四轮独立驱动电动车的ABS控制方法
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11S chool of A eronau tics, N orthw estern Polytechnica l U niversity; 21S chool of M echa tron ics, N orthw estern Polytechn ical U n iversity, X iπan 710072
在轮毂电机双极性驱动状态下 , PWM 占空比为 50%时电机转速为 0,因此实现电机的正反转只须 调整占空比的值就可达到 ;而单极性驱动时 ,电机的 正反转实现需要通过改变位置信号与绕组的导通顺 序来完成 。相对双极性驱动方法 ,单极性增加了电 机正反转切换时的复杂度 。但单极性驱动的功率损 耗小 、驱动力大 ,可以迅速带动电动车运行 。因此 , 本文的电动车采用前轮双极性 、后轮单极性的驱动 方式 ,这种设计既考虑了驾驶舒适性和制动稳定性 , 又可以保证能量的再生制动和制动时电机操作的方
Keywords: Electr ic veh icle; Four2wheel m otor dr ive; ABS; Con trol stra tegy
前言
由于能源危机与环境污染等问题 ,电动车得到 了越来越广泛的研究与发展 [ 1 - 2 ] 。目前大部分电动 车是后轮或前轮驱动方式 ;基于能量传递效率和车 体空间限制等考虑 ,近年来无刷直流轮毂电机四轮 独立驱动式电动车已经成为研究热点 [ 2 - 7 ] 。轮毂驱 动电机彻底改变了汽车传统的驱动方式 ,电动机安 装在车轮的轮毂内 ,电机的转子为外转子 ,输出转矩 直接传输到车轮 ,舍弃了传统的离合器 、减速器 、驱 动桥 、差速器等机械部件 ,使整车质量减轻 ,降低了 机械传动损耗 ,并具有灵活的行驶特性 [ 3 - 8 ] 。
随着汽车行驶速度的提高 ,以及道路行车密度
的增大 ,对于汽车行驶安全性能的要求越来越高 。 汽车制动防抱系统 (ABS)就是在这种要求下产生和 发展的 [ 9 ] 。目前 , AB S系统已经成为汽车向电子化 发展的一个重要方面 [ 9 - 11 ] 。现有的电动车 AB S系 统往往沿用了传统汽车 AB S系统的设计 [ 12 ] ,这样既 增加了液压 、传动等机械结构 ,又降低了电动车特有 的操控性能 。为了提高电动车的操作安全性和控制 稳定性 ,作者提出了一种四轮独立驱动电动车的纯 电动 ABS控制方法 。
2007 (Vol. 29) No. 12
周勇 ,等 :四轮独立驱动电动车的 ABS控制方法
·1 047·
件 (CPLD )的四通道电动车控制器 ,它主要包括 :控 制电路 、驱动电 路和 功率 变换 电路 。控 制器 采用 P IC18F6621及两款 A ltera公司的 CPLD 共同组合成 CPU ,两款 CPLD 分别为 EPM7064SLC44 - 10 (以下 简 称 为 7064 ) 和 EPM7128STC100 (以 下 简 称 为 7128) 。
[摘要 ] 为实现四轮独立驱动电动车制动防抱系统 (ABS)控制 ,提出了基于 4台无刷直流轮毂电机的控制方 案 ,通过对电机驱动理论及传统 ABS系统进行分析 ,设计了基于单片机 ( P IC)和复杂可编程逻辑器件 ( CPLD )的电 动车控制器 。采用四轮独立驱动方式 ,提出了开 、闭环控制策略 ,给出了电动车参考车速和实际车速的计算方法 ,进 行了纯电动 ABS控制方法研究 。对配有 4台 700W 轮毂电机的电动样车进行仿真和实验的结果表明 ,电动车控制 器设计合理 ,系统具有良好的动态性能 ; ABS系统控制策略正确 ,能够满足四轮独立驱动电动车的制动要求 。
[ Abstract] For realizing the anti2lock braking system (AB S) in an electric vehicle ( EV ) w ith in2wheel mo2 tor drive, a control schem e for four in2wheel brushless DC motors is p roposed and an EV controller based on P IC & CPLD is designed. Giving the calculation method of the reference speed and actual speed of the EV , a pure electric control strategy for ABS is studied. Both sim ulation and test on a p rototype EV w ith four 700W in2wheel motors are carried out. The results validate the rationality of the controller, and show that the system has favorable dynam ic perform ance w ith a correct control strategy for ABS, meeting the braking requirements of four2wheel motor drive EV.
311 四轮独立驱动电动车制动过程 文中电动车的制动过程根据制动踏板连接的位
移传感器的信号变化范围分为 2 个阶段 :轻度制动 和中重度制动 。经过多次实验 ,得到的相关数据及 所对应的控制量见表 1。
表 1 制动阶段划分表
制动阶段
制动踏板位移 位移传感器对 传感器信号 应的数字量
前轮 PWM
后轮 PWM
轻度制动 0173～1146V 150～300
512
70
中重度制动 1146～3140V 301～700 512～70
70
图 4 电动车速度闭环控制示意图
(1) 控制器在得到加速 /制动踏板信号后 ,产生 相应的 PWM ,轮毂电机运行 。
(2) 电机转子位置传感器输出信号 ,构成速度 反馈 ,控制器通过中断及相关算法将此信号转化为 与实际车速单位一致的速度 (m / s) 。
P IC18F6621 完成 , 其程 序 主 函
环控制流程图
数流程图如图 3所示 。
在主函数中定义了 5
个状态量 :停止 、前进 、报
警 、后退和制动 。
系统上电后首先进
行自检 , 有故 障 将 报 警 ;
若系统正常 ,主函数进行
初始化 ,包括调用 PWM、
定义寄存器等 ,然后开始
A /D 转 换 。 18F6621 具
系统上电后 ,驾驶者通过转向盘 、加速踏板 、制 动踏板提供 :起步 、加减速 、转向 、制动 、停车等外部 模拟指令 。指令经过位移传感器转换为模拟电信号 输入控制电路的 CPU ,经过 A /D 转换 、解算后产生 相应的 PWM 信号 , PWM 通过 7128送给 7064, 7064 根据转子位置信号解算每台电机的相序逻辑 ,进而 再根据 7128传递的 PWM 对电机进行转速 、转向的 控制 。同 时 7064 将 电 机 转 速 等 信 息 送 回 7128, 18F6621通过与 7128 的通信将电机实时转速与外 部指令相比较 ,根据外部指令再进行闭环控制 ,最终 达到控制电动车运行的目的 。从图 1中可清晰看出 控制器中 P IC与两款 CPLD 间的关系 。
关键词 :电动车 ;四轮独立驱动 ; ABS;控制方法
A Control Strategy for ABS System of Four 2wheel Motor D rive EV
Zhou Y ong1 , L i Shengjin2 , T ian Ha ibo2 , Fang Zongde2 & Zhou Q ixun2
2007年 (第 29卷 )第 12期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2007 (Vol. 29) No. 12
2007241
四轮独立驱动电动车的 ABS控制方法 3
周 勇 1 ,李声晋 2 ,田海波 2 ,方宗德 2 ,周奇勋 2
(11西北工业大学航空学院 ; 21西北工业大学机电学院 ,西安 7100722)
有 10 位 A /D 转换通道 ,
可将位移传感器输出的 0
～5V 电压指令转换为 0
～210 (1024)的数字指令 ,
该数字指令用以确定
PWM 的占空比 α。随后
进入 电 机 转 速 控 制 调 速
循环 ,在调速循环开始时
电机处于“停止 ”状态 ,系
统如果异常 (如上电顺序
错误 、同时踩踏加速踏板
由于电动车动力源为 4 台轮毂电机 ,车体底盘 无传动轴和差速器等机械连接 ,因此在开环情况下 不能保证左右轮转速一致 ,这会导致车辆“跑偏 ”, 故须进行电动轮速度闭环控制 。其控制示意图如图 4所示 ,控制过程如下 。
便性 ,为四轮独立驱动电动车的“纯电动 ABS控制 方法 ”提供了可能 。
3 四轮独立驱动电动车 ABS控制方法
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·1 048·
汽 车 工 程
2007年 (第 29卷 )第 12期
态 ,此时系统仍在判断加速踏板指令 ,若有指令则返 回加速状态 ,否则轮毂电机将一直减速直至停止并 开始下一次循环 。 PWM 占空比 α改变的速率是由 在 18F6621中设定的计数器而定 ,在本文的控制策 略中 ,计数器每累计 50 次 ,系统进行一次 A /D 转 换 ,α随之增大或减小 。该设计保证了电机不会因 外部的输入变化而突然加速或减速 ,使得电动车的 加减速更加平顺 、稳定 。 212 速度闭环控制
1 四轮独立驱动电动车控制器设计
为了能实现同时控制 4 台无刷直流轮毂电机 , 文中设计了基于单片机 ( P IC)和复杂可编程逻辑器
3 西北工业大学研究生创业种子基金 ( Z200724)资助 。 原稿收到日期为 2006年 10月 24日 ,修改稿收到日期为 2007年 3月 16日 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 1 控制器工作原理图
2 电动车开环 、闭环控制
采用无刷直流电机双极性驱动实现对四轮独立 驱动电动车的速度控制 ,所谓双极性驱动 ,是指在一 个 PWM 周期里 ,作用在电机绕组两端的电压极性 正负交替 。采用双极性驱动 ,可使电机在 4 个象限 上工作 [ 13 ] 。 211 开环控制过程
电动车开环控制流程图如图 2所示 。系统上电 后 ,控制器读取各种模拟信号 ,进而改变 PWM 的占 空比 α,调节 4台轮毂电机的转速 , 实现对电动车运
(3) 电动车转向盘与一位移传感器相连 ,控制 器得到每台电机转速后 ,根据此时转向盘传感器的 输出信号确定车辆是直行或转弯 ,若直行则要求速 度较快的轮毂电机降低速度 ,向转速较慢的电机速 度靠拢 ;若转弯则对车辆进行电子差速 。
速度闭环 控 制 的 目 的 是 保 证 车 辆 在 直 行 情 况 下 ,左前轮和右前轮速度一致 、左后轮和右后轮速度 一致 ,防止电动车发生跑偏现象 。
和制动踏板等 )则报警并
始终处于停止状态 ;如果
正常 ,则检测车Biblioteka Baidu行驶方
向开关信号 :高电平 →前
进 ,低电平 →后退 ; 进而
根据 加 速 踏 板 信 号 的 大
小改变 PWM 的占空比 ,
进行电机调速 ,从而控制
车速 。在 车 辆 行 驶 状 态
下如 果 有 制 动 踏 板 信 号
输入 ,则系统进入制动状 图 3 主函数流程图
动状态 (加速 、减速 、制动 )的控
制 。其形式完全参照传统车辆
的驾驶模式 。加速踏板 :加速 →
位移传感器输出增大 →占空比
α增加 →车速提高 ;减速 →位移 传感器输出减小 →占空比 α减
少 →车速降低 。制动踏板 :制动
→位移传感器输出增大 →占空
比 α迅速减小 →车辆制动 、停
止。
开 环 控 制 实 施 主 要 由 图 2 电动车样车开
在轮毂电机双极性驱动状态下 , PWM 占空比为 50%时电机转速为 0,因此实现电机的正反转只须 调整占空比的值就可达到 ;而单极性驱动时 ,电机的 正反转实现需要通过改变位置信号与绕组的导通顺 序来完成 。相对双极性驱动方法 ,单极性增加了电 机正反转切换时的复杂度 。但单极性驱动的功率损 耗小 、驱动力大 ,可以迅速带动电动车运行 。因此 , 本文的电动车采用前轮双极性 、后轮单极性的驱动 方式 ,这种设计既考虑了驾驶舒适性和制动稳定性 , 又可以保证能量的再生制动和制动时电机操作的方
Keywords: Electr ic veh icle; Four2wheel m otor dr ive; ABS; Con trol stra tegy
前言
由于能源危机与环境污染等问题 ,电动车得到 了越来越广泛的研究与发展 [ 1 - 2 ] 。目前大部分电动 车是后轮或前轮驱动方式 ;基于能量传递效率和车 体空间限制等考虑 ,近年来无刷直流轮毂电机四轮 独立驱动式电动车已经成为研究热点 [ 2 - 7 ] 。轮毂驱 动电机彻底改变了汽车传统的驱动方式 ,电动机安 装在车轮的轮毂内 ,电机的转子为外转子 ,输出转矩 直接传输到车轮 ,舍弃了传统的离合器 、减速器 、驱 动桥 、差速器等机械部件 ,使整车质量减轻 ,降低了 机械传动损耗 ,并具有灵活的行驶特性 [ 3 - 8 ] 。
随着汽车行驶速度的提高 ,以及道路行车密度
的增大 ,对于汽车行驶安全性能的要求越来越高 。 汽车制动防抱系统 (ABS)就是在这种要求下产生和 发展的 [ 9 ] 。目前 , AB S系统已经成为汽车向电子化 发展的一个重要方面 [ 9 - 11 ] 。现有的电动车 AB S系 统往往沿用了传统汽车 AB S系统的设计 [ 12 ] ,这样既 增加了液压 、传动等机械结构 ,又降低了电动车特有 的操控性能 。为了提高电动车的操作安全性和控制 稳定性 ,作者提出了一种四轮独立驱动电动车的纯 电动 ABS控制方法 。
2007 (Vol. 29) No. 12
周勇 ,等 :四轮独立驱动电动车的 ABS控制方法
·1 047·
件 (CPLD )的四通道电动车控制器 ,它主要包括 :控 制电路 、驱动电 路和 功率 变换 电路 。控 制器 采用 P IC18F6621及两款 A ltera公司的 CPLD 共同组合成 CPU ,两款 CPLD 分别为 EPM7064SLC44 - 10 (以下 简 称 为 7064 ) 和 EPM7128STC100 (以 下 简 称 为 7128) 。
[摘要 ] 为实现四轮独立驱动电动车制动防抱系统 (ABS)控制 ,提出了基于 4台无刷直流轮毂电机的控制方 案 ,通过对电机驱动理论及传统 ABS系统进行分析 ,设计了基于单片机 ( P IC)和复杂可编程逻辑器件 ( CPLD )的电 动车控制器 。采用四轮独立驱动方式 ,提出了开 、闭环控制策略 ,给出了电动车参考车速和实际车速的计算方法 ,进 行了纯电动 ABS控制方法研究 。对配有 4台 700W 轮毂电机的电动样车进行仿真和实验的结果表明 ,电动车控制 器设计合理 ,系统具有良好的动态性能 ; ABS系统控制策略正确 ,能够满足四轮独立驱动电动车的制动要求 。
[ Abstract] For realizing the anti2lock braking system (AB S) in an electric vehicle ( EV ) w ith in2wheel mo2 tor drive, a control schem e for four in2wheel brushless DC motors is p roposed and an EV controller based on P IC & CPLD is designed. Giving the calculation method of the reference speed and actual speed of the EV , a pure electric control strategy for ABS is studied. Both sim ulation and test on a p rototype EV w ith four 700W in2wheel motors are carried out. The results validate the rationality of the controller, and show that the system has favorable dynam ic perform ance w ith a correct control strategy for ABS, meeting the braking requirements of four2wheel motor drive EV.
311 四轮独立驱动电动车制动过程 文中电动车的制动过程根据制动踏板连接的位
移传感器的信号变化范围分为 2 个阶段 :轻度制动 和中重度制动 。经过多次实验 ,得到的相关数据及 所对应的控制量见表 1。
表 1 制动阶段划分表
制动阶段
制动踏板位移 位移传感器对 传感器信号 应的数字量
前轮 PWM
后轮 PWM
轻度制动 0173～1146V 150～300
512
70
中重度制动 1146～3140V 301～700 512～70
70
图 4 电动车速度闭环控制示意图
(1) 控制器在得到加速 /制动踏板信号后 ,产生 相应的 PWM ,轮毂电机运行 。
(2) 电机转子位置传感器输出信号 ,构成速度 反馈 ,控制器通过中断及相关算法将此信号转化为 与实际车速单位一致的速度 (m / s) 。
P IC18F6621 完成 , 其程 序 主 函
环控制流程图
数流程图如图 3所示 。
在主函数中定义了 5
个状态量 :停止 、前进 、报
警 、后退和制动 。
系统上电后首先进
行自检 , 有故 障 将 报 警 ;
若系统正常 ,主函数进行
初始化 ,包括调用 PWM、
定义寄存器等 ,然后开始
A /D 转 换 。 18F6621 具
系统上电后 ,驾驶者通过转向盘 、加速踏板 、制 动踏板提供 :起步 、加减速 、转向 、制动 、停车等外部 模拟指令 。指令经过位移传感器转换为模拟电信号 输入控制电路的 CPU ,经过 A /D 转换 、解算后产生 相应的 PWM 信号 , PWM 通过 7128送给 7064, 7064 根据转子位置信号解算每台电机的相序逻辑 ,进而 再根据 7128传递的 PWM 对电机进行转速 、转向的 控制 。同 时 7064 将 电 机 转 速 等 信 息 送 回 7128, 18F6621通过与 7128 的通信将电机实时转速与外 部指令相比较 ,根据外部指令再进行闭环控制 ,最终 达到控制电动车运行的目的 。从图 1中可清晰看出 控制器中 P IC与两款 CPLD 间的关系 。
关键词 :电动车 ;四轮独立驱动 ; ABS;控制方法
A Control Strategy for ABS System of Four 2wheel Motor D rive EV
Zhou Y ong1 , L i Shengjin2 , T ian Ha ibo2 , Fang Zongde2 & Zhou Q ixun2
2007年 (第 29卷 )第 12期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2007 (Vol. 29) No. 12
2007241
四轮独立驱动电动车的 ABS控制方法 3
周 勇 1 ,李声晋 2 ,田海波 2 ,方宗德 2 ,周奇勋 2
(11西北工业大学航空学院 ; 21西北工业大学机电学院 ,西安 7100722)
有 10 位 A /D 转换通道 ,
可将位移传感器输出的 0
～5V 电压指令转换为 0
～210 (1024)的数字指令 ,
该数字指令用以确定
PWM 的占空比 α。随后
进入 电 机 转 速 控 制 调 速
循环 ,在调速循环开始时
电机处于“停止 ”状态 ,系
统如果异常 (如上电顺序
错误 、同时踩踏加速踏板
由于电动车动力源为 4 台轮毂电机 ,车体底盘 无传动轴和差速器等机械连接 ,因此在开环情况下 不能保证左右轮转速一致 ,这会导致车辆“跑偏 ”, 故须进行电动轮速度闭环控制 。其控制示意图如图 4所示 ,控制过程如下 。
便性 ,为四轮独立驱动电动车的“纯电动 ABS控制 方法 ”提供了可能 。
3 四轮独立驱动电动车 ABS控制方法
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·1 048·
汽 车 工 程
2007年 (第 29卷 )第 12期
态 ,此时系统仍在判断加速踏板指令 ,若有指令则返 回加速状态 ,否则轮毂电机将一直减速直至停止并 开始下一次循环 。 PWM 占空比 α改变的速率是由 在 18F6621中设定的计数器而定 ,在本文的控制策 略中 ,计数器每累计 50 次 ,系统进行一次 A /D 转 换 ,α随之增大或减小 。该设计保证了电机不会因 外部的输入变化而突然加速或减速 ,使得电动车的 加减速更加平顺 、稳定 。 212 速度闭环控制
1 四轮独立驱动电动车控制器设计
为了能实现同时控制 4 台无刷直流轮毂电机 , 文中设计了基于单片机 ( P IC)和复杂可编程逻辑器
3 西北工业大学研究生创业种子基金 ( Z200724)资助 。 原稿收到日期为 2006年 10月 24日 ,修改稿收到日期为 2007年 3月 16日 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 1 控制器工作原理图
2 电动车开环 、闭环控制
采用无刷直流电机双极性驱动实现对四轮独立 驱动电动车的速度控制 ,所谓双极性驱动 ,是指在一 个 PWM 周期里 ,作用在电机绕组两端的电压极性 正负交替 。采用双极性驱动 ,可使电机在 4 个象限 上工作 [ 13 ] 。 211 开环控制过程
电动车开环控制流程图如图 2所示 。系统上电 后 ,控制器读取各种模拟信号 ,进而改变 PWM 的占 空比 α,调节 4台轮毂电机的转速 , 实现对电动车运
(3) 电动车转向盘与一位移传感器相连 ,控制 器得到每台电机转速后 ,根据此时转向盘传感器的 输出信号确定车辆是直行或转弯 ,若直行则要求速 度较快的轮毂电机降低速度 ,向转速较慢的电机速 度靠拢 ;若转弯则对车辆进行电子差速 。
速度闭环 控 制 的 目 的 是 保 证 车 辆 在 直 行 情 况 下 ,左前轮和右前轮速度一致 、左后轮和右后轮速度 一致 ,防止电动车发生跑偏现象 。
和制动踏板等 )则报警并
始终处于停止状态 ;如果
正常 ,则检测车Biblioteka Baidu行驶方
向开关信号 :高电平 →前
进 ,低电平 →后退 ; 进而
根据 加 速 踏 板 信 号 的 大
小改变 PWM 的占空比 ,
进行电机调速 ,从而控制
车速 。在 车 辆 行 驶 状 态
下如 果 有 制 动 踏 板 信 号
输入 ,则系统进入制动状 图 3 主函数流程图
动状态 (加速 、减速 、制动 )的控
制 。其形式完全参照传统车辆
的驾驶模式 。加速踏板 :加速 →
位移传感器输出增大 →占空比
α增加 →车速提高 ;减速 →位移 传感器输出减小 →占空比 α减
少 →车速降低 。制动踏板 :制动
→位移传感器输出增大 →占空
比 α迅速减小 →车辆制动 、停
止。
开 环 控 制 实 施 主 要 由 图 2 电动车样车开