核心提示：　　目前，一些新穎的電動(dòng)汽車（EV）采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)方式，其代表是東京電力推出的IZA電動(dòng)車其中集成的技術(shù)是一種直接驅(qū)動(dòng)方法，每個(gè)輪裝的是輪轂電機(jī)，不再需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和差速齒輪，可按所需動(dòng)力來(lái)分配兩電機(jī)的

　　目前，一些新穎的電動(dòng)汽車（EV）采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)方式，其代表是東京電力推出的IZA電動(dòng)車其中集成的技術(shù)是一種直接驅(qū)動(dòng)方法，每個(gè)輪裝的是輪轂電機(jī)，不再需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和差速齒輪，可按所需動(dòng)力來(lái)分配兩電機(jī)的功率，因此整個(gè)系統(tǒng)的效率得以提高，同時(shí)，對(duì)于這種驅(qū)動(dòng)單元，需要一個(gè)電子差速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　現(xiàn)有的相關(guān)研究很少，其中大部分集中在帶有差速運(yùn)行的特殊電機(jī)的設(shè)計(jì)上。本文通過(guò)對(duì)汽車差速現(xiàn)象的分析，提出了一種新的適用于中低速運(yùn)行的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車電子差速方案，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F2407DSP（兩個(gè)事件管理器模塊12路全比較PWM輸出能夠?qū)崿F(xiàn)控制兩臺(tái)電機(jī)）的雙輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，廣泛用于確定車輛的驅(qū)動(dòng)策略（見(jiàn)寧波市科委青年基金資助項(xiàng)目可知，車輛純滾動(dòng)時(shí)內(nèi)外側(cè)輪的轉(zhuǎn)速比即為轉(zhuǎn)彎半徑比，這個(gè)模型只進(jìn)行了靜態(tài)分析，沒(méi)有考慮輪胎的影響，忽略了車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的離心力和向心力。按這個(gè)模型提出了電子差速方案，本文分析認(rèn)為其不夠合理，從上述結(jié)構(gòu)模型可知，在給定轉(zhuǎn)角的情況下，四個(gè)輪速和整車速度五個(gè)量的自由度為1，因此，如果同時(shí)對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，實(shí)際系統(tǒng)稍有誤差，將產(chǎn)生矛盾，導(dǎo)致被控各個(gè)車輪之間滑移率不同甚至?xí)谢D(zhuǎn)出現(xiàn)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響整車的效率和最大功率輸出。

　　綜上所述，本文認(rèn)為輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車電子差速不宜采用車輪速度作為控制變量。

　　2.2新的電子差速控制方案本文設(shè)計(jì)的電子差速方案，考慮轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪的垂直載荷的變化，以使兩驅(qū)動(dòng)輪的附著率相等為目標(biāo)，并以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使得車輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性減到最小。考慮風(fēng)阻力和輪胎側(cè)向力的作用等多種因素，在給定總功率輸出下，本文對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真，結(jié)果如所示，可見(jiàn)在轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角都較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩分配比例變化較大，此時(shí)車體運(yùn)動(dòng)的離心力產(chǎn)生的側(cè)翻力矩起了決定性的作用。

　　車輛轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)矩分配比仿真結(jié)果進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮離心力對(duì)垂直載荷的影響。由汽車動(dòng)力學(xué)分析可知，對(duì)于靜止或筆轉(zhuǎn)彎時(shí)離心力產(chǎn)生的側(cè)向翻滾力矩為轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)后車輪的載荷為N3二可以證明，對(duì)于<0.7的車體和<30的轉(zhuǎn)彎狀況，以r=估算，其誤差在5%以內(nèi)。

　　故在此條件下，可得轉(zhuǎn)矩比為式（6），其仿真結(jié)果如所示，可以看出在中低速和轉(zhuǎn)角不過(guò)大的條件下，這種簡(jiǎn)化的計(jì)算可以滿足工程要求。

　　簡(jiǎn)化的車輛轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)矩分配比仿真結(jié)果控制踏板輸入相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩控制指令，采用線性調(diào)節(jié)負(fù)反饋的電流控制，從的控制框圖得出輸出特性如式（7）所示，機(jī)械特性如所示，和內(nèi)燃機(jī)汽車的踏板控制比較類似，有與傳統(tǒng)汽車類似的駕駛感覺(jué)。

　　轉(zhuǎn)矩控制框圖本文所設(shè)計(jì)的基于DSP2407的電子差速控制系統(tǒng)總體框圖如所示。功率電路采用半橋調(diào)制方式，可以降低逆變器的開關(guān)損耗，三相Y聯(lián)接的無(wú)刷直流方波輪轂電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通方式，即每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔60°電角度換相一次，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。DSP選用美國(guó)德州儀器公司的電機(jī)微控制器TMS320X2407，其采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降到3.3V，減小了控制器的功耗，兩個(gè)事件管理器模塊12路全比較PWM輸出能夠?qū)崿F(xiàn)控制兩臺(tái)電機(jī)，由于DSP片內(nèi)的資源豐富，如具有AD轉(zhuǎn)換等功能模塊，使控制電路大為簡(jiǎn)化。限于篇幅，本文著重介紹設(shè)計(jì)中幾個(gè)方面。

　　3.2新的半橋調(diào)制時(shí)相電流檢測(cè)方法針對(duì)本系統(tǒng)采用兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式，PWM調(diào)制采用半橋調(diào)制方式，在PWM無(wú)效期間直流端電流為0，所以在PWM有效期間進(jìn)行電流信號(hào)采樣，才可以有效地檢測(cè)到電機(jī)的相電流，本文通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的改進(jìn)，簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了單電流傳感器檢測(cè)相電流。為AD轉(zhuǎn)換的時(shí)序示意圖，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：電流傳感器放在直流端，通過(guò)設(shè)定DSP控制字ACTRA/B使PWM信號(hào)高電平有效，DSP的通用定時(shí)器T1設(shè)定為連續(xù)加減控制系統(tǒng)總體框圖PWM周期=連續(xù)加減計(jì)數(shù)模式MOSFET上的PWM信號(hào)相電流示意圖直流端；電流"示意圖DSP2407的控制器是3.3V，但其和5V的接口電路不可避免，現(xiàn)有的3.35V的轉(zhuǎn)換芯片價(jià)記數(shù)方式每51期中斷為個(gè)電流采publi的方法，檢測(cè)到的電流值與實(shí)際的電流平均值更為接近。另外，由于DSP2407的特點(diǎn)，為了降低ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間，電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)常規(guī)的濾波放大后再加一級(jí)射極跟隨器電路，這樣信號(hào)端的輸出電阻很小，同時(shí)，通過(guò)改變ADCTR1的寄存器中的ACQPS3ACQPS0位段域和CPS位來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整2407器件ADC的采樣和保持模塊來(lái)適應(yīng)信號(hào)阻抗的變化，這樣可以在保證采樣精度的同時(shí)盡可能選取轉(zhuǎn)換時(shí)間短的設(shè)定，以適應(yīng)PWM脈寬小的情況。

　　DSP的輸入腳有時(shí)有內(nèi)部的上拉或下拉電路，這樣，它不影響接口電路的阻抗計(jì)算，但是影響DC偏置計(jì)算做。給出了幾個(gè)接口方法，為簡(jiǎn)化分析，不考慮內(nèi)部的上拉或下拉。

　　3V的接口電路當(dāng)TTL器件最大供電電壓是5.25V，在額定電流時(shí)TTL輸出的高電壓是3.4V，空載時(shí)是4.05V；因此如考慮元件之間的最大壓差，假定DSP供電電壓是3.0V最大容許電壓是3.3V，邏輯高電平的最大壓差是0.75V.如果電流限在75M，在DSP與TTL之間加一10k的電阻足夠了，這產(chǎn)生了小的RC延時(shí)（10knx5pF=5Qns），除了CAN總線，這種延時(shí)可以忽略，也可用更大電阻降低電流，但延時(shí)變長(zhǎng)噪音抑制能力變差。

　　當(dāng)供電電源是5.25V時(shí)，5VCMOS輸出空載時(shí)是5.25V，所以邏輯高電平時(shí)壓差是1.95V，因此要加分壓電路，如果電阻減小輸入電阻也小。

　　因?yàn)镈SP的輸出是TTL兼容，不需要特別的電路，TTL的高低邏輯是2.4V到0.8V，而3.3V CMOS的輸出高低邏輯是2.8V到0.4V，這中間有很大的域度，許多電機(jī)控制芯片是5V供電TTL輸出到5VCMOS輸入：這之間需要電平平移，當(dāng)R1是10k時(shí)，CMOS輸出是0.2V到3.3V，經(jīng)D1的平移，輸出是0.8V到3.9V，5VCMOS輸入的門檻電壓是1V到3.5V，中間還有0.2到0.4的域度。同時(shí)，有小的延時(shí)存在。

　　3.4改進(jìn)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法本系統(tǒng)的永磁無(wú)刷輪轂電機(jī)帶有霍爾傳感器，使用方便且價(jià)格低廉。但是，對(duì)于功率較大的電機(jī)，當(dāng)繞組電流較大時(shí)，一方面將影響永磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)使其空間位置偏移，一方面由于換相電流沖擊影響位置傳感器附近的磁場(chǎng)分布，這兩種情況都使得霍爾位置傳感器的信號(hào)產(chǎn)生誤差，甚至因干擾不能正常工作。通常此類電機(jī)的控制方案是把三路位置傳感器輸出接DSP器件的捕獲單元，本系統(tǒng)中兩個(gè)電機(jī)的六路位置傳感器信號(hào)如使用捕獲單元就需要涉及4個(gè)定時(shí)器及相應(yīng)中斷的使用。本系統(tǒng)摒棄這種常規(guī)方法，將位置傳感器輸出接DSP的/O口，在產(chǎn)生PWM的定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序中讀I/O口的狀態(tài)，判斷兩電機(jī)相應(yīng)的位置信號(hào)，并與前次位置信號(hào)對(duì)比，采取弱延遲換相和換相鎖定技術(shù)，即在檢測(cè)到位置改變時(shí)并非立即換相，而是繼續(xù)在微小間隔內(nèi)進(jìn)行若干次位置檢測(cè)，進(jìn)一步判定是否確實(shí)處于換相的位置，當(dāng)確定換相操作后，在一微小間隔內(nèi)無(wú)論轉(zhuǎn)子位置信號(hào)有無(wú)變化，都不再進(jìn)行換相。這樣既保證了換相處理的準(zhǔn)確性，相對(duì)于使用捕獲單元，軟件設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)中PWM的開關(guān)頻率為15kHz，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是340r/min，所以定時(shí)器下溢中斷間隔相對(duì)于電機(jī)最小換相時(shí)間間隔足夠小。

　　主程序部分完成系統(tǒng)初始化，兩電機(jī)電流AD采樣結(jié)果的處理，兩驅(qū)動(dòng)輪輪速計(jì)算，車體速度估算，電子差速算法及實(shí)施。

　　T1定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序中完成從I/O口分別讀取兩個(gè)電機(jī)位置信號(hào)，并完成上述的弱延遲換相和換相鎖定，設(shè)定兩個(gè)電機(jī)的ACTRA/B控制字，啟動(dòng)車體轉(zhuǎn)角的AD采樣等。

　　T1定時(shí)器周期中斷十次啟動(dòng)相應(yīng)的兩個(gè)電機(jī)的電流AD米樣等。

　　集成模塊IR2130.兩個(gè)電機(jī)的電流、過(guò)電壓、欠電壓等保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)先硬件封鎖其對(duì)應(yīng)的IR2130的輸出，同時(shí)接對(duì)應(yīng)的DSP的PDPINTA或PD-PINTB腳。在DSP的相關(guān)書中，對(duì)PDPINT電源中斷未有具體使用說(shuō)明，本文根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，總結(jié)了TI2407DSP的PDPINTA/B電源中斷的特點(diǎn)，說(shuō)明如下：PDPINTA或PDPINTB管腳信號(hào)為下降沿有效，相應(yīng)的PWM輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，這種高阻狀態(tài)在程序復(fù)位后才可以解除，同時(shí)，此管腳信號(hào)的下降沿同時(shí)產(chǎn)生中斷申請(qǐng)，如果相應(yīng)的中斷未被屏蔽，則進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成相應(yīng)的故障發(fā)生后的后臺(tái)處理，中斷服務(wù)程序完成后程序繼續(xù)運(yùn)行，但對(duì)ACTRA/B的改動(dòng)不會(huì)影響其輸出。本設(shè)計(jì)在電源中斷服務(wù)程序中進(jìn)行故障分析并給出故障指示，如果故障沒(méi)有解除則此循環(huán)檢測(cè)，故障解除后程序跳轉(zhuǎn)到0000H復(fù)位。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果（b）是直線運(yùn)行時(shí)兩電機(jī)的電流，由于從電流波形的頻率可以換算到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以看出此時(shí)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速基本相同，（c）是轉(zhuǎn)角為5°時(shí)兩電機(jī)的電流，此時(shí)外側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于內(nèi)側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)轉(zhuǎn)速高于內(nèi)側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了良好的電子差速控制。