CN109484205A - 一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器，单元组合式轮毂电机原理是将电机的定子绕组在圆周方向分为四个绕组单元，每个绕组单元都有单独的数字驱动器，每个单元可以单独工作，也可以根据不同工作需求四个单元协同工作；每个单元和绕组单元高度集成在同一个轮毂中，每个驱动器有独立的通讯模块，可以单独同车载电脑进行通讯，接收来自车载电脑的控制信号，每个驱动器的功率模块通过单独的电源接口与电池管理系统BMS连接为轮毂电机的每个单元提供动力，能够有效的较少使用传统驱动器带来的电机振动和噪音并且提高了轮毂电机的功率密度。每个轮毂电机对外只有一束通讯接口线和电源接口线，提高了电动汽车运行的可靠性和稳定性。

Description

一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器

技术领域

本发明属于新能源汽车领域，具体是一种一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器。

背景技术

一体化数字单元组合式轮毂电机具有较高的功率密度和大扭矩的特点，本发明独特的一体化数字单元组合式，将电机分为四个单元，四个单元执行部分和驱动器高度集成在一个轮毂中，特别适合在电动汽车上进行应用，但目前尚没有较为专用的数字驱动器，传统永磁同步电机大多采用私服驱动器，不适合需要进行反复调速的电驱动系统，若采用永磁无刷的驱动方式，影响电驱动系统特别是电动汽车等的整体性能。特别是当电机采用无铁芯结构时。由于电机的电感很小，驱动器的输出电流波动很大，电机的噪声和运行的平稳性都受到很大的影响，还会缩短功率器件的使用寿命，因此对于大功率的电机来说，需要有专门的高性能驱动器，同时由于电动汽车的电驱动系统都逐步相数字化发展和无人驾驶的发展，因而也急需有高性能的数字驱动器与之配合。

发明内容

本发明要解决技术问题是提供一种具有良好的驱动性能、高可靠性和数字化接口，可以应用到电动汽车的中央控制器系统中，并能够实现电机单元转速和扭矩独立控制的一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器。

为了解决上述问题，本发明的单元组合式轮毂电机驱动器，包括采集检测信号、接受控制指令、对采集信号进行处理并能输出控制信号的数字信号处理模块；数字信号处理模块与电机之间设置有对电流大小及相应相位进行检测并把检测得到的信号传输给数字信号处理模块的电流传感器和霍尔传感器；还包括一个可接收数字处理模块的采集信号并将接收到的采集信号输出到车载电脑的通信模块；所述数字接口还可以接收上位机输出的控制信号并可将控制信号传输到控制信号的功率电路；功率电路上设置有可为功率电路提供电源的电池管理系统BMS；功率电路输出端连接到电机单元的输入端。

采用上述的结构后。由于设置的数字信号处理模块和数字化信号处理模块配套的系统，能够有效的减少使用传统驱动器带来的电机振动和噪音，提高电驱动系统乃至汽车整体的性能，同时能够满足电动汽车的电驱动系统数字化发展和无人驾驶发展的需求。

附图说明

图1为本发明一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器

图2为本发明车辆参考模型

图3为本发明轮毂电机驱动器示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，本发明的一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器

如图1所示，本发明的一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器。包括采集检测信号、接收控制指令，对采集信号进行处理并能输出控制信号的数字信号处理模块DSP，可采用TMS320F2812DPD芯片作为数字信号处理模块的中央控制芯片，数字信号处理模块与电机之间设置有对电流大小及相位进行检测并将检测到的信号传给数字信号处理模块的电流传感器和霍尔传感器，还包括一个可接收数字信号处理模块的采集信号并将接收到的采集信号输出到车载电脑的数通信模块，通信模块还可接收车载电脑输出的控制信号并可将控制信号传输给数字信号处理模块；数字信号处理模块上连接有一个可接收数字信号处理模块输出的控制信号的功率电路，功率电路上设置有一个可为功率电路提供电源的电池管理系统BMS，功率电路的连接到电机单元输入接口。

工作原理如下：

首先，采用电流传感器和霍尔传感器对电机电流大小及相位进行检测，并把检测得到的信号传递给中央控制器，控制芯片通过矢量运算，根据用户输入的转速和转矩指定输出对应的控制信号给功率电路，功率电路大功率的电压和电流。这些电压和电流经过电感调节模块后加到电机输出端，从而驱动电机运转；其次，中央控制器同时对电机的运行状态进行检测，并把检测结果通过通信模块传递到车载电脑。

期望横摆力矩以及总驱动力控制层

输入参数为加速踏板开度k_sw(0-100％)以及方向盘转角δ_sw(0-100％)，并将参数输出至车辆参考模型，车辆参考模型负责制定总驱动力、期望质心侧偏角β_d和期望横摆角速度ω_d。车辆参考模型包含7自由度的车辆运动，包括车辆的横向、纵向、横摆运动以及4个车轮的旋转运动，利用该模型，可以较为简便有效地分析直接横摆力矩控制中车辆的受力情况

汽车力和力矩平衡方程：

纵向运动方程：

横向运动方程：

横摆运动方程：

式中：m整车质量；分别为车辆的纵向和横向加速度；v_x、v_y分别为车辆的纵向和横向速度；ω为横摆角速度；J_z为整车绕Z轴的转动惯量；a、b分别为车辆质心到前轴和后轴的距离，L＝a+b为轴距；t_f、t_r分别为前轴轮距和后轴轮距；F_Xi、F_Yi(i＝ff,fr,rf,ff分别表示左前、右前、左后及右后)分别为各轮胎与地面切向反作用力和侧向反作用力F_xi、F_yi在车身坐标x方向和y方向上的分力，表达式为：

F_Xi＝F_xicosδ_i+F_yisinδ_i F_Yi＝F_xisinδ_i+F_yicosδ_i

总驱动力心根据加速踏板开度k_pd制定，本文采用线性关系式计算得出:

T_d＝k_pdT₀

式中：T₀为常数，一般取电机最大输出转矩或在其它条件限制下(如电池)所能输出的最大转矩。

期望横摆力矩

本文选择横摆角速度和质心侧偏角作为制定期望横摆力矩的参数，需要知道横摆角速度、质心侧偏角的期望值和实际值。

横摆角速度的期望值由数学模型推算得到，这里采用经车辆操纵稳定性分析中常用的二自由度模型推算出的期望横摆角速度的表达式：

式中：δ为前轮平均转向角，K为稳定性因数，是表征车辆稳态相应的一个重要参数，其表达式如下：

式中：k_f k_r为前后轴的侧偏刚度。横摆角速度的实际值ω可以由陀螺仪传感器直接测量得到。

质心偏侧角

本文将质心侧偏角期望值设为0，即认为其值越小越好。目前质心侧偏角传感器价格昂贵且使用条件苛刻，故多用估算的方法获取质心侧偏角实际值。本文采用一种基于运动几何学的估算方法估算实际质心侧偏角

该估算方法的优点为无须知道轮胎侧偏刚度等较难获取的车辆参数，计算速度快，且在低速工况下可以较为准确的计算出车辆的实际质心侧偏角。

驱动力分配

由“期望横摆力矩以及总驱动力制定层”制定出总驱动力矩T_d后，需要将此总力矩分配到各个驱动轮，同时各驱动轮与地面作用力产生的对车辆质心的横摆力矩须符合所制定的期望横摆力矩M_zd，故每个电机分配到的目标输出转矩须满足以下等式：

式中：W为轮距，这里视前后轴轮距相等；r_Roll为轮胎滚动半径。同时，电机的输出扭矩还必须满足以下不等式约束：

(1)电机转矩输出不应超过电机最大输出转矩，且在驱动工况下不应输出负转矩，如下式：

0≤T_i≤D_iT_imax

式中：D_i为对应电机的失效因子，当电机或者电控发生故障时，会实行降功率措施，D_i取值[0,1]。

(2)电机输出转矩还受路面条件的制约，即不应超过当前路面条件下附着力。

T_i/r_Roll≤μ_iF_zi

式中：μ_i为对应轮胎的当前路面附着系数，F_zi为垂直载荷。

Claims (3)

1.一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器，其特征在于：包括采集检测信号、接收控制指令，对采集信号进行处理并能输出控制信号的数字信号处理模块DSP，数字信号处理模块与电机之间设置有对电流大小及相位进行检测并将检测到的信号传给数字信号处理模块的电流传感器和霍尔传感器，还包括一个可接收数字信号处理模块的采集信号并将接收到的采集信号输出到车载电脑的数通信模块，通信模块接收车载电脑输出的控制信号并将控制信号传输给数字信号处理模块；数字信号处理模块上连接有一个可接收数字信号处理模块输出的控制信号的功率电路，功率电路上设置有一个可为功率电路提供电源的电池管理系统BMS，功率电路的连接到电机单元输入接口；

首先，采用电流传感器和霍尔传感器对电机电流大小及相位进行检测，并把检测得到的信号传递给中央控制器，控制芯片通过矢量运算，根据用户输入的转速和转矩指定输出对应的控制信号给功率电路，功率电路大功率的电压和电流；这些电压和电流经过电感调节模块后加到电机输出端，从而驱动电机运转；其次，中央控制器同时对电机的运行状态进行检测，并把检测结果通过通信模块传递到车载电脑。

2.根据权利要求1所述的一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器，其特征在于：将电机的定子绕组在圆周方向分为四个绕组单元，对外相当于四个单独的轮毂电机集成到同一个轮毂中，每个绕组单元都有单独的数字驱动器，每个单元单独工作，或者协同工作；每个单元和绕组单元集成在同一个轮毂中，每个驱动器有独立的通讯模块，单独同车载电脑进行通讯，接收来自车载电脑的控制信号，从而控制单元的功率模块的输出参数，同时驱动单元采集到电机的电流和相位参数也通过通信模块传输给车载电脑，为DSP数字控制模块提供控制参数；每个驱动器的功率模块通过单独的电源接口与电池管理系统BMS连接为轮毂电机的每个单元提供动力，每个轮毂电机对外只有一束通讯接口线和电源接口线。

3.应用如权利要求1所述的一体化数字单元组合式轮毂电机驱动器的方法，其特征在于：

期望横摆力矩以及总驱动力控制层输入参数为加速踏板开度k_sw(0-100％)以及方向盘转角δ_sw(0-100％)，并将参数输出至车辆参考模型，车辆参考模型负责制定总驱动力、期望质心侧偏角β_d和期望横摆角速度ω_d；车辆参考模型包含7自由度的车辆运动，包括车辆的横向、纵向、横摆运动以及4个车轮的旋转运动，汽车力和力矩平衡方程：

纵向运动方程：

横向运动方程：

横摆运动方程：

式中：m整车质量；分别为车辆的纵向和横向加速度；v_x、v_y分别为车辆的纵向和横向速度；ω为横摆角速度；J_z为整车绕Z轴的转动惯量；a、b分别为车辆质心到前轴和后轴的距离，L＝a+b为轴距；t_f、t_r分别为前轴轮距和后轴轮距；F_Xi、F_Yi分别为各轮胎与地面切向反作用力和侧向反作用力F_xi、F_yi在车身坐标x方向和y方向上的分力，其中i＝ff,fr,rf,ff分别表示左前、右前、左后及右后，表达式为：

F_Xi＝F_xicosδ_i+F_yisinδ_i F_Yi＝F_xisinδ_i+F_yicosδ_i

总驱动力心根据加速踏板开度k_pd制定，本文采用线性关系式计算得出:

T_d＝k_pdT₀

式中：T₀为常数，取电机最大输出转矩或电池所能输出的最大转矩；

选择横摆角速度和质心侧偏角作为制定期望横摆力矩的参数，需要知道横摆角速度、质心侧偏角的期望值和实际值；

横摆角速度的期望值由数学模型推算得到，这里采用经车辆操纵稳定性分析中常用的二自由度模型推算出的期望横摆角速度的表达式：

式中：δ为前轮平均转向角，K为稳定性因数，是表征车辆稳态相应的一个重要参数，其表达式如下：

式中：k_fk_r为前后轴的侧偏刚度；横摆角速度的实际值ω由陀螺仪传感器直接测量得到；

采用一种基于运动几何学的估算方法估算实际质心侧偏角

由“期望横摆力矩以及总驱动力制定层”制定出总驱动力矩T_d后，需要将此总力矩分配到各个驱动轮，同时各驱动轮与地面作用力产生的对车辆质心的横摆力矩须符合所制定的期望横摆力矩M_zd，故每个电机分配到的目标输出转矩须满足以下等式：

式中：W为轮距，这里视前后轴轮距相等；r_Roll为轮胎滚动半径；同时，电机的输出扭矩还必须满足以下不等式约束：

(1)电机转矩输出不应超过电机最大输出转矩，且在驱动工况下不应输出负转矩，如下式：

0≤T_i≤D_iT_imax

式中：D_i为对应电机的失效因子，当电机或者电控发生故障时，会实行降功率措施，D_i取值[0,1]；

(2)电机输出转矩还受路面条件的制约，即不应超过当前路面条件下附着力；

T_i/r_Roll≤μ_iF_zi

式中：μ_i为对应轮胎的当前路面附着系数，F_zi为垂直载荷。