輕型電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制

黃清鋒

研制了一種運(yùn)用于輕型電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括控制單元及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊兩大部分。相較于傳統(tǒng)式電動(dòng)汽車(chē)，本設(shè)計(jì)將驅(qū)動(dòng)電路、無(wú)刷直流電機(jī)及電動(dòng)車(chē)輪子整合成一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，而無(wú)需傳動(dòng)系統(tǒng)。控制單元是以數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）為控制基礎(chǔ)，并通過(guò)控制局域網(wǎng)絡(luò)總線（Controller Area Network Bus，CAN Bus）接收檢測(cè)信號(hào)及傳送指令驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，每一模塊可根據(jù)不同駕駛模式獨(dú)立運(yùn)作。通過(guò)軟件的設(shè)定，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可搭配在不同形式的電動(dòng)汽車(chē)上，不需要更改電路設(shè)計(jì)。

隨著能源問(wèn)題和環(huán)境惡化的日益嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)一種新型的無(wú)油耗、無(wú)大氣污染、無(wú)噪音的交通工具正被世界交通業(yè)認(rèn)為是大勢(shì)所趨。輕型電動(dòng)汽車(chē)是一種由電力驅(qū)動(dòng)的、無(wú)污染的、節(jié)能的、新型的交通工具，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是解決燃油汽車(chē)所帶來(lái)的大氣環(huán)境惡化和能源消耗問(wèn)題的最有希望的方案之一。

現(xiàn)今，在輕型電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)的眾多技術(shù)中，輪轂驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車(chē)作為一種新型的電動(dòng)汽車(chē)的選型方向，受到業(yè)界的高度關(guān)注，相對(duì)國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究來(lái)說(shuō)，目前尚處于剛剛起步階段，但是由于輪式驅(qū)動(dòng)特有的優(yōu)點(diǎn)，令其具有廣闊的應(yīng)用前景。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是車(chē)輛行駛的核心，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制響應(yīng)速度快、精度高，特別是對(duì)于輪式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩可以獨(dú)立控制，這樣可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的行駛功能，其控制裝置凸現(xiàn)低成本、高性能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文以此為切入點(diǎn)，進(jìn)行了輕型電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制。

輕型電動(dòng)車(chē)架構(gòu)與控制策略

輕型電動(dòng)車(chē)基本架構(gòu)的確定

圖1 為傳統(tǒng)式電動(dòng)汽車(chē)的整體架構(gòu)，由圖中可看出整個(gè)電動(dòng)車(chē)構(gòu)造復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳至驅(qū)動(dòng)輪，系統(tǒng)架構(gòu)不但笨重且能量流失嚴(yán)重，同時(shí)使用制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)減速或剎車(chē)，能量無(wú)法回收利用。

圖2 為本次設(shè)計(jì)所提出的輕型電動(dòng)汽車(chē)的整體架構(gòu)，相較于傳統(tǒng)式電動(dòng)汽車(chē)，其架構(gòu)已大幅簡(jiǎn)化，將驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)輪全部整合成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，直接接受控制單元的控制。電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)控制電路根據(jù)駕駛模式控制無(wú)刷直流電機(jī)操作于不同象限，可以命令電動(dòng)車(chē)前進(jìn)或后退。當(dāng)需要減速或剎車(chē)時(shí)，無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將電動(dòng)車(chē)的動(dòng)能經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換成電能回充于電池。

輪圈式無(wú)刷直流電機(jī)

圖1 傳統(tǒng)式電動(dòng)車(chē)整體架構(gòu)

圖2 輕型電動(dòng)車(chē)整體架構(gòu)

電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的心臟，是電動(dòng)汽車(chē)研究需解決的首要問(wèn)題。針對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)常用的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了比較，得出直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是比較適合于電動(dòng)車(chē)的。它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無(wú)勵(lì)磁損耗。本系統(tǒng)所使用的無(wú)刷直流電機(jī)為輪圈式電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)模塊可將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力直接輸出，不必通過(guò)中間的齒輪、鏈條或皮帶的傳輸，因此有較高的傳動(dòng)效率。圖3 為輪圈式電機(jī)結(jié)構(gòu)，可以看出外轉(zhuǎn)子式電機(jī)構(gòu)造，永磁式磁鐵鑲嵌于轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)，固定在外殼上以轉(zhuǎn)軸為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)。定子部分包括硅鋼片及定子電樞繞組，固定于無(wú)刷直流電機(jī)骨架上，整個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間只有通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的軸承連接，可以將無(wú)刷直流電機(jī)整體機(jī)械損耗降至最低。

圖3 輪圈式電機(jī)結(jié)構(gòu)

輕型電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略

輕型電動(dòng)車(chē)的駕駛模式

電動(dòng)汽車(chē)駕駛模式如圖4 所示，包括從靜止?fàn)顟B(tài)起步加速，固定轉(zhuǎn)速定速行駛及最后階段的減速或剎車(chē)等模式，且電動(dòng)車(chē)行進(jìn)方向可為前進(jìn)或后退。電動(dòng)汽車(chē)的駕駛模式除了直線前進(jìn)外，也包括轉(zhuǎn)向，如圖5 所示。由于電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)各車(chē)輪所走的距離不同，轉(zhuǎn)速各不相同。若無(wú)差速器吸收內(nèi)外側(cè)輪間的轉(zhuǎn)速差，則內(nèi)側(cè)輪與地面產(chǎn)生的阻力會(huì)讓電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的行進(jìn)軌跡難以有效掌握，所以差速器是車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的必要裝置。本設(shè)計(jì)借由控制電路輸出不同速度的命令給電動(dòng)車(chē)左右兩邊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組，所形成的轉(zhuǎn)速差，便具有差速器的效果，不必再依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)。

輕型電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)電壓控制策略

文獻(xiàn)指出，轉(zhuǎn)矩控制策略、功率控制策略及轉(zhuǎn)速控制策略下，駕駛感覺(jué)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相異，不適合輕型電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，故本文采用電壓控制策略。通常采用線性電流調(diào)節(jié)系數(shù)的電流負(fù)反饋控制系統(tǒng)和調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)都屬于電壓控制策略。

輕型電動(dòng)汽車(chē)直行控制策略

輕型電動(dòng)車(chē)由兩個(gè)輪圈式電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，因取消了機(jī)械差速系統(tǒng)，再加上驅(qū)動(dòng)模組內(nèi)部參數(shù)和外部路況等因素，即使兩驅(qū)動(dòng)模組的輸入信號(hào)一致，也不可能絕對(duì)保證左右電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，繼而影響電動(dòng)汽車(chē)直行時(shí)的穩(wěn)定性。保證電動(dòng)汽車(chē)能夠正常直行的核心是要盡可能地減小直行時(shí)的跑偏量，如圖6 所示，我們引入一個(gè)補(bǔ)償減小兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差，補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程是將左電機(jī)的速度與右電機(jī)的速度比較，將其差值回饋到右電機(jī)的速度給定環(huán)節(jié)，從而減小左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差。

圖4 電動(dòng)汽車(chē)駕駛模式

圖5 電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向

圖6 輕型電動(dòng)車(chē)直行控制策略

輕型電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎控制策略

輕型電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的簡(jiǎn)化模型如圖7 所示，我們分析驅(qū)動(dòng)輪3 和4 的速度可知，v3和 v4是關(guān)于車(chē)速v 和轉(zhuǎn)向角θ 的變量，改變 v3和 v4，電動(dòng)車(chē)的行進(jìn)方向會(huì)往轉(zhuǎn)速較慢的那邊轉(zhuǎn)向。但由于此方式存在一定的安全隱患，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的要求較高，所以需要對(duì)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角進(jìn)行限制。本系統(tǒng)中將轉(zhuǎn)角限制在45°，轉(zhuǎn)角信號(hào)超過(guò)45°仍然按照45°計(jì)算。

輕型電動(dòng)車(chē)調(diào)速控制策略

圖7 輕型電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎簡(jiǎn)化模型

圖8 輕型電動(dòng)車(chē)雙閉環(huán)調(diào)速控制策略

圖9 輕型電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件總體框圖

在工業(yè)控制領(lǐng)域中直流無(wú)刷電機(jī)得到廣泛應(yīng)用，先進(jìn)的調(diào)速控制策略也得到廣泛采用，如PID 控制、模糊控制、自適應(yīng)PID 控制等。由于輕型電動(dòng)汽車(chē)對(duì)調(diào)速特性的要求并不是很高，故本系統(tǒng)采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，它能完全利用無(wú)刷直流電機(jī)的過(guò)載能力，在啟動(dòng)過(guò)程中保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，等轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載平衡，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。輕型電動(dòng)汽車(chē)雙閉環(huán)調(diào)速控制策略如圖8所示。

通過(guò)檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的變化，我們可以估算出無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，其目的就是為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)計(jì)算出電流環(huán)的指令值。同時(shí)通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)可以確定定子繞組的導(dǎo)通順序，從而根據(jù)電樞繞組的電流確定定子繞組導(dǎo)通所需的電壓平均值，即PWM 的占空比。電流環(huán)的作用就是為確定并更新電壓平均值即PWM 的占空比。

輕型電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)

輕型電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖9 所示，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由功率主電路即換流器、驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、電流檢測(cè)電路、保護(hù)電路、開(kāi)關(guān)輸入電路、腳踏板輸入電路、CAN 通信電路、電源模塊等組成。其中，保護(hù)電路包括欠壓、過(guò)壓以及過(guò)流保護(hù)等；開(kāi)關(guān)輸入電路包括鑰匙，前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向等信號(hào)輸入；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，為電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確換相以及速度檢測(cè)提供依據(jù)。

系統(tǒng)的控制單元以DSP TMS320LF2407A 作為控制核心，其特點(diǎn)是利用DSP 強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)模擬電路所無(wú)法完成的控制流程，并充分利用DSP 內(nèi)建功能如模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、PWM 產(chǎn)生器、通訊接口等，降低系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度。

圖10 系統(tǒng)程序流程圖

控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以CAN 總線作為命令傳送接口?？刂齐娐返姆较蚺c速度控制器信號(hào)經(jīng)由CAN 總線傳送給遠(yuǎn)端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制電池與直流無(wú)刷電機(jī)間的功率流向，速度與電流信號(hào)亦經(jīng)由 CAN 總線傳回給控制電路。

軟件設(shè)計(jì)

輕型電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能否正常工作，只有硬件系統(tǒng)是不夠的，還必須軟件的配合才能正常工作。硬件電路滿足了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本要求，且提供了硬件保護(hù)，軟件則使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)獲得優(yōu)異的調(diào)速性能，并且提供了軟件保護(hù)。

系統(tǒng)程序流程如圖10所示，（a）為系統(tǒng)主程序流程，（b）為轉(zhuǎn)子位置捕捉中斷程序流程，（c）為A/D 中斷程序流程。系統(tǒng)上電時(shí)，將進(jìn)行初始化，之后對(duì)外部輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，發(fā)現(xiàn)速度信號(hào)或方向信號(hào)后，系統(tǒng)將按設(shè)定的控制策略對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。DSP 在間隔時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入的信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)更新PWM 值，如此循環(huán)。轉(zhuǎn)子位置捕捉中斷服務(wù)子程序的主要作用是根據(jù)I/O 腳中斷信號(hào)捕捉到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行換相與速度計(jì)算。A/D中斷服務(wù)子程序的主要作用是讀取電流轉(zhuǎn)換值，給調(diào)解速度環(huán)和電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)PWM 參數(shù)的更新提供依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)機(jī)測(cè)量，輕型電動(dòng)汽車(chē)可達(dá)到前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎及原地轉(zhuǎn)向等駕駛模式，通過(guò)電流限制功能可控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)于省電模式；輕型電動(dòng)汽車(chē)具有能量回饋功能，通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)不同象限的控制，剎車(chē)時(shí)的動(dòng)能可轉(zhuǎn)為電能回充于電池，測(cè)試得到，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最高可達(dá)80 %。