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【摘要】基于轮毂电机驱动的电动车由于无需复杂的传动轴、分动器、差速器等机械装置，因而底盘重量大幅减轻且结构简单、布局灵活，近年来成为电动车研发的热点。然而此电动车的控制系统除通常的车辆状态监测外还担负着驱动力分配、电子差速等及转矩控制等功能，因此对控制系统的实时性、可靠性和可扩展性有很高的要求。本文讨论了基于CAN总线架构的整车控制系统，给出了其硬件框图和转矩分配子系统的流程图，对后续实用系统的搭建提供了设计依据和技术支撑。
【关键词】轮毂电机;多轮驱动电动车;控制系统;设计
1.引言
1886年问世起，汽车大大拓展了人类的活动范围，对人类社会的发展做出了重大的贡献，现代汽车工业已经成为许多国家经济发展的支柱产业之一。到目前为止，以石油为能源的传统内燃机汽车居绝对多数。然而，这类汽车在带给人们方便快捷的现代生活的同时，其带来的能源短缺和环境污染等一系列问题也对社会发展构成了严峻的挑战。节能与环保已经成为全球各国和各大汽车制造商的共同课题。2009年，中国超越美国成为全球第一大汽车生产和消费国，2011年全国汽车销量超过1850万辆，继续稳居全球第一位[1]。2011年中国汽车保有量首次突破1亿辆大关，成为仅次于美国全球汽车保有量第二的国家[2]，而且有望在今后若干年继续保持这种增长趋势。
目前，对电动汽车的研究还是以对传统内燃机汽车进行动力改造为主，在结构上仅仅将内燃机替换为电动机，保留原来的动力传动系统。这样的结构可以利用电动机的转矩特性比内燃机更加理想的优点，但是并没有从根本上改变车辆的动力特性，也没有充分发挥电动驱动系统所带来的技术进步。而车轮独立驱动作为电动汽车的一种理想驱动方式，成为电动汽车发展的一个独特方向。车轮独立驱动系统就是将独立控制的电机与汽车轮毂连接，省掉了各车轮之间的机械传动环节。电机与车轮之间的连接方式主要有两种：一是采用轴式连;二是将电机嵌入到车轮内。轮毂电机驱动系统中没有机械传动环节和差速器，由电机直接驱动车轮，因此需要对电机的转矩和转速进行精确控制，这也是研究的重点和难点所在。汽车的四驱控制系统能够根据各车轮的转速、转矩等信息，控制并分配各轮毂电机输出扭矩的大小，从而控制各车轮的驱动力和转速，使汽车具有驱动防滑功能、差速功能、良好的加速性和汽车稳定性。
另外，在轮毂电机驱动系统中，电机和驱动器的体积、功率都较小，这样既有利于汽车的总体布置，又可以保证良好的离地间隙，改善汽车的通过性。
图1 米其林轮毂电机结构
2.基于轮毂电机的电动车底盘结构
轮毂电机车辆平台自身具有的线传控制特征，使整车布置和控制系统设计具有很大的柔性，这些优势得到了各国汽车厂商和研发机构的认同并都展开了相关的研究。不过受到安全法规的限制，现在与整车安全相关的线控技术还无法应用到量产车型当中。因此，目前对基于轮毂电机平台的线控电动汽车的研究主要还是处于概念车的开发和实验室研究阶段。
20世纪90年代初，最引人注目的就是米其林公司推出的主动车轮，其结构如图1所示。电动轮毂中有两个电动机，一个向车轮输出扭矩，另一个则是用于控制主动悬架系统，改善舒适性、操控性和稳定性。在两个电动机之间还设有制动装置，动力、制动和悬架都被集成在一起，结构相当紧凑。由于电动机的扭矩易于控制，如果配备四个米其林主动车轮便成为四驱系统，并且可以通过电脑对任何车轮的扭矩进行独立调节，仅需更多的传感器和更复杂的程序便能实现。主动车轮的另一个优势是能提供比傳统汽车更好的被动安全性。由于舍去了发动机和变速箱，车头的缓冲区将变得高效与充足。
图2 丰田公司i-unit概念车
图3 VOLVO公司提出的ACM车轮总成方案
丰田汽车公司从上世纪九十年代末开始进行轮毂电机驱动的纯电动车的开发，重点研究基于传统汽车底盘的轮毂电机电动汽车走向实用化的关键技术，如传统悬架、转向和制动系统等如何改进设计，以适应轮毂电机在车轮上的安装，全新结构的轮毂电机电动汽车的车体结构设计等[7]。丰田汽车公司在2005年推出了一款最小型的i-unit概念车，该车重180公斤，由锂离子电池通过后轮内的轮毂电机驱动[8]。前两转向车轮由独立电机控制，可实现正负90度转角，车辆最小转弯半径达到0.9米。i-unit采用电传操纵和侧面驾驶杆控制，比方向盘反应更加灵敏，车体高度和轴距根据上下车和不同速度驾驶的需要而自动调节，低速行驶时车体升高，驾车者视线几乎与站立时相同，可以轻松地在人群中穿行，高速时则自动降低重心，保持稳定，减少阻力。
瑞典VOLVO公司Chassis Engineering部门提出一种ACM（Autonomous Corner Module）车轮总成的构想。这种车轮总成集成轮毂电机，双转向执行机构，摩擦制动器、主动悬架系统和减震器。根据不同的车辆轴荷和应用场合，通过对执行器参数的调整，ACM可以支持不同类型全线控智能车辆。目前VOLVO已经对这种构想申请了专利保护[15]。
3.多轮驱动电动车的关键技术
尽管电动轮独立驱动的汽车在电动汽车领域存在很大优势，但却没有大规模的普及，甚至没有出现一款商品化车型。究其原因，除了生产成本偏高的因素外，更主要的是四轮独立驱动电动汽车在整车动力性及稳定可靠性等技术方面存在诸多问题，欲提高电动轮驱动电动车的整车性能，以下是必须解决的关键技术：
（1）轮毂电机及其控制技术。轮毂电机作为四轮独立驱动电动汽车的动力源，必须具有足够大的驱动转矩、合适的转速以及相应的调速范围，这样才能保障电动汽车拥有良好的动力性。
（2）驱动轮之间的电子差速技术。车轮在路面上保持纯滚动运动是最理想的状态，但是当汽车转弯或在不平路面上行驶时，由于汽车内外车轮的行驶路径长度不同，如果仍然要求内外车轮转速一致，必然会造成车轮的打滑和拖行。传统汽车是使用机械差速器解决这一问题的，它将内外车轮轮速进行重新分配，解决了轮胎过度磨损和功率循环等问题。但是机械差速器具有转矩平均分配的特性，致使汽车的内外车轮在不同路况下行驶时，极易出现打滑现象。对于四轮独立驱动的电动汽车各驱动轮之间的差速问题，可以采用电子差速技术来解决，较为常用的电子差速控制方法主要有两种：基于转速闭环的电子差速控制和基于转矩闭环的电子差速控制。目前的研究表明，基于转矩闭环的电子差速控制较为优越，控制效果较好，但是其控制算法较复杂、应用难度较大。 （3）整车牵引力控制技术。牵引力控制技术直接影响着整车驱动特性的优劣，是必须解决的问题。目前的牵引力控制策略大多是通过控制轮胎的滑转率来实现的，因为滑转率与附着系数在一定区域内成线性关系，从而通过调节驱动电机的输出转矩来改变车轮的转速，进而改变了轮胎的滑转率，使轮胎和地面之间具有良好的附着系数，控制车轮的附着特性，获得最大的驱动力，使汽车在不同路况下行驶时都具有良好的动力性能。四轮独立驱动电动汽车各车轮的驱动力可以实现单独控制，更有利于实现基于滑转率控制的牵引力控制策略。但是我们也应该认识到在实际运用中，滑转率的检测很困难。
（4）转矩协调控制技术。对于四轮独立驱动电动汽车，各个驱动轮之间没有机械部件的耦合关系，它们是独立存在的动力源。如何保证各驱动轮协调运转也是必须解决的问题。我们可以设计一个上位控制器，根据汽车的行驶状态和控制要求，对四个驱动轮重新分配转矩，这就是转矩协调技术，其主要包括单电机的转矩控制和多电机的同步协调控制。简言之转矩协调控制技术就是对各驱动轮的转矩进行协调控制，使车辆安全稳定的行驶。
4.基于CAN总线的多轮驱动电动车控制系统设计
本方案设计的电动汽车系统主要包括系统电源、两台轮毂电机控制器和汽车主控制器。整个系统由72V蓄电池供电，蓄电池输出作为轮毂电机母线，使用DC/DC反激式电源将母线上的高压转换为12V和5V的低电压向各个控制芯片供电。汽车主控制器完成系统输入信号的采样、控制算法的运行，使用CAN总线与两电机控制器通信，为电机控制器分配转矩;电机控制器按照主控制器给定的转矩驱动电机运行。
图4 电动汽车系统的硬件框图
电动汽车系统的硬件部分设计如图4所示，反激式电源输入72V的直流电，转换成一路5V直流电向主控制器和两部电机控制器供电，另有一路12V的直流电向电机驱动模块供电。主控制器通过AD接口和10接口检测系统输入，通过CAN总线与两个电机控制器通信。电机控制器根据接收到的信息通过输出PWM信号控制电机驱动板上的MOSFET来驱动72V轮穀电机。
电动汽车系统的软件部分包括电机驱动器中的电机控制程序，主控制器转向差速运算与转矩分配程序以及二者基于CANOPEN协议的通信程序，三块控制器均使用TMS320F28035型MCU。
图5 主控制器转矩分配函数流程图
图5所示是主控制器转矩分配函数的流程图，电动汽车正常直线行驶时，将转矩平均分配到两台轮毂电机上，转向时需要为两轮配置不同的转矩以实现差速控制的目标。在第三章中进行了电动汽车转向差速算法的研究与仿真，按照3.2小节中的控制策略编写程序。主控制器在同步窗口期内接收两电机控制器的速度信号，同步窗口结束之后调用转矩分配函数。转矩分配函数首先读取踏板和方向盘的模拟信号，根据踏板信号确定两电机的总转矩，再根据方向盘转向信号判断是否需要进行差速计算。如果转向信号较小，将总转矩平分给两电机;如果转向信号足够大，则需要进行转向差速计算，由车速信号和轮速信号得到两驱动轮的滑转率，根据两驱动轮滑转率之差计算出两驱动轮转矩分配的比例，再得到两轮的实际输出转矩。
5.總结
本文对基于轮毂电机的多轮驱动电动车的关键技术、底盘布局进行了探讨和分析。基于轮毂电机驱动的多轮电动车无需复杂的传动轴、分动器、差速器等机械装置，底盘重量大幅减轻且结构简单、步骤灵活。然而此类底盘对整车的控制系统要求较高，其控制除通常的车辆状态监测外还担负着驱动力分配、电子差速等及转矩控制等功能，因此对控制系统的实时性、可靠性和可扩展性有很高的要求。本文讨论了基于CAN总线架构的整车控制系统，给出了其硬件框图和转矩分配子系统的流程图，对后续实用系统的搭建提供了依据和技术支撑。
参考文献
[1]陈全世.先进电动汽车技术[M].北京：化学工业出版社，2009.
[2]徐国凯，赵秀春，苏航.电动汽车的驱动与控制[M].北京：电子工业出版社，2010.
[3]盖世汽车研究院.全球电动车第三次浪潮涌动中国望成主导者.盖世汽车网[2010-8-30].
[4]李成学.微型电动汽车控制系统的研究[D].杭州：浙江大学硕士论文，2007.
[5]王康.电动汽车电动轮驱动系统控制技术的研究[D].武汉：武汉理工大学硕士论文，2007.
[6]周扬.基于DSP控制的电动车两轮驱动研究[D].杭州：浙江大学硕士论文，2005.
[7]国务院发展研究中心产业经济研究部.2009中国汽车行业发展报告.
[8]张西明.纯电动汽车控制系统[D].杭州：浙江大学硕士论文，2008.
[9]Manfred Mitschke，Henning Wallentowitz著.陈荫三，余强译.汽车动力学（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2010.
[10]葛英辉.轮式驱动电动车控制系统的研究[D].杭州：浙江大学博士论文，2004.
[11]冯建国.两后轮驱动的电动汽车控制的研究[D].武汉：武汉理工大学硕士论文，2007.
[12]Holger Zeltwanger著.周立功，黄晓青，严寒亮译.现场总线CANopen设计与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[13]邬宽明著.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997.
[14]左鹏飞.基于现场总线的船舶信息监控系统的研究与应用[D].西安：西安理工大学硕士论文，2004.
[15]李永强，宋希庚，薛冬新.CAN局域网挤J1939协议在货车和客车上的运用[J].汽车工程，2003，4.
【关键词】轮毂电机;多轮驱动电动车;控制系统;设计
1.引言
1886年问世起，汽车大大拓展了人类的活动范围，对人类社会的发展做出了重大的贡献，现代汽车工业已经成为许多国家经济发展的支柱产业之一。到目前为止，以石油为能源的传统内燃机汽车居绝对多数。然而，这类汽车在带给人们方便快捷的现代生活的同时，其带来的能源短缺和环境污染等一系列问题也对社会发展构成了严峻的挑战。节能与环保已经成为全球各国和各大汽车制造商的共同课题。2009年，中国超越美国成为全球第一大汽车生产和消费国，2011年全国汽车销量超过1850万辆，继续稳居全球第一位[1]。2011年中国汽车保有量首次突破1亿辆大关，成为仅次于美国全球汽车保有量第二的国家[2]，而且有望在今后若干年继续保持这种增长趋势。
目前，对电动汽车的研究还是以对传统内燃机汽车进行动力改造为主，在结构上仅仅将内燃机替换为电动机，保留原来的动力传动系统。这样的结构可以利用电动机的转矩特性比内燃机更加理想的优点，但是并没有从根本上改变车辆的动力特性，也没有充分发挥电动驱动系统所带来的技术进步。而车轮独立驱动作为电动汽车的一种理想驱动方式，成为电动汽车发展的一个独特方向。车轮独立驱动系统就是将独立控制的电机与汽车轮毂连接，省掉了各车轮之间的机械传动环节。电机与车轮之间的连接方式主要有两种：一是采用轴式连;二是将电机嵌入到车轮内。轮毂电机驱动系统中没有机械传动环节和差速器，由电机直接驱动车轮，因此需要对电机的转矩和转速进行精确控制，这也是研究的重点和难点所在。汽车的四驱控制系统能够根据各车轮的转速、转矩等信息，控制并分配各轮毂电机输出扭矩的大小，从而控制各车轮的驱动力和转速，使汽车具有驱动防滑功能、差速功能、良好的加速性和汽车稳定性。
另外，在轮毂电机驱动系统中，电机和驱动器的体积、功率都较小，这样既有利于汽车的总体布置，又可以保证良好的离地间隙，改善汽车的通过性。
图1 米其林轮毂电机结构
2.基于轮毂电机的电动车底盘结构
轮毂电机车辆平台自身具有的线传控制特征，使整车布置和控制系统设计具有很大的柔性，这些优势得到了各国汽车厂商和研发机构的认同并都展开了相关的研究。不过受到安全法规的限制，现在与整车安全相关的线控技术还无法应用到量产车型当中。因此，目前对基于轮毂电机平台的线控电动汽车的研究主要还是处于概念车的开发和实验室研究阶段。
20世纪90年代初，最引人注目的就是米其林公司推出的主动车轮，其结构如图1所示。电动轮毂中有两个电动机，一个向车轮输出扭矩，另一个则是用于控制主动悬架系统，改善舒适性、操控性和稳定性。在两个电动机之间还设有制动装置，动力、制动和悬架都被集成在一起，结构相当紧凑。由于电动机的扭矩易于控制，如果配备四个米其林主动车轮便成为四驱系统，并且可以通过电脑对任何车轮的扭矩进行独立调节，仅需更多的传感器和更复杂的程序便能实现。主动车轮的另一个优势是能提供比傳统汽车更好的被动安全性。由于舍去了发动机和变速箱，车头的缓冲区将变得高效与充足。
图2 丰田公司i-unit概念车
图3 VOLVO公司提出的ACM车轮总成方案
丰田汽车公司从上世纪九十年代末开始进行轮毂电机驱动的纯电动车的开发，重点研究基于传统汽车底盘的轮毂电机电动汽车走向实用化的关键技术，如传统悬架、转向和制动系统等如何改进设计，以适应轮毂电机在车轮上的安装，全新结构的轮毂电机电动汽车的车体结构设计等[7]。丰田汽车公司在2005年推出了一款最小型的i-unit概念车，该车重180公斤，由锂离子电池通过后轮内的轮毂电机驱动[8]。前两转向车轮由独立电机控制，可实现正负90度转角，车辆最小转弯半径达到0.9米。i-unit采用电传操纵和侧面驾驶杆控制，比方向盘反应更加灵敏，车体高度和轴距根据上下车和不同速度驾驶的需要而自动调节，低速行驶时车体升高，驾车者视线几乎与站立时相同，可以轻松地在人群中穿行，高速时则自动降低重心，保持稳定，减少阻力。
瑞典VOLVO公司Chassis Engineering部门提出一种ACM（Autonomous Corner Module）车轮总成的构想。这种车轮总成集成轮毂电机，双转向执行机构，摩擦制动器、主动悬架系统和减震器。根据不同的车辆轴荷和应用场合，通过对执行器参数的调整，ACM可以支持不同类型全线控智能车辆。目前VOLVO已经对这种构想申请了专利保护[15]。
3.多轮驱动电动车的关键技术
尽管电动轮独立驱动的汽车在电动汽车领域存在很大优势，但却没有大规模的普及，甚至没有出现一款商品化车型。究其原因，除了生产成本偏高的因素外，更主要的是四轮独立驱动电动汽车在整车动力性及稳定可靠性等技术方面存在诸多问题，欲提高电动轮驱动电动车的整车性能，以下是必须解决的关键技术：
（1）轮毂电机及其控制技术。轮毂电机作为四轮独立驱动电动汽车的动力源，必须具有足够大的驱动转矩、合适的转速以及相应的调速范围，这样才能保障电动汽车拥有良好的动力性。
（2）驱动轮之间的电子差速技术。车轮在路面上保持纯滚动运动是最理想的状态，但是当汽车转弯或在不平路面上行驶时，由于汽车内外车轮的行驶路径长度不同，如果仍然要求内外车轮转速一致，必然会造成车轮的打滑和拖行。传统汽车是使用机械差速器解决这一问题的，它将内外车轮轮速进行重新分配，解决了轮胎过度磨损和功率循环等问题。但是机械差速器具有转矩平均分配的特性，致使汽车的内外车轮在不同路况下行驶时，极易出现打滑现象。对于四轮独立驱动的电动汽车各驱动轮之间的差速问题，可以采用电子差速技术来解决，较为常用的电子差速控制方法主要有两种：基于转速闭环的电子差速控制和基于转矩闭环的电子差速控制。目前的研究表明，基于转矩闭环的电子差速控制较为优越，控制效果较好，但是其控制算法较复杂、应用难度较大。 （3）整车牵引力控制技术。牵引力控制技术直接影响着整车驱动特性的优劣，是必须解决的问题。目前的牵引力控制策略大多是通过控制轮胎的滑转率来实现的，因为滑转率与附着系数在一定区域内成线性关系，从而通过调节驱动电机的输出转矩来改变车轮的转速，进而改变了轮胎的滑转率，使轮胎和地面之间具有良好的附着系数，控制车轮的附着特性，获得最大的驱动力，使汽车在不同路况下行驶时都具有良好的动力性能。四轮独立驱动电动汽车各车轮的驱动力可以实现单独控制，更有利于实现基于滑转率控制的牵引力控制策略。但是我们也应该认识到在实际运用中，滑转率的检测很困难。
（4）转矩协调控制技术。对于四轮独立驱动电动汽车，各个驱动轮之间没有机械部件的耦合关系，它们是独立存在的动力源。如何保证各驱动轮协调运转也是必须解决的问题。我们可以设计一个上位控制器，根据汽车的行驶状态和控制要求，对四个驱动轮重新分配转矩，这就是转矩协调技术，其主要包括单电机的转矩控制和多电机的同步协调控制。简言之转矩协调控制技术就是对各驱动轮的转矩进行协调控制，使车辆安全稳定的行驶。
4.基于CAN总线的多轮驱动电动车控制系统设计
本方案设计的电动汽车系统主要包括系统电源、两台轮毂电机控制器和汽车主控制器。整个系统由72V蓄电池供电，蓄电池输出作为轮毂电机母线，使用DC/DC反激式电源将母线上的高压转换为12V和5V的低电压向各个控制芯片供电。汽车主控制器完成系统输入信号的采样、控制算法的运行，使用CAN总线与两电机控制器通信，为电机控制器分配转矩;电机控制器按照主控制器给定的转矩驱动电机运行。
图4 电动汽车系统的硬件框图
电动汽车系统的硬件部分设计如图4所示，反激式电源输入72V的直流电，转换成一路5V直流电向主控制器和两部电机控制器供电，另有一路12V的直流电向电机驱动模块供电。主控制器通过AD接口和10接口检测系统输入，通过CAN总线与两个电机控制器通信。电机控制器根据接收到的信息通过输出PWM信号控制电机驱动板上的MOSFET来驱动72V轮穀电机。
电动汽车系统的软件部分包括电机驱动器中的电机控制程序，主控制器转向差速运算与转矩分配程序以及二者基于CANOPEN协议的通信程序，三块控制器均使用TMS320F28035型MCU。
图5 主控制器转矩分配函数流程图
图5所示是主控制器转矩分配函数的流程图，电动汽车正常直线行驶时，将转矩平均分配到两台轮毂电机上，转向时需要为两轮配置不同的转矩以实现差速控制的目标。在第三章中进行了电动汽车转向差速算法的研究与仿真，按照3.2小节中的控制策略编写程序。主控制器在同步窗口期内接收两电机控制器的速度信号，同步窗口结束之后调用转矩分配函数。转矩分配函数首先读取踏板和方向盘的模拟信号，根据踏板信号确定两电机的总转矩，再根据方向盘转向信号判断是否需要进行差速计算。如果转向信号较小，将总转矩平分给两电机;如果转向信号足够大，则需要进行转向差速计算，由车速信号和轮速信号得到两驱动轮的滑转率，根据两驱动轮滑转率之差计算出两驱动轮转矩分配的比例，再得到两轮的实际输出转矩。
5.總结
本文对基于轮毂电机的多轮驱动电动车的关键技术、底盘布局进行了探讨和分析。基于轮毂电机驱动的多轮电动车无需复杂的传动轴、分动器、差速器等机械装置，底盘重量大幅减轻且结构简单、步骤灵活。然而此类底盘对整车的控制系统要求较高，其控制除通常的车辆状态监测外还担负着驱动力分配、电子差速等及转矩控制等功能，因此对控制系统的实时性、可靠性和可扩展性有很高的要求。本文讨论了基于CAN总线架构的整车控制系统，给出了其硬件框图和转矩分配子系统的流程图，对后续实用系统的搭建提供了依据和技术支撑。
参考文献
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[3]盖世汽车研究院.全球电动车第三次浪潮涌动中国望成主导者.盖世汽车网[2010-8-30].
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[5]王康.电动汽车电动轮驱动系统控制技术的研究[D].武汉：武汉理工大学硕士论文，2007.
[6]周扬.基于DSP控制的电动车两轮驱动研究[D].杭州：浙江大学硕士论文，2005.
[7]国务院发展研究中心产业经济研究部.2009中国汽车行业发展报告.
[8]张西明.纯电动汽车控制系统[D].杭州：浙江大学硕士论文，2008.
[9]Manfred Mitschke，Henning Wallentowitz著.陈荫三，余强译.汽车动力学（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2010.
[10]葛英辉.轮式驱动电动车控制系统的研究[D].杭州：浙江大学博士论文，2004.
[11]冯建国.两后轮驱动的电动汽车控制的研究[D].武汉：武汉理工大学硕士论文，2007.
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