基于單控制器的輪驅(qū)電動汽車驅(qū)動裝置研究

， ，，

（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

電動汽車以電機為動力源，其動力分布主要分為軸驅(qū)和輪驅(qū)兩大類。輪轂電機驅(qū)動裝置是電動汽車先進的驅(qū)動方式，近年來電動自行車和電動汽車的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更是將輪轂電機技術(shù)提升到了一個嶄新的高度。

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

為了解決輪驅(qū)電動汽車2個電動輪的協(xié)調(diào)控制，采用英飛凌XE164-FM單控制器進行控制，該控制器針對無刷直流電機，具有專用的多通道霍耳模式，在控制和實現(xiàn)方面具有很大的優(yōu)勢，并能同時實現(xiàn)2個電機的驅(qū)動控制，消除了2個控制器之間的CAN通信問題。

2 原理與設(shè)計

2.1 輪驅(qū)電動汽車的結(jié)構(gòu)和原理

輪驅(qū)電動汽車驅(qū)動裝置主要由蓄電池、逆變器（含有控制器）和電動輪（驅(qū)動電機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)電動汽車驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of in-wheel EV drive system

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

圖2給出了總體控制框圖，其工作原理為：當(dāng)駕駛員通過加速踏板發(fā)出一個轉(zhuǎn)矩信號時，位移傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號送給電控單元（electronic control unit，ECU），ECU根據(jù)加速踏板位移傳感器信號和轉(zhuǎn)角位移傳感器信號，來決定2個電機的轉(zhuǎn)矩分配，實時地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩。因此對輪轂電機在電動汽車直線行駛時同步轉(zhuǎn)動和在轉(zhuǎn)向行駛時差速轉(zhuǎn)動的協(xié)調(diào)問題是控制的核心。

圖2 輪驅(qū)電動汽車控制框圖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2個車輪的垂直載荷會發(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［5］對電子差速做了大量的研究，其結(jié)論為：電動汽車轉(zhuǎn)向行駛時轉(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 牽引電機的控制

以無刷直流電機作為牽引電機具有效率高、功率密度大、瞬態(tài)特性好等特點，能夠很好地滿足電動汽車對牽引電機的基本要求［6］。驅(qū)動裝置的控制器硬件功能框圖如圖4所示。控制器采集轉(zhuǎn)向角信號、加速踏板信號、電機電流信號以及霍耳位置傳感器轉(zhuǎn)子位置信號，綜合以上信號獲取駕駛員的操作意圖，實施相應(yīng)的電機控制策略，實現(xiàn)輪驅(qū)電動汽車的前進、后退、加速以及轉(zhuǎn)向行駛。

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

無刷直流電機的控制采用三相6狀態(tài)、兩兩導(dǎo)通工作模式?；舳恢脗鞲衅鲗崟r將3路位置信號送入單片機，經(jīng)過軟件處理得到6路PWM控制信號。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，電機的霍耳信號與相應(yīng)的導(dǎo)通相的關(guān)系［7］如表1所示。

表1 無刷直流電機正/反轉(zhuǎn)信號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。牽引電機的轉(zhuǎn)矩控制是輪驅(qū)電動汽車驅(qū)動裝置的關(guān)鍵，由文獻［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)實現(xiàn)，所以采用電流閉環(huán)方式，對無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行控制。

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

2.4 裝置的硬件電路設(shè)計

硬件電路的設(shè)計主要包括：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、電機電流采集電路、位置信號檢測、驅(qū)動電路及主電路等。其中驅(qū)動電路為該裝置的關(guān)鍵模塊。

驅(qū)動電路如圖5所示，選用Infineon公司6ED003L06-F驅(qū)動芯片，此驅(qū)動芯片工作電壓為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路獨立電源，由于此芯片為低電平有效，設(shè)計中在前級輸入加入SN74HC14反相器，一方面可以增加脈沖信號的驅(qū)動能力，另一方面在軟件編程時實現(xiàn)正邏輯。驅(qū)動電路單獨調(diào)試過程中，首先調(diào)試下橋臂的驅(qū)動脈沖放大功能正常，之后再進行上橋臂測試。

圖5 開關(guān)管驅(qū)動電路Fig.5 The drive circuit of switches

2.5 裝置的軟件程序設(shè)計

控制器的主要任務(wù)是通過對DPR（前進、停車、后退）檔桿信號、加速踏板信號以及轉(zhuǎn)向角信號的采集，來實時地反映駕駛員的操作意圖，對2個無刷直流電機進行轉(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個并行單元，可以同時工作在霍耳模式，這樣可以極大簡化代碼編寫工作，并且可以實時交互兩電機的運行狀態(tài)。采用T13定時器作為PWM波的發(fā)生中斷，周期為50 μs，T12定時器定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，周期為800 μs。通用定時器T2/T3，主要完成前進、后退、停止操作的狀態(tài)檢測，周期為1 ms。

3 實驗

驅(qū)動裝置的兩輪轂電機參數(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。主電路的開關(guān)管選用100 V，10 A的IRFW530A，開關(guān)頻率20 kHz。

圖7為無刷直流電機所采用的半橋調(diào)制的驅(qū)動波形，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)動波形Fig.7 Drive waveforms of half bridge modulation

圖8給出了單個電機給定電流和電機相電流的波形，當(dāng)油門踏板從小到大給定時，電機帶負載啟動，電流剛開始突增，由于電流環(huán)限制了其啟動電流。啟動之后電流趨于穩(wěn)定。圖9為電動汽車轉(zhuǎn)向行駛時，內(nèi)外側(cè)電機電流波形，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，外側(cè)電機的相電流在5 A左右，內(nèi)側(cè)電機在3 A左右，說明外側(cè)電機的輸出力矩大于內(nèi)側(cè)電機，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，實現(xiàn)了差速功能。由于2個電機繞組電感不一致性，導(dǎo)致兩電機相電流的波形不是很一致。

圖9 轉(zhuǎn)向行駛電機電流波形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)電動汽車試驗平臺，采用單控制器實現(xiàn)兩電機的同時控制，解決了兩電機協(xié)調(diào)控制時的數(shù)據(jù)交互問題，消除了CAN通信環(huán)節(jié)。試驗平臺能夠保證輪驅(qū)電動汽車雙電機直線行駛時的同步轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向行駛時的差速轉(zhuǎn)動，證明了方案的可行性和正確性。

［1］肖陽.輪式驅(qū)動電動汽車控制策略的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］王強，王耘，宋小文.基于差動驅(qū)動的電子差速控制方法研究［J］.機電工程，2011，28（6）：698-703.

［3］易圣.電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺設(shè)計［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］Lee Ju-Sang，Ryoo Young-Jae，Lim Young-Cheol，et al.A Neural Network Model of Electric Differential System for Electric Vehicle[J].In Industrial Electronics Society，26th Annual Conference of the IEEE，2006，1：83-88.

［5］葛英輝.輪式驅(qū)動電動車控制系統(tǒng)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

［6］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.

［7］張輝，李金祁，蔡聰朝，等.采用單電阻電流采樣的EPS無刷直流電機的控制［J］.電氣傳動，2011，41（7）：13-16.

［8］廖凌霄.四輪獨立驅(qū)動電動汽車控制策略的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.