章彧

摘 要： 四驅(qū)電動汽車是未來汽車發(fā)展的方向。本文介紹了四驅(qū)電動汽車實驗平臺的基本結(jié)構，闡述了基于MCS51單片機汽車控制系統(tǒng)的工作原理，此平臺不僅可完成電動汽車的一般特性實驗，而且以其優(yōu)越的開放性，可為學生提供進行創(chuàng)新性實驗和設計的環(huán)境。

關鍵詞： 輪轂電機 電動汽車 實驗平臺

四驅(qū)電動汽車是將電機與車輪輪轂做成一體，電機直接驅(qū)動車輪，省略了傳統(tǒng)汽車動力傳動系統(tǒng)的變速器、萬向傳動裝置、差速器和半軸等部件，具有體積小，比功率大，傳動效率高等特點，簡化了整車結(jié)構，降低了整車質(zhì)量，有利于增加電動汽車續(xù)駛里程，是未來汽車的發(fā)展方向。四驅(qū)電動汽車實驗平臺是針對高校汽車專業(yè)設計的，具有電動汽車一般特性實驗和綜合控制實驗，并能提供開放性控制設計的綜合性實驗平臺。

1.四驅(qū)電動汽車實驗平臺的結(jié)構

四驅(qū)電動汽車實驗平臺由車體結(jié)構和汽車控制應用軟件組成。車體利用卡丁車車架改裝，四輪分別采用直流無刷輪轂電動機車輪，利用變頻器控制四輪轉(zhuǎn)速。車體上還安裝了電子式油門踏板、角度傳感式方向盤、汽車車速儀表板和主控計算機系統(tǒng)。汽車控制應用軟件采用主從式結(jié)構，四個車輪的控制作為從機，分別有各自獨立的輪速反饋控制軟件，保證各車輪輪速的實時準確控制，主機采樣油門、方向等信息，按控制策略計算得到四個車輪的輪速控制量，發(fā)送給四個車輪的從機，從而完成整車的正?？刂?。

四驅(qū)電動汽車實驗平臺的功能結(jié)構如圖1所示，包括汽車控制主機、左前輪控制、右前輪控制、左后輪控制、右后前輪控制、油門控制、轉(zhuǎn)向控制、輔助控制及車速儀表等模塊。

圖1 四驅(qū)電動汽車實驗平臺功能結(jié)構框圖

2.四驅(qū)電動汽車實驗平臺的原理

2.1輪速控制

四驅(qū)電動汽車的每個車輪都有自己獨立的輪速控制模塊，設計時，其方法、原理是相同的。輪速控制是四驅(qū)電動汽車控制的核心環(huán)節(jié)，其功能結(jié)構框圖如圖2所示，是由輪速控制計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、變頻器和輪轂電動機等環(huán)節(jié)組成的。

圖2 輪速控制模塊功能結(jié)構框圖

輪速控制計算機采用MCS51單片機，通過串行多機通信方式，接收由汽車控制主機發(fā)送過來的車輪轉(zhuǎn)速給定值，送給D/A轉(zhuǎn)換器，生成直流控制電壓，變頻器根據(jù)輸入控制電壓的大小，對電動機工作電源進行變頻控制，輸出逆變電源信號，控制輪轂電動機的轉(zhuǎn)速。

在輪轂電動機中，裝設有三相霍爾傳感器，將電動機的轉(zhuǎn)速對應地反映成電脈沖信號，變頻器對三相脈沖信號進行疊加，形成頻率與轉(zhuǎn)速成正比例關系的脈沖信號。輪速控制計算機利用內(nèi)置的計數(shù)器，可測量得到脈沖信號的頻率，從而測到輪速，再經(jīng)串行方式發(fā)送給汽車控制主機。

從輪速控制的分辨率、精度及與單片機接口方面的綜合考慮，D/A轉(zhuǎn)換器選擇了TLV5618A，它是雙通道12位電壓輸出型DAC器件，轉(zhuǎn)換時間3-10us，采用SPI三線標準串行接口，轉(zhuǎn)換所需2.5V基準電壓由REF3225提供，輸出直流電壓：V■=■×5。D/A轉(zhuǎn)換程序如下：

sbit DIN=P1^3； //數(shù)據(jù)輸入端

sbit SCLK=P1^4； //時鐘信號

sbit CS1=P1^5； //片選輸入端，低電平有效

// D/A轉(zhuǎn)換程序，Dignum為給定的數(shù)字量

void DA_conver1（uint Dignum）

{

uint Dig=0；

uchar i=0；

SCLK=1；

CS1=0； //片選有效

for （i=0；i<16；i++） //寫入16為Bit的控制位和數(shù)據(jù)

{

Dig=Dignum&0x8000；

if（Dig）

{

DIN=1；

}

else

{

DIN=0；

}

SCLK=0；

_nop_（）；

Dignum<<=1；

SCLK=1；

_nop_（）；

}

SCLK=0；

CS1=1； //片選無效

}

變頻器選用BLD-750直流無刷電機驅(qū)動器，其適用于功率為750W以下，電壓為48VDC的三相正弦波直流無刷電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可用外部模擬電壓實現(xiàn)調(diào)速控制。具有啟動/停止控制、正反轉(zhuǎn)控制、剎車制動控制功能；具有與輪轂電機霍爾傳感器配合，提供轉(zhuǎn)速脈沖信號輸出功能；具有過流、過壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)、溫度等保護功能；具有高速力矩輸出平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點。

車輪選用8寸無刷輪轂電機，輪胎直徑約200mm，每轉(zhuǎn)變頻器輸出12個脈沖。輪速測量時，利用單片機定時1s，對輸入的脈沖信號進行累計，得到頻率值F，則輪速為：

N=■×60（RPM） （式1）

直行時車速約為：

V=■（km/h） （式2）

2.2油門控制

四驅(qū)電動汽車油門控制模塊由電子式油門踏板、A/D轉(zhuǎn)換器和控制計算機組成。

電子式油門踏板中，踏板位置傳感器外接5V電源，以分壓電路原理工作。電子油門踏板通過轉(zhuǎn)軸與傳感器內(nèi)部的滑動變阻器的電刷連接，踏板位置改變時，電刷與接地端的電壓隨之發(fā)生線性改變，即傳感器輸出電壓對應改變。

A/D轉(zhuǎn)換器選用DAC0809，對輸入的油門位置直流電壓信號進行數(shù)字化，得到輪速給定值的一個參數(shù)。

2.3轉(zhuǎn)向控制

四驅(qū)電動汽車轉(zhuǎn)向控制模塊由方向盤角位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制計算機組成。角位移傳感器也是利用內(nèi)部滑動變阻器，采用分壓原理工作，輸出對應轉(zhuǎn)角關系的直流輸出電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后，得到輪速給定值的另一個參數(shù)。

輪速給定值：

D=32×k■×k■ （式3）

2.4輔助控制

輔助控制主要是實現(xiàn)汽車的啟動/停止、前進/后退、剎車制動功能。BLD-750直流無刷電機驅(qū)動器有三個對應的控制輸入，設計時，設置了“啟動/停止”、“前進/后退”、“剎車”三個按鍵，汽車控制主機循環(huán)做鍵掃描，產(chǎn)生對應的控制信號給驅(qū)動器，控制汽車的運行方式。

2.5車速儀表

車速儀表采用液晶顯示，汽車控制主機對輪速模塊反饋回來的輪速信息進行處理后，計算得到四個車輪的轉(zhuǎn)速和汽車的車速，送給液晶顯示出來。另外，為配合實驗需要，對每個車輪驅(qū)動環(huán)節(jié)還裝設了電流表，反映驅(qū)動電流與車輪轉(zhuǎn)速的關系。

3.結(jié)語

四驅(qū)電動汽車實驗平臺現(xiàn)開設有“電動汽車的同步運動”和“電動汽車的差速運動”兩個實驗項目，實現(xiàn)四驅(qū)汽車在直行和轉(zhuǎn)彎行駛時的特性分析。四驅(qū)電動汽車實驗平臺在設計時，主控計算機采用的是常用的MCS51單片機，相關控制器件也是常用的，這樣更有利于這一平臺對學生的開放性，實現(xiàn)創(chuàng)新性實驗和設計，如汽車加速運行的特性實驗、汽車原地轉(zhuǎn)向的設計等。

參考文獻：

[1]李全利.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]王博，羅禹貢，等.基于控制分配的四輪獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動力分配算法[J].汽車工程，2010，32（2）：128-132.

[3]余卓平，姜煒，張立軍.四輪輪轂電機驅(qū)動電動汽車扭矩分配控制[J].同濟大學學報（自然科學版），2008，36（8）：1115-1119.

[4]鄒廣才，羅禹貢，李克強.四輪獨立電驅(qū)動車輛全輪縱向力優(yōu)化分配方法[J].清華大學學報（自然科學版），2009，49（5）：719-722，727.