| 四輪獨立驅動電動車的控制器設計
周 勇，李聲晉，田海波，方宗德，周奇勛
(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)
摘要：設計了基于Plc和cPLD的四輪獨立驅動電動車控制器。對控制器的硬件電路組成進行了詳細的闡述；對電動車的閉環(huán)調速控制策略進行了分析。電動車涮速的相關實驗驗證了電動車控制器設計合理，能夠實現對四輪獨立驅動電動車進行良好的驅動控制。
關鍵詞：電動車；輪轂電．機；控制器
0引 言
伴隨著日益嚴重的大氣污染和能源危機，傳統(tǒng)交通工具一汽車的可持續(xù)發(fā)展面臨越來越嚴峻的形勢。電動車(以下簡稱EV)是解決上述問題的有效途徑，得到了越來越廣泛的研究與發(fā)展。目前大部分電動車是后兩輪或前兩輪驅動方式。基于能量傳遞效率和車體空間限制等考慮，近年來無刷直流輪轂電機四輪獨立驅動式電動車已經成為研究熱點。輪轂驅動電機****改變了汽車傳統(tǒng)的驅動方式，電動機安裝在車輪的輪轂內，電機的轉子為外轉子，輸出轉矩直接傳輸到車輪，舍棄了傳統(tǒng)的離合器、減速器、傳動橋、差速器等機械部件，整車重量減輕，降低了機械傳動損耗，并具有靈活的行駛特性。
本文以四輪獨立驅動電動車為平臺，以四臺輪轂電機作為驅動裝置，設計了電動車控制器，其主要任務是協(xié)調控制四臺電機的轉速，使電動車具備ABs、電子差速等功能，提高車輛能量利用率、確保行車安全可靠。
l控制器硬件設計
為了實現四臺無刷直流輪轂電機的協(xié)調控制，本文設計了基于單片機(PIc)和復雜可編程邏輯器件(cPLD)的四通道電動車控制器，它主要包括：控制電路、驅動電路和功率變換電路。
l 1控制電路組成
控制電路的核心由PIcl8F6621及兩款cPLD共同組成，兩款cPLD分別為EPM7064sLc44-lO(以下簡稱為EPM7064)和EPM7128sTcl00(以下簡稱為EPM7128)。從圖1可清晰看出PIc與兩款CPLD問的關系.
l 2控制電路工作過程
系統(tǒng)上電后，駕駛者通過方向盤、加速踏板、制動踏板提供起動、加減速、轉向、制動、停車等外部模擬指令。指令經過位移傳感器轉換為模擬電信號輸入到PIcl8F662l，經過A／D轉換、解算后產生相應的PwM信號，PwM通過EPM7128送給EPM7064，EPM7064根據轉子位置信號，通過邏輯組合計算出每臺電機的相序，再根據PwM信號對電機進行轉速、轉向的控制。同時EPM7064將電機轉速等信息送回EPM7128，18F6621讀取EPM7128的電機實時轉速并與外部指令相比較，進行速度閉環(huán)控制，最終達到控制電動車運行的目的。
l 3過流保護電路
為了防止輪轂電機繞組電流過載而造成損壞，控制電路中設計了過流保護電路。
霍爾電流傳感器以及雙比較器LM393組成了過流保護電路，如圖2所示。
霍爾電流傳感器檢測電流范圍為O～100A，輸出電壓0～5 V。經過濾波、限流等外圍電路，圖2中LM393的管腳6的I輸入值為O～5 V。由圖可知，當I的輸入在0．5～4. 5 V時(可通過改變R、R61、R62和R66的阻值來改變該保護限)，過流信號I輸出高電平；當，IxH低于0．5 V或高于4．5 V時，I輸出低電平。保護電路的工作過程是：當過流發(fā)生時，比較器LM393輸出I發(fā)生電平跳變一控制電路報警一控制器停機。
1，4驅動電路分析
考慮本文電機電壓、電流要求，同時為了實現電動車再生制動，輪轂電機采用雙極性驅動，驅動芯片需要有兩路信號輸入，故采用門極驅動光耦合器HcPL一316J。其內部集成集電極一發(fā)射極V電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，它具有兼容cMOs／_TTL電平、光隔離、耐高壓(****電壓可達1 200 V)、可過大電流(驅動電流可達150 A)、快反應(最長時間500 ns)、寬工作電壓范圍(15～30v)、故障狀態(tài)反饋、“軟”關斷等特點，同時還提供過流保護、帶滯環(huán)欠壓鎖定保護、邏輯故障、自恢復等保護功能，為驅動電路的可靠工作提供了保障，同時還具有簡單易實現的特點。
本設計共采用了6片HcPL-316J，每一片驅動一個M0sFET。驅動電路連接圖如圖3所示：ZCA、FGA是由EPM’7064發(fā)出的正向PwM和反向PwM信號，經過光耦由管腳11輸出驅動MOsFET門極，即接插件_jAl的管腳3。JAl的管腳l連接MOs—FET的漏極，管腳4連接M0sFET的源極；REsET為系統(tǒng)復位信號；FAuLT為HcPL一316J低電壓檢測故障信號，當檢測到MOsFET的漏一源極電壓V低于額定值，說明功率管被擊穿，則FAuLT由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑瑫r自動關斷光耦驅動，起到了保護電機的目的；RA5R、RA6為門極驅動電阻。
1．5功率變換電路分析"
本文功率變換電路采用三相星形六狀態(tài)連接方式，功率開關管由六個MOsFET組成。
本文MOsFET采用APT公司生產的APT20M22LvR，該MOsFET具有開關響應迅速(最長160 ns)，導通電阻R小(0. 022 n)，漏電流小(±loo nA)等特點，關斷時耐壓V為。200 V，導通電流I可達100A。
為了使MOsFET安全有效地工作，減小斷態(tài)電壓上升率dv/dt，本文增加了吸收電路。如圖4所示，它是由RDC網絡與功率器件并聯而成。當M0sFET關斷時，負載電流經過二極管D給電容c充電，逐漸減小。因為電容c兩端電壓不能突變，MosFET的V上升率dv/dt被限制，電容越大，dv/dt越小。當下一次MosFET開通時，漏極母線電感以及緩沖電路和內部元件的雜散電感又有效地抑制了MosFET的di/dt。電容c經電阻尺和M0sFET放電，其放電電流受R限制，最終c儲能消耗在R上。
2控制器軟件設計
控制器軟件設計采用模塊化結構，由主程序、A／D轉換子程序、電動車調速控制子程序等幾部分組成。
系統(tǒng)上電后首先進行檢測，包括開關位置、電機狀態(tài)等，有故障將報警。若系統(tǒng)正常，主程序先進行初始化，包括調用PwM、定義寄存器等；然后開始進行A／D轉換，18F662l具有10位的A／D轉換通道，當接收到外部模擬指令后(如方向盤或加速／制動踏板)，將位移傳感器輸出的O～5 V的電壓指令轉換為O～2(1 024)的數字指令，該數字指令用以確定PwM的占空比a。
隨后進入電機調速控制模塊，在調度控制開始時電機處于停止狀態(tài)，系統(tǒng)如果異常(如上電順序錯誤、同時踩踏加速踏板和制動踏板等)，則報警并始終處于停止狀態(tài)；如果正常，則檢測方向開關信號：高電平一前進，低電平一倒車；進而根據加速踏板信號的大小改變PwM的占空比，進行電機調速，控制車速。在車輛行駛狀態(tài)下如果有制動踏板信號輸入，系統(tǒng)進入制動狀態(tài)→電機減速制動，此時系統(tǒng)仍在判斷加速踏板指令，若有指令則返回加速狀態(tài)，否則輪轂電機將一直減速直至停止并開始下一次循環(huán)。系統(tǒng)控制函數流程圖如圖5所示。
3實驗
為了進一步對電動車的行駛特性進行研究，我們設計并制造了一臺電動車的原理樣車。其基本性能參數如下：****車速38km／h；載重能力200 kg；一次充電行駛里程50 km。所用輪廓電機為永磁無刷直流輪轂電機，額定功率700 w，額定轉速800r/min．轉子磁極數為8對極，電動輪直徑4lOmm，如圖6所示。
本文進行了如下實驗：
(1)母線電流檢測
電動車輪轂電機母線與繞組電流波形如圖7所示，信號“l(fā)”是母線電流波形，信號“2”是繞組電流波形。從圖中可以看出，在t，階段，測試相繞組所連接MOsFET開通，母線電流和繞組電流上升，且兩者斜率一致；t階段M0sFET關斷，電流下降。
(2)測速實驗
本文通過選取輪轂電機10個PwM占空比值和與其對應的電動車前后輪轉速，來進行電動車調速測試，具體數值對應關系如表1所示。為了清晰直觀，本文將表l中數值通過Matlab進行繪圖，所繪曲線圖如圖8所示。曲線圖驗證了車輪轉速與PwM占空比(即PwM信號的脈沖寬度和PwM周期的比值)成正比關系。本設計中，PwM占空比a的控制精度是lO位，即d的變化范圍為O／1 023～l 023／l 023，由于操作誤差和測量儀器的影響，曲線的某些點會有細小的偏差。
4結語
四輪獨立驅動電動車的出現，使傳統(tǒng)車輛的機械傳動系統(tǒng)得到簡化，避免了機械差速，從而提高了車輛整體能量傳遞效率。由于電機轉矩直接作用在車輪上，可以更方便地進行車輛牽引控制。通過對電動車的相關實驗，證明了本文設計的四輪獨立驅動電動車控制器構成合理，電動車驅動效果良好，同時驗證了電動車控制策略的可行性。 |
