CN104192207A - 基于fpga技术具有容错能力的电子差速器控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统及其控制方法，属于电子差速器控制系统及其控制方法领域，包括四轮电动车，四轮电动车设有电池和两个轮毂电机，设有驱动控制芯片，电池通过驱动控制芯片连接到两个轮毂电机的控制系统，四轮电动车方向盘与油门处设有位置传感器，两个轮毂电机内也设有位置传感器，位置传感器通过模数转换模块连接到驱动控制芯片，结构简单，控制方式简单，可靠性高，控制精度高。

Description

基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统及其控制方法

技术领域

本发明提供一种基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统及其控制方法，属于电子差速器控制系统及其控制方法领域。

背景技术

电动汽车是基于电力驱动的道路行驶车辆，电力驱动系统是电动汽车的核心技术，包括电机驱动系统，传动系统和车轮。电机驱动系统又包含了电机，功率变换器，电控制器。直流电机由于机械特性能够很好地适应牵引力的需要，并且易于控制，早期在电动汽车中被广泛应用，但是随着效率，功率密度，稳定性，维护成本等的要求越来越高以及新技术的发展，永磁同步电机(PSM)正在逐步取代直流电机。为了能够提高由PSM驱动的电动汽车的动态性能，技术人员和研究人员正在努力尝试使用矢量控制方法，但是矢量控制需要复杂的在线协同通信，才能对于磁通量控制和转矩控制之间的交互作用进行解耦，进而对于永磁同步电机实行快速的转矩控制，因此这种控制方法通常需要消耗大量的计算时间，并且对于控制芯片的要求非常高。而转矩控制则不需要大量的在线计算就可以对电机实现快速的转矩控制。电机的控制方式会影响整个系统的稳定性，复杂的控制方法如矢量控制在实际的运作过程中会消耗大量的计算时间，降低反应的灵敏度，而简单的控制方法如转速控制又会影响控制的精度，因此选用合适的电机以及控制方法将会直接影响整个控制系统的控制精度和可靠性。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，结构简单，控制方式简单，可靠性高，控制精度高。

本发明目的在于提供一种基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法，控制简单，抗干扰能力强。

本发明所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，包括四轮电动车，四轮电动车设有电池和两个轮毂电机，设有驱动控制芯片，电池通过驱动控制芯片连接到两个轮毂电机的控制系统，四轮电动车方向盘与油门处设有位置传感器，两个轮毂电机内也设有位置传感器，位置传感器通过模数转换模块连接到驱动控制芯片。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，本发明中使用的车辆为后轮驱动，都单独有轮毂电机驱动，使用转矩控制控制两个电机，两前轮为转向轮，驱动控制芯片通过位置传感器获得方向盘和油门的数据，并根据方向盘和油门的数据计算出参考的速度差，再通过轮毂电机内的位置传感器获得两个轮毂电机的实际转速数据，并根据实际转速数据计算出实际速度差，并将实际速度差与参考速度差做比较，并取出差值，计算成补偿转矩，传输给轮毂电机控制系统，两个轮毂电机的控制系统分别将补偿转矩与驱动控制芯片根据转向角和角速度测出的参考转矩进行相加或相减，使两个驱动轮的速度得到补偿，电子差速器是整个控制模块中最重要的一个部分，电子差速器的控制策略是基于预测在车轮行驶时两个驱动轮之间的速度差。速度差由式确定，δ是方向盘的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，基于实际角速度和方向盘转角按上式所给的数学关系计算两个车轮的角速度差，测量到的角速度差与参考值进行比较，误差信号传递给驱动控制芯片，产生补偿转矩。这个转矩值与传递到驱动轮分配的参考转矩进行合成，即为实际的分配转矩，该过程控制方式简单，可靠性高，控制精度高。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，驱动控制芯片包括控制单元和参数识别单元，控制单元包括电机控制器、电子差速器和运算器，两个电机控制器均连接到电子差速器，两个电机控制器的输出端通过模数转换模块连接到轮毂电机，参数识别单元输出端连接到电子差速器。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，四轮电动车方向盘与油门处位置传感器通过模数转换模块连接到运算器，两个轮毂电机内的位置传感器通过模数转换模块连接到参数识别单元。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，电机控制器设有PI控制器。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，轮毂电机为容错交流异步电机。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，位置传感器为电位器。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，电子差速器在电动车转向时计算两个车轮之间的速度差，整个系统使用车速和转向盘转角作为输入参数计算内轮和外轮所需的车速，使用两个PSM电机独立控制这两个车轮。为了提高整个电子差速控制系统的稳定性和容错能力，本设计采用具有容错性能的容错交流异步电机(Fault-Tolerant PSMFTPSM)，这种电机有很高的可靠性。这个电机的控制系统中拥有速度控制回路和磁滞电流控制回路，在正常情况下，三个相位调整逆变器产生的电流控制输出转矩的稳定性，当其中一个相位的电流出现错位时，这种电机能够依据其他两个相位的电流保证电机的正常运转，因此具有很强的容错能力。电子差速器给左右车轮的轮毂电机分配转矩，整个驱动系统嵌入在FPGA中，因此具有很高的计算能力，尤其配置了多种专用的倍频器，拥有并行计算的能力；驱动控制芯片由两个部分组成：控制单元和参数识别。两个部分都具有高速运算的能力，使用专用的硬件电路嵌入到FPGA中。整个控制单元使用具有容错能力的交流电机控制器和电子差速器。电子差速器的控制策略依据车轮转速确定参考转矩，整车的方向盘转角δ和驾驶员的需求转矩。参数识别模块对于调节控制器的重要参数进行预估。交流电机的主要控制单元包括以下几个部分：电流控制回路、PWM生成器和编码器。电流控制回路是整个系统最底层的控制回路，它使用数字PI控制器来调节这个回路。电机控制器最终向功率开关管发出命令获得需要的电压和频率。对于位置传感器，编码器是一个获得电机转速和转子位置的媒介；电子差速器是整个控制模块中最重要的一个部分，电子差速器的控制策略是基于预测在车轮行驶时两个驱动轮之间的速度差；速度差由式确定，δ是方向盘的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，基于实际角速度和方向盘转角按上式所给的数学关系计算两个车轮的角速度差，测量到的角速度差与参考值进行比较，误差信号传递给PI控制器，产生补偿转矩。这个转矩值与传递到驱动轮分配的参考转矩进行合成，即为实际的分配转矩；交流电机的参数识别使用的是非线性最小二乘法，这种方法能够对电机的稳态模型进行精确的估算；输入的激信号(电压)是广义的二进制信号，依照设计的配置可以实现离线的参数估计，使用FPGA采样和存取输入输出信号，收集到的数据传递到PC中，使用估计方法估算参数，估计的参数然后用来控制电机的运转，保证了本发明的精确性。

本发明所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法：

(1)车辆发生转向，方向盘和油门踏板处的位置传感器通过模数转换器将信号传送给运算器，运算器将信号转换为方向盘的转角数值和驾驶员需求的参考转矩，运算器将方向盘的转角数值和驾驶员需求的参考转矩根据公式可以计算得出速度差，其中δ是方向盘的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，此时的速度差为参考速度差。

(2)同时，两个轮毂电机的控制系统通过模数转换模块将后轮的实际角速度传送给参数识别单元，参数识别单元经过识别后传送给电子差速器，电子差速器经过换算得到实际的速度差。

(3)电子差速器将参考速度差与实际的速度差进行比较，并将其差值传送给电机控制器中的PI控制器，PI控制器会根据差值计算出补偿转矩，PI控制器将补偿转矩传送给轮毂电机的控制系统，轮毂电机的控制系统将补偿转矩与驾驶员需求的参考转矩进行相加或相减，得到实际的电机分配转矩。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法，当车辆发生转向时，A/D模块采集转向盘转角和角速度信号，将这些信号传递给FPGA中，并且在FPGA中经过A/D模块转换为方向盘转角和驾驶员需求的转矩。电子控制器接受这一组信号，并经过换算得到速度差，此时的速度差是参考速度差。与此同时两个FTPM电机经过A/D模块向FPGA传递左右后轮实际的角速度，电子差速器经过换算得到实际的速度差。参考速度差与实际速度差进行比较，两者的差值传递给PI控制器，PI控制器输出补偿转矩。PI控制器结构简单，鲁棒性好，能够方面有效地控制分配给电机控制器的转矩。输出的补偿转矩与之前计算过的分配给两个车轮的参考转矩进行叠加(相加或者相减)，得到实际的电机分配转矩。整个控制是一个闭环回路，具有很强的抗干扰能力，而且较易控制。

本发明与现有技术相比有益效果为：

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，本发明中使用的车辆为后轮驱动，都单独有轮毂电机驱动，使用转矩控制控制两个电机，两前轮为转向轮，驱动控制芯片通过位置传感器获得方向盘和油门的数据，并根据方向盘和油门的数据计算出参考的速度差，再通过轮毂电机内的位置传感器获得两个轮毂电机的实际转速数据，并根据实际转速数据计算出实际速度差，并将实际速度差与参考速度差做比较，并取出差值，计算成补偿转矩，传输给轮毂电机控制系统，两个轮毂电机的控制系统分别将补偿转矩与驱动控制芯片根据转向角和角速度测出的参考转矩进行相加或相减，使两个驱动轮的速度得到补偿，电子差速器是整个控制模块中最重要的一个部分，电子差速器的控制策略是基于预测在车轮行驶时两个驱动轮之间的速度差。速度差由式确定，δ是方向盘的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，基于实际角速度和方向盘转角按上式所给的数学关系计算两个车轮的角速度差，测量到的角速度差与参考值进行比较，误差信号传递给驱动控制芯片，产生补偿转矩。这个转矩值与传递到驱动轮分配的参考转矩进行合成，即为实际的分配转矩，该过程控制方式简单，可靠性高，控制精度高。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，电子差速器在电动车转向时计算两个车轮之间的速度差，整个系统使用车速和转向盘转角作为输入参数计算内轮和外轮所需的车速，使用两个PSM电机独立控制这两个车轮。为了提高整个电子差速控制系统的稳定性和容错能力，本设计采用具有容错性能的容错交流异步电机(Fault-Tolerant PSMFTPSM)，这种电机有很高的可靠性。这个电机的控制系统中拥有速度控制回路和磁滞电流控制回路，在正常情况下，三个相位调整逆变器产生的电流控制输出转矩的稳定性，当其中一个相位的电流出现错位时，这种电机能够依据其他两个相位的电流保证电机的正常运转，因此具有很强的容错能力。电子差速器给左右车轮的轮毂电机分配转矩，整个驱动系统嵌入在FPGA中，因此具有很高的计算能力，尤其配置了多种专用的倍频器，拥有并行计算的能力；驱动控制芯片由两个部分组成：控制单元和参数识别。两个部分都具有高速运算的能力，使用专用的硬件电路嵌入到FPGA中。整个控制单元使用具有容错能力的交流电机控制器和电子差速器。电子差速器的控制策略依据车轮转速确定参考转矩，整车的方向盘转角δ和驾驶员的需求转矩。参数识别模块对于调节控制器的重要参数进行预估。交流电机的主要控制单元包括以下几个部分：电流控制回路、PWM生成器和编码器。电流控制回路是整个系统最底层的控制回路，它使用数字PI控制器来调节这个回路。电机控制器最终向功率开关管发出命令获得需要的电压和频率。对于位置传感器，编码器是一个获得电机转速和转子位置的媒介；电子差速器是整个控制模块中最重要的一个部分，电子差速器的控制策略是基于预测在车轮行驶时两个驱动轮之间的速度差；速度差由式确定，δ是方向盘的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，基于实际角速度和方向盘转角按上式所给的数学关系计算两个车轮的角速度差，测量到的角速度差与参考值进行比较，误差信号传递给PI控制器，产生补偿转矩。这个转矩值与传递到驱动轮分配的参考转矩进行合成，即为实际的分配转矩；交流电机的参数识别使用的是非线性最小二乘法，这种方法能够对电机的稳态模型进行精确的估算；输入的激信号(电压)是广义的二进制信号，依照设计的配置可以实现离线的参数估计，使用FPGA采样和存取输入输出信号，收集到的数据传递到PC中，使用估计方法估算参数，估计的参数然后用来控制电机的运转，保证了本发明的精确性。

所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法，当车辆发生转向时，A/D模块采集转向盘转角和角速度信号，将这些信号传递给FPGA中，并且在FPGA中经过A/D模块转换为方向盘转角和驾驶员需求的转矩。电子控制器接受这一组信号，并经过换算得到速度差，此时的速度差是参考速度差。与此同时两个FTPM电机经过A/D模块向FPGA传递左右后轮实际的角速度，电子差速器经过换算得到实际的速度差。参考速度差与实际速度差进行比较，两者的差值传递给PI控制器，PI控制器输出补偿转矩。PI控制器结构简单，鲁棒性好，能够方面有效地控制分配给电机控制器的转矩。输出的补偿转矩与之前计算过的分配给两个车轮的参考转矩进行叠加(相加或者相减)，得到实际的电机分配转矩。整个控制是一个闭环回路，具有很强的抗干扰能力，而且较易控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明控制原理图。

图中：1、四轮电动车；2、电池；3、轮毂电机；4、驱动控制芯片；5、方向盘；6、油门；7、模数转换模块；8、控制单元；9、参数识别单元；10、电机控制器；11、电子差速器；12、运算器。

具体实施方式

下面结合本发明对本基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统实施例做进一步说明：

实施例1：如图1所示，本发明所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，包括四轮电动车1，四轮电动车1设有电池2和两个轮毂电机3，设有驱动控制芯片4，电池2通过驱动控制芯片4连接到两个轮毂电机3的控制系统，四轮电动车1方向盘5与油门6处设有位置传感器，两个轮毂电机3内也设有位置传感器，位置传感器通过模数转换模块7连接到驱动控制芯片4。

实施例2：在实施例1所述的结构基础上，如图2所示，驱动控制芯片4包括控制单元8和参数识别单元9，控制单元8包括电机控制器10、电子差速器11和运算器12，两个电机控制器10均连接到电子差速器11，两个电机控制器10的输出端通过模数转换模块7连接到轮毂电机3，参数识别单元9输出端连接到电子差速器11，四轮电动车1方向盘5与油门6处位置传感器通过模数转换模块7连接到运算器12，两个轮毂电机3内的位置传感器通过模数转换模块7连接到参数识别单元9。

实施例3：在实施例2所述的结构基础上，电机控制器10设有PI控制器，轮毂电机3为容错交流异步电机，位置传感器为电位器。

下面结合本发明对本基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法实施例做进一步说明：

本发明所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法：

(1)车辆发生转向，方向盘5和油门6踏板处的位置传感器通过模数转换模块7将信号传送给运算器12，运算器12将信号转换为方向盘5的转角数值和驾驶员需求的参考转矩，运算器12将方向盘5的转角数值和驾驶员需求的参考转矩根据公式可以计算得出速度差，其中δ是方向盘5的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，此时的速度差为参考速度差。

(2)同时，两个轮毂电机3的控制系统通过模数转换模块7将后轮的实际角速度传送给参数识别单元9，参数识别单元9经过换算得到实际的速度差。

(3)电子差速器11将参考速度差与实际的速度差进行比较，并将其差值传送给电机控制器10中的PI控制器，PI控制器会根据差值计算出补偿转矩，PI控制器将补偿转矩传送给轮毂电机3的控制系统，轮毂电机3的控制系统将补偿转矩与驾驶员需求的参考转矩进行相加或相减，得到实际的电机分配转矩。

Claims (7)

1.一种基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，包括四轮电动车，四轮电动车设有电池和两个轮毂电机，其特征在于，设有驱动控制芯片，电池通过驱动控制芯片连接到两个轮毂电机的控制系统，四轮电动车方向盘与油门处设有位置传感器，两个轮毂电机内也设有位置传感器，位置传感器通过模数转换模块连接到驱动控制芯片。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，其特征在于，驱动控制芯片包括控制单元和参数识别单元，控制单元包括电机控制器、电子差速器和运算器，两个电机控制器均连接到电子差速器，两个电机控制器的输出端通过模数转换模块连接到轮毂电机，参数识别单元输出端连接到电子差速器。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，其特征在于，四轮电动车方向盘与油门处位置传感器通过模数转换模块连接到运算器，两个轮毂电机内的位置传感器通过模数转换模块连接到参数识别单元。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，其特征在于，电机控制器设有PI控制器。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，其特征在于，轮毂电机为容错交流异步电机。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统，其特征在于，位置传感器为电位器。

7.一种应用权利要求1所述的电子差速器控制系统的基于FPGA技术具有容错能力的电子差速器控制系统的控制方法，其特征在于：

(1)车辆发生转向，方向盘和油门踏板处的位置传感器通过模数转换器将信号传送给运算器，运算器将信号转换为方向盘的转角数值和驾驶员需求的参考转矩，运算器将方向盘的转角数值和驾驶员需求的参考转矩根据公式可以计算得出速度差，其中δ是方向盘的转角，ω_right和ω_leftt分别对应左右车轮的角速度，此时的速度差为参考速度差。

(2)同时，两个轮毂电机的控制系统通过模数转换模块将后轮的实际角速度传送给参数识别单元，参数识别单元经过识别后传送给电子差速器，电子差速器经过换算得到实际的速度差。

(3)电子差速器将参考速度差与实际的速度差进行比较，并将其差值传送给电机控制器中的PI控制器，PI控制器会根据差值计算出补偿转矩，PI控制器将补偿转矩传送给轮毂电机的控制系统，轮毂电机的控制系统将补偿转矩与驾驶员需求的参考转矩进行相加或相减，得到实际的电机分配转矩。