CN100526116C - 电动汽车的四轮驱动***及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明电动汽车的四轮驱动***包括轮毂电机、轮毂电机驱动器、传感器网络及测控管理***，该轮毂电机固设在车轮上，且该轮毂电机、轮毂电机驱动器及车轮一一对应，该传感器网络的输出端接测控管理***的输入端，测控管理***的输出端接轮毂电机驱动器的输入端，轮毂电机驱动器的输出端接轮毂电机。测控管理***通过对输入的电动汽车的行驶信息进行分析，可以确定各个轮毂电机所需要的电压，从而实现了对各个车轮转速的单独控制，不仅提高了处理的速度，而且更加便于驾驶者进行正常行驶及转向行驶的操作。

Description

电动汽车的四轮驱动***及驱动方法

【技术领域】

本发明涉及电动汽车领域，尤其是关于一种电动汽车的四轮驱动***及方法。

【背景技术】

传统燃油汽车主要以汽油或柴油为动力，与生俱来的存在有很多问题：如汽车尾气对环境的污染；在车辆密集的停车场、狭小空间等地方，其泊车转向成了相当困难的事情；同时，传统燃油汽车动力传动装置包括：离合器、变速器、传动轴、差速器、半轴，使得其构结构复杂，体积大，占用车辆的有效空间也大，由于这套传动机构结零部件多，摩擦、振动产生的噪音相对较大。一般燃油汽车的马力较大，加速时全车重量就会向后轴移动，会造成重心后移，前轴轻飘。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种便于操控的电动汽车的四轮驱动***及方法。

本发明的目的是这样实现的：该电动汽车的四轮驱动***包括轮毂电机、轮毂电机驱动器、传感器网络及测控管理***，该轮毂电机固设在车轮上，且该轮毂电机、轮毂电机驱动器及车轮一一对应，该传感器网络的输出端接测控管理***的输入端，测控管理***的输出端接轮毂电机驱动器的输入端，轮毂电机驱动器的输出端接轮毂电机。

所述的电动汽车的四轮驱动***还包括步进电机、步进电机驱动器、转向***及方向盘扭矩、转角传感器，该步进电机、步进电机驱动器及车轮一一对应，该方向盘扭矩、转角传感器的输出端与转向***的输入端连接，转向***的输出端与步进电机驱动器的输入端连接，步进电机驱动器的输出端与步进电机连接，步进电机驱动车轮，且该转向***与测控管理***双向连接。

一种电动汽车的四轮驱动方法包括正常行驶模式，该正常模式包括如下步骤：

a)通过传感器网络感采集电动汽车的行驶参数并输出到测控管理***；

b)测控管理***根据该行驶参数重新确定各车轮的行驶参数并将该参数输出到各个轮毂电机驱动器；

c)轮毂电机驱动器根据接收到参数确定其对应轮毂电机的电压，以调整车轮的转速。

所述的四轮驱动方法还包括转向步骤：

d)通过方向盘扭矩、转角感应器感应方向盘的转角和扭矩；

e)将该转角与设定的转向转角进行比较，如大于该设定转角，则轮毂电机驱动器根据转角和扭矩调整内、外侧车轮的转速，使外侧车轮的转速大于内侧车轮的转速。

所述的步骤c)包括如下步骤：

c1)根据接收到的行驶参数确定轮毂电机的目标电流；

c2)根据轮毂电机的当前三相电流确定其实际电流；

c3)把目标电流和实际电流的差值作为电流环的输入，经PI调节输出三相电压，计算出三相电压的占空比后输出PWM波到轮毂电机，以控制车轮的转速。

所述的步骤e)中，如汽车的转角小于设定转角，则转向***不起作用，测控管理***通过轮毂电机驱动器使各个轮毂电机的转速相同。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：测控管理***通过对输入的电动汽车的行驶信息进行分析，可以确定各个轮毂电机所需要的电压，从而实现了对各个车轮转速的单独控制，不仅提高了处理的速度，而且更加便于驾驶者进行正常行驶及转向行驶的操作。

【附图说明】

图1是本发明的电路方框图。

图2是本发明在原地向左打转时车轮的位置示意图。

图3是本发明在原地向右打转时车轮的位置示意图。

图4是本发明的轮毂电机驱动器的硬件结构图。

图5是本发明的轮毂电机驱动器的软件结构图。

图6是本发明正常行驶和原地打转模式切换部分的流程图。

【具体实施方式】

请参阅图1至图6，本发明一种电动汽车的四轮驱动***包括包括轮毂电机12、轮毂电机驱动器13、传感器网络14及测控管理***20，该轮毂电机12固设在车轮15上，且该轮毂电机12、轮毂电机驱动器13及车轮15一一对应，该传感器网络14的输出端接测控管理***20的输入端，测控管理***20的输出端接轮毂电机驱动器13的输入端，轮毂电机驱动器13的输出端接轮毂电机12。该四轮驱动***还可步进电机32、步进电机驱动器31、转向***30及方向盘扭矩、转角传感器，该步进电机32、步进电机驱动器31及车轮15一一对应，该方向盘扭矩、转角传感器的输出端与转向***的输入端连接，转向***的输出端与步进电机驱动器的输入端连接，步进电机驱动器的输出端与步进电机连接，步进电机驱动车轮，且该转向***与测控管理***双向连接。本实施方式中，轮毂电机驱动器13、轮毂电机12及车轮15构成驱动***10；传感器网络14包括电流霍尔传感器、电压霍尔传感器、电机转子位置传感器、油门深度传感器、刹车深度传感器和档位传感器。

本发明的四轮驱动电动汽车可以工作在正常行驶模式和原地打转模式两种方式。当选择正常行驶时，方向盘控制前轮来改变方向。轮毂电机12的控制采用以DSP为核心的电流环控制。本发明涉及的轮毂电机驱动器13控制轮毂电机12的方法包括以下步骤：在进行轮毂电机12的PWM波控制时检测档位信号、保护信号及刹车、油门的深度信号，根据这些数据及相应算法输出Id、Iq给定值，即目标电流；把当前电机的三相电流Ia^*、Ib^*、Ic^*经过park变换和clark变换计算出电机实际电流值Id^*、Iq^*，把目标电流与实际电流的差值作为电流环的输入，经PI调节输出三相电压值Va，Vb，Vc；同时检测电动机转子位置测定转子转角θ，用于Park变换；最后转化为占空比输出，控制了PWM波波形；通过踩油门调整轮毂电机转速从而达到控制汽车车速，可以达到无极变速，没有变速档位。采用电流环对三相正弦波电流控制，通过控制电流从而控制扭矩，合理调整一些参数，可以获得更好的控制性能，具有平稳性好、调速性能优、动态响应快等优点。

轮毂电机12嵌套在车轮15中，与车轮15同步旋转。四台轮毂电机12分别由四台轮毂电机驱动器13控制，由轮毂电机驱动器13采用旋转变压器检测轮毂电机转子的位置信息、由电流霍尔和电压霍尔检测到的相电流和母线电压信息、由油门深度传感器检测到的油门增益、由刹车深度传感器检测到的刹车深度信息及由档位传感器检测到的档位信息输入到中央处理器，该中央处理器根据上述信息综合计算和判断后，重新以不同的参量分配给四台轮毂电机驱动器13，分别由四台电机驱动电机根据上面所述的控制方法构成四个电流环闭环控制***。

在控制过程中对PI调节器的积分器进行限幅以达到防止超调的目的，同时在保证***响应快速性的前提下对PI调节频率进行了限制，以免PI调节器调节过快产生超调。

同时，本发明的轮毂电机驱动器的控制方法还可采用如下的多种辅助技术方案，以提高控制可靠性；

相移补偿方案：由于电流霍尔采集的三相电流信号在进入DSP之前要经过滤波放大电路的处理，以滤除高次谐波，但同时这样也对电流信号造成了延时，从而产生了相移，使得DSP检测到的不是当前电流。相移补偿的作用就是把模拟电路处理中造成的相移用软件的方法补偿起来，具体补偿方法为：补偿角＝(当前角速度)/1100*102°＝102°*((当前角速度)/1100)＝102°*角速度标幺值。其中102°是用信号发生器测出来的角速度在110rad/s时，模拟电路造成的信号相移参数，而其相移基本上是随着角速度的增加而线性增加的。这样经过补偿的信号就被还原成了与实际电机电流相符的信号。

使用旋转变压器：由于旋转变压器内部没有任何电子元件，只有三组线圈，所以它的抗振性、耐温性、抗腐蚀性、抗灰尘油污、抗干扰性等方面都具有很好的性能，能满足不同环境下的使用要求，具有极高的可靠性。

图4所示为轮毂电机驱动器的硬件结构图，直流电压通过逆变电路转变为交流电压加载到电动机的三相绕组，实现了电动机的驱动；通过电流传感器采集三相交流电信号，通过电压传感器采集直流侧电压信号，经过两级滤波放大后送到信号处理器DSP进行运算，去控制6路PWM波形。电流传感器测量直流电源逆变后的交流相电流，输送给DSP，作为计算转矩的依据。逆变器的各相支路的中点与永磁同步电机(PMSM)的各相绕组的端连接。其中，每个U相绕组、V相绕组和W相绕组的一端与公共中性点连接，也就是星型连接。转子位置传感器测得转角位置θ送给DSP，作为Park变换的依据。其中，经过DSP逆运算校正，去掉坏值。电压传感器测量直流电压。电容与逆变器并联。大容量的电解电容用来储能，滤除直流分量的纹波；而小的吸收电容的作用是，在IPM以很高的频率开断的过程中，吸收高频分量和噪声。

图5所示为轮毂电机驱动器的软件结构图，通过空间矢量变换由三相电流信号Ia、Ib、Ic计算得到Id和Iq，将此Id和Iq作为实际DQ轴电流，通过电机速度由弱磁线得到Id^*，由档位信息以及油门深度得到应该输出的力矩而得到力矩电流Iq^*，由Id^*、Iq^*通过相应电压公式得到Ud、Uq，通过两处Id、Iq的偏差使用PI控制对Ud和Uq进行修正。再由Ud、Uq经坐标变换得到Ua、Ub、Uc，得到Ua、Ub、Uc后就可以计算三相电压的占空比，输出到逆变电路，实现三相电压的输出。

角度去坏值部分测量本次角度测量值与上次测量值之差是否在允许范围内；否则的话，就要根据转速进行调节。速度转换部分是角度转换为角速度。开关量输入和保护信号输入给DSP，决定Id与Iq的估计值；电动机相电流根据θ角进行buck变换，计算Id、Iq的实际值，与给定值比较。比较结果进行PI调节，它与电压转换部分53一起计算Ud、Uq，产生三相电。最后决定驱动波形占空比输出。

汽车的转向是由转向***30完成的。驱动***10在其中起到了转速调整的辅助作用。当汽车方向盘转角不超过设定的转向角度(20度)时，认为电动汽车处于直线行驶。转向***30不起作用，驱动***10也不采取转速调整策略，四个轮毂电机12的转速相同；当方向盘扭矩、转角传感器感应到方向盘转角超过20度时，认为电动车处于转向行驶，轮毂电机驱动器13检测当前车速，以及方向盘的转角和扭矩。测控管理***20立刻发送消息到轮毂电机驱动器13以调整内侧轮和外侧轮的转速，使得外侧轮的转速快于内侧轮。这样四轮驱动电动汽车的转弯半径变小，转速加快。

当选择原地打转模式时，车轮由步进电机32驱动转到与电动车同中心的圆的切点上。在这种过渡状态，轮毂电机驱动器13必须控制各轮毂电机12处于停止状态。只有等车轮偏转到位后，轮毂电机驱动器13才能控制各轮毂电机转动。汽车是原地左转还是原地右转，由方向盘的转动方向来决定。方向盘向左打时，汽车原地左转，如图2所示；方向盘右打时，汽车原地右转，如图3所示。方向盘打得角度越大，电机驱动器驱动电机旋转越快。为了实现原地打转半径最小化，让四个车轮与车辆的中心为圆心的圆相切是最好的，实际控制中只做到了近似相切，此时，四轮按顺时针或逆时针旋转就可以实现向左或向右原地打转，但对电机驱动控制而言，内外两侧车轮的从端盖来观察旋转方向又是恰恰相反，如图2、3中箭头所示，这时车身两侧轮毂电机驱动器13给出的力矩必须是大小相等、方向相反，且四轮转速基本相同。在转到需要位置时，可以踩刹车停止。

本发明采用两种转向模式：正常行驶模式和原地打转模式。软件流程图如图6所示。正常行驶模式下，与现有线传转向技术相比安全性、可靠性大为提高，驾驶的稳定性、平顺性以及驾驶员操纵的路感也有较大的改善。而在原地打转模式下，汽车可以绕自身中点旋转，转向直径缩小到极限值，可使汽车迅速地在狭窄路面转向或在拥挤的停车场中进出自如。

Claims (5)

1、一种电动汽车的四轮驱动方法，它包括正常行驶模式，该正常模式包括如下步骤：

a)通过传感器网络感采集电动汽车的行驶参数并输出到测控管理***；

b)测控管理***根据该行驶参数重新确定各车轮的行驶参数并将该参数输出到各个轮毂电机驱动器；

c)轮毂电机驱动器根据接收到参数确定其对应轮毂电机的电压，以调整车轮的转速；

其特征在于：

还包括转向步骤：

d)通过方向盘扭矩、转角感应器感应方向盘的转角和扭矩；

e)将该转角与设定的转向转角进行比较，如大于该设定转角，则轮毂电机驱动器根据转角和扭矩调整内、外侧车轮的转速，使外侧车轮的转速大于内侧车轮的转速。

2、如权利要求1所述的电动汽车的四轮驱动方法，其特征在于：所述的步骤c)包括如下步骤：

c1)根据接收到的行驶参数确定轮毂电机的目标电流；

c2)根据轮毂电机的当前三相电流确定其实际电流；

c3)把目标电流和实际电流的差值作为电流环的输入，经PI调节输出三相电压，计算出三相电压的占空比后输出PWM波到轮毂电机，以控制车轮的转速。

3、如权利要求1所述的电动汽车的四轮驱动方法，其特征在于：所述的步骤e)中，如汽车的转角小于设定转角，则转向***不起作用，测控管理***通过轮毂电机驱动器使各个轮毂电机的转速相同。

4、一种采用如权利要求1所述驱动方法的电动汽车四轮驱动***，其特征在于：包括轮毂电机、轮毂电机驱动器、传感器网络及测控管理***，该轮毂电机固设在车轮上，且该轮毂电机、轮毂电机驱动器及车轮一一对应，该传感器网络的输出端接测控管理***的输入端，测控管理***的输出端接轮毂电机驱动器的输入端，轮毂电机驱动器的输出端接轮毂电机。

5、如权利要求4所述的电动汽车的四轮驱动***，其特征在于：还包括步进电机、步进电机驱动器、转向***及方向盘扭矩、转角传感器，该步进电机、步进电机驱动器及车轮一一对应，该方向盘扭矩、转角传感器的输出端与转向***的输入端连接，转向***的输出端与步进电机驱动器的输入端连接，步进电机驱动器的输出端与步进电机连接，步进电机驱动车轮，且该转向***与测控管理***双向连接。

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