背景技术
申请号为02136498.2、发明名称为“四轮电子差速转向控制系统”的专利公开了一种四轮电子差速转向控制系统,包括有电机(1)、刹车机构(7)、转向机构(8)和加速电门(5),它还包括有电机控制器(2)、角位移传感器(6)、转速传感器(3)和中央处理器(4),所述电机控制器(2)、角位移传感器(6)、转速传感器(3)、刹车机构(7)、转向机构(8)和加速电门(5)分别连接到中央处理器(4)各相应端口,该中央处理器采集各传感器和车载部件的信号,并进行计算得出各车轮相应的目标转速,然后通过向电机控制器发出电压指令,调整车轮转速。本四轮电子差速转向控制系统,能保证行驶时各车轮与地面间保持纯滚动状态,减小车轮与地面的摩擦力,延长汽车各部件的使用寿命。
申请号为200320105577.6、实用新型名称为“电动差速器”的专利公开了一种玩具车模的电动差速器,由电容C1、C2,电阻R1、R2等电气原件组成,一号电机一端接正电源此电源由接收电路的输出控制,并与电阻R1一端连接,电阻R1另一端接可变电阻Rx,Rx的另一端接电阻R2,R2另一端接电源负极,一号电机另一端接滑片,滑片与可变电阻Rx滑动接触;二号电机一端接滑片,二号电机另一端与电源负极连接。本实用新型的有益效果是,能使车模在转变时,可自动调节驱动轮各自为不同转数,实现了转弯的灵活性,提高了性能,结构简单,安装方便。
申请号为200320123856.5、实用新型名称为“电动车自动转向差速装置”的专利公开了一种自动电动车转向差速装置。现有的电动车(电动汽车、道路型电动三轮车)使用机械差速器,笨重、成本高,有的电动车没有差速,不安全、转弯不灵活,还有的电动车用控制杆或摁钮、开关控制,不安全、不方便。本电动车左右双电机驱动,方向盘或方向把的传动连杆处安放感测系统,感测转向角度大小,其感测信号输往控制器或直接输往调速转把(或脚踏调速)的感测系统,使电动车转弯时两电机转速不相同而达到差速效果。
申请号为200720107279.9、实用新型名称为“一种电动汽车转向电子差速控制器”的专利公开了一种电动汽车转向电子差速控制器。该电子差速控制器包括方向盘的左差速信号产生装置、方向盘的右差速信号产生装置、加速踏板总速度信号产生装置、左轮比较电路模块和右轮比较电路模块。本实用新型通过左轮比较电路模块对方向盘的左差速信号与加速踏板总速度信号进行比较实现了左轮差速控制信号的输出;右轮比较电路模块对方向盘的右差速信号与加速踏板总速度信号进行比较实现了右轮差速控制信号的输出,具有精确、安全的特点。
申请号为200810020544.9、发明名称为“双轮驱动电动车辆的差速控制系统”的专利公开了一种双轮驱动电动车辆的差速控制系统,包括左、右驱动模块和协调模块,协调模块接收外部控制信号,输出相应的工作信号控制左、右驱动模块的输出功率,左、右驱动模块将两个驱动轮的转矩信号不断传输给协调模块,协调模块根据两驱动轮转矩相等的原则判断是否调整两驱动模块的工作信号,协调模块通过PID控制器调整左、右驱动模块的工作信号。本发明系统结构简单,易于实现,防止车辆出现滑移,减少轮胎的磨损,保证车辆行驶的稳定性,用单片机处理信息精度高,速度快,能实时对驱动轮转矩进行调整,不再需要传动机构和差速齿轮,节省了空间,提高了传动系统的效率。
现在的电子差速系统,需要有方向盘的转向角信号及加速器的位置信号,经过智能处理,控制内、外驱动轮的转速及电流,实现差速的功能。本发明的自调节式电子差速器,不需要有方向盘的转向角信号,只是依据路面的状况、转向时驱动轮的所需转速,通过滑转率进行调节,实现电子差速的自调节功能。
发明内容
本发明的自调节式电子差速器,主要用于双电机独立驱动方式的电动汽车。二个驱动轮分别由二个电机直接驱动,所述的电机分别由二个相同规格的控制器控制,实现了双电机独立而直接驱动方式。所述的二个控制器,通过同一个加速器控制,使所述的二个电机工作在相同的电源电压下。由于电机的特性,实现电子差速的自调节功能。
由于结构特点,内侧驱动轮的驱动转矩大于外侧的驱动转矩,出现了滑转率不相同,表现为转向不足。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
自调节式电子差速器,主要用于双电机独立直接驱动的电动汽车,其特征在于:所述电子差速器包括内控制器,外控制器,内驱动电机,外驱动电机,由加速器踏板、加速器踏板连杆和加速器体组成的加速器,分别与所述内驱动电机、所述外驱动电机相连的内加速器信号线、外加速器信号线;所述内驱动电机相连有内驱动轮,所述外驱动电机相连有外驱动轮,所述内驱动电机与所述内驱动轮之间设置有内驱动轮传动轴,所述外驱动电机与所述外驱动轮之间设置有外驱动轮传动轴,所述内驱动轮传动轴通过齿形花键连接有内驱动轮传动轴万向套,所述外驱动轮传动轴通过齿形花键连接有外驱动轮传动轴万向套,所述内驱动轮传动轴万向套通过轴承与所述内驱动电机的转动壳体相连,所述外驱动轮传动轴万向套分别通过轴承与所述外驱动电机的转动壳体相连,所述内驱动电机的定子轴安放在所述内驱动电机轴的定位槽内,所述外驱动电机定子轴安放在所述外驱动电机轴的定位槽内;所述自调节式电子差速器,在不同的路面状况或者所述内驱动轮、所述外驱动轮所需不同的转速时,在不需要转向角信号的情形下,根据所述内驱动电机与所述外驱动电机的电流不同,使所述内驱动轮、所述外驱动轮具有的不同滑转率,从而实现所述电子差速器的自调节功能;其具体调节方式为:低速时,通过调节所述内驱动轮、所述外驱动轮滑转率,实现所述电子差速器的自动调节功能;在高速时,通过所述控制器的限流作用,限制所述内驱动电机和所述外驱动电机二者中工作转速较低的输出力矩,使所述内驱动轮、所述外驱动轮的驱动转矩基本相同,实现所述电子差速器的自动调节功能。
本发明的自调节式电子差速器,其特征还在于:二个驱动电机分别由二个相同规格的控制器控制,控制器有限流作用,当工作在限流状态,限制了单电机的输出力矩,使驱动转矩基本相同,实现了电子差速的自调节功能。
本发明的自调节式电子差速器,其特征还在于:所述的驱动轮的滑转率不同,在低速时,内侧驱动轮的滑转率大于外侧驱动轮的滑转率,通过不同的滑转率进行调节,实现电子差速的自调节功能。
本发明的自调节式电子差速器,其特征还在于:所述的工作在限流状态,在高速时,由于控制器有限流作用,工作在限流状态,限制了单电机的输出力矩,使驱动转矩基本相同,实现了电子差速的自调节功能。
本发明的自调节式电子差速器,其特征还在于:所述的工作在限流状态,在高速时,在路面的状况不同时,在路面阻力大的一侧的驱动轮,滑转率小,转速降低,电流增大,由于控制器有限流作用,工作在限流状态,限制了单电机的输出力矩,起到了差速锁的作用,实现了电子差速的自调节功能。
本发明的优点效果如下:
本发明的自调节式电子差速器的电动轿车,采用双电机独立而直接驱动方式,不需要转向角信号,由于电机的特性,在驱动轮转速不同时,使驱动电机的电流不同,表现为驱动轮的转矩不同,引起了驱动轮的滑转率不同。在低速时,通过不同的滑转率的调节,实现电子差速的自调节功能;在高速区时,由于控制器有限流作用,工作在限流状态,限制了单电机的输出力矩,使驱动转矩基本相同,实现了电子差速的自调节功能。内侧驱动轮的驱动转矩大于外侧的驱动转矩,出现了滑转率不相同,表现为转向不足。
具体实施方式
本发明的自调节式电子差速器,如图1所示,加速器3由加速器踏板1和加速器踏板连杆2及加速器体组成,加速器信号线4分内、外二根,分别与内、外驱动电机10相连,控制电机的工作。内、外驱动轮6分别由内、外驱动轮传动轴7驱动,内、外驱动轮传动轴7与内、外驱动轮传动轴的万向套8通过齿形花键连接,内、外驱动轮传动轴的万向套8的轴安放在内、外驱动轮传动轴的万向套的轴承9中,内、外驱动轮传动轴的万向套8的轴与内、外驱动电机10的转动壳体相连,内、外驱动电机10的定子轴安放在内、外驱动电机轴的定位槽12内,起支撑、定位作用。
所述的自调节式电子差速器,二驱动轮通过双电机独立而直接驱动,驱动轮的转速,是依据路面的状况所产生的阻力、驱动轮所需的行驶距离所产生的转速,使二驱动轮的转速不同,在同一个电源电压及相同的控制信号下,驱动低速轮的电机的电流大、转矩大,滑转率大;驱动高速轮的电机的电流小、转矩小,滑转率小。通过滑转率进行调节,实现电子差速的自调节功能。
本发明的设计原理如下:
1自调节式电子差速的基础条件
本方案的电动汽车的总质量为ma=1200kg:最小转弯半径:Rmin=10m,质心高度H=0.55m,轮距为B=1.380m,轴距为L=2.340m。驱动轮半径为r=0.26m。
2自调节差速功能分析:
2.1、转向行驶时驱动轮的转速:内、外驱动轮的转向半径不同,外驱动轮的转向半径大、转速大,内驱动轮的转向半径小、转速小。
电机的电压平衡方程式为:
U-ΔU=Em+IRd,
转矩系数为K
M=0.85,电动势常量K
E=0.85,理论反电动势E=K
E·ω=0.85ω,
K′
E=0.908,则,E=0.908V
T,
,理论工作电压
实际工作电压为U
实,其值受加速电门踏板的行程的影响,由公式E=ηU可知,它的变化又改变了E
实,最终改变电动机的转速。E
内理<E
外理,而双电机是工作在同一输入电压下,即U
内理=U
外理,也就是,U
内理-E
内理>U
外理-E
外理,
可得,
因此,I
内>I
外,M
q内>M
q外,进一步可得,δ
内>δ
外。所以,各驱动轮的实际转速:
2.2驱动转矩:
Mq=KM·I,则,Mq内=KM·Im内,Mq外=KM·Im外。
Mq内=KM×Im内,Mq外=KM×Im外。
可得:
及M
q内>M
q外,也就是,转速小的驱动轮的转矩大,转速大的驱动轮的转矩小。因此,在转向时,内驱动轮的输出转矩大,外驱动轮的输出转矩小。
2.3滑转率:内驱动轮的电流大、转矩大,滑转率大;外驱动轮的电流小、转矩小,滑转率小。
利用线性差值(弦位法)的近似方法:近似表示对应转向半径时的滑转率:
内轮的转向半径与滑转率的关系:(R,δ),对应的二点为(10,10%),(50,5%)。则ηδ内=0.1125-0.00125R
外轮:对应的二点为(10,3%),(50,5%)。ηδ外=0.025+0.0005R
∵n
内理<n
外理。又∵E=K
E·ω=0.85ω,
∴E
内理<E
外理,而双电机是工作在同一输入电压下,即U
内理=U
外理,也就是,U
内理-E
内理>U
外理-E
外理,
因此,I
内>I
外,M
q内>M
q外,
∴F
q内>F
q外,因此,δ
内>δ
外。
在转向时,当V
T=20km/h,转向半径R=15m,则向心加速度
向心力f=ma=2.472N。外驱动轮增重G
1=100kg,内驱动轮减重G
2=100kg。M
q内=31.8N.m,M
q外=23.4N.m。δ
内=9.4%,δ
外=3.3%。
由上述分析可得,因为,内侧重量减轻,而驱动力却增大了,外侧重量增加,而驱动力却减小了,所以,内驱动轮的滑转率大于外驱动轮的滑转率,即δ内>δ外。通过牺牲滑转率来实现差速的自调节功能。
2.4直线行驶的差速功能:
2.4.1在直线行驶中,两驱动轮转速很难达到完全一致,导致二个电机的转速不一致,总是会存在一定的转速差Δn,表示为Δω,由E=K
E·ω可知,二电机的反电动势不同,有一较小的差值,则电流
也不同,转速大的电机的工作电流小,转矩小,滑转率变小,转速降低,转速小的电机的工作电流大,转矩大,滑转率变大,转速增大,由电机的特性调节各电机的转速,对各轮转速调节。实现了自调节式差速功能,增强了车辆稳定直线行驶的可靠性。
2.4.2驱动轮的回转瞬心轴的不同:有效滚动半径的大小不同。
E=K
E·ω=K
E·V
T/(3.6·r)及
当有效滚动半径大的,转速小即n小,反电动势小即E的值小,U-E的差值就大,
电流大,M
q=K
M×I,转矩大,滑转率变大,使转速向增大方向变化;有效滚动半径小的,转速大,电流小,转矩小,滑转率变小,则使转速向减小方向变化;由于电机特性决定,使驱动轮的转速趋于一致,实现了差速功能。
2.4.3在路面的附着力系数不同:路面的附着力系数小的,滑转率大,转速大、转矩小,使转速向减小方向变化;路面的附着力系数大的,滑转率小,转速小、转矩大,使转速向增大方向变化。起到差速作用。
2.5控制器具有限流的功能,限制了电机的最大功率及转矩。
在V
T=10km/h时。M
q=51.3N·m,N
qm=0.71kw,工作电压U=12V,则电流为
在转向时,I
内=34.7A,I
外=25.6A。
当加速电门踏板的行程增大了,那么,工作电压就增大了,U
实>12V,根据公式,
推导出
可得电流I增大,内驱动轮的电机的电流先增大到限流值,电机工作在限流状态,滑转率变大,整车加速行驶并转向,使车辆工作在差速式转向状态或增速式差速转向状态(内、外侧驱动轮的转速都升高,外侧驱动轮的转速大于内侧驱动轮的转速)。
当加速电门踏板的行程变小了,那么,工作电压就减小了,U
实<12V,根据公式,
则电流I小,内、外驱动轮的转矩都减小,滑转率变小,整车减速行驶并转向,使车辆工作在降速式转向状态。
小转向半径转向时,R≤15m,内驱动轮的速度小于车速,外驱动轮速度大于车速;内驱动轮的滑转率大,为10%左右,外驱动轮的滑转率小,为3%左右。
当转向半径R>50m时,内驱动轮的滑转率为5.5%左右,而外驱动轮的滑转率为5%左右。
在转向半径R≤15m,当VT<25km/h时,内、外驱动轮的电机的工作电流差值大约在9A~15.4A之间,内、外驱动轮的电机的驱动转矩的差值大约在7.6~13.1N.m之间,驱动力的差值大约在29.4~50.3N之间。当VT>25km/h时,内驱动轮的电机工作在限流状态,此时,内、外驱动轮的电机的工作电流之差变小了,小于12A,驱动转矩之差为9.5N.m。
在低速、大转向半径转向时R≥40m时,内驱动转的速度小于车速,外驱动轮速度大于车速;内驱动轮的滑转率由大变小,小于6.3%,外驱动轮的滑转率由小变大,大于4.5%。使内外驱动轮的滑转率接近,转速相差不大,内驱动轮的电机的电流减小,外驱动轮的电机的电流增大,内、外驱动轮的电机的工作电流相差不大,小于4.2A。如在时速小于10km/h,转向半径大于50m时,ΔI≤2.8A。
当转向半径R≥50,此时转向角α≤2.7°时,不做转向处理,差速功能由双电机独立驱动的电机特性自调节并通过不同的滑转率的调节来实现转向,转向精度为转向角α≤2.7°。
2.6双电机独立驱动的差速性能分析
设计时速低于40Km/h的双电机独立驱动的电动汽车,总功率是,Nqm=4.08kw,单电机最大功率Nqm1=2.04kw。在抓地性最佳的状况时,滑转率为5~10%,如果滑转率超过了10%,那就表示抓地性不佳且加速和刹车表现都会恶化。取δ=9.4%时,单电机的输出的最大有用功率为Nq1=(1-δ)·2.04kw=0.906*2.04kw=1.57kw,单电机的最大输出转矩为Mqm1=36.1N.m,单电机的输出的最大驱动力为Fm=138.8N,整车的最小驱动力为F整=192N。此时,单电机不足以驱动整车。当内驱动轮工作在最大转矩为36.1N.m时,而整车的最小驱动转矩为50.3N.m,所以,外驱动轮的最小转矩为14.2N.m。在低速小转向半径R<10m时,内、外驱动轮的转矩分别为N内=30.8N.m,N外=19.5N.m。此时的滑转率分别为:δ内=10%,δ外=3%。通过不同的滑转率的调节来实现转向时的差速功能,实现自调节式差速功能。
在低速小转向半径时,当R=10m,内、外驱动轮的转矩之差大,ΔMq=13.1N.m,滑转率差值大,Δδ=7%,加速了轮胎的不同磨损程度,自动调节差速的效果不好。在转向半径大时,当R>40m,内、外驱动轮的转矩之差小,ΔMq=3.4N.m,驱动轮的滑转率接近,Δδ=1.8%,自调节差速的效果好。
2.7通过不同的滑转率来实现电子差速的自调节功能
滑转率
电动机的效率:η=85%,讨论滑转率:δ=9.4%。
整车的传动效率:η实=η·ηδ=η×(1-δ)=0.77。
总功率:有用功率:
外驱动轮的阻力矩大于内驱动轮的阻力矩。而在自动调节状态时,内驱动轮的力矩大于外驱动轮的力矩。当转向半径为15m,车速为20km/h时,向心加速为a=2.06m.s-2,向心力为F=ma=2469N,质心高度为40%则为0.55m,则力矩M20=1358N.m。轮距为1380mm,则外轮的压力增加980N,增重为100Kg,内轮的压力减少为980N,减重为100Kg。摩擦系数为0.4,外轮可增大摩擦力为40N,内轮可减小摩擦力为40N。车体的重量为1200Kg,单个外前驱动轮所承受的车体的重量为250Kg,重量增加了40%,单个内前驱动轮重量减少了40%。这样,内轮的滑转率变大,外轮的滑转率变小了。
在大转向半径时,R>40m,内、外驱动轮的相对转速差较小,在低速区时,电流差值相对较大,ΔI=3.4A,Δδ=1.8%,依靠不同的滑转率,实现差速功能;在高速区时,电流差值小或工作在限流区而电流差值为零,限流保护的功能,实现了差速功能,并能保证内、外驱动轮的滑转率基本相同。
双电机独立驱动方案,在低速区时,驱动轮通过不同的滑转率,实现差速功能;在高速区,由于工作在限流状态,满足了滑转率相同的条件,实现了电子差速的自调节功能。
在转向时,当电控门位置变化,使输入电压增大,内驱动轮电机将工作在限流状态,外驱动轮的电机也接近工作在限流状态或是限流状态,车速也处于加速状态,由于向心力的作用,外轮增重,内轮减重,这样,虽然滑转率之差变小了,但出现了外驱动轮的滑转率变小,内驱动轮的滑转率变大,实现了差速功能。
在同一个工作电压下,在相同的路况时,没有转向角度时,内、外驱动轮的转速是基本相同的,滑转率相同。有转向角度时,内驱动轮的转速变小,滑转率变大,外驱动轮的转速变大,滑转率变小。通过滑转率的不同来实现差速的功能。
只要左右两侧驱动轮之间存在转速差,左右两侧的电机的工作电流就不同,而且与方向盘转角无关,也就是说,不必检测方向盘转角就可以实现机械差速器的功能,这是由电机特性自动调节实现的。
2.8转向不足现象
根据公式
可得:
又由于M
q=K
M·I,则,M
q内=K
M·I
m内,M
q外=K
M·I
m外。ΔM
q双=M
q内-M
q外>0
由以上分析,可得,在转向时,内、外驱动轮各自以U内理,U外理(U内理<U外 理)的转速运动时,滑转率为0,处差速状态,不存在转向不足的问题。由于结构的自身特点,内侧驱动轮的驱动转矩大于外侧的,出现了滑转率,并且不相同,即δ内>δ外,所以,内侧驱动轮的转速过大,外侧驱动轮的转速过小,出现了转向不足的现象。