四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

章彧

摘 要： 四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的方向。本文介紹了四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，闡述了基于MCS51單片機(jī)汽車(chē)控制系統(tǒng)的工作原理，此平臺(tái)不僅可完成電動(dòng)汽車(chē)的一般特性實(shí)驗(yàn)，而且以其優(yōu)越的開(kāi)放性，可為學(xué)生提供進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 輪轂電機(jī) 電動(dòng)汽車(chē) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)是將電機(jī)與車(chē)輪輪轂做成一體，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，省略了傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝置、差速器和半軸等部件，具有體積小，比功率大，傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了整車(chē)結(jié)構(gòu)，降低了整車(chē)質(zhì)量，有利于增加電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程，是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向。四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是針對(duì)高校汽車(chē)專業(yè)設(shè)計(jì)的，具有電動(dòng)汽車(chē)一般特性實(shí)驗(yàn)和綜合控制實(shí)驗(yàn)，并能提供開(kāi)放性控制設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由車(chē)體結(jié)構(gòu)和汽車(chē)控制應(yīng)用軟件組成。車(chē)體利用卡丁車(chē)車(chē)架改裝，四輪分別采用直流無(wú)刷輪轂電動(dòng)機(jī)車(chē)輪，利用變頻器控制四輪轉(zhuǎn)速。車(chē)體上還安裝了電子式油門(mén)踏板、角度傳感式方向盤(pán)、汽車(chē)車(chē)速儀表板和主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。汽車(chē)控制應(yīng)用軟件采用主從式結(jié)構(gòu)，四個(gè)車(chē)輪的控制作為從機(jī)，分別有各自獨(dú)立的輪速反饋控制軟件，保證各車(chē)輪輪速的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制，主機(jī)采樣油門(mén)、方向等信息，按控制策略計(jì)算得到四個(gè)車(chē)輪的輪速控制量，發(fā)送給四個(gè)車(chē)輪的從機(jī)，從而完成整車(chē)的正常控制。

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括汽車(chē)控制主機(jī)、左前輪控制、右前輪控制、左后輪控制、右后前輪控制、油門(mén)控制、轉(zhuǎn)向控制、輔助控制及車(chē)速儀表等模塊。

圖1 四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)框圖

2.四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理

2.1輪速控制

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)的每個(gè)車(chē)輪都有自己獨(dú)立的輪速控制模塊，設(shè)計(jì)時(shí)，其方法、原理是相同的。輪速控制是四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)控制的核心環(huán)節(jié)，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，是由輪速控制計(jì)算機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、變頻器和輪轂電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)組成的。

圖2 輪速控制模塊功能結(jié)構(gòu)框圖

輪速控制計(jì)算機(jī)采用MCS51單片機(jī)，通過(guò)串行多機(jī)通信方式，接收由汽車(chē)控制主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的車(chē)輪轉(zhuǎn)速給定值，送給D/A轉(zhuǎn)換器，生成直流控制電壓，變頻器根據(jù)輸入控制電壓的大小，對(duì)電動(dòng)機(jī)工作電源進(jìn)行變頻控制，輸出逆變電源信號(hào)，控制輪轂電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在輪轂電動(dòng)機(jī)中，裝設(shè)有三相霍爾傳感器，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)地反映成電脈沖信號(hào)，變頻器對(duì)三相脈沖信號(hào)進(jìn)行疊加，形成頻率與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系的脈沖信號(hào)。輪速控制計(jì)算機(jī)利用內(nèi)置的計(jì)數(shù)器，可測(cè)量得到脈沖信號(hào)的頻率，從而測(cè)到輪速，再經(jīng)串行方式發(fā)送給汽車(chē)控制主機(jī)。

從輪速控制的分辨率、精度及與單片機(jī)接口方面的綜合考慮，D/A轉(zhuǎn)換器選擇了TLV5618A，它是雙通道12位電壓輸出型DAC器件，轉(zhuǎn)換時(shí)間3-10us，采用SPI三線標(biāo)準(zhǔn)串行接口，轉(zhuǎn)換所需2.5V基準(zhǔn)電壓由REF3225提供，輸出直流電壓：V■=■×5。D/A轉(zhuǎn)換程序如下：

sbit DIN=P1^3； //數(shù)據(jù)輸入端

sbit SCLK=P1^4； //時(shí)鐘信號(hào)

sbit CS1=P1^5； //片選輸入端，低電平有效

// D/A轉(zhuǎn)換程序，Dignum為給定的數(shù)字量

void DA_conver1（uint Dignum）

{

uint Dig=0；

uchar i=0；

SCLK=1；

CS1=0； //片選有效

for （i=0；i<16；i++） //寫(xiě)入16為Bit的控制位和數(shù)據(jù)

{

Dig=Dignum&0x8000；

if（Dig）

{

DIN=1；

}

else

{

DIN=0；

}

SCLK=0；

_nop_（）；

Dignum<<=1；

SCLK=1；

_nop_（）；

}

SCLK=0；

CS1=1； //片選無(wú)效

}

變頻器選用BLD-750直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其適用于功率為750W以下，電壓為48VDC的三相正弦波直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可用外部模擬電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。具有啟動(dòng)/停止控制、正反轉(zhuǎn)控制、剎車(chē)制動(dòng)控制功能；具有與輪轂電機(jī)霍爾傳感器配合，提供轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)輸出功能；具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)、溫度等保護(hù)功能；具有高速力矩輸出平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點(diǎn)。

車(chē)輪選用8寸無(wú)刷輪轂電機(jī)，輪胎直徑約200mm，每轉(zhuǎn)變頻器輸出12個(gè)脈沖。輪速測(cè)量時(shí)，利用單片機(jī)定時(shí)1s，對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行累計(jì)，得到頻率值F，則輪速為：

N=■×60（RPM） （式1）

直行時(shí)車(chē)速約為：

V=■（km/h） （式2）

2.2油門(mén)控制

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)油門(mén)控制模塊由電子式油門(mén)踏板、A/D轉(zhuǎn)換器和控制計(jì)算機(jī)組成。

電子式油門(mén)踏板中，踏板位置傳感器外接5V電源，以分壓電路原理工作。電子油門(mén)踏板通過(guò)轉(zhuǎn)軸與傳感器內(nèi)部的滑動(dòng)變阻器的電刷連接，踏板位置改變時(shí)，電刷與接地端的電壓隨之發(fā)生線性改變，即傳感器輸出電壓對(duì)應(yīng)改變。

A/D轉(zhuǎn)換器選用DAC0809，對(duì)輸入的油門(mén)位置直流電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，得到輪速給定值的一個(gè)參數(shù)。

2.3轉(zhuǎn)向控制

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向控制模塊由方向盤(pán)角位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制計(jì)算機(jī)組成。角位移傳感器也是利用內(nèi)部滑動(dòng)變阻器，采用分壓原理工作，輸出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角關(guān)系的直流輸出電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后，得到輪速給定值的另一個(gè)參數(shù)。

輪速給定值：

D=32×k■×k■ （式3）

2.4輔助控制

輔助控制主要是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的啟動(dòng)/停止、前進(jìn)/后退、剎車(chē)制動(dòng)功能。BLD-750直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有三個(gè)對(duì)應(yīng)的控制輸入，設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了“啟動(dòng)/停止”、“前進(jìn)/后退”、“剎車(chē)”三個(gè)按鍵，汽車(chē)控制主機(jī)循環(huán)做鍵掃描，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，控制汽車(chē)的運(yùn)行方式。

2.5車(chē)速儀表

車(chē)速儀表采用液晶顯示，汽車(chē)控制主機(jī)對(duì)輪速模塊反饋回來(lái)的輪速信息進(jìn)行處理后，計(jì)算得到四個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速和汽車(chē)的車(chē)速，送給液晶顯示出來(lái)。另外，為配合實(shí)驗(yàn)需要，對(duì)每個(gè)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)還裝設(shè)了電流表，反映驅(qū)動(dòng)電流與車(chē)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

3.結(jié)語(yǔ)

四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)開(kāi)設(shè)有“電動(dòng)汽車(chē)的同步運(yùn)動(dòng)”和“電動(dòng)汽車(chē)的差速運(yùn)動(dòng)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)四驅(qū)汽車(chē)在直行和轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的特性分析。四驅(qū)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)，主控計(jì)算機(jī)采用的是常用的MCS51單片機(jī)，相關(guān)控制器件也是常用的，這樣更有利于這一平臺(tái)對(duì)學(xué)生的開(kāi)放性，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，如汽車(chē)加速運(yùn)行的特性實(shí)驗(yàn)、汽車(chē)原地轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)等。

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