双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制
双绕组切换型轮毂电机的结构设计及控制孙振杰;许东来;万梦;郑然【摘要】In order to improve the maximum mileage, maximum speed, the performances of starting and climbing of the wheel hub motor for electric vehicle, the control system of the double-windings series-parallel switched wheel hub motor was designed. The motor type selection and the pole pairs were analyzed. And the motor performances with low speed high torque and wide-range speed were analyzed. Two sets of stator windings were adopted for motor, and double-windings series-parallel switched circuit was analyzed and designed. Two sets of stator windings were adopted for motor, and double-windings series-parallel switched circuit was analyzed and designed. As a result, the motor can run with high speed when the windings are in parallel operation. When the windings are in serial operation, the motor torque can increase by one time with the same bus current, which can avoid damaging the power system and motor body. The double-windings wheel motor speed control system was studied, which meets the electric vehicle running conditions. The double-windings wheel motor control system simulation model was established in MATLAB/Simulink platform. The simulation results show that the windings series-parallel switched can make the motors have good mechanical properties and meet the performance requirements for electric vehicle.%为提高轮毂电机电动汽车的最大续驶里程、最大转速、起动性能及爬坡性能，设计了双绕组串并联切换的轮毂电机控制系统。
对电机种类选型及极对数进行分析，对电机低速大转矩及宽范围调速进行原理分析，提出电机采用两套定子绕组，对双绕组串并联切换电路进行设计与原理分析。
实现绕组并联运行时，使电机能够高速运行；串联运行时，同样母线电流下电动机转矩增大一倍，避免起动电流过大对电源与电机本体造成损坏。
对双绕组轮毂电机调速控制系统进行研究，使其满足电动汽车运行条件。
在MATLAB/Simulink平台上建立双绕组轮毂电机控制系统仿真模型。
仿真结果表明：通过绕组串并联切换能够使电机具有较好的机械特性，能满足电动汽车的性能要求。
【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P40-44)【关键词】轮毂电机;绕组切换;控制系统;仿真分析【作者】孙振杰;许东来;万梦;郑然【作者单位】北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TM3030 引言能源与环境问题已成为制约经济和社会发展的重要因素，我国汽车工业的快速增长所产生的环境污染问题愈来愈严重，迫切需要发展新能源汽车。
新能源汽车的驱动技术是目前研究热点，其中轮毂电机技术具有较好的发展前景。
轮毂电机是新能源汽车的一种动力驱动装置，放在车轮内部直接驱动车轮旋转，其性能的好坏直接影响新能源汽车的性能[1]。
目前，国内外对轮毂电机技术的研发已取得一定研究成果，已研发出装备轮毂电机的电动汽车。
电机结构受车辆车轮内部空间的限制及电池技术的制约，仍存在一系列问题，如汽车的最大续驶里程问题、最大转速问题、汽车的起动性能及爬坡性能等。
这些问题会对汽车造成较大影响，要求电动汽车起步及低速时电机可提供较大的转矩，从而改善汽车起动、爬坡和加速性能[2]。
市面上常用的普通电机，承载大扭矩时需要大电流，容易损坏电池及电机内部的永磁体[3]。
为使汽车有较好的动力性，电动机还须具有很宽的转矩和转速调节范围，故要求轮毂电机具有转速范围大，低速大转矩，轻载高速的软特性[4]。
本设计中提出采用一种新型电机，即电机内部设置两套绕组，且可通过开关实现双绕组串并联切换，从而改善电机性能，实现较大幅度扩大电机的转速范围。
通过串并联换接可保证母线电流不变的情况下转矩提升一倍，避免大电流损坏电机及电源系统，有效改善电动汽车的低速爬坡及起动加速能力。
1 轮毂电机的结构设计1.1 电机本体的选型轮毂电机按驱动形式主要分为减速驱动及直接驱动。
减速驱动型轮毂电机采用电机与减速装置相结合，该类型轮毂电机具有效率高、功率比高、输出扭矩大、爬坡性能好等优点；但需要较紧凑的结构来适应汽车空间，较好的润滑来降低齿轮磨损及噪声的产生。
直接驱动式轮毂电机，多采用外转子电机，由电机外转子直接带动轮毂旋转，其结构简单、轴向尺寸较小、响应速度变化较快，但对于起动和爬坡扭矩需求具有一定缺陷。
由于受汽车底盘空间限制，要求在同等性能参数下减小轮毂电机的轴向尺寸。
目前，应用于电动轮毂的电机主要有永磁电机、异步电机、开关磁阻电机及横向磁通电机。
永磁电机与其他电动机相比，具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点[5]，且可制造成扁平状及盘式结构，故可作为轮毂电机的最佳选择。
本设计采用直接驱动型外转子永磁无刷直流电动机。
1.2 电机槽极数的确定本文研究的直驱型轮毂电机，采用外转子永磁无刷直流电动机。
转子磁极采用钕铁硼永磁材料，表面式结构。
由于轮毂电机受车轮尺寸限制，当确定电机主要尺寸后，考虑运行性能及经济指标，选取较多极数，可使每极磁通减少，电枢轭及定子轭部减少，用铜用铁量减少[6]。
此外，关于电机绕组结构，分数槽绕组较整数槽绕组具有更突出的优点，将其应用于无刷直流电动机有利于改善电机性能，可实现节能、节材、小型化、轻量化。
分数槽集中绕组槽极数组合Z/2P=9/8有较高的LCM值[6]，意味着该组合有较低的齿槽转矩。
本设计中考虑8极9槽，16极18槽，24极27槽3种方案，并通过Ansys建模分析比较。
几种槽极数电机的磁力线图如图1所示。
由图知，只有当P=8时，齿部漏磁较少，定子受力均匀。
综上所述，本设计选取P=8，即16极18槽。
图1 几种槽极数电机的磁力线图2 双绕组轮毂电机原理分析及串并联切换电路设计根据采用轮毂电机技术的汽车起动与爬坡对电机性能的要求，本设计中选用永磁无刷直流电动机。
通过分析永磁无刷直流电机的电磁转矩、电枢电流、反电动势及转速等特性，提出电机采用两套定子绕组，并通过开关电路实现双绕组的串并联切换，以实现宽调速及大转矩输出时不产生过大电流，从而改善电机性能。
对于三相六状态无刷直流电机，反电动势为(1)式中：WΦ——电枢绕组每相串联匝数；P——极对数；αi——计算极弧系数；Φδ——每极磁通量；n——电机转速。
电机的电磁转矩为(2)式中： Ia——每相绕组电流；Ω——转子的机械角速度，Ω=2πn/60。
由式(2)可知，增大电机输出转矩须增加电机绕组匝数或者增大绕组电流，而绕组电流过大不利于电源系统及电机本身，易造成电机及电路损坏。
为减小绕组电流，须加大电机绕组匝数。
当汽车运行在平滑路面，或高速道路上时，要求轮毂电机具有较高的转速来适应汽车的高速运行。
在较高绕组匝数运行情况下，某一速度运行时反电动势变得很大，几乎等于蓄电池的最高工作电压，而此时的速度并没有达到最高的转速要求[5]。
可知永磁无刷直流电动机星形连接时，为降低电机及蓄电池的工作电流可提高反电动势，但提高反电动势会给系统的高速运行段带来了限制。
轮毂电机绕组设计上须考虑该两大问题，若能将两问题结合起来，便可完善电机的性能要求。
本设计中提出电机采用两套绕组。
当汽车处于起动及爬坡状态需要输出大转矩时，采用两套绕组串联，增大绕组匝数实现大转矩小电流输出；当汽车处于平稳运行状态时，通过外部电路开关切换，将两套绕组由串联改为并联状态从而实现汽车高速运行。
本设计中双绕组轮毂电机的外部绕组串并联切换电路如图2所示。
图中左半部分为无刷直流轮毂电机逆变电路，为常规六开关三相逆变器结构；右半部分为电机绕组串并联切换电路，通过控制开关导通实现绕组串并联切换。
切换开关采用3个三相交流固态继电器，分别为SSR1、SSR2、SSR3，其集3只单相交流固态继电器于一体，输入与输出由光耦隔离，并以一组控制端对三相负载进行直接开关切换。
控制端由DSP输出逻辑信号控制。
图2 双绕组轮毂电机的外部绕组串并联切换电路3 双绕组轮毂电机调速控制的实现汽车轮毂电机根据驾驶人意图工作在不同的工况，主要分为高速运行及低速运行。
在较拥堵的城市道路须不断起、停动作时，由于电机直接带动车轮旋转，故须电机不断开起、关闭，易造成电机及电路的损坏。
该阶段电机宜采用低速运行模式。
在路况较好的情况下，需要较高车速行驶时，电机处于高速运行模式。
无刷直流电机在这两种工况下，三相绕组均采用星形连接，并工作在两相导通120°三相六状态方式[7]。
控制系统采用TMS320F2812 DSP作为核心控制器件。
驾驶人对汽车操作后，由控制器负责处理采集数据和发送控制命令。
双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及绕组切换方法
双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路及绕组切换方法一、双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路
该控制电路的主要组成部分包括：
1.包括两个绕组的无刷直流电机
2.用于控制电机的电子换向电路
3.用于控制PWM信号的微控制器或数字信号处理器
4.电机驱动电路
在双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路中，通过改变PWM信号的频
率和占空比，可以实现电机的正反转、调速等功能。
将PWM信号输入到电
机驱动电路中，电机驱动电路根据PWM信号的变化，产生相应的驱动信号，控制电机的运行。
绕组切换是指在双绕组无刷直流电机倍频斩波控制电路中，选择不同
的绕组进行驱动，以实现电机速度调节及反馈控制。
绕组切换方法主要有两种：
1.连续绕组切换：即在电机运行过程中，通过改变PWM信号中的相位
延迟，实现绕组的切换。
具体操作是，在电机运行的一个周期内，分别对
两个绕组的电流进行切换，使其中一个绕组的电流值逐渐增加，而另一个
绕组的电流值逐渐减小。
通过连续的绕组切换，可以实现电机的平滑运行
和调速控制。
2.离散绕组切换：即在电机运行过程中，通过改变PWM信号的周期，
实现绕组的切换。
具体操作是，在电机运行的一个周期内，分别对两个绕
组的电流进行切换，使其中一个绕组的电流值为零，而另一个绕组的电流值达到最大。
通过离散的绕组切换，可以实现电机的高效率运行和速度调节。
在实际应用中，根据电机的需求和控制要求，可以选择合适的绕组切换方法。
绕组切换的选择，既需要考虑电机的性能要求，又需考虑控制电路的可靠性和稳定性。
双绕组电机结构
双绕组电机结构
双绕组电机结构是一种常见的电机结构，它由两个绕组组成，每个绕组独立工作。
其中一个绕组是主绕组，用来产生磁场；另一个绕组是励磁绕组，用来提供磁通量。
这种结构的电机通常具有高效率、高功率密度和高转矩密度等优点。
下面将详细介绍双绕组电机结构的组成和工作原理。
双绕组电机结构通常由定子和转子两部分组成。
定子内部有两个绕组，即主绕组和励磁绕组。
主绕组通常由三个相位的绕组构成，分别为A、B、C相。
励磁绕组则通常只有一个，由直流电源供电。
转子则由永磁体和导体构成，其中导体通常是铜或铝材质。
在电机工作时，励磁绕组通常会产生一个磁场，该磁场会穿过定子和转子，使得转子内部也会产生一个磁场。
同时，主绕组也会被通电，它产生的磁场会与转子内部产生的磁场相互作用，从而产生转矩，使得转子开始旋转。
当转子旋转时，导体中的电流也会随之变化，产生一个感应电动势，这样就完成了电能转换为机械能的过程。
总的来说，双绕组电机结构具有较高的效率和功率密度，因为它可以将励磁和主磁场分别控制，从而更有效地利用了电能。
此外，由于转子通常由永磁体和导体组成，因此在一定程度上也降低了电机的损耗。
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轮毂电机的设计与控制技术研究
轮毂电机的设计与控制技术研究轮毂电机是一种新型的电动车辆驱动方式，通过将电机直接嵌入车轮内部，可以实现对车轮的直接驱动，从而提高传动效率和动力响应速度。
在当前汽车电动化的大趋势下，轮毂电机已经成为了电动汽车行业的一大研究热点。
一、轮毂电机的设计原理轮毂电机的核心部件是电机转子和定子，转子直接嵌入车轮内部，定子则安装在车轮周围的车轮轮毂上。
电机控制器负责对转子的旋转进行控制，控制器可以通过外部的传感器来感知车辆的速度和加速度，并根据这些数据来调整电机的输出电流，从而实现对车辆的加速和制动控制。
轮毂电机的优点在于可以大大减少传动系统的能量损耗，提升车辆的动力响应速度和行驶里程，同时还可以简化车辆的设计结构和维护保养难度。
轮毂电机的缺点则在于重量较大，且整个电机需要承受车轮的旋转惯性和扭矩负载，需要使用高强度的材料来进行制造和加强。
二、轮毂电机的实现技术轮毂电机的实现技术主要包括电机转子的制造和安装、电机控制器的设计和硬件实现、车轮加强结构的设计和制造等多个方面。
在转子制造方面，采用高效的磁钢材料和高精度的加工工艺可以提高转子的转动效率和对电磁场的响应能力，从而实现更高效的电机输出和驱动效果。
在控制器方面，则需要采用先进的数字信号处理技术和动态控制算法，以提高电机控制的稳定性和响应速度，同时还需要考虑如何降低控制器的功率损失和噪声干扰，以保证电机的长期运行可靠性。
在车轮加强结构方面，则需要使用高强度的材料和轮毂设计来支撑电机和车轮的重量和旋转惯性，从而提高整车的强度和稳定性。
三、轮毂电机的应用前景轮毂电机作为一种新型的电力驱动技术，已经引起了全球汽车行业的广泛关注。
在中国企业中，比如比亚迪、蔚来等新能源汽车厂商已经开始大力研究和应用轮毂电机技术，并陆续推出了配备轮毂电机的电动车型。
未来，随着电动汽车市场的不断扩大和普及，轮毂电机技术将成为各大厂商竞争的重点，成为推动电动汽车技术进步和发展的核心引擎。
总结轮毂电机在实现电动汽车高效驱动和减少能源损耗等多个方面有着巨大的优势，是电动汽车发展的一个重要方向。
轮毂电机的原理与结构
轮毂电机的原理与结构一、轮毂电机的工作原理轮毂电机是电机嵌在车轮轱辘里，定子固定在轮胎上，转子固定在车轴上，一通电则定转子相对运动。
电子换相器(开关电路)根据位置传感器信号，控制定子绕组通电顺序和时间，产生旋转磁场，驱动转子旋转。
二、轮毂电机的结构1、定子铁心定子铁心是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。
一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。
半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。
一般用于小型低压电机中。
半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。
所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。
开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。
2、定子绕组定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。
由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内，保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘。
对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。
相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。
匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。
3、机座机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件，固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。
封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。
4、转子铁心三相异步电动机的转子铁心作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组，所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成。
硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组，通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。
一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机(转子直径在300~400毫米以上)的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。
双绕组电机结构
双绕组电机结构电机作为一种将电能转化为机械能的设备，在现代工业中应用广泛。
在各种类型的电机中，双绕组电机是一种常见且重要的结构。
本文将介绍双绕组电机的结构特点和工作原理。
双绕组电机由两个线圈组成，分别称为主绕组和辅助绕组。
主绕组是电机的主要工作部分，用于产生电磁力，驱动电机运转。
辅助绕组则用于辅助电机的起动和控制。
双绕组电机的主要结构包括定子和转子两部分。
定子是电机的固定部分，由铁芯和绕组组成。
铁芯通常采用硅钢片制成，具有较高的磁导率和低的磁滞损耗，以提高电机的效率。
绕组则是由导线绕制而成，通常采用铜线，以具备良好的导电性能。
转子则是电机的旋转部分，通常由铁芯和导体组成。
铁芯通常采用钢材制成，以提高转子的磁导率。
导体则是由铜或铝制成，具有良好的导电性能。
转子通过定子产生的磁场作用下，受到电磁力的作用而旋转。
双绕组电机的工作原理是基于电磁感应和洛伦兹力的相互作用。
当电机通电时，主绕组中的电流与辅助绕组中的电流产生磁场。
根据洛伦兹力的作用原理，电流在磁场中会受到力的作用。
这个力会使得转子旋转，从而实现电能到机械能的转换。
双绕组电机具有许多优点。
首先，由于采用了双绕组结构，电机的性能和效率得到了提高。
主绕组和辅助绕组分别承担不同的功能，使得电机的工作更加稳定和可靠。
其次，双绕组电机具有较低的能耗和较高的效率，节约了能源资源，降低了运行成本。
此外，双绕组电机的结构紧凑，体积小，适用于各种空间有限的场合。
总结起来，双绕组电机是一种结构简单、性能稳定的电机。
其主要结构包括定子和转子两部分，通过电磁感应和洛伦兹力的相互作用实现电能到机械能的转换。
双绕组电机具有较高的效率、较低的能耗和较小的体积，适用于各种工业和家用领域。
随着科技的不断进步，双绕组电机的结构和性能还将不断改进和优化，为人们的生产和生活提供更好的服务。
双绕组电机结构
双绕组电机结构
双绕组电机是一种比较普遍的电机结构，在工业生产和日常生活中都有着广泛的应用。
其结构复杂，但是具有很多优点，比如高效、节能、耐用等等。
下面我们就来详细介绍一下双绕组电机的结构和工作原理。
一、双绕组电机的结构
双绕组电机的结构主要包括两个部分：定子和转子。
定子包括铁芯、绕组和压紧件。
绕组通常由两组绕组叠加在一起，在铁芯上依次绕制。
转子由纯铝或铜制成，其中的导体线圈包裹在铁芯中心轴上，并与定子绕组相对应。
通过电流的通断，使得永磁体所产生的磁场改变，进而使定子的磁场随之改变，最终导致转子做出运动。
在双绕组电机中，定子和转子的绕组都是电磁绕组，通常采用三相对称绕组和两相对称绕组。
二、双绕组电机的工作原理
双绕组电机工作时，一组绕组在电流交变的作用下形成的磁场为旋转磁场，另一组绕组则形成静止磁场。
由于两磁场相互作用，导致转子运动，最终通过输出轴和负载相连，产生输出功率。
同时，电机转子的位置对应的磁场能够通过传感器检测到，采用反馈回路，达到电机控制的目的。
三、双绕组电机的优点
1、能够更好地适应不同的工况，满足各种工作需要。
2、具有较高的效率和稳定性，能够保证固定转速。
3、具有较大的功率因数和较小的损耗，能够在深度节能的同时，保证一定程度的经济性。
4、具有较低的噪音和震动，更加适合在生产和生活场合使用。
总之，双绕组电机是一种非常重要的电机类型，广泛应用于机械制造、电力系统、交通运输等领域。
通过了解其结构和工作原理，我们能够更好地理解其优点和局限性，实现更加科学的应用和设计。
轮毂电机的原理与结构
轮毂电机的原理与结构
轮毂电机是一种将电机放置在车辆轮毂中的设计，它通过直接驱动车轮来提供动力。
它与传统的内燃机驱动车辆的方式不同，不需要传动系统，因此具有许多优势。
轮毂电机的工作原理是将电能转化为机械能，从而驱动车轮旋转。
它的结构包括电机、转子、定子、轴承和车轮。
电机是轮毂电机的核心部件，它通过电流的流动产生磁场。
转子是电机中可转动的部分，它通常由永磁体构成，当电流通过转子时，转子受到磁场力的作用而旋转。
定子是电机中固定的部分，它包括定子铁核和定子线圈。
定子线圈是将电流引入电机的部分，当电流通过定子线圈时，它产生的磁场与转子的磁场相互作用，使转子旋转。
在轮毂电机中，转子和定子通过轴承连接在一起。
轴承使转子能够在定子的周围旋转，从而驱动车轮转动。
同时，轴承还减少了转子和定子之间的摩擦，提高了电机的效率。
最后，车轮连接到轮毂电机的输出轴上。
当电机工作时，转子的旋转力将通过轴承传递到车轮上，从而驱动车辆前进。
总之，轮毂电机通过将电能转化为机械能，直接驱动车辆轮毂来提供动力。
它的结构包括电机、转子、定子、轴承和车轮。
通过这种设计，轮毂电机消除了传统传动系统的需求，并具有高效率、低噪音和更好的操控性能等优点。
轮毂电机的原理与结构
轮毂电机的原理与结构轮毂电机是一种集成在车辆轮毂内部的电动机，它是电动汽车和混合动力汽车的重要组成部分。
轮毂电机直接驱动车辆轮毂，具有结构简单、传动效率高、空间利用率高等优点，被广泛应用于新能源汽车领域。
本文将介绍轮毂电机的原理与结构。
轮毂电机的原理。
轮毂电机是一种直接驱动车轮的电动机，它通过电能转换为机械能，驱动车辆前进。
轮毂电机的工作原理与传统的电动机相似，它利用电磁感应原理产生转矩，驱动车轮转动。
轮毂电机通常采用永磁同步电机或异步电机，通过控制电流大小和方向来实现对车轮的精准控制。
轮毂电机的结构。
轮毂电机由定子和转子组成。
定子是固定在车辆底盘上的部件，它包括定子铁芯和定子线圈。
定子铁芯是由硅钢片叠压而成，用于集中电磁感应线圈的磁场。
定子线圈则是通过电流来产生磁场，从而与转子产生电磁力。
转子则是安装在车轮轴上的部件，它包括转子铁芯和永磁体。
转子铁芯也是由硅钢片叠压而成，用于集中永磁体的磁场。
永磁体则是通过永久磁铁产生磁场，与定子线圈产生电磁力。
轮毂电机的结构紧凑，整体集成在车轮内部，具有空间利用率高的优点。
同时，由于轮毂电机直接驱动车轮，省去了传统传动系统中的传动轴、传动齿轮等部件，传动效率高，能量损耗小。
轮毂电机在新能源汽车领域的应用。
轮毂电机作为新能源汽车的动力系统之一，具有结构简单、传动效率高、空间利用率高等优点，被广泛应用于电动汽车和混合动力汽车中。
它不仅提高了车辆的整体能效，还减少了传统传动系统的维护成本。
此外，轮毂电机还可以实现对车轮的精准控制，提高了车辆的稳定性和安全性。
总结。
轮毂电机作为新能源汽车的重要组成部分，具有结构简单、传动效率高、空间利用率高等优点。
它的工作原理是利用电能转换为机械能，驱动车辆前进。
轮毂电机的结构紧凑，整体集成在车轮内部，具有空间利用率高的优点。
轮毂电机在新能源汽车领域的应用，不仅提高了车辆的整体能效，还减少了传统传动系统的维护成本，提高了车辆的稳定性和安全性。
基于轮毂电机的多轮驱动电动车控制系统设计
基于轮毂电机的多轮驱动电动车控制系统设计【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。
双轮毂电机整车控制器的设计与实现
双轮毂电机整车控制器的设计与实现沈璟虹（无锡科技职业技术学院中德机电学院，江苏无锡214101）摘要：针对采用双轮毂电机独立驱动的微型客车，选择CAN 总线通信，以飞思卡尔K60系列单片机设计其整车控制器，用模块化的设计思路，对整车控制器系统完成了硬件和软件的设计，并通过台架测试，验证设计方案可实现.关键词：轮毂电机；飞思卡尔K60；CAN中图分类号：U463.2文章标识码：A文章编号：1673-1972（2017）06-0035-050引言随着全球能源危机及环境污染的加剧，新能源汽车的研究已经迫在眉睫.从工信部获得数据，2015-2017年上半年，国内共有超过200个新能源汽车整车生产项目落地，涉及投资金额超10000亿元人民币，已公开的产能规划超2000万辆，新能源汽车的开发和应用是当前的政策和投资热点.在各种混合动力、纯电动汽车中，由轮毂电机驱动的纯电动汽车，以其节能、高效、零排放的优势[1]，成为近年关注和研究的重点，而由双轮毂电机驱动的纯电动客车核心部件是整车控制器.1整车参数及性能指标1.1纯电动客车整车参数由企业提供的纯电动客车参数及要求为：整车质量1637kg 、滚动阻力系数0.01、动力系统传递效率为1、滚动半径0.3069m 、迎风面积2.65m2、旋转质量换算系数1.1、空气阻力系数0.45、电池效率0.86.研究其参数不难发现，该款客车的原型应该为某城市主流微型客车，预测企业的开发意图为验证传统内燃机汽车，在仅改变动力系统而不改变整车参数的情况下是否可行.针对这一点，项目组对整车控制器的设计过程中，也参考该款主流客车的结构特点和性能特征，针对性更强且更合理.1.2纯电动客车性能指标企业对整车的性能指标要求为：在坡度为0的工况下，1km 最高平均车速达85km/h ；在坡度为0的工况下，30min 持续行驶的最高平均车速达65km/h ；在坡度为0的工况下，0-50km/h 加速时间不超过10s ；在坡度为0的工况下，50-80km/h 加速时间不超过16s ；在坡度为4%的工况下，速度能达到30km/h ；在坡度为12%的工况下，速度能达到15km/h ；在坡度为20%的工况下，速度能达到10km/h ；要求车速60km/h 的工况下，续航里程达180km.对比传统内燃机原型的性能要求，发现企业对双轮毂纯电动汽车的性能预期更低，可以接受动力系统变更后的客车性能下降，尤其在车辆的爬坡性能和续航里程上，并没有要求纯电动汽车完全达到内燃机水平，这也使得设计的难度有一定降低.2整车控制器硬件的设计与加工2.1整车控制器动力系统技术方案在对整车控制器进行硬件设计前，先确定控制器的动力系统方案.一般来说，在传统内燃机汽车基础上收稿日期：2017-10-10基金项目：校企合作校级科技基金（指南）项目（RJ1601）作者简介：沈璟虹（1981-），女，江苏无锡人，讲师，主要从事汽车检测与维修技术及电动汽车研究.第19卷第6期石家庄学院学报Vol.19，No.62017年11月Journal of Shijiazhuang University Nov.2017进行动力系统的改型，采用集中驱动的形式比较常见.所谓集中驱动是指将一台驱动电机直接取代传统发动机提供驱动力，保留原有汽车上的传动系统，包括传动轴、变速箱、差速器、转减速器、半轴等，这种方式的优点是可以以很小的设计量完成改型，但缺点是动力传递路线过长，机械损耗大，不利于续航里程的提升.因此，项目组选择了双轮毂电机驱动的动力系统的技术方案，如图1所示，整车控制器能根据对加速踏板、制动踏板和档位的信号，实现对两个轮毂电机驱动控制器的通信控制，实现对制动系统的控制，实现对能源管理系统的控制，并能对仪表显示系统通信.2.2动力组件选型项目组采用模块化的设计思路，根据企业给出的参数及性能指标，计算相应参数，对轮毂电机进行选型.根据汽车行驶方程式（1）、（2）计算汽车功率.F t =F f +F w +F i +F j ，（1）T tq i g i o ηT r =mgf cos α+C D A ua221.15+mg sin α+δm d u d t，（2）式中，F t 为驱动力，N ；F f 为滚动阻力，N ；F w 为空气阻力，N ；F i 为坡度阻力，N ；F j 为加速阻力，N ；T tq 为电机转速，Nm ；i g 为变速器传动比；i o 为主减速器传动比；ηT 为传递效率，%；r 为车轮半径，m ；m 为汽车质量，kg ；f 为滚动阻力系数；α为坡度角，°；C D 为空气阻力系数；A 为迎风面积，m 2；u a 为车速，km/h ；δ为汽车旋转质量换算系数；u 为车速，m/s.根据实际条件，取cos α≈1；sin α≈tan α≈i ，将m/s 换算成km/h ，得出汽车驱动功率P 为：P =1ηTmgf 3600u a+mgi 3600u a+C DA 76140u a3+δmua36d u ad t().（3）根据最高车速确定功率P u max ：图1系统的硬件组成框图石家庄学院学报2017年11月36P umax =u max 3600ηT mgf +C D Au max221.15()，（4）式中，u max 为最高车速，km/h.根据最大爬坡度确定功率P imax ：P imax =u i 3600ηT mg sin α+mg cos α+C D Au i221.15()，（5）式中，u i 为处于最大爬坡度时的稳定车速，km/h.根据汽车加速性能及动力学方程式确定最大功率P jmax ：P jmax =u j3600ηT mgf +C D Au j 221.15+δm d u j d t()，（6）式中，u j 为加速时的车速，km/h.根据要求，当最高车速为85km/h 时，功率为13.74kW ，取额定功率P e ≥13.74kW.计算得出，u i =30km/h ，坡度为4%时，P imax =9.23kW ；u i =15km/h ，坡度为12%时，P imax =11.16kW ；u i =10km/h ，坡度为20%时，P imax =9.6kW ；因此得出选取P imax 值大于11.16kW ，即能满足企业要求.在参照国标后，利用MATLAB 分别计算0-50km/h 和50-80km/h 加速时间，经图表征满足加速性能要求，应选电机峰值功率大于27.20kW.综合计算结果选择使用某款无刷直流电机作为该车的动力元件[2]，该电机配备专门的电机驱动控制器，使用CAN 总线实现与整车控制器的通信.选择支持CAN 总线，配备电池管理系统的磷酸铁锂电池组作为电源.同样选择带CAN 通信的智能化仪表系统，显示车辆行驶基本数据，并通过液晶触摸屏实现人机交互.2.3整车控制器硬件电路设计对整车控制器进行硬件电路设计，核心部件微处理器综合分析后选择了工作电压范围达1.71-3.6V ，工作温度可达-40℃到105℃，工作模式灵活的飞思卡尔K60系列单片机，其拥有强大的运算能力和大存储空间，自带CAN 总线接口，能充分满足项目使用要求.根据设计要求和双轮毂电机的功能，采用模块化设计思路对各个部分硬件电路进行了设计，降低设计的复杂程度[3].选用开关电压调节器LM2596和稳压芯片LM1117-3.3组成电源模块.参照ISO-11898标准，选择MCP255芯片作为通信模块.完成踏板信号处理电路、报警电路、开关量输入信号电路、外部驱动模块电路、串口通信模块电路、液晶显示电路等的设计.对整车控制器引脚定义（详细引脚定义不做展开），对于暂时没有使用的引脚作为备用.将设计的模块化功能电路与K60微处理器对应引脚相连以后就构成了整车控制器的电路图.利用Protel DXP 软件完成电路pcb 板的设计，交由厂家完成电路板制作.电路板实物如图2所示.图2整车控制器实物璟沈虹：双轮毂电机整车控制器的设计与实现第6期373整车控制器的软件设计控制器的软件架构设计分为管理层、执行层和接口层.管理层负责对数据的分析、管理和诊断，执行层负责对车辆行驶的各个信号进行采集、计算，执行层将数据传递给管理层后，管理层在计算分析后得出结果，发送至执行层控制模块执行.接口层涉及模块的初始化，包含了ADC 模块、CAN 模块、FTM 模块等.3.1整车控制器底层软件设计在完成对整车控制器硬件设计的基础上，采用模块化的思路对软件进行设计.需要完成控制器的底层软件设计包含初始化子程序、信号采集子程序和通讯接口子程序.初始化子程序包含部分参数和引脚的初始化，并完成了UART 模块、A/D 模块、OLED 模块、CAN 总线模块、FTM 模块的初始化.鉴于整车控制器的通信非常复杂，项目组选择CAN 进行通信.根据CAN 通信的SAE1939协议规定，以及本项目的通信要求，定义报文格式为29位扩展帧结构.对CAN 总线节点设计时，节点名称与地址分配如表1所示.项目组分别对CAN 总线与电机单元、电池单元、显示仪表单位等部件之间的通信定义了报文格式，在此不一一展开.3.2整车控制器应用层软件设计对控制器的应用层软件设计，即车辆主程序、驱动控制程序、起步控制程序、行驶程序、故障诊断程序的设计.根据设计要求，整车控制流程如图3所示.首先，整车控制器开始上电，启动初始化程序，启动定时中断模块，通过采集各传感器信号获得车辆的工作状况，如CAN 信号接收正常，动力回路上电完成，工况自适应，控制算法实现.此处的CAN 帧发送采用定时中断的调度方式.驱动控制策略程序设计以电机驱动力矩需求为主，整车控制器采集包括踏板信号、档位信号、钥匙信号等，并结合电池模块和电机控制器发送的信号，计算出合理的驱动力矩发送给驱动电机，既要考虑满足行驶性能，也要满足经济性能；起步控制策略程序设计通过档位信号判断汽车前进或倒车，主要依据踏板信号执行启动或预启动程序；车辆正常行驶控制策略程序对车辆状况实时信号采集，工况自适应，不同的行驶状态有对应的正常行驶控制策略.一旦车辆行驶状况发生故障信号，则进入车辆诊断模块.4整车控制器的功能实现验证对整车控制器功能的测试在实验室完成.搭建测试平台，设计该双轮毂电机驱动的纯电动客车测试模型.主要包括以下部件：汽车专用电源、两块自主研发的整车控制器、加速踏板、仪表显示模块、示波器.通过设计一系列的实验，测试整车控制器各项功能，证明整车控制器能实现高速CAN 通信和低速CAN 通信，响应速度快.经多次重复实验，验证了整车控制器工作可靠性.5结论项目组通过为期6个月的努力，完成了对企业既定参数、规定性能的双轮毂纯电动客车整车控制器的研序号节点名称地址1整车控制器（VCU ）1502电机控制器（MCU ）1533电池管理系统（BMS ）1554智能仪表23表1节点名称与地址分配图石家庄学院学报2017年11月38图3整车控制流程图发，工作内容包括了对整车控制器硬件的设计加工、软件的设计，并搭建平台测试了整车控制器的功能，测试结果表明设计功能可以实现，整车控制器性能可靠.下一步的工作任务是完成整车控制器的实车组装与试验场实车测试，完成对整车控制器的产品开发.参考文献：[1]张劲博.纯电动客车整车控制器研究[D].长春：吉林大学，2008.[2]段付德.电动微客整车控制器的研究与开发[D].南京：南京林业大学，2016.[3]郭盟，南金瑞，郭峰.增程式电动客车整车控制器的设计[J].重庆理工大学学报（自然科学），2013，（1）：7-12.（责任编辑王颖莉）The Design and Realization of the Double-motor Controllerof the Whole VehicleSHEN Jing-hong(Sino-German School of Mechanical &Electronic Technology,Wuxi Vocational College of Science &Technology,Wuxi,Jiangsu 214101,China)Abstract:As for the minibus with double-wheel motor,CAN can be chosen as the overall communication andFreescale K60series microcontroller design as the vehicle controller.Meanwhile,modular design thinking is used to design the whole vehicle controller system to complete the design of hardware and software,and through bench test 原ing,validation of design scheme will be realized.Key words:double-wheel motor;Freescale K60;CAN璟沈虹：双轮毂电机整车控制器的设计与实现第6期39。