四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的控制器設(shè)計(jì)
周 勇，李聲晉，田海波，方宗德，周奇勛
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：設(shè)計(jì)了基于Plc和cPLD的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車控制器。對(duì)控制器的硬件電路組成進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；對(duì)電動(dòng)車的閉環(huán)調(diào)速控制策略進(jìn)行了分析。電動(dòng)車涮速的相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電動(dòng)車控制器設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車進(jìn)行良好的驅(qū)動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；輪轂電．機(jī)；控制器
0引 言
伴隨著日益嚴(yán)重的大氣污染和能源危機(jī)，傳統(tǒng)交通工具一汽車的可持續(xù)發(fā)展面臨越來越嚴(yán)峻的形勢。電動(dòng)車(以下簡稱EV)是解決上述問題的有效途徑，得到了越來越廣泛的研究與發(fā)展。目前大部分電動(dòng)車是后兩輪或前兩輪驅(qū)動(dòng)方式�；谀芰總鬟f效率和車體空間限制等考慮，近年來無刷直流輪轂電機(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)****改變了汽車傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)安裝在車輪的輪轂內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子為外轉(zhuǎn)子，輸出轉(zhuǎn)矩直接傳輸?shù)杰囕�，舍棄了傳統(tǒng)的離合器、減速器、傳動(dòng)橋、差速器等機(jī)械部件，整車重量減輕，降低了機(jī)械傳動(dòng)損耗，并具有靈活的行駛特性。
本文以四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車為平臺(tái)，以四臺(tái)輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)了電動(dòng)車控制器，其主要任務(wù)是協(xié)調(diào)控制四臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)車具備ABs、電子差速等功能，提高車輛能量利用率、確保行車安全可靠。
l控制器硬件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)四臺(tái)無刷直流輪轂電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)(PIc)和復(fù)雜可編程邏輯器件(cPLD)的四通道電動(dòng)車控制器，它主要包括：控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和功率變換電路。
l 1控制電路組成
控制電路的核心由PIcl8F6621及兩款cPLD共同組成，兩款cPLD分別為EPM7064sLc44-lO(以下簡稱為EPM7064)和EPM7128sTcl00(以下簡稱為EPM7128)。從圖1可清晰看出PIc與兩款CPLD問的關(guān)系.
l 2控制電路工作過程
系統(tǒng)上電后，駕駛者通過方向盤、加速踏板、制動(dòng)踏板提供起動(dòng)、加減速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、停車等外部模擬指令。指令經(jīng)過位移傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)輸入到PIcl8F662l，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換、解算后產(chǎn)生相應(yīng)的PwM信號(hào)，PwM通過EPM7128送給EPM7064，EPM7064根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過邏輯組合計(jì)算出每臺(tái)電機(jī)的相序，再根據(jù)PwM信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制。同時(shí)EPM7064將電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息送回EPM7128，18F6621讀取EPM7128的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速并與外部指令相比較，進(jìn)行速度閉環(huán)控制，最終達(dá)到控制電動(dòng)車運(yùn)行的目的。
l 3過流保護(hù)電路
為了防止輪轂電機(jī)繞組電流過載而造成損壞，控制電路中設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路。
霍爾電流傳感器以及雙比較器LM393組成了過流保護(hù)電路，如圖2所示。
霍爾電流傳感器檢測電流范圍為O～100A，輸出電壓0～5 V。經(jīng)過濾波、限流等外圍電路，圖2中LM393的管腳6的I輸入值為O～5 V。由圖可知，當(dāng)I的輸入在0．5～4. 5 V時(shí)(可通過改變R、R61、R62和R66的阻值來改變?cè)摫Ｗo(hù)限)，過流信號(hào)I輸出高電平；當(dāng)，IxH低于0．5 V或高于4．5 V時(shí)，I輸出低電平。保護(hù)電路的工作過程是：當(dāng)過流發(fā)生時(shí)，比較器LM393輸出I發(fā)生電平跳變一控制電路報(bào)警一控制器停機(jī)。
1，4驅(qū)動(dòng)電路分析
考慮本文電機(jī)電壓、電流要求，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車再生制動(dòng)，輪轂電機(jī)采用雙極性驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)芯片需要有兩路信號(hào)輸入，故采用門極驅(qū)動(dòng)光耦合器HcPL一316J。其內(nèi)部集成集電極一發(fā)射極V電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路，它具有兼容cMOs／_TTL電平、光隔離、耐高壓(****電壓可達(dá)1 200 V)、可過大電流(驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)150 A)、快反應(yīng)(最長時(shí)間500 ns)、寬工作電壓范圍(15～30v)、故障狀態(tài)反饋、“軟”關(guān)斷等特點(diǎn)，同時(shí)還提供過流保護(hù)、帶滯環(huán)欠壓鎖定保護(hù)、邏輯故障、自恢復(fù)等保護(hù)功能，為驅(qū)動(dòng)電路的可靠工作提供了保障，同時(shí)還具有簡單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)共采用了6片HcPL-316J，每一片驅(qū)動(dòng)一個(gè)M0sFET。驅(qū)動(dòng)電路連接圖如圖3所示：ZCA、FGA是由EPM’7064發(fā)出的正向PwM和反向PwM信號(hào)，經(jīng)過光耦由管腳11輸出驅(qū)動(dòng)MOsFET門極，即接插件_jAl的管腳3。JAl的管腳l連接MOs—FET的漏極，管腳4連接M0sFET的源極；REsET為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)；FAuLT為HcPL一316J低電壓檢測故障信號(hào)，當(dāng)檢測到MOsFET的漏一源極電壓V低于額定值， |
