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礦用重載車輛電子差速系統(tǒng)設(shè)計
摘要：為了降低能源消耗與減小環(huán)境污染，新能源電車已成為未來車輛行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。國、內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商與科研院所紛紛投入大量的人力、物力、財力來研究、制造電車及其相關(guān)的零部件。目前輪轂電機(jī)驅(qū)動式電車以其簡單的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，較高的驅(qū)動效率，低廉的成本等諸多優(yōu)點已成為研究的熱點。但輪轂電機(jī)驅(qū)動式電車不能采用傳統(tǒng)的機(jī)械差速器，來實現(xiàn)車輛的順利轉(zhuǎn)彎。而電子差速器則可以解決這一問題。同時，文章完成了電子差速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、軟件的設(shè)計、CAN 通訊協(xié)議的設(shè)計。最后利用MATLAB/Simulink 仿真軟件，模擬仿真分析。通過仿真表明，電子差速控制系統(tǒng)設(shè)計合理，差速效果良好。電子差速器的設(shè)計，解決了輪轂電機(jī)驅(qū)動式礦用重載車輛的轉(zhuǎn)向問題。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械差速器，電子差速器避免了復(fù)雜的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，大大簡化了電車的底盤空間。另外，相比于其它的電子差速器，此電子差速器避免考慮路面及轉(zhuǎn)向角度的問題，簡化了控制計算方法，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使車輛具有更佳的轉(zhuǎn)彎性能和控制響應(yīng)。
關(guān)鍵詞：礦用重載車輛；輪轂電機(jī)；自適應(yīng)；電子差速
Design of electronic differential speed system for heavy duty vehicle
Abstract: The new energy vehicle has become the trend of the automotive industry in the future, because it can reduces the energy consumption and environmental pollution.Most auto-builder and research institutes have invested a lot of manpower, material and financial to research and manufacture electric vehicles. Recently, the electric vehicle swhich droved by wheel motor has become the focus to research, because it has a simple mechanical structure, higher drive efficiency, lower cost and many other advantages. But the electric vehicles which droved by wheel motor can not use the mechanical differential,when turning. So the electronic differential is needed to solve this problem.
The article analyses the structure and mechanics principle of mechanical differential,also used of the principle of differential under the same force of mechanical differential,put forward a control strategy of electronic differential. The design used a front-wheel-drive by brushless DC hub motor, and analyses the motor’s struck and working principle.Through building the mathematical model of brushless DC hub motor, analyses therelation of various parameters, and combined with the speed control system of brushless DC hub motor, designed the speed control program of electronic differential. In order to establish a more specific electronic differential control model, the article designed the hardware circuit, software and CAN communication protocol. Last the electronic differential control system was simulated by matlab/simulink. The results of the simulation showed that the design of electronic differential control system was reasonable and electronic differential had good effect on differential.
The electronic differential controller solved the problem of the brushless DC hub motor drive can not use the traditional mechanical differential and it also avoided the mechanical differential transmission structure, greatly simplified the electric vehicle chassis space. Compared to other electronic differential, this design do not consider the problem of the road surface and the steering angle, has a easier control calculation method, improves the stability of the control system, makes the vehicle has a better cornering performance and control response.
Key words: vehicle; wheel motor; adaptive principle; electronic differential
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目錄 Ⅳ
1緒論 1
1.1文獻(xiàn)綜述 1
1.2礦用電車的輪轂式的電車的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3 電子差速器 2
1.3.1 電子差速器的意義 2
1.3.2 電子差速器的特性 3
1.3.3 電子差速控制方法 3
1.4論文研究的主要內(nèi)容 4
1.5小結(jié) 4
2 無刷輪毅電機(jī)驅(qū)動控制的研究 5
2.1 無刷直流輪毅電機(jī)的原理 5
2.1.1 輪毅電機(jī)的選型 5
2.1.2 無刷直流輪毅電機(jī)的驅(qū)動原理 5
2.2無刷直流輪毅電機(jī)速度控制系統(tǒng) 6
2.2.1電機(jī)調(diào)速方法及PWM調(diào)速控制 6
2.2.2 PID速度控制算法 8
2.3小結(jié) 9
3 電子差速控制策略 11
3.1 機(jī)械差速器的力學(xué)分析 11
3.1.1 機(jī)械差速器的結(jié)構(gòu) 11
3.1.2 機(jī)械差速器的力學(xué)分析 11
3.2 電子差速控制思想 12
3.3 小結(jié) 13
4 電子差速系統(tǒng)的設(shè)計 15
4.1.1電子差速器的硬件設(shè)計 15
4.1.2電子差速系統(tǒng)控制芯片的選擇 15
4.1.3功率驅(qū)動電路的設(shè)計 15
4.1.4 轉(zhuǎn)子位置信號和開關(guān)量信號的檢測 16
4.2 電子差速系統(tǒng)建模與仿真 16
4.2.1 控制系統(tǒng)建模 17
4.2.2電子差速控制系統(tǒng)建模與仿真 18
4.2.3 電子差速系統(tǒng)仿真 19
5結(jié) 論 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 27
V
1 緒論
1.1 文獻(xiàn)綜述
礦用重載車輛從發(fā)展最初到現(xiàn)在，它的結(jié)構(gòu)最主要的有兩種，一種是將電動機(jī)取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動機(jī)，
這種結(jié)構(gòu)的電車采用傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)差速器就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向；另一種結(jié)構(gòu)是電車的每一個可以驅(qū)動的驅(qū)動輪都安裝一個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，它們相互之間沒有機(jī)械連接，這樣就需要通過電子控制的方式進(jìn)行控制，這樣就需要研究電子差速控制系統(tǒng)。從1882年德國西門子公司制成世界上第一臺礦用電機(jī)車以來，礦用電機(jī)車的發(fā)展己有130多年的歷史了。為減少污染物的排放，節(jié)約企業(yè)、廠礦、社區(qū)等的運營成本，礦用電動車進(jìn)入廠礦、企業(yè)、社區(qū)等，礦用電動車輛較大程度地降低了廠礦工人的勞動強度。然而，礦用電動車的轉(zhuǎn)向依靠電子差速器完成，電子差速器系統(tǒng)的設(shè)計對礦用電動車的穩(wěn)定性具有重要的意義。我們可以從以下兩方面看到它的發(fā)展。
1) 國外電子差速器的發(fā)展現(xiàn)狀
電子差速的基礎(chǔ)是電子線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990年Benz Company開始著手研發(fā)前輪電控轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)，并將這個系統(tǒng)開發(fā)用在400 Carving上。此時一些車輛廠家也在深入研究這種系統(tǒng)，現(xiàn)在有一些車輛公司研發(fā)出了可以利用的電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有些國外公司已經(jīng)在一些概念車上采用了這個電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
YOKO技術(shù)研究所在日本開發(fā)了自己的一種電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在對路面上進(jìn)行制動試驗時也能基本保證車輛直線行駛，制動距離也就會大大縮短。
美國的Delphi還開發(fā)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由此可以看出電子差速的優(yōu)勢就更能表現(xiàn)，這樣既提高了安全性又會降低成本。
2) 國內(nèi)電子差速器的發(fā)展現(xiàn)狀
浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院對于兩輪驅(qū)動輪毅電機(jī)的礦用重載車輛系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究:對于一種新的電子差速控制方面，即礦用重載車的車輪與地面附著系數(shù)作為重點，把車輛容易滑動轉(zhuǎn)向問題弱化了；該研究使用處理芯片DSP2407中的兩個時間管理器，構(gòu)成了電子差速器的驅(qū)動控制系統(tǒng)。然后取得了一個結(jié)論：在轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動角度兩個都不小的時候，轉(zhuǎn)矩的分配的比例相對不小，這個時候，由礦車車體運動時候產(chǎn)生的的離心力側(cè)翻力矩扮演了重要的角色。然而，車輛后面的輪子驅(qū)動的方法在車輛轉(zhuǎn)向時的程度不高，電子差速控制在新型的四個輪子的電機(jī)相互獨立驅(qū)動系統(tǒng)中，兩輪子驅(qū)動控制系統(tǒng)相對來說不簡單，驅(qū)動的方法特別多，驅(qū)動程度相對較高。
同濟(jì)大學(xué)在《四輪電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)》中論述的電子差速控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)車輛的輪子在運動的行程中和地面之間的運動為純滾動，在很大程度上減少了車輪在運動中發(fā)生滑轉(zhuǎn)以及滑移，所以這個電子差速控制系統(tǒng)使車輪與地面之間的摩擦減少了，在一定程度上，加大了輪胎的正常使用壽命，由于這個特性，同濟(jì)大學(xué)研究的春暉系列3號就采用了這個方案。
在直線行駛時，使用同一電機(jī)驅(qū)動兩側(cè)車輪，兩側(cè)車輪得到相同的轉(zhuǎn)速，如果兩側(cè)車輪行駛的路不等時，會使所走路程大的一側(cè)車輪滑轉(zhuǎn)或滑移，造成輪胎的磨損，甚至發(fā)生事故。
但雙輪毅電機(jī)驅(qū)動或多輪毅電機(jī)驅(qū)動，由電機(jī)直接驅(qū)動車輪，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時不能再采用傳統(tǒng)的機(jī)械差速器，來實現(xiàn)車輛的順利轉(zhuǎn)彎。因此，研究電子差速器也成為礦用礦用重載車輛重要的研究項目。
礦用重載車輛的發(fā)展主要是電子差速系統(tǒng)的設(shè)計。在當(dāng)代社會提倡建設(shè)節(jié)約，低碳，環(huán)保型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展環(huán)境下，電動車能夠使廠礦企業(yè)節(jié)約企業(yè)成本，保護(hù)環(huán)境，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)雙重效益，而電子差速系統(tǒng)則在其中扮演了重要的角色。
1.2 礦用電車的輪轂式的電車的發(fā)展現(xiàn)狀
1900 年，保時捷汽車企業(yè)研制出了兩前輪采用輪轂電機(jī)驅(qū)動式的礦用重載車輛，并在兩年后又研制出了輪轂電機(jī)與發(fā)動機(jī)共用的混合動力礦用重載車輛。上世紀(jì) 90年代起，日本也推出了“IZA”、“Eco”、“Luciole”等輪轂電機(jī)驅(qū)動式礦用重載車輛。美國的通用在 2002 年的北美國際車展上推出輪轂電機(jī)驅(qū)的燃料電池概念車。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)了采用外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)的礦用重載車輛?，F(xiàn)今輪轂電機(jī)驅(qū)動已成為國內(nèi)外各大汽車廠商及科研院所的研究熱點。
1.3 電子差速器
1.3.1 電子差速器的意義
在直線行駛時，也會由于內(nèi)、外兩側(cè)車輪制造誤差，輪胎及路面狀況等情況的不同，而使內(nèi)、外兩側(cè)車輪行駛的路程不等。使用同一電機(jī)驅(qū)動兩側(cè)車輪，兩側(cè)車輪得到相同的轉(zhuǎn)速，如果兩側(cè)車輪行駛的路程不等時，會使所走路程大的一側(cè)車輪滑轉(zhuǎn)或滑移，造成輪胎的磨損，甚至發(fā)生事故。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，傳統(tǒng)的汽車?yán)脵C(jī)械差速器中行星齒輪與錐齒輪的相互作用，維持汽車兩側(cè)車輪在行使路程不等時，具有不同的轉(zhuǎn)速，從而使汽車安全、可靠地運行。
1.3.2 電子差速器的特性
電子差速器與傳統(tǒng)的機(jī)械差速器相比較主要由以下優(yōu)點：
1) 電子差速器簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了汽車底盤空間，有利于汽車底盤其他結(jié)構(gòu)的自由設(shè)計。
2) 電子差速器直接將電機(jī)通過聯(lián)軸器與驅(qū)動輪相連，消除了減速器、離合器、差速器等傳動中的摩擦問題，提高了系統(tǒng)的傳動效率，節(jié)省了能量。
3) 電子差速器利用電子控制各驅(qū)動輪，消除了機(jī)械差速器中振動及噪音等問題
1.3.3 電子差速控制方法
目前電子差速控制主要分為：基于轉(zhuǎn)速控制的電子差速器與基于轉(zhuǎn)矩控制的電子差速器。
1) 基于轉(zhuǎn)速控制的電子差速器
差速控制算法，多采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制算法?？刂扑惴ū容^復(fù)雜，并且理論上只能分析靜態(tài)和非時變參數(shù)，而礦用重載車輛在實際的轉(zhuǎn)彎過程中，兩驅(qū)動輪所受的負(fù)載是隨時間變化的，很難建立準(zhǔn)確地數(shù)學(xué)模型，所以這類差速器在使用中受到一定程度的限制。
2) 基于轉(zhuǎn)矩控制的電子差速器
這種電子差速器主要是滑移率的控制。它相對于上述的電子差速器相比，優(yōu)勢是就地面狀況與輪胎的影響進(jìn)行了研究，在應(yīng)用上價值不低，但也有缺點，比如控制滑移率相對來說比較復(fù)雜，成本相對較高，在應(yīng)用實踐上不多。在上述差速控制方案的基礎(chǔ)上，本文運用差速器的原理，對關(guān)于轉(zhuǎn)矩控制的“自適應(yīng)”這類差速器進(jìn)行研究。
1.4 論文研究的主要內(nèi)容
研究的主要內(nèi)容包括：
1) 在機(jī)械差速器上進(jìn)行力學(xué)的受力分析，在機(jī)械差速器運行的原理的基礎(chǔ)上提出電子差速控制運行策略。
2) 分析無刷直流輪轂電機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計出電子差速控制的具體方案。
3) 對電子差速系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計。
4) 用 Matlab/Simulink 仿真電子差速系統(tǒng)，驗證電子差速控制方案設(shè)計的合理性。
1.5 小結(jié)
面對能源短缺與環(huán)境污染兩大問題，礦用重載車輛已成為國內(nèi)外汽車行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。通過分析國內(nèi)外礦用重載車輛及輪轂式礦用重載車輛的發(fā)展，提出了采用電子差速器解決輪轂電機(jī)驅(qū)動式礦用重載車輛的轉(zhuǎn)向問題。
2 無刷輪毅電機(jī)驅(qū)動控制的研究
2.1 無刷直流輪毅電機(jī)的原理
2.1.1 輪毅電機(jī)的選型
現(xiàn)在礦用重載車輛驅(qū)動電機(jī)大多數(shù)用異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、橫向磁阻電機(jī)等[1]。為了保使用證礦用重載車輛有良好的運動性能，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)該有較寬的調(diào)速范圍、良好的可控性能、小一些的體積、較低的成本、足夠大的啟動扭矩等特點。本文選擇的是礦用重載車輛驅(qū)動電機(jī)。
輪毅式礦用重載車輛的驅(qū)動車輪根據(jù)驅(qū)動電機(jī)是高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型還是低速外轉(zhuǎn)子型可以分為帶減速器式電動輪和直接驅(qū)動式電動輪[2]。直接驅(qū)動式的低速外轉(zhuǎn)子型輪毅電機(jī)，直接驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動,傳動效率高，但要求電機(jī)有較小的體積。同時，由于直接驅(qū)動式低速外轉(zhuǎn)子型電機(jī)在低速轉(zhuǎn)動時，要求很大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍，所以電機(jī)的成本也比較高。而帶減速器的高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪毅電機(jī)的驅(qū)動車輪，對輪毅電機(jī)的性能要求較低，還具有轉(zhuǎn)速高，效率高，成本低的優(yōu)點[3]。
基于以上因素電子差速控制系統(tǒng)的電機(jī)選擇直接驅(qū)動式高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型的無刷直流輪毅電機(jī)。
2.1.2 無刷直流輪毅電機(jī)的驅(qū)動原理
一般的無刷直流電機(jī)包括電機(jī)、電子換相電路、位置傳感器等。原理為采用位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，通過這個方法，控制晶閘管的導(dǎo)通與否，主要是依靠電子換相電路將位置信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后在恰當(dāng)?shù)臅r間對A, B, C三相繞組進(jìn)行通電。其工作原理如圖2.1所示。
圖2.1 永磁無刷直流電機(jī)原理
2.2 無刷直流輪毅電機(jī)速度控制系統(tǒng)
2.2.1 電機(jī)調(diào)速方法及PWM調(diào)速控制
無刷直流輪毅電機(jī)的調(diào)速方法是常見的有三種:電樞電壓得到改變，磁路磁通得到改變和電樞回路電阻得到改變。其中占空比占可以表示為:
（2.14）
式中：
－PWM信號的有效導(dǎo)通時間；
一 PWM信號周期。
PWM波形圖如圖2.2所示。
圖2.2 PWM波形圖
單極性PWM控制在每一個60。電角度范圍內(nèi)，兩個處于工作狀態(tài)的晶閘管，其中一個晶閘管始終為導(dǎo)通狀態(tài)，另一個晶閘管為PWM脈沖寬度調(diào)制狀態(tài)，其觸發(fā)信號如圖2.3所示。
圖2.3 單極性PWM控制各觸發(fā)信號
采用單極性PWM控制時，無刷直流輪毅電機(jī)處于工作狀態(tài)的繞組兩端的平均電壓為:
（2.15）
式中：
－電源電壓，V。
采用雙極性PWM控制方式時，無刷直流輪毅電機(jī)處于工作狀態(tài)的繞組兩端的平均電壓為:
（2.16）
采用單極性PWM控制相比與雙極性PWM控制，無刷直流輪毅電機(jī)電流的波動較小，并且單極性PWM控制不存在同一橋臂晶閘管同時導(dǎo)通的時刻，所以不用設(shè)置死區(qū)時間。此外，采用雙極性PWM控制6個晶閘管都處于開關(guān)狀態(tài)，功率損耗比較大。
綜合以上因素，電子差速無刷直流輪毅電機(jī)控制采用單極性PWM控制。把電機(jī)繞組的一端接到高端驅(qū)動器晶閘管上，在低端驅(qū)動器晶閘管上添加占空比可變的PWM信號，從而改變繞組兩端的電壓，實現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。
2.2.2 PID速度控制算法
當(dāng)系統(tǒng)的給定值發(fā)生變化或是受到干擾時，導(dǎo)致原來穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)受到破壞，致使輸入輸出量發(fā)生變化，此時經(jīng)過PID調(diào)解，可以使系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。其控制原理框圖如圖2.4所示。
圖2.4 PID控制系統(tǒng)原理圖
PID的控制規(guī)律為:
（2.17）
式中：
－偏差量，為系統(tǒng)給定值與實際輸出值的差值
（2.18）
－比例系數(shù)；
－積分時間常數(shù)；
－微分時間常數(shù)；
對模擬的PID計算公式(2.17）離散化處理，用和式代替積分，得到數(shù)字化的PID計算公式為:
（2.19）
式中：
－采樣序號，；
－第次采樣輸出值；
－第次采樣輸入的偏差值；
－積分系數(shù)，；
－進(jìn)行PID控制時的原始初值。
上式(19)為位置型的PID計算公式，用它計算輸出比較繁雜，可將其進(jìn)一步變化可得:
（2.20）
則第k次的輸出增量為
（2.21）
所以，
（2.22）
式(2.22)稱為增量式PID計算公式。由式(19)和式(22)比較可知，使用位置型PID控制算法，系統(tǒng)每次輸出值的計算都會累加過去所有的偏差值，當(dāng)系統(tǒng)存在計算誤差或是精度不夠時，會產(chǎn)生較大的累積誤差，影響計算值的精確性。此外增量式計算公式中沒有，在計算機(jī)出現(xiàn)故障需要手動切換時沒有沖擊現(xiàn)象產(chǎn)生。所以，文中電子差速系統(tǒng)速度、電流控制均采用增量式PID控制算法。
比例調(diào)節(jié)控制:即按比例的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的偏差e（t）。積分調(diào)節(jié)控制:積分控制調(diào)節(jié)可以消除系統(tǒng)的偏差，使有差系統(tǒng)變成無差系統(tǒng)。增大積分時間常數(shù)的值，系統(tǒng)的積分作用增強，但當(dāng)積分作用太大時，會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
微分調(diào)節(jié)作用:微分調(diào)節(jié)即根據(jù)偏差變化的速度調(diào)節(jié)，反應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率。
2.3 小結(jié)
對無刷直流輪毅電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，主要內(nèi)容包括:
1) 分析了無刷直流輪毅電機(jī)的原理，包括電機(jī)的選型及電機(jī)的驅(qū)動原理。
2) 闡述了無刷直流輪毅電機(jī)速度控制系統(tǒng)，指出了電機(jī)調(diào)速方法，分析了PWM調(diào)速控制原理、PID速度控制算法原理及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法。
3 電子差速控制策略
3.1 機(jī)械差速器的力學(xué)分析
3.1.1 機(jī)械差速器的結(jié)構(gòu)
以對稱式錐齒輪差速器為例，結(jié)合馬俊對對稱式錐齒輪機(jī)械差速器動力學(xué)原理的分析，在礦用重載車輛運動過程中，對驅(qū)動輪、機(jī)械差速器及地面之間的相互作用進(jìn)行受力分析，闡述機(jī)械差速器的原理。
3.1.2 機(jī)械差速器的力學(xué)分析
設(shè)由減速器的從動齒輪傳來的驅(qū)動扭矩為M 0。在M 0的作用下行星齒輪受到驅(qū)動力是P 。行星齒輪在力的作用下帶動左、右兩個錐齒輪的轉(zhuǎn)動，把驅(qū)動力 P 分別分給左、右兩錐齒輪兩個相同的力，在這個時候，行星齒輪就成為了一個等臂杠桿。
在滿足全潤滑的條件下，加上這兩個錐齒輪的半徑大小一樣，不管它有沒有自動轉(zhuǎn)動，來自減速器的從動齒輪驅(qū)動扭矩M 0都會平均分配給左驅(qū)動輪和右驅(qū)動輪，然后左驅(qū)動輪和右驅(qū)動輪獲得驅(qū)動力矩。
(3.1)
當(dāng)?shù)V用重載車輛在平整的路面上做純滾動直線行駛時，左、右兩驅(qū)動車輪在驅(qū)動力矩 的作用下，分別對地面施加一個與礦用重載車輛行駛方向相同的周緣力和。由于兩驅(qū)動輪的半徑相等，所以
(3.2)
而此時，路面也會對左、右兩驅(qū)動車輪產(chǎn)生與左、右兩周緣力大小相等，方向
相反的地面切向反作用力和。
(3.3)
其中，地面的切向反作用力 和 分別通過左、右半軸和錐齒輪反傳給差速器的行星齒輪，并在嚙合點A、B上形成兩個與驅(qū)動力大小相等，方向相反的阻礙行星輪運動的阻力（忽略傳動過程的摩擦損失）。此時行星齒輪受力平衡，不能產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，只能隨行星架一起公轉(zhuǎn)。
在相對光滑的柏油馬路上，當(dāng)?shù)V用重載車輛從直線運動的過程中轉(zhuǎn)彎時，先以用右轉(zhuǎn)彎為例。車輛轉(zhuǎn)彎剛剛開始的時候，差速器不會有差速的作用，左輪和右輪轉(zhuǎn)速都一樣。不過在一定程度上，車輛右轉(zhuǎn)彎的時刻，右側(cè)車輪行駛的路程比左邊少一些，所以左邊的車輪，會發(fā)生滾動和滑拖來配合右邊的車輪。但是滑拖會相對路面產(chǎn)生周緣力，即方向向前，相對來說，路面也會對左側(cè)車輪也會產(chǎn)生附加阻力，即大小一樣、方向向后。這個 和路面會左側(cè)輪的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生影響，會起相反作用，即作用力。右邊車輪會產(chǎn)生滾動和打滑。
通過上述分析，可以知道不管直線行駛或轉(zhuǎn)彎行駛，兩驅(qū)動輪在內(nèi)側(cè)和外側(cè)受到的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩一樣。因為兩邊的輪子同時受到的地面阻力不一樣，所以車輛轉(zhuǎn)彎得時后，導(dǎo)致行星輪與兩側(cè)錐齒輪在相互嚙合的地方同時受到的阻力不一樣，然后行星輪自轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致了機(jī)械差速的“自適應(yīng)”。
3.2 電子差速控制思想
根據(jù)第二章的分析，以“差速不差力”為主要思想，來實現(xiàn)“自適應(yīng)”電子差速。汽車轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)側(cè)驅(qū)動車輪受到地面的阻力矩大于外側(cè)驅(qū)動車輪受到的地面阻力，進(jìn)而造成內(nèi)側(cè)驅(qū)動電機(jī)的相電流較外側(cè)驅(qū)動電機(jī)的相電流幅值上升大。為實現(xiàn)礦用重載車輛順利的轉(zhuǎn)彎，應(yīng)滿足內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速小于外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速。利用機(jī)械差速器原理中阻力矩、電磁轉(zhuǎn)矩與速度之間的關(guān)系，當(dāng)?shù)V用重載車輛轉(zhuǎn)彎時，控制左、右兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相等，由于外負(fù)載不同，實現(xiàn)“差速不差力”的自適應(yīng)電子差速。
電子控制可以方便的控制兩側(cè)電流的大小。當(dāng)?shù)V用重載車輛直線行駛時，兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)均實行速度、電流雙閉環(huán)控制。在相等的給定轉(zhuǎn)速下，左、右側(cè)兩驅(qū)動電機(jī)得到相等的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。由于直線行駛，兩側(cè)驅(qū)動車輪負(fù)載力矩相同，使兩側(cè)車輪具有相同的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑的直線行駛。
在理想的狀況下，礦用重載車輛由直線行駛轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎時，同功率的電機(jī)在相等的速度和相同的工況下，電機(jī)輸出扭矩大小相等，轉(zhuǎn)彎時由于外負(fù)載的不同造成兩側(cè)驅(qū)動輪所需轉(zhuǎn)矩的大小不同，內(nèi)側(cè)車輪所需輸出扭矩大，而外側(cè)車輪所需輸出轉(zhuǎn)矩小，進(jìn)而造成內(nèi)側(cè)驅(qū)動電機(jī)相電流較外側(cè)驅(qū)動電機(jī)相電流幅值上升大。
轉(zhuǎn)彎行駛時，加速踏板給定左側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度，對左側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)電流由左側(cè)控制器給定，維持兩驅(qū)動電機(jī)有相同的給定電流。
3.3 小結(jié)
通過對機(jī)械差速器的力學(xué)分析，利用機(jī)械差速的“差速不差力”的“自適應(yīng)”差速原理，確定了電子差速器的控制思想：通過控制兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相等，根據(jù)行車狀況的不同，阻力矩不同，實現(xiàn)“自適應(yīng)”差速。此外，設(shè)計了車輛直線行駛或是轉(zhuǎn)彎行駛狀況的判定裝置。
4 電子差速系統(tǒng)的設(shè)計
4.1.1 電子差速器的硬件設(shè)計
根據(jù)無刷直流輪毅電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路及雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路，設(shè)計電子差速控制系統(tǒng)的硬件電路。
4.1.2 電子差速系統(tǒng)控制芯片的選擇
電子差速控制芯片是數(shù)字信號處理的核心單元，本文選擇dsPIC30F系列的芯片，更能滿足高性能的數(shù)字信號的處理，并且dsPIC30F具有很高的性價比。
4.1.3 功率驅(qū)動電路的設(shè)計
文中采用芯片三相逆變驅(qū)動器IR2136作為功率驅(qū)動電路的驅(qū)動器。它具有3個獨立的高壓、低壓輸出通道可以輸出6路驅(qū)動脈沖，并且融合了過流和電池欠壓保護(hù)電路，簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計，減少了元件的使用數(shù)量。其驅(qū)動電路，如4.1所示。
圖4.1 逆變器驅(qū)動芯片((IR2136)控制MOSFET的驅(qū)動電路圖
圖中PWOMxx端口為單片機(jī)輸出的PWM脈沖信號，VBx端口給驅(qū)動電路提供電源，VSx端口為驅(qū)動電路輸出，Qx端口為晶體管MOSFET的控制端。當(dāng)電機(jī)啟動時，有很大的沖擊電流，因此需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行電流保護(hù)。其中ITRIP引腳為主回路中的電流信號輸入端口，當(dāng)主回路中的電流過大時，會使ITRIP引腳的電壓高于15V，此時，IR2136內(nèi)部電流快速增大，發(fā)生故障信號，關(guān)閉IR2136的6路驅(qū)動輸出，從而實現(xiàn)過流保護(hù)的功能。
4.1.4 轉(zhuǎn)子位置信號和開關(guān)量信號的檢測
轉(zhuǎn)子位置的檢測不僅用于電機(jī)換相的控制，還可以經(jīng)過計算，用于轉(zhuǎn)速的測量。此差速控制系統(tǒng)使用三個霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子的位置。由這三個霍爾元件的輸出能構(gòu)成六種不一樣的狀態(tài)，然后根據(jù)這六種的組合狀態(tài)來控制功率管的導(dǎo)通，進(jìn)一步控制三相繞組的通斷。電子差速控制采用的dsPIC30F5015單片機(jī)自身帶有電平變化中斷引腳，只有這個引腳輸出高電平才會起作用，如圖4.2所示。
圖4.2 轉(zhuǎn)子位置信號與開關(guān)量信號檢測電路圖
4.2 電子差速系統(tǒng)建模與仿真
使用MATLAB/Simulink模塊仿真電子差速控制系統(tǒng)。利用此軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，就是用圖形化的方法直接建立系統(tǒng)的仿真模型，并通過Simulink環(huán)境下的示波器Scope模塊將結(jié)果顯示出來，操作簡單且便于觀察。
選用直流無刷輪毅電機(jī)，額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉(zhuǎn)速，電勢常數(shù)，主回路總電阻 ,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)倍數(shù)，電磁時間常數(shù)工，機(jī)電時間常數(shù)，電流反饋系數(shù)，電流反饋濾波時間常數(shù)，速度反饋系數(shù)，速度反饋濾波時間常數(shù)。
4.2.1 控制系統(tǒng)建模
1)確定比例系數(shù)Kp
確定比例系數(shù)時，令積分系數(shù)K;，微分系數(shù)Ka均為零。Kp由0開始琢漸增大，當(dāng)PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩時再琢漸減小，直到震蕩消失，記錄此時的Kp值為0.29。而系統(tǒng)設(shè)定的Kp值為當(dāng)前值的60 %-70%，取Kp =0.189。此時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4.3所示。
圖4.3 Kp =0.29時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖
2)確定積分系數(shù)Ki
比例系數(shù)Kp確定之后，先設(shè)定一個較小的積分系數(shù)K;，然后琢漸增大K;值，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩時，再減小K;直到震蕩消失。記錄此時的K=20，而系統(tǒng)設(shè)定Ki值為當(dāng)前值的150%-180%，取K=34.65。此時系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖4.4所示。
圖4.4 Kp=0.1885 , Ki=20時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖
3)確定微分系數(shù)Kd
微分系數(shù)的設(shè)定方法與積分系數(shù)Kp的設(shè)定方法相同，而一般設(shè)定微分系數(shù)Kd=0，為了減小系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的時間，通過調(diào)節(jié)設(shè)定微分系數(shù)Kd=0.001。此時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4.5所示。
圖4.5 Kp=0.1885 , Ki=34.65 , Kd=0.001時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖
速度環(huán)PID調(diào)節(jié)的方法與電流環(huán)相同。通過調(diào)節(jié)得到速度環(huán)的PID調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp =1.8，積分系數(shù)Ki=0.6，微分系數(shù)Kd=0.0010。
4.2.2 電子差速控制系統(tǒng)建模與仿真
圖4.6 電子差速控制系統(tǒng)模型
同步6脈沖觸發(fā)器模塊可以輸出1~6號脈沖，依次送給三相全控整流橋(Universal Bridge)對應(yīng)的6個晶閘管，控制三相電機(jī)的換相。同時通過觸發(fā)器脈沖寬度的調(diào)節(jié)控制晶閘管導(dǎo)通的時間。同步6脈沖觸發(fā)器和晶閘管整流橋如圖4.7所示。
圖4.7 同步6脈沖觸發(fā)器和晶閘管整流橋
4.2.3 電子差速系統(tǒng)仿真
1) 礦用重載車輛直線行駛時
兩驅(qū)動電機(jī)所給定的轉(zhuǎn)速為2000r/min，兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)都不會加負(fù)載，相當(dāng)于礦用重載車輛在道路上直線行駛。
直線行駛時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)的速度及電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果如圖4.8，4.9所示。
圖4.8直線行駛時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度曲線
圖4.9 直線行駛時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線
直線行駛時，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)的速度及電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果如圖4.10, 4.11所示。
圖4.10直線行駛時，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度曲線
圖4.11直線行駛時，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線
由以上仿真結(jié)果可知:左、右兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)給定相同轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動時由以上仿真結(jié)果可知:左、右兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)給定相同轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動時,左、右兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)需要較大的電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，，驅(qū)動電機(jī)的速度琢漸增大，在0.04s后驅(qū)動電磁轉(zhuǎn)矩下降，基本為零。能夠滿足左、右兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)在相同的電磁轉(zhuǎn)矩作用下，有相同的轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)順利、平穩(wěn)的直線行駛。
2) 礦用重載車輛轉(zhuǎn)彎時
左、右兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)給定轉(zhuǎn)速2000r/min，在O.ls時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩7N·m，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩4N·m。此時左側(cè)驅(qū)動電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于右側(cè)驅(qū)動電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于實際工況下礦用重載車輛的左轉(zhuǎn)彎。
左轉(zhuǎn)彎時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度及電磁轉(zhuǎn)矩如圖4.12, 4.13所示。
圖4.12左轉(zhuǎn)彎時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度曲線
圖4.13左轉(zhuǎn)彎時，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線
左轉(zhuǎn)彎時，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度及電磁轉(zhuǎn)矩如圖4.14, 4.15所示。
圖4.14左轉(zhuǎn)彎時，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度曲線
圖4.15 左轉(zhuǎn)彎時，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線
由以上仿真結(jié)果可知，電機(jī)啟動時，所需啟動轉(zhuǎn)矩大，在0.04s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩下降，基本為零，在0.1s時加上不同的負(fù)載后，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，右側(cè)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩上升，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下速度很快恢復(fù)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。實現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎時“差速不差力”的“自適應(yīng)”電子差速。
5 結(jié)論
通過控制轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到“自適應(yīng)”電子差速的目的。
主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
1) 在機(jī)械差速器的結(jié)構(gòu)和受力力學(xué)分析上，我們利用機(jī)械差速器的性質(zhì)“差速不差力”的“自適應(yīng)”的原理提出了電子差速控制方案，解決了輪轂電機(jī)驅(qū)動式礦用重載車輛的轉(zhuǎn)彎問題。
2) 建立了無刷直流輪轂電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合無刷直流輪轂電機(jī)速度控制系統(tǒng)，設(shè)計了電子差速系統(tǒng)的速度控制方案。在不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，實現(xiàn)了“自適應(yīng)”電子差速控制。
3) 對電子差速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，完成了電子差速系統(tǒng)的設(shè)計。
4) 利用 MATLAB/simulink 對電子差速控制系統(tǒng)建模與仿真，驗證了電子差速控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性。
取得的創(chuàng)造性成果：
簡化了礦用重載車輛的底盤空間，傳動比減小了，傳動效率提高了。但是由于時間和目前的研究進(jìn)展等原因的限制，在電子差速研究的很多方面還有待進(jìn)一步的深入和完善。
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致 謝
經(jīng)過大學(xué)四年不斷的學(xué)習(xí)，我從懵懂少年到現(xiàn)在馬上進(jìn)入社會，大學(xué)里濃郁的學(xué)習(xí)氛圍，使我受益匪淺?？粗f年歷翻過了一張又一張，離校的日期愈來愈近?；仡櫞舜巫兯傧涞脑O(shè)計，我感概很多，雖然從選題到定稿的這些日子里，苦大于甜，但是可以學(xué)到很多的知識，不僅可以增加實踐，而且還學(xué)到了很多書本上沒有的東西。真是應(yīng)了那句話“實踐出真知”，一切應(yīng)從實踐出發(fā)，有時候，你說一萬遍，不如你做一次，說的就是這個道理。當(dāng)一個人的學(xué)習(xí)達(dá)到一定的程度的時候，相應(yīng)的實踐也要跟上來，只有實踐與知識相結(jié)合才能達(dá)到一個新的層次，在實踐中找到突破口來創(chuàng)新，闖出自己的一片天地。由這次畢業(yè)設(shè)計我深深的認(rèn)識到自己的劣勢，專業(yè)知識不夠硬，還有很多地方欠缺，將來需要學(xué)習(xí)的地方還有很多。我能夠非常順利的完成此次畢業(yè)設(shè)計，首先感謝暴老師。老師不辭辛苦，不耐煩地一遍又一遍的對我的論文指導(dǎo)，嚴(yán)格要求，使我從中學(xué)到了很多知識。老師的優(yōu)秀品質(zhì)，是我學(xué)習(xí)的榜樣。老師平易近人，在嚴(yán)于律己的同時又對我們嚴(yán)格教導(dǎo)。在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，雖然遇到了不少的困難，但在老師的辛勤指導(dǎo)下，這些問題都一一解決了。其次，感謝曾經(jīng)給我授業(yè)解惑的各位老師，謝謝你們的辛勤付出，讓我茁壯成長。
最后，感謝我親愛的母校，四年前我投入您的懷抱，四年后您把我培養(yǎng)成對社會有用的人，真心的祝愿母校的明天變得越來越好，變得更加輝煌。
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