羅向陽，張輝，呼夢穎，支娜

（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)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安710049）

1 引言

純電動汽車驅(qū)動技術(shù)與燃油汽車區(qū)別顯著，其動力布局方案通常有軸驅(qū)和輪驅(qū)兩種。輪驅(qū)電動汽車（eWheel drive electric vehicle，eWheel EV），將輪轂電機和輪圈輪胎集成到一起，形成電動輪。相比于軸驅(qū)電動汽車，eWheel EV 能量傳遞效率高，可操縱性好，代表了純電動汽車的發(fā)展方向。在實際的復(fù)雜路面行駛中，如何根據(jù)駕駛員的意愿協(xié)調(diào)控制各電動輪，是當(dāng)前所面對的關(guān)鍵問題。論文以高性能微處理器TMS320 F28335為核心，設(shè)計含有下層驅(qū)動控制和上層整車控制的單控制器，省去了兩電動輪之間的通信，實現(xiàn)了兩電動輪的協(xié)調(diào)控制。

2 結(jié)構(gòu)與差速策略設(shè)計

2.1 輪驅(qū)電動汽車結(jié)構(gòu)

論文構(gòu)建了含兩電動輪的eWheel EV，前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動，如圖1所示。eWheel EV驅(qū)動裝置主要包括動力蓄電池、控制器（包含電機驅(qū)動電路）和輪轂電機3 部分［1］。其中具有電子差速（ED）功能的控制器是eWheel EV 驅(qū)動裝置的核心，可以根據(jù)加速踏板、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和制動踏板指令，實時協(xié)調(diào)控制兩電動輪轉(zhuǎn)速。

圖1 eWheel EV結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of eWheel EV

2.2 電子差速策略

eWheel EV 取消了傳統(tǒng)的機械差速機構(gòu)，代之以能協(xié)調(diào)控制兩電動輪的電子差速裝置。論文以電動輪轉(zhuǎn)速為被控量，根據(jù)Ackerman-Jeantand轉(zhuǎn)向模型（見圖2），合理分配兩電動輪的轉(zhuǎn)速［2］。

圖2 Ackerman-Jeantand汽車轉(zhuǎn)向模型Fig.2 Steering model of Ackerman-Jeantand

不考慮車輛轉(zhuǎn)向傾斜時載荷變化對內(nèi)外電動輪的影響，則內(nèi)外輪在轉(zhuǎn)向行駛時應(yīng)滿足［3］：

式中：ω為轉(zhuǎn)向時車體角速度；v3’v4為內(nèi)外輪行駛速度；Rin’Rout分別為內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向半徑。

選擇車體速度v作為計算內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)，則內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)速分別為

式中：δin’δout為前輪內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向角；r為車輪半徑；L為車輛前后輪軸距；B為后輪內(nèi)外輪輪距。

電動輪電機驅(qū)動采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，差速控制框圖如圖3 所示。ED 模塊根據(jù)指令實時計算兩電動輪的轉(zhuǎn)速給定n3，n4，驅(qū)動模塊按照給定對兩電動輪同時進行調(diào)速。直線行駛時，控制器控制兩電動輪轉(zhuǎn)速相等；轉(zhuǎn)向行駛時，控制器根據(jù)差速指令，實時調(diào)節(jié)兩電動輪轉(zhuǎn)速。

圖3 eWheel EV控制框圖Fig.3 Control block diagram of eWheel EV

3 裝置的硬件設(shè)計

選用內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電機為電動輪驅(qū)動電機［4］，將TMS320F28335結(jié)合到eWheel EV特定環(huán)境中構(gòu)建控制器。控制器的硬件框圖如圖4所示，根據(jù)加速踏板、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和制動踏板等指令，協(xié)調(diào)控制兩電動輪，實現(xiàn)電動汽車前進、后退、加速、轉(zhuǎn)向及制動。

圖4 eWheel EV控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of eWheel EV

3.1 指令信號檢測

加速踏板采用OH49EB 霍耳效應(yīng)集成電路，輸出電壓為0.3～4.2 V，線性反映駕駛員的速度指令。當(dāng)輸出電壓為4.2 V 時，速度指令為電動輪電機額定轉(zhuǎn)速。

采用增量編碼器檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，由I/O 端口送入DSP中，控制器通過計算編碼器脈沖個數(shù)獲得轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

制動踏板通過繼電器電路與TMS320F28335 I/O端口連接。制動踏板踩下時，I/O端口電壓跳變?yōu)楦唠娖?，控制器封鎖PWM脈沖輸出，結(jié)合機械制動實現(xiàn)車輛減速。

3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

采用永磁無刷直流電機自帶的間隔120°安裝的HALL 位置傳感器Ha，Hb，Hc。在實際應(yīng)用中，HALL 位置傳感器輸出的位置信號經(jīng)CD 4049UBE濾波，消除高頻抖動，由74LVC4245A將位置信號的高電平轉(zhuǎn)換為3.3 V。轉(zhuǎn)子位置檢測電路見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子位置檢測電路Fig.5 Detecting circuit of rotor position

4 裝置的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括初始化模塊、AD 采樣模塊、換向模塊和電子差速模塊。設(shè)置電流內(nèi)環(huán)的采樣周期為5 ms，轉(zhuǎn)速外環(huán)的采樣周期為10 ms，eCAP1，eCAP2，eCAP3 為捕獲口，若發(fā)生轉(zhuǎn)子位置脈沖跳變，則產(chǎn)生換向中斷，執(zhí)行換向子程序。功率電路開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)如表1所示。

表1 換向期間元器件導(dǎo)通狀態(tài)Tab.1 Components conduct state during commutation

主程序流程圖如圖6 所示。點火后，進行初始化并自檢，若檢測到蓄電池電壓過低等故障，則存儲故障代碼并提示駕駛員檢查。行駛時，首先讀取檔位信號，依據(jù)前進/后退指令，采取不同的換向順序；采集電機相電流，對比電流指令值，進行電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)；根據(jù)加速踏板指令和電動輪實際轉(zhuǎn)速，進行轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)。若檢測到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不為0，則調(diào)用電子差速模塊，分配左右電動輪目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

5 實驗

eWheel EV 實車平臺的相關(guān)參數(shù)為：L=2 360 mm，B=1 405 mm。采用的永磁無刷直流電機參數(shù)為：額定電壓UN=96 V，額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，額定功率PN=3 kW。供電電源采用鉛酸蓄電池12 V120 A·h×8 塊。圖7 為轉(zhuǎn)子位置檢測電路輸出的HALL位置信號，信號清晰，抖動較小，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換之后，HALL信號的高電平為3.3 V。

圖7 HALL位置信號Fig.7 HALL position signal

eWheel EV 直線行駛時，內(nèi)外電動輪轉(zhuǎn)速相同。車輛轉(zhuǎn)向行駛時，內(nèi)電動輪轉(zhuǎn)速減小，外電動輪轉(zhuǎn)速增加，實現(xiàn)差速行駛，轉(zhuǎn)向行駛時電動輪的轉(zhuǎn)速波形如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)向行駛時電動輪轉(zhuǎn)速波形Fig.8 The eWheels speed while steering

轉(zhuǎn)向行駛時電動輪電機的A相電流波形如圖9所示。換向期間，關(guān)斷相（B相）電流下降速度和導(dǎo)通相（C 相）電流上升速度不同，導(dǎo)致恒導(dǎo)通相（A相）電流畸變。內(nèi)電動輪電機的電流頻率小于外電動輪電機的電流頻率，說明內(nèi)電動輪轉(zhuǎn)速小于外電動輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了差速功能。

圖9 轉(zhuǎn)向行駛時電動輪電機A相電流波形Fig.9 Current of phase A in motors while steering

裝載所設(shè)計的控制器的eWheel EV 實車如圖10所示。在不同的路面行駛時，控制器均能迅速地響應(yīng)駕駛員的要求，實現(xiàn)電動汽車前進、后退、加速、轉(zhuǎn)向、制動等操作。

圖10 輪驅(qū)電動汽車平臺Fig.10 The eWheel EV platform

6 結(jié)論

論文以高性能TMS320F28335 為核心，構(gòu)建eWheel EV 驅(qū)動裝置，省去了兩電動輪之間的通信，實現(xiàn)了兩電動輪的協(xié)調(diào)控制。實驗室測試結(jié)果和路面測試結(jié)果顯示，裝置能夠保證eWheel EV直線行駛時內(nèi)外輪同步轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向行駛時差速轉(zhuǎn)動，證明了控制方法的可行性。

［1］李樂.四輪獨立驅(qū)動電動車控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

［2］Lee Ju-sang，Ryoo Young-jae，Lim Young-cheol et al.A Neural Network Model of Electric Differential System for Electric Vehicle［C］//Industrial Electronics Society，26th Annual Conference of the IEEE，2006，1：83-88.

［3］朱文吉.四輪驅(qū)動電動車電子差速系統(tǒng)的研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2009.

［4］衛(wèi)國愛，全書海，朱忠尼.電動汽車驅(qū)動用無刷直流電動機的控制與仿真［J］.電機與控制應(yīng)用，2009，36（1）：16-18.