一种电动汽车用永磁无铁芯轮毂电机及控制方法与流程

1.本发明属于电动汽车电机控制技术领域，特别是涉及一种电动汽车用永磁无铁芯轮毂电机及控制方法。


背景技术：

2.近几年，随着材料科学的进步，永磁材料性能的不断提高，使永磁同步电机在生产生活等方面得到了广泛的应用。永磁同步电机结构简单、控制方案成熟，在家电、电动汽车等行业得到了越来越多的应用。永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、易于维护等优点。同时，永磁同步电机转矩脉动小、调速比高、定位精度高等优点。目前，现有的电机控制技术主要针对传统的永磁同步电机控制，针对永磁无铁芯轮毂电机的控制方案上较少。因此，现如今缺少一种结构简单、体积小、成本低的一种永磁无铁芯轮毂电机控制系统，本发明设计了一种集电流检测模块、转速检测模块和电压检测模块为一体，实现对永磁无铁芯轮毂电机的控制，提高永磁无铁芯轮毂电机控制系统的鲁棒性、稳定性和精度,并且具有快速性和对外部强的抗负载外部扰动能力，保证永磁无铁芯轮毂电机正常持续运动。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是一种永磁无铁芯轮毂电机及控制方法，电动汽车的微控制器以及与微控制器相接的无线通信模块，所述微控制器接有用于检测永磁无铁芯轮毂电机中定子电流的电流检测模块、用于检测永磁无铁芯轮毂电机母线电压模块和用于检测永磁无铁芯轮毂电机转速的转速检测模块，以及用于检测永磁无铁芯轮毂电机内外部温度的温度检测模块和用于手动设置参数的参数设置模块，结构上电机外壳、轴和轴承均采用铝合金，永磁体采用粘接方式固定在电机中间转子上，并与电动汽车轴连接，随着汽车轮胎一起转动。两个外侧定子通过注塑工艺固定在电机外壳上，不随轮胎转动。最终实现永磁无铁芯轮毂电机采用差速控制算法实现原地转弯，减小转弯半径。
4.本发明采用的技术方案是：一种永磁无铁芯轮毂电机及控制方法包含轮毂电机轮胎、轮毂电机、微控制器模块、pwm发生器、电池组、驱动电路，结构上采用两个外侧定子、永磁体、一个中间转子、轴承、轴和电机外壳。
5.系统程序主要包括转速检测显示程序、pi控制算法程序及pwm信号产生程序；转速检测显示程序实现对电机实际转速的测量,并利用显示器实时显示出来；本方案主要电路结构通常采用h桥，调速通过pwm方式，其调制方式大致有双极式、单极式和受限单极式三种；不同的pwm方式下电机的运行特性以及主电回路的开关损耗和安全性各有不同；本方案最终采用三相全桥主电路结构，以三相六状态方波控制运行，任一状态下有两只开关管受pwm控制，其pwm调制方式和直流电机的h桥pwm调制很类似，都是同时两只桥臂受控。
6.进一步地，对高速计数器、pwm信号发生器和pid参数表进行初始化，然后设置定时
中断,并启动定时器开始定时；接下来判断电机的转动方向,若正转,则判断正转高速计数器是否发生中断,否则判断反转高速计数器是否发生中断；高速计数器一旦发生中断,立即读取定时器的当前值,作为计算转速的时间值；之后判断是否发生定时中断,若是则执行定时中断程序,定时中断程序主要工作为定时器清零、高速计数器清零并重新启动、计算转速、转速标准化、执行pid指令、输出值转换及执行pwm指令,继而输出pwm控制信号,否则继续判断是否发生中断。
7.进一步地，转速的检测主要是通过光电编码器和微控制器的高速计数功能来实现的。光电编码器和电机同轴连接,电机每转1圈,光电编码器a,b两路就产生一定数量的相位互差90
°
的正交脉冲。为此选择高速计数器为a,b两路正交计数工作方式。为使高速计数器正确工作,首先应向高速计数器的控制字节写入控制字,利用高速计数器的定义指令为所用的高速计数器选定工作模式,写入高速计数器的设定值,把当前值清零,采用当前值等于设定值的中断事件,建立中断连接,然后启动高速计数器。同时启动定时器,当高速计数器的当前值等于设定值时,产生中断,并同时把定时器的当前值读出来,作为产生所设定脉冲数的时间,从而可计算出转速。为提高测量精度,减少测量误差,可使用多个高速计数器,每个高速计数器检测不同时间范围的脉冲数。
8.关于永磁无铁芯轮毂电机转速控制，包括以下步骤：第一步、启动永磁无铁芯轮毂电机；第二步、通过电压、电流模块采集左右轮的电流i与电压v，通过上述编码器获得转速v和转子位置信息；第三步、转速设定值为v
ref
，将转弯内轮速度v1 设定为参考速度，外轮速度 设定为v2=v
ref
*（r+w/2）/(r-w/2),r是转向半径，w是车身宽度；第四步、经过pi调节将得到的速度误差作为电流环设定值，通过clarke变换得到静止坐标系电流信号，再通过park变换变为旋转坐标电流信号；第五步、经过控制器调节变为电压参考信号u
ref
最后经过park逆变换作为svpwm的控制信号，产生驱动信号控制功率部分；第六步、判断是否停车，如果否，则继续闭环控制流程；第七步、封闭永磁无铁芯轮毂电机驱动脉冲，永磁无铁芯轮毂电机停机。
9.综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用采用左右轮差速控制算法进行永磁无铁芯轮毂电机控制系统的设计。针对永磁无铁芯轮毂电机采用的双定子中间转子结构，转子直接与汽车轮胎相连接，设计的控制方案实现了永磁无铁芯轮毂电机对每一个轮胎速度进行独立控制，从而达到转弯路径最小的目的，最终实现节能的效果。
附图说明
10.图1是本发明实施案例提供的永磁无铁芯轮毂电机控制系统的整体结构示意图。
11.图2是本发明实施例提供的永磁无铁芯轮毂电机结构图。
12.图3是本发明实施例提供轮毂电机差速控制原理图。
13.图中：1-轮毂电机轮胎；2-轮毂电机；3-微控制器模块；4-pwm发生器；5-电池组；6-驱动电路；7-定子电枢；8-永磁体；9-中间转子；10-轴承；11-轴；12-电机外壳。
具体实施方式
14.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电动汽车用永磁无铁芯轮毂电机及控制方法。下面结合附图对本发明作详细的描述。
15.如图1所示本发明提供了一种电动汽车用永磁无铁芯轮毂电机包括轮毂电机轮胎1、轮毂电机2、微控制器模块3、pwm发生器4、电池组5、驱动电路6；所述电池组5连接驱动电路6，为驱动电路5供电；电动汽车的微控制器3与无线通信模块连接，同时微控制器接有用于检测永磁无铁芯轮毂电机中定子电流的电流检测模块、用于检测永磁无铁芯轮毂电机母线电压模块和用于检测永磁无铁芯轮毂电机转速的转速检测模块，以及用于检测永磁无铁芯轮毂电机内外部温度的温度检测模块和用于手动设置参数的参数设置模块。轮毂电机轮胎1，直接与轮毂电机相连，轮毂电机2，永磁无铁芯轮毂电机，采用双定子中间转子结构，转子直接与汽车轮胎相连接，提高永磁体的利用率，节约电能；微控制器模块3，根据设计的算法实现电机的控制；pwm发生器4，用于给每一个轮毂电机产生控制的pwm信号，实现转速控制；电池组5，用于给整个系统提供电能，由单一电池组成电池组满足大电流大电压的要求；电机驱动模块6，用于将电流传感器采集到的相电流，电压传感器反馈的电压信号，产生控制左右轮轮毂电机的两路pwm信号；光电编码器，用于处理反馈的速度信息，将光电编码器的位置信息转换为速度信息，并对永永磁无铁芯轮毂电机速度环进行闭环控制；电流采样模块，用于采集轮毂电机每一个轮上的电流信号；电压采样模块，用于采集轮毂电机的母线电压。
16.如图2所示结构上采用两个外侧定子7、永磁体8、一个中间转子9、轴承10、轴11和电机外壳12。结构上电机外壳、轴和轴承均采用铝合金，永磁体8采用粘接方式固定在电机中间转子9上，并与电动汽车轴11连接，随着汽车轮胎一起转动。两个外侧定子7通过注塑工艺固定在电机外壳上，不随轮胎转动；如图3所示轮毂电机差速控制通过脉宽调制器给轮毂电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲。通过先采集电机工作时的电流和电压，获得电机的相电流和母线电压的实时值，判断电压电流是否出现过流，据此来判断是否启动对电机的保护措施。然后获取转子的位置和速度信息，之后进行坐标变换，电流和转速pi的调节，最后进行svpwm算法的调制最后输出pwm信号。同时本发明前轮转向，由普通转向机完成；后轮需要转差，由电子差速完成。转弯半径由前轮转向机转角决定，后轮转差由车辆转弯半径和轮距轴距决定。由前轮转向机转动角度计算后轮转差。车辆直线行驶时，驱动轮线速度相等，轮速传感器测量速度并将信号送入中央处理器，中央处理器比较左右左右两轮转速，控制电机控制器使左右车轮转速一致；转弯行驶时，保证驱动车轮相对旋转中心的角速度相等以避免轮胎发生滑移。中央处理器根据方向盘实际转角、车轮转速和路面状况进行计算，将两轮所需的转速信号输入电机控制器。
17.光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。光电编码器与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件根据检测原理，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判定旋转方向，码盘还可提供相位相差90
°
的两路脉冲信号。光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，我们发明采
用混合式。本发明使用的是500线的光电编码器，除了提供传统的qep信号，还提供了一个标志脉冲qep_index，电机每旋转一周会触发一次。标志位qep_index与dsp的捕获中断3相连，在相应服务中断程序中将清零计数器t2，使计数值界于0～1000，从而可获取转子位置的详细信息。通过速度传感器产生的脉冲数量与电机的角度位移成正比，电机旋转一周产生的qep信号均为1000。qep电路可对固定在电机轴上的光电编码器产生的正交编码脉冲qepa和qepb进行计数，计数器的频率是qep信号的4倍。对于qepa和qepb为1000的信号，其计数循环周期为4000。cap3会在每个qep_index信号的上升沿产生一个中断，清零计数器t2，并同时将同步标志设为00f0。因此计数器t2在每个qep_index的上升沿被清零，并重新开始计数。在选用500线的光电编码器时，电机每转将产生1000个qep电脉冲，等于1000的整数倍时归零，重新从1开始计数。
18.电流的采集采用三电阻法，即a/d通过三相分流电阻实现对电流的采集，由于流过三相系统的三相电流的关系为：i1+i2+i3＝0，所以采集三相电流中的两相就可以推算出第三相电流值。采用adcina3、4两个接口接入驱动控制板的iv、iu端子，将采集的电流信号传输至微控制器处理。
19.关于永磁无铁芯轮毂电机转速控制过程，包括以下步骤：第一步、启动永磁无铁芯轮毂电机；第二步、通过电压、电流模块采集左右轮的电流i与电压v，通过上述编码器获得转速v和转子位置信息；第三步、转速设定值为v
ref
，将转弯内轮速度v1 设定为参考速度，外轮速度 设定为v2=v
ref
*（r+w/2）/(r-w/2),r是转向半径，w是车身宽度；第四步、经过pi调节将得到的速度误差作为电流环设定值，通过clarke变换得到静止坐标系电流信号，再通过park变换变为旋转坐标电流信号；第五步、经过控制器调节变为电压参考信号u
ref
最后经过park逆变换作为svpwm的控制信号，产生驱动信号控制功率部分；第六步、判断是否停车，如果否，则继续闭环控制流程。
20.第七步、封闭永磁无铁芯轮毂电机驱动脉冲，永磁无铁芯轮毂电机停机。