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电动汽车驱动控制系统设计与研究--毕业设计.doc
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1、单位代码 0 2 学 号 分 类 号 TH6 密 级 毕业设计说明书电动汽车驱动控制系统设计与研究 院(系)名称 工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 黄河科技学院毕业设计说明书 第 33 页电动汽车驱动控制系统设计与研究摘 要 电动汽车代表一种新型清洁能源汽车,具有无污染,高效清洁,噪声低的特点。而四轮独立驱动电动汽车是电动汽车行业发展的重要方向,其关键技术研究主要包括驱动控制系统、整车控制和稳定性控制。汽车驱动控制技术是制约其发展的至关重要技术,因其理想的控制特性和广阔的应用前景,已经成为研究热点。文章分析了电动汽车的国内外发展现状,对一些驱动控制方案的若干问题
2、做了理论及其实际研究分析,设计出了以数字信号处理器和单片机的作为核心的驱动控制系统。主要有以下几个部分:首先,本文分析了电动汽车的国内外发展现状及四轮独立驱动技术的特点,而且研究了电动车永磁无刷直流电机的选择及控制方法;其次,为了实现良好的动力性能和操控稳定性,设计了四轮独立驱动的驱动控制研究方案;然后,在此研究方案的基础上,进行了基于DSP和单片机的多CPU控制(包括软、硬件设计)的整车驱动控制系统设计;最后,通过基于滑移率的模糊控制最优法,对电动汽车车轮滑移率进行实时有效地精确检测调控,实现对电动汽车驱动系统的操控灵活性及稳定性控制。关键词:四轮独立驱动,电动汽车,模糊控制,控制系统,永磁
3、无刷直流电机The study and design of electric vehicle drive control system AbstractElectric cars on behalf of a new type of clean energy vehicles, has no pollution, high efficiency cleaning, low noise characteristics. The four-wheel independent drive EV is the important direction of the electric car indust
4、ry development, and the key technology research mainly includes the drive control system, the vehicle control system and stability control system. The electric vehicle drive control technology is crucial that limit the development of the technology, because of its ideal control properties and broad
5、application prospects, has become a hot research topic. Four-wheel independent drive electric vehicle are analyzed in this paper the status quo at home and abroad, the four-wheel independent drive electric vehicle control system of DSP and MCU more CPU done related research on several issues, do to
6、drive control system theory and the practical analysis. The following mainly four parts:The passage first analyzes the current situation of the development of electric vehicles at home and abroad and the characteristics of four-wheel independent drive technology, the electric car permanent magnet br
7、ushless DC motor selection, control method and electric vehicle dynamic characteristics of the corresponding research. Secondly,In order to achieve good dynamic performance and control stability, and design a four-wheel independent drive control study plan. and has carried on the simulation and expe
8、rimental validation to the overall system. Then on the basis of the research plan, carries on the multiple CPU control based on DSP , including software and hardware design, the vehicle drive control system design. Finally, by the optimal method of fuzzy control based on slip ratio, the electric car
9、 wheel slip ratio in real-time accurate detection control effectively, realize the control of electric vehicle drive system flexibility and stability control.Key words: four-wheel independent drive, electric cars, fuzzy control, the control system, the permanent magnet brushless DC motor.目录1 绪 论11.1
10、背景及研究意义11.2电动汽车的国内外发展状况11.3电动汽车四轮独立驱动技术特点32 轮毂电机驱动控制研究及车轮动力学研究42.1 轮毂电机驱动控制研究42.1.1 轮毂电机的选择42.1.2 永磁无刷直流电动机的控制方法52.1.3 轮毂式无刷直流电机的数学模型62.2 车轮动力学研究82.2.1 车轮胎坐标系82.2.2 车轮滚动阻力82.2.3 附着系数与滑移率103 驱动系统的方案研究123.1 动力驱动系统的选择123.2 整车控制策略研究123.2.1 传统汽车的控制系统123.2.2 电动汽车整体控制策略133.3 电动汽车驱动电机控制策略研究143.3.1 转速控制策略153
11、.3.2 转矩控制策略153.4滑移率状态控制方法164 四轮独立驱动控制系统的设计184.1 控制系统整体概述184.2 系统硬件的设计194.2.1 控制电路组成194.2.2 检测电路204.2.3 电源转换电路214.3 系统软件设计214.3.1 控制系统软件总体构成214.3.2 部分软件功能的实现225 模糊控制在控制系统中的应用265.1电动汽车动力模型的建立265.2模糊控制器的设计265.3系统仿真276 全文总结29致谢30参考文献31附录331 绪 论1.1背景及研究意义伴随着全球资源匮乏,能源危机的不断加重,环境污染急剧恶化的问题,严重危及到人类自身生存问题,因而人们
12、逐渐意识到节约资源、保护环境的迫切性,各国政府也鼓励新能源的开发与研究,由于传统燃油汽车的污染严重问题,以清洁能源为动力源的电动汽车技术的发展受到了各界人士日益关注。自20世纪起,内燃机汽车随社会科学技术的发展,不仅为世界人们的物质生活带来了极大便利1,而且为人们的精神生活起到了提升作用,但消耗大量化石燃料并产生污染加剧了人类生存环境恶化程度。当今世界人们对化石燃料资源总量日益短缺的能源危机的要求,牵引着汽车行业必须向能耗低、无污染的绿色方向发展2。我国的汽车行业起步较晚,且发展缓慢远远落后于其他先进国家,但近年来石油能源危机的出现,人们对于环保的要求,各国对电动汽车的开发的技术水平却在同一水
13、平线上,相差不大。从环保和能源角度看,未来电动汽车的发展程度关系到许多产业的兴旺发达3,可能成为未来新的经济增长点。在我国,电动汽车更有着特殊的市场环境,电动车是一种较为理想交通工具。如果能抓住契机,大力研究发展电动车,必将有望成为我国支柱产业的新生长点4。本课题通过对电动汽车的核心和基础-四轮独立驱动控制系统,进行研究分析,对于开发电动汽车新技术具有现实意义,对于充分发挥电动汽车控动力性能的优势具有极大指导作用。1.2电动汽车的国内外发展状况电动汽车的发展在历史上曾经被搁置了一段时间,但随着国际能源日益耗尽,各国人民能源危机意识逐渐增强,清洁能源的电动汽车的发展又焕发出了蓬勃生机。在电动汽车
14、逐渐发展的过程中,电动汽车大体可以分为三类,即混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和纯电动汽车5。上世纪90年代,国际各大汽车集团公司持续开发研制出了多种实用型的科技含量较高的电动汽车,绝大部分受到了广大消费者的欢迎,如通用公司的EVI、本田公司的FCX v3,其中丰田公司较早批量生产的电动汽车Prius,在清洁环境、节能等方面创造了多个第一67。美国、日本等资本主义发达的国家,都积极投入到电动汽车的研发进程中,如今已生产出不同类型的电动汽车,方便了广大人民的不同用途,带给人类巨大的便利。美国政府在上世纪八十年代投入1亿多美金,对电动汽车的各种电子控制核心技术进行了大量的探索和研发,并且取得了巨
15、大得成果,到1995年约有l多万辆电动汽车在市场投入正常使用;德国于1972年也大力开展电动汽车的开发试验工作,当年就制造出几百辆电动汽车8;1978年,日本也制定了一系列鼓励发展电动汽车的政策以及许多优惠活动,并且每年向试用区提供试用费,在其国内电动汽车的活动极为浩大。目前电动汽车在全世界己经使用的约4万辆。近年来,随着电子控制技术、信息技术,汽车核心技术等的不断进步,新型电动汽车技术的发展有了坚实可靠的技术基础。许多汽车公司加紧发展电动汽车的先进技术,不断改进控制技术,提高电动汽车的整体控制性能,电动汽车行业正朝产业化方向一步步迈向前进。我国汽车行业虽起步较晚,与西方发达国家尽管有不小的差
16、距,但是我们的民族有着积极进取的心态,有着不甘落后的愿望,也希望学习新技术,高科技,让中华民族屹立于世界之巅,为中国人命造福,为世界人民造福。在电动汽车行业,我国与其他国家却平步青云,处于相差不大的水平线上,我国未来汽车工业的存在风险与机遇并存的状况。近几年来,我国汽车行业发展势头正猛,并且日趋高涨,随着政府关于新能源政策的落实,新能源汽车发展取得了非凡的成果。我国电动汽车的标准体系逐渐正规化,同时建立了电动汽车的数据资源库,其中燃料电池轿车累计运行距离可达四千公里,燃料电池客车可连续运行七八千米;纯电动轿车以及电动客车已通过国家有关试验认证,并且在一些城市正式运营。在2002年的第四届上海国
17、际博览会上,“春晖一号”成功展出并荣获“创新奖”,成为此届国际工博会的一个亮点 10,它向世界展示了我国的科技研发实力与创新能力。 最近,我国又研制出部分有采用铅酸电池为动力源的样车。 1.3电动汽车四轮独立驱动技术特点目前,四轮独立驱动的布局型式有两种:一种是电动机为内转子电机,电机与车轮采用轴式联接;另一种是电动机为外转子电机,电机置于车轮内部成为轮毂电机,车轮一般带有轮边减速器。 四轮独立驱动系统的特点1112如下:第一,传动系统得到进一步减化,整车质量得到减轻。将驱动电机和驱动轮一体化,提高了整体传动效率。第二,采用了不同于燃油汽车的防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和
18、稳定性能更好的动力控制系统。第四,真正实现汽车底盘系统的电子化、主动化。 第三,车轮设有能量制动回收装置,将驱动车轮制动能量回收利用,可大大提高汽车能量利用效率。这对提高电动汽车续驶里程是很重要的。 2 轮毂电机驱动控制研究及车轮动力学研究轮毂电机驱动在电动汽车领域的应用,不仅是市场上较为新颖的驱动方式,还是驱动控制系统中的关键部件,直接关系到车辆的行驶性能,而且对于其他领域的研究也具重要意义。本章介绍了电机的选择,阐述了轮毂电机的工作原理,对其电机驱动控制方法也进行了进一步的研究。2.1轮毂电机驱动控制研究2.1.1 轮毂电机的选择从结构形式上看,四轮独立驱动方式驱动电动机可分为轴伸式和轮毂
19、式两种。伸式电动机采用一些简单的减速机构,电动机半径受到限制,而轮毂式电动机的尺寸主要受到轮胎直径的限制13。目前,常用的电机主要有:直流电动机、开关磁阻电动机、交流同步电动机和永磁无刷电动机。直流电动机控制方法简单,其调速性能较好,但高速运行时磨损严重,维护不方便;开关磁阻电动机特点是结构简单可靠但它的脉动、噪声较大,还有待进一步改善;交流电动机结构简单容易维护,但功率大的调速系统成本较高;无刷直流电动机具有良好调速运行特性,可靠性高、寿命长、免维护的特点,适用于宽调速范围的电力驱动系统,其优良的性能用于电动汽车较为理想。电动汽车在实际中需有极好的实用操控性能,同时还必须具有体积小、质量轻和
20、能量利用率高的特点,通过比较几种电机,本文适合选用轮毂式无刷电动机作为目标驱动电机。轮毂式电动机包括电动机本体、位置传感器和电子开关线的原理图如图如下。图2-1永磁无刷直流电动机原理图三个光敏元件VPl、VP2、VP3的相对位置各相差120度。旋转遮光板遮挡照射光线依次投在各个器件上,根据光线照射感应情况可以判断转子的准确位置14。当元件VPl随着转子的旋转被遮光板周期照射时,M1呈导通状态,转子的磁极顺时针转动。当电动机转了120度后,与旋转轴相连的挡光纸也以相同的速度转动,这样P2处于被照射状态,晶体管M2通断状态变为接通,带动遮光板旋转继续按顺时针方向转动。当转子磁极再转120度后,由遮
21、光板旋转使VP3被照射,晶体管M3呈导通状态,电流流入绕组C,转子磁极继续顺时针旋转,再转过120度后,结束一个周期进行下个循环。如此,随着转子扇形片的转动,由于位置传感器VPl、VP2、VP3的得感应下,各相依次地通电,能够使各个电流的方向变换 15。霍尔位置传感器输出波形如图2-2所示。图2-2霍尔位置传感器输出波形2.1.2 永磁无刷直流电动机的控制方法对永磁轮毂电动机的结构和性能有了详细了解,根据实际情况,我们选择了磁敏式轮毂电动机。一般地,永磁无刷直流电动机的电机采用三相对称绕组,不同的绕组接法和驱动方式将会产生不同的运转性能并且成本也不一样,综合多种因素考虑,我们选择三相星形连接方
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