轮毂电机驱动车辆的差速控制模型研究(简化版)

轮毂电机驱动车辆的差速控制模型研究一、电子差速原理介绍传统意思上的电子差速的基础是线控转向系统，主要指基于四轮线控转向技术的电子差速功能。

电子差速是一种全新概念的汽车电子转向系统。

它取消了差速器等机械结构，只是接收转向控制指令，使用电子线路控制转向时内外车轮之间的速度差，实现转向。

电子差速控制系统，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。

(1)动力控制的硬件连接改为软连接形式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车转向所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、机械差速器等部件，既方便了操作又使底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加。

(2)可以自由设计汽车转向的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间。

(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和能量回馈制动，节约能源。

本文主要研究的是前轮仍采用传统转向结构，而后轮采用轮毂电机驱动的情况，主要目的是实现后轮的电子差速功能，以配合驾驶员通过转向系统输入的转向信号，实现转向功能，避免后轮轮胎过渡磨损，保证整车的操控性能。

因为仅在后轮使用轮毂电机，其控制方法与四轮都采用轮毂电机会有所不同，最显著特点是四轮轮毂电机可以直接通过线控转向系统中的转角信号计算出理论上需要的差速量，并通过对四轮的转速控制实现，但是仅在后轮使用轮毂电机，转向信号从方向盘输入，很难直接通过方向盘信号计算出准确的后轮需要的差速量，需要全新的控制策略。

这就是本文所主要研究的内容。

二、电动机原理及数学模型1、轮毂电机驱动系统的特点轮毂电机驱动系统作为一种新兴的电机驱动方式，其布置非常灵活，可以根据车辆驱动方式分别布置在电动汽车的两前轮、两后轮或四个车轮的轮毂中。

与内燃机汽车和其他驱动型式的电动汽车相比，轮毂电机驱动式电动汽车在动力源配置、底盘结构等方面有其独特的技术特征和优势，具体体现在以下几方面：①动力控制由硬连接改为软连接型式，通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速控制，省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结构简洁、有效利用空间大、传动效率提高。

②各车轮的驱动力直接独立可控，响应快捷，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越，显著提高了适应恶劣路而的行驶能力。

③容易实现各轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，还能对整车能源的高效利用实施最优化控制和管理，节约能源。

④整车布局和车身造型设计的自由度大大增加，将车架的承载功能和传动功能分离，结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，缩短了新车的丌发周期，降低了开发成本。

⑤在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上，若进一步导入线控四轮转向技术，实现车辆转向行驶高性能化，减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加转向灵便性。

2、轮毂电机的选型2．1电动汽车对电机的基本要求电动汽车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。

目前电动汽车上使用的电动机一般有直流电机、感应电机、开关磁阻电机以及永磁无刷电机等。

电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂，因此，对驱动系统的要求是很高的。

①电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强(过载系数应为3-4)，加速性能好，使用寿命长的特点。

②电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。

在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足启动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。

③电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。

④电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。

另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，结构简单适宜大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。

2．2电动机的种类目前应用较广的电动机主要有直流电动机和交流电动机两种，其基本原理如下：下图是直流电机的基本原理图。

图1 直流电机原理图如图所示，直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。

由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。

电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。

电枢绕组每转动一圈，通过换向片电流方向改变一次，保证电枢绕组始终朝一个方向转动。

交流电动机工作时，在定子中介入交流电，因为交流电本身的特性，会产生旋转的磁场，旋转的磁场在转子线圈中产生感应电流，感应电流受到电子力的作用带动转子转动。

下图表示电机通三项电时在几个关键点的磁场方向，从图中可以看出，交流电机中的磁场随着时间不停转动，这正是交流电机转动的根源。

图2 交流电机的接法图3 交流电机各相位点磁场的方向目前主要的电动机有有刷直流电机、交流感应电机及无刷直流电机三种，其特点如下：①直流电机有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟，具有交流电机不可比拟的优良控制特性。

在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷、换向器，另外，由于转子上存在损耗，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。

②交流感应电动机交流感应电动机是应用得最广泛的电动机，其定子和转子采用硅钢片叠压而成，在转子和定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经久耐用。

交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r／min，可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并能够实现洱，上反馈制动，与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。

因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导体器件，将直流电变为频率和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控制。

主要有v／f控制法、转差频率控制法和矢量控制法，对交流三相感应电动机的励磁绕组、交流电的频率和输入交流三相感应电动机的端电压进行谐调控制，控制交流三相感应电动机旋转磁场的磁通量和转矩，从而改变电机转速和输出转矩，来满足负载变化的要求，并能够获得最高效率，这样就使得交流三相感应电动机在电动汽车上得到广泛应用。

但是它也存在很多不容忽视的缺点，首先其耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时，需要保证对电机的冷却，否则会损坏电动机；另外交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。

交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于电机本身，大大增加了电动汽车的成本，最后其调速性也较差。

③永磁无刷直流电机永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。

它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。

加之它采用永磁体转子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。

此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以每分钟运行几十万转。

与其它电动机系统相比它具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。

典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型法来完成。

为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。

弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势束削弱定子绕组中的磁链。

永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得其功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。

永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。

永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。

④开关磁阻电机开关磁阻电动机驱动系统，其电动机结构比感应电动机更为简单可靠，且效率较高，特别是转子无绕组，适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件。

驱动功率电路采用的功率开关元件较少，电路较简单。

功率元件与电动机绕组相串联，不易发生直通短路。

能实现较宽的调速范围，低速大转矩和制动能量回馈等特性，因此该驱动系统特别适合电动汽车。

当然，该驱动系统不足之处在于振动较大，噪声亦较大。

目前应用较为成熟的是交流感应电动机。

三、电动机数学模型及控制策略介绍虽然不同电机的特性有较大差别，但是在考虑其在一定范围内，都可以按下述数学模型简化：U d0=RI d+L dI ddt+EE=C e nT e−T L=GD2375∙dn dtT e=C m∙I d式中：T L—包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为N.mGD2—电动机拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为N.m2C m=C e∙30π—电动机的转矩电流U d0—电动机输入电压R—电动机自身的电阻机传输电阻L—电动机本身的电感系数I d—电路电流说明：直流电机可以看成是一个单输入-单输出系统，输入变量为电枢电压，输出变量为转速。

交流电机则可以看成是双输入双输出系统，输入变量是电压向量和定子输入角频率，输出量是磁链向量和转子角速度。

电流向量可以看作状态变量，与磁链向量存在数学关系，可简单描述为LiΨ 。

但是无论直流电机与交流电机，在简化为单输入单输出模型的条件下都满足上述简化模型中的数学关系。

对数学模型的关注变量不同，即形成了以下几种电动机的基本控制策略：电压控制策略通常所称的调压调速特性，即属电压控制策略。

此外，采用线性的电流调节系数的电流负反馈控制系统，也属于电压控制范畴。

永磁无刷直流电机系统在PWM 调压驱动下的机械特性为：T=K t ρU−K eωR0式中：R0一绕组相电阻：K t一转矩系数；K e一电动势系数；ω一电动机转速；ρ一单极性PWM控制时的占空比(设定与踏板踏位成线性关系)；U一电源电压。

电机电磁转矩为T m=C T∙ϕ∙I a,C T=p∙N2a⁄式中：C T一电机转矩常数；p一电机极对数；N2a⁄一电机绕组总导体数；ϕ一每极绕组磁通量；I a一绕组电流。

如果采用线性调节系数的电流负反馈控制，控制框图如下图所示：其输出特性为T=K t∙K t∙V in−K e∙ωR f其中R f=R0+K f∙K i, V in为与控制踏板对应的电压控制指令。