四驅電動汽車實驗平臺的設計

章彧

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

關鍵詞： 輪轂電機 電動汽車 實驗平臺

四驅電動汽車是將電機與車輪輪轂做成一體，電機直接驅動車輪，省略了傳統汽車動力傳動系統的變速器、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，簡化了整車結構，降低了整車質量，有利于增加電動汽車續駛里程，是未來汽車的發展方向。四驅電動汽車實驗平臺是針對高校汽車專業設計的，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。

1.四驅電動汽車實驗平臺的結構

四驅電動汽車實驗平臺由車體結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。汽車控制應用軟件采用主從式結構，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，發送給四個車輪的從機，從而完成整車的正常控制。

四驅電動汽車實驗平臺的功能結構如圖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、轉向控制、輔助控制及車速儀表等模塊。

圖1 四驅電動汽車實驗平臺功能結構框圖

2.四驅電動汽車實驗平臺的原理

2.1輪速控制

四驅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。輪速控制是四驅電動汽車控制的核心環節，其功能結構框圖如圖2所示，是由輪速控制計算機、D/A轉換器、變頻器和輪轂電動機等環節組成的。

圖2 輪速控制模塊功能結構框圖

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送過來的車輪轉速給定值，送給D/A轉換器，生成直流控制電壓，變頻器根據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速。

在輪轂電動機中，裝設有三相霍爾傳感器，將電動機的轉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，形成頻率與轉速成正比例關系的脈沖信號。輪速控制計算機利用內置的計數器，可測量得到脈沖信號的頻率，從而測到輪速，再經串行方式發送給汽車控制主機。

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轉換器選擇了TLV5618A，它是雙通道12位電壓輸出型DAC器件，轉換時間3-10us，采用SPI三線標準串行接口，轉換所需2.5V基準電壓由REF3225提供，輸出直流電壓：V■=■×5。D/A轉換程序如下：

sbit DIN=P1^3； //數據輸入端

sbit SCLK=P1^4； //時鐘信號

sbit CS1=P1^5； //片選輸入端，低電平有效

// D/A轉換程序，Dignum為給定的數字量

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的控制位和數據

{

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速調節，可用外部模擬電壓實現調速控制。具有啟動/停止控制、正反轉控制、剎車制動控制功能；具有與輪轂電機霍爾傳感器配合，提供轉速脈沖信號輸出功能；具有過流、過壓、欠壓、堵轉、溫度等保護功能；具有高速力矩輸出平穩，轉速穩定的特點。

車輪選用8寸無刷輪轂電機，輪胎直徑約200mm，每轉變頻器輸出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

四驅電動汽車油門控制模塊由電子式油門踏板、A/D轉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軸與傳感器內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生線性改變，即傳感器輸出電壓對應改變。

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

2.3轉向控制

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

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，汽車控制主機循環做鍵掃描，產生對應的控制信號給驅動器，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，對每個車輪驅動環節還裝設了電流表，反映驅動電流與車輪轉速的關系。

3.結語

四驅電動汽車實驗平臺現開設有“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，實現四驅汽車在直行和轉彎行駛時的特性分析。四驅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，實現創新性實驗和設計，如汽車加速運行的特性實驗、汽車原地轉向的設計等。

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