòng)力源，其動(dòng)力分布主要分為軸驅(qū)和輪驅(qū)兩大類。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置是電動(dòng)汽車先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式，近年來(lái)電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更是將輪轂電機(jī)技術(shù)提升到了一個(gè)嶄新的高度。

輪驅(qū)電動(dòng)汽車，節(jié)省了汽車空間，減少了汽車質(zhì)量，提高了傳動(dòng)效率［1］，但必須解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題就是轉(zhuǎn)向時(shí)2個(gè)電動(dòng)輪之間協(xié)調(diào)控制，即電子差速［2］。

為了解決輪驅(qū)電動(dòng)汽車2個(gè)電動(dòng)輪的協(xié)調(diào)控制，采用英飛凌XE164-FM單控制器進(jìn)行控制，該控制器針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)，具有專用的多通道霍耳模式，在控制和實(shí)現(xiàn)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，消除了2個(gè)控制器之間的CAN通信問(wèn)題。

2 原理與設(shè)計(jì)

2.1 輪驅(qū)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和原理

輪驅(qū)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置主要由蓄電池、逆變器（含有控制器）和電動(dòng)輪（驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車輪緊密集成而形成）3大部分組成，圖1為裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 輪驅(qū)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of in-wheel EV drive system

電動(dòng)汽車的操控方式主要有2種：一是利用“油門”來(lái)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩依據(jù)電動(dòng)汽車實(shí)際行駛過(guò)程的阻力矩而定［3］；二是利用“油門”來(lái)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變電動(dòng)汽車行駛速度。本文采用“油門”調(diào)節(jié)牽引電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方式來(lái)控制牽引電機(jī)。

圖2給出了總體控制框圖，其工作原理為：當(dāng)駕駛員通過(guò)加速踏板發(fā)出一個(gè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)時(shí)，位移傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送給電控單元（electronic control unit，ECU），ECU根據(jù)加速踏板位移傳感器信號(hào)和轉(zhuǎn)角位移傳感器信號(hào)，來(lái)決定2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。因此對(duì)輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車直線行駛時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)和在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)差速轉(zhuǎn)動(dòng)的協(xié)調(diào)問(wèn)題是控制的核心。

圖2 輪驅(qū)電動(dòng)汽車控制框圖Fig.2 The block diagram of the controller

2.2 電子差速控制策略

現(xiàn)有的電子差速控制方法主要分為2種［3］：基于轉(zhuǎn)速控制與基于轉(zhuǎn)矩控制的電子差速。由于轉(zhuǎn)向時(shí)2個(gè)車輪的垂直載荷會(huì)發(fā)生變化，為了使兩輪的附著率相等，采用了基于轉(zhuǎn)矩的控制方法。汽車轉(zhuǎn)向模型［4］如圖3所示。文獻(xiàn)［5］對(duì)電子差速做了大量的研究，其結(jié)論為：電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)轉(zhuǎn)矩差為

其中

式中：Tm為參考轉(zhuǎn)矩。

圖3 Ackerman-jeantand汽車轉(zhuǎn)向模型Fig.3 The steering model of Ackerman-jeantand

由最佳轉(zhuǎn)矩比電子差速控制算法分配的左后輪和右后輪的轉(zhuǎn)矩為

2.3 牽引電機(jī)的控制

以無(wú)刷直流電機(jī)作為牽引電機(jī)具有效率高、功率密度大、瞬態(tài)特性好等特點(diǎn)，能夠很好地滿足電動(dòng)汽車對(duì)牽引電機(jī)的基本要求［6］。驅(qū)動(dòng)裝置的控制器硬件功能框圖如圖4所示?？刂破鞑杉D(zhuǎn)向角信號(hào)、加速踏板信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)以及霍耳位置傳感器轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，綜合以上信號(hào)獲取駕駛員的操作意圖，實(shí)施相應(yīng)的電機(jī)控制策略，實(shí)現(xiàn)輪驅(qū)電動(dòng)汽車的前進(jìn)、后退、加速以及轉(zhuǎn)向行駛。

圖4 EV驅(qū)動(dòng)裝置控制器功能框圖Fig.4 Functional block of controller in EV system

無(wú)刷直流電機(jī)的控制采用三相6狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通工作模式?；舳恢脗鞲衅鲗?shí)時(shí)將3路位置信號(hào)送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)軟件處理得到6路PWM控制信號(hào)。本文采用半橋調(diào)制方式，上橋臂常通或常斷，下橋臂PWM斬波，電機(jī)的霍耳信號(hào)與相應(yīng)的導(dǎo)通相的關(guān)系［7］如表1所示。

表1 無(wú)刷直流電機(jī)正/反轉(zhuǎn)信號(hào)Tab.1 Clockwise/reverse signal of BLDC motor

表1中，1表示常通，0表示常斷，PWM表示斬波。牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制是輪驅(qū)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置的關(guān)鍵，由文獻(xiàn)［8］可知，在不考慮電樞反應(yīng)的情況下，轉(zhuǎn)矩閉環(huán)可以由電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)，所以采用電流閉環(huán)方式，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

選用Infineon公司的16位單片機(jī)XE164-FM作為控制器的核心。其資源配置：P10.9-P10.7左電機(jī)3路霍耳位置信號(hào)；P10.0-P10.5左功率電路脈沖信號(hào)；P10.6左電機(jī)緊急制動(dòng)；P1.1-P1.7（除P1.3）為右功率電路脈沖信號(hào)；P7.1為右電機(jī)緊急制動(dòng)；P7.2-P7.4右電機(jī)3路霍耳位置信號(hào)；P5口作為電流、電壓的采集口；P1口作為前進(jìn)、后退、停止的狀態(tài)檢測(cè)以及繼電器、驅(qū)動(dòng)使能的控制端口。采用定時(shí)器中斷，定時(shí)讀取I/O端口的狀態(tài)。

2.4 裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括：電壓、電流調(diào)理電路、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角采集電路、加速踏板采集電路、電機(jī)電流采集電路、位置信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電路及主電路等。其中驅(qū)動(dòng)電路為該裝置的關(guān)鍵模塊。

驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，選用Infineon公司6ED003L06-F驅(qū)動(dòng)芯片，此驅(qū)動(dòng)芯片工作電壓為13～17.5 V且自身帶有欠壓鎖定功能，典型值10.3 V。采用自舉電容方式產(chǎn)生4路獨(dú)立電源，由于此芯片為低電平有效，設(shè)計(jì)中在前級(jí)輸入加入SN74HC14反相器，一方面可以增加脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面在軟件編程時(shí)實(shí)現(xiàn)正邏輯。驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)調(diào)試過(guò)程中，首先調(diào)試下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖放大功能正常，之后再進(jìn)行上橋臂測(cè)試。

圖5 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 The drive circuit of switches

2.5 裝置的軟件程序設(shè)計(jì)

控制器的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)DPR（前進(jìn)、停車、后退）檔桿信號(hào)、加速踏板信號(hào)以及轉(zhuǎn)向角信號(hào)的采集，來(lái)實(shí)時(shí)地反映駕駛員的操作意圖，對(duì)2個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，圖6為主程序流程圖。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

XE164-FM內(nèi)部有CCU60和CCU62 2個(gè)并行單元，可以同時(shí)工作在霍耳模式，這樣可以極大簡(jiǎn)化代碼編寫工作，并且可以實(shí)時(shí)交互兩電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。采用T13定時(shí)器作為PWM波的發(fā)生中斷，周期為50 μs，T12定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，周期為800 μs。通用定時(shí)器T2/T3，主要完成前進(jìn)、后退、停止操作的狀態(tài)檢測(cè)，周期為1 ms。

3 實(shí)驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)裝置的兩輪轂電機(jī)參數(shù)為：額定電壓UN=48 V，額定轉(zhuǎn)速n=700 r/min，額定功率PN=500 W。供電電源采用鉛酸蓄電池12 V60 Ah×4塊。主電路的開(kāi)關(guān)管選用100 V，10 A的IRFW530A，開(kāi)關(guān)頻率20 kHz。

圖7為無(wú)刷直流電機(jī)所采用的半橋調(diào)制的驅(qū)動(dòng)波形，從圖7中可以看出上管常通，120°換向，下管為PWM斬波模式。

圖7 半橋調(diào)制的驅(qū)動(dòng)波形Fig.7 Drive waveforms of half bridge modulation

圖8給出了單個(gè)電機(jī)給定電流和電機(jī)相電流的波形，當(dāng)油門踏板從小到大給定時(shí)，電機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)，電流剛開(kāi)始突增，由于電流環(huán)限制了其啟動(dòng)電流。啟動(dòng)之后電流趨于穩(wěn)定。圖9為電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，內(nèi)外側(cè)電機(jī)電流波形，為更清楚地觀察差速功能，給定轉(zhuǎn)向角最大。

圖8 給定電流和電機(jī)相電流的波形Fig.8 The given current and motor current waveforms

由圖9可知，轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，外側(cè)電機(jī)的相電流在5 A左右，內(nèi)側(cè)電機(jī)在3 A左右，說(shuō)明外側(cè)電機(jī)的輸出力矩大于內(nèi)側(cè)電機(jī)，并由相電流的頻率可以看出，外側(cè)轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了差速功能。由于2個(gè)電機(jī)繞組電感不一致性，導(dǎo)致兩電機(jī)相電流的波形不是很一致。

圖9 轉(zhuǎn)向行駛電機(jī)電流波形Fig.9 Motors current waveforms in steering running

4 結(jié)論

以英飛凌XE164-FM為核心，構(gòu)建了輪驅(qū)電動(dòng)汽車試驗(yàn)平臺(tái)，采用單控制器實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的同時(shí)控制，解決了兩電機(jī)協(xié)調(diào)控制時(shí)的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題，消除了CAN通信環(huán)節(jié)。試驗(yàn)平臺(tái)能夠保證輪驅(qū)電動(dòng)汽車雙電機(jī)直線行駛時(shí)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的差速轉(zhuǎn)動(dòng)，證明了方案的可行性和正確性。

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