四驱电动汽车实验平台的设计

章彧

摘 要： 四驱电动汽车是未来汽车发展的方向。本文介绍了四驱电动汽车实验平台的基本结构，阐述了基于MCS51单片机汽车控制系统的工作原理，此平台不仅可完成电动汽车的一般特性实验，而且以其优越的开放性，可为学生提供进行创新性实验和设计的环境。

关键词： 轮毂电机 电动汽车 实验平台

四驱电动汽车是将电机与车轮轮毂做成一体，电机直接驱动车轮，省略了传统汽车动力传动系统的变速器、万向传动装置、差速器和半轴等部件，具有体积小，比功率大，传动效率高等特点，简化了整车结构，降低了整车质量，有利于增加电动汽车续驶里程，是未来汽车的发展方向。四驱电动汽车实验平台是针对高校汽车专业设计的，具有电动汽车一般特性实验和综合控制实验，并能提供开放性控制设计的综合性实验平台。

1.四驱电动汽车实验平台的结构

四驱电动汽车实验平台由车体结构和汽车控制应用软件组成。车体利用卡丁车车架改装，四轮分别采用直流无刷轮毂电动机车轮，利用变频器控制四轮转速。车体上还安装了电子式油门踏板、角度传感式方向盘、汽车车速仪表板和主控计算机系统。汽车控制应用软件采用主从式结构，四个车轮的控制作为从机，分别有各自独立的轮速反馈控制软件，保证各车轮轮速的实时准确控制，主机采样油门、方向等信息，按控制策略计算得到四个车轮的轮速控制量，发送给四个车轮的从机，从而完成整车的正常控制。

四驱电动汽车实验平台的功能结构如图1所示，包括汽车控制主机、左前轮控制、右前轮控制、左后轮控制、右后前轮控制、油门控制、转向控制、辅助控制及车速仪表等模块。

图1 四驱电动汽车实验平台功能结构框图

2.四驱电动汽车实验平台的原理

2.1轮速控制

四驱电动汽车的每个车轮都有自己独立的轮速控制模块，设计时，其方法、原理是相同的。轮速控制是四驱电动汽车控制的核心环节，其功能结构框图如图2所示，是由轮速控制计算机、D/A转换器、变频器和轮毂电动机等环节组成的。

图2 轮速控制模块功能结构框图

轮速控制计算机采用MCS51单片机，通过串行多机通信方式，接收由汽车控制主机发送过来的车轮转速给定值，送给D/A转换器，生成直流控制电压，变频器根据输入控制电压的大小，对电动机工作电源进行变频控制，输出逆变电源信号，控制轮毂电动机的转速。

在轮毂电动机中，装设有三相霍尔传感器，将电动机的转速对应地反映成电脉冲信号，变频器对三相脉冲信号进行叠加，形成频率与转速成正比例关系的脉冲信号。轮速控制计算机利用内置的计数器，可测量得到脉冲信号的频率，从而测到轮速，再经串行方式发送给汽车控制主机。

从轮速控制的分辨率、精度及与单片机接口方面的综合考虑，D/A转换器选择了TLV5618A，它是双通道12位电压输出型DAC器件，转换时间3-10us，采用SPI三线标准串行接口，转换所需2.5V基准电压由REF3225提供，输出直流电压：V■=■×5。D/A转换程序如下：

sbit DIN=P1^3； //数据输入端

sbit SCLK=P1^4； //时钟信号

sbit CS1=P1^5； //片选输入端，低电平有效

// D/A转换程序，Dignum为给定的数字量

void DA_conver1（uint Dignum）

{

uint Dig=0；

uchar i=0；

SCLK=1；

CS1=0； //片选有效

for （i=0；i<16；i++） //写入16为Bit的控制位和数据

{

Dig=Dignum&0x8000；

if（Dig）

{

DIN=1；

}

else

{

DIN=0；

}

SCLK=0；

_nop_（）；

Dignum<<=1；

SCLK=1；

_nop_（）；

}

SCLK=0；

CS1=1； //片选无效

}

变频器选用BLD-750直流无刷电机驱动器，其适用于功率为750W以下，电压为48VDC的三相正弦波直流无刷电机的转速调节，可用外部模拟电压实现调速控制。具有启动/停止控制、正反转控制、刹车制动控制功能；具有与轮毂电机霍尔传感器配合，提供转速脉冲信号输出功能；具有过流、过压、欠压、堵转、温度等保护功能；具有高速力矩输出平稳，转速稳定的特点。

车轮选用8寸无刷轮毂电机，轮胎直径约200mm，每转变频器输出12个脉冲。轮速测量时，利用单片机定时1s，对输入的脉冲信号进行累计，得到频率值F，则轮速为：

N=■×60（RPM） （式1）

直行时车速约为：

V=■（km/h） （式2）

2.2油门控制

四驱电动汽车油门控制模块由电子式油门踏板、A/D转换器和控制计算机组成。

电子式油门踏板中，踏板位置传感器外接5V电源，以分压电路原理工作。电子油门踏板通过转轴与传感器内部的滑动变阻器的电刷连接，踏板位置改变时，电刷与接地端的电压随之发生线性改变，即传感器输出电压对应改变。

A/D转换器选用DAC0809，对输入的油门位置直流电压信号进行数字化，得到轮速给定值的一个参数。

2.3转向控制

四驱电动汽车转向控制模块由方向盘角位移传感器、A/D转换器和控制计算机组成。角位移传感器也是利用内部滑动变阻器，采用分压原理工作，输出对应转角关系的直流输出电压，经A/D转换器数字化后，得到轮速给定值的另一个参数。

轮速给定值：

D=32×k■×k■ （式3）

2.4辅助控制

辅助控制主要是实现汽车的启动/停止、前进/后退、刹车制动功能。BLD-750直流无刷电机驱动器有三个对应的控制输入，设计时，设置了“启动/停止”、“前进/后退”、“刹车”三个按键，汽车控制主机循环做键扫描，产生对应的控制信号给驱动器，控制汽车的运行方式。

2.5车速仪表

车速仪表采用液晶显示，汽车控制主机对轮速模块反馈回来的轮速信息进行处理后，计算得到四个车轮的转速和汽车的车速，送给液晶显示出来。另外，为配合实验需要，对每个车轮驱动环节还装设了电流表，反映驱动电流与车轮转速的关系。

3.结语

四驱电动汽车实验平台现开设有“电动汽车的同步运动”和“电动汽车的差速运动”两个实验项目，实现四驱汽车在直行和转弯行驶时的特性分析。四驱电动汽车实验平台在设计时，主控计算机采用的是常用的MCS51单片机，相关控制器件也是常用的，这样更有利于这一平台对学生的开放性，实现创新性实验和设计，如汽车加速运行的特性实验、汽车原地转向的设计等。

参考文献：

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