基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的電動(dòng)車電子差速算法仿真
摘要： 電動(dòng)汽車具有零排放，低噪聲，輕便，操控性能好等特點(diǎn)。此外隨著電動(dòng)輪技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，在電動(dòng)車上更容易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)而為剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)等主動(dòng)安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供便利。
Abstract：
Key words :
伴隨著日益嚴(yán)重的大氣污染和能源危機(jī)，傳統(tǒng)的交通工具——汽車的發(fā)展面臨著一系列的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車消耗大量的石油資源，嚴(yán)重污染環(huán)境。這些無(wú)法避免的缺點(diǎn)使人們意識(shí)到，以清潔能源為動(dòng)力的新一代汽車替代傳統(tǒng)汽車的重要性，其中的電動(dòng)汽車技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域的前沿課題之一。
電動(dòng)汽車具有零排放，低噪聲，輕便，操控性能好等特點(diǎn)。此外隨著電動(dòng)輪技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，在電動(dòng)車上更容易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)而為剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)等主動(dòng)安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供便利。
本文介紹一種基于嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核ARTXl66的電子差速算法。
1 基于Ackermann轉(zhuǎn)向模型的四輪速度關(guān)系
根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)分析可知，車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，汽車外側(cè)車輪的行程要比內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)。如果通過(guò)一根整軸將左右車輪連接在一起，則會(huì)由于左右車輪轉(zhuǎn)速雖相等但行程不同而引起一側(cè)車輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移，不僅使輪胎過(guò)早磨損，無(wú)益地消耗功率，并且易使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)失去抗側(cè)滑的能力而使穩(wěn)定性變壞，操控性變差。為避免上述情況的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)車輛的平順轉(zhuǎn)向，一般要求所有車輪在轉(zhuǎn)向過(guò)程中都做純滾動(dòng)。對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車而言，即要求四個(gè)車輪在轉(zhuǎn)向過(guò)程中具有各自不同的轉(zhuǎn)速，并且各車輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足一定的關(guān)系。該關(guān)系為設(shè)計(jì)汽車差速系統(tǒng)的主要依據(jù)。低速情況下，這一特定關(guān)系可由Ackermann模型推導(dǎo)得出。
使用Ackermann轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，分析四輪速度關(guān)系的假設(shè)前提條件為：
①剛性車體；
②車輪作純滾動(dòng)，即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn)；
③行駛時(shí)所有輪胎都未離開地面；
④輪胎側(cè)向變形與側(cè)向力成正比。
該轉(zhuǎn)向模型如圖1所示。
其中，軸距L和兩側(cè)軸線距離D是常數(shù)值，δ是方向盤的轉(zhuǎn)角，ω0為車?yán)@轉(zhuǎn)向瞬心的角速度，V1、V2、V3、V4是4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的速度。由圖1可得：
需要注意的是，對(duì)于4個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)BLDC來(lái)說(shuō)，所需要的輸入信號(hào)是角速度值ωx。它與V的關(guān)系是：
r是輪子的半徑。
在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將加速手把的轉(zhuǎn)速設(shè)定值ωr(參考角速度)定義為與最大速輪的轉(zhuǎn)速，即左轉(zhuǎn)時(shí)，右前輪角速度為ωr；右轉(zhuǎn)時(shí)，左前輪角速度為ωr(也可另行定義)。
很顯然，如果在程序中直接套用上面的公式，則運(yùn)算量將非常大，運(yùn)算時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)；但可以看出，只要方向盤的轉(zhuǎn)角δ定，則4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速與參考角速度的比值 ω1／ωr、ω2／ωr、ω3／ωr、ω4／ωr是唯一確定的。所以在程序運(yùn)行當(dāng)中，完全可以預(yù)先將0。到最大轉(zhuǎn)向角問(wèn)分成若干等份，再將不同的δ值對(duì)應(yīng)的4個(gè)速度比率列成表格，用查表與內(nèi)插值的方法簡(jiǎn)化運(yùn)算的過(guò)程。
值得一提的是，上述的算法可以在Matlab／Simulink中搭建模型，它將使表格的查詢與線性內(nèi)插值的處理變得十分方便。整個(gè)算法模型完成之后，還可以利用Matlab的自動(dòng)代碼生成功能，直接生成C語(yǔ)言代碼，嵌入到控制系統(tǒng)當(dāng)中去，這極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。
2 XCl64CS微處理器
對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的控制應(yīng)用，要求微處理器提供系統(tǒng)安全和故障保險(xiǎn)機(jī)制，以及有效的措施以降低器件的功耗，并且具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力與穩(wěn)定性能，同時(shí)保證系統(tǒng)具有足夠用于整車系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)與升級(jí)所需的資源。為此，選用了Infineon公司的高性能16位微控制器XCl64CS。
XCl64內(nèi)核結(jié)構(gòu)結(jié)合了RISC和CISC處理器的優(yōu)點(diǎn)，這種強(qiáng)大的計(jì)算和控制能力通過(guò)MAC單元的DSP功能實(shí)現(xiàn)。XCl64把功能強(qiáng)勁的CPU內(nèi)核和一整套強(qiáng)大的外設(shè)單元集成于一塊芯片上，并有效連接。同時(shí)，在XCl64上應(yīng)用的LXBus是眾多總線中的一條，是外部總線接口的內(nèi)部代表。這個(gè)總線為 XCl64的衍生產(chǎn)品集成附加的特殊應(yīng)用外設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)途徑。
3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核ARTXl66
由于電子差速器只是中央控制系統(tǒng)功能的一部分，為了提高整車控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性，同時(shí)便于系統(tǒng)進(jìn)一步的擴(kuò)展(例如電池管理系統(tǒng)、車燈管理系統(tǒng))，在控制器中采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
實(shí)時(shí)操作是基于并行任務(wù)(進(jìn)程)的思想，將應(yīng)用分解成若干個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，并將各任務(wù)要做的事、任務(wù)問(wèn)的關(guān)系向?qū)崟r(shí)多任務(wù)內(nèi)核交代清楚，讓實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核去管理這些任務(wù)。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用的ARTXl66實(shí)時(shí)內(nèi)核是由Keil公司發(fā)布的，一個(gè)易于在英飛凌XCl6x系列微處理器上使用的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它允許建立最多達(dá) 255個(gè)任務(wù)，任務(wù)間的切換主要通過(guò)Round-Robin循環(huán)的模式進(jìn)行。這是一種準(zhǔn)并行的方式，將CPU時(shí)間劃分成時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核按照任務(wù)號(hào)依次將控制權(quán)傳遞給準(zhǔn)備好的任務(wù)。由于時(shí)間片很短，所以看起來(lái)任務(wù)像是同時(shí)在運(yùn)行。
如果Round-Robin循環(huán)模式被用戶禁用，則任務(wù)與任務(wù)間的切換必須通過(guò)調(diào)用os-tsK-pass()函數(shù)來(lái)完成，它將立刻切換到下一個(gè)準(zhǔn)備好的任務(wù)。除此之外，還可以通過(guò)給任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度的時(shí)序運(yùn)行。
在ARTXl66實(shí)時(shí)內(nèi)核中，任務(wù)或進(jìn)程間的通信主要采用了以下4種方法：
?、偈录?biāo)記。它主要用于任務(wù)間的同步，每個(gè)任務(wù)分配有多達(dá)16個(gè)事件標(biāo)記，任務(wù)的繼續(xù)(或喚醒)可以選擇等待所有的事件標(biāo)記或是只等待其中的一個(gè)或幾個(gè)。事件標(biāo)記也可以通過(guò)外部中斷程序進(jìn)行設(shè)定，從而與外部事件進(jìn)行同步。
②信號(hào)量。它是載有虛擬令牌的二進(jìn)制信號(hào)量，用于解決多個(gè)任務(wù)占用公共資源的情況。在同一時(shí)間內(nèi)，該令牌只能交給一個(gè)任務(wù)，避免了任務(wù)間的干擾。沒(méi)有令牌的任務(wù)將處于睡眠狀態(tài)，只有在得到令牌之后，該任務(wù)才會(huì)被喚醒。另外，為了防止進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，可以為等待令牌設(shè)置一個(gè)時(shí)限。
③互斥鎖。它用于鎖定共同資源，只允許一個(gè)任務(wù)占用，其他任務(wù)是封鎖的，直到互斥鎖被釋放。
?、茑]箱。它主要用于任務(wù)之間信息的交換。
4 電子差速系統(tǒng)及其控制流程
電子差速系統(tǒng)是一種基于CAN總線的分布式四輪電子差速系統(tǒng)。它由1個(gè)中央控制器、4個(gè)電動(dòng)輪控制器及CAN總線網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分組成。
該分布式系統(tǒng)的電子差速實(shí)時(shí)控制過(guò)程為：中央控制器通過(guò)A／D采樣獲得來(lái)自轉(zhuǎn)向傳感器的車輛轉(zhuǎn)向角度信號(hào)以及來(lái)自手柄轉(zhuǎn)把中的車速設(shè)定信號(hào)，經(jīng)過(guò)整車差速算法，分別獲得4個(gè)車輪當(dāng)前各自應(yīng)有的轉(zhuǎn)速，并將這一結(jié)果作為當(dāng)前時(shí)刻對(duì)應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值，通過(guò)CAN總線發(fā)送給相應(yīng)的電動(dòng)輪控制器；4個(gè)車輪控制器以從CAN總線收到的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為控制目標(biāo)，使用電動(dòng)轉(zhuǎn)速控制算法對(duì)各自的電動(dòng)輪進(jìn)行控制，使各個(gè)電動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)滿足整車差速算法的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車輛的平順轉(zhuǎn)向。
5 電子差速算法仿真平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
5．1 電子差速算法本體的仿真模型
圖2中，速度基準(zhǔn)值模塊通過(guò)加速信號(hào)等確定Vref(Vref=ωr×r)。Vref為速度基準(zhǔn)值，即轉(zhuǎn)向時(shí)前軸外側(cè)輪的轉(zhuǎn)速值。此輪為4個(gè)輪子中轉(zhuǎn)速最大的輪。比例模塊通過(guò)查表確定各個(gè)輪速與Vref的比例值，轉(zhuǎn)向模塊確定轉(zhuǎn)彎的方向。
5．2 電子差速算法仿真結(jié)果
在轉(zhuǎn)向、加速、剎車3種信號(hào)作用下，4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速如圖3所示，從中可以清楚地看出電子差速的效果。在時(shí)間為1時(shí)，由于減速，V1、V2、V3、V4同時(shí)減小，同時(shí)由于轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，在電子差速作用下，V1、V3瞬時(shí)增大，而V2和V4瞬時(shí)減小，且變化數(shù)值不同。在3和4之間，4和5之間，8和9之間轉(zhuǎn)向也發(fā)生變化，電子差速起作用，V1、V3瞬時(shí)增大或減小，而V2和V4瞬時(shí)減小或增大，且變化數(shù)值不同。在5和7之間由于剎車，各輪速度為O。
5．3 電子差速算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)
該實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：1臺(tái)作為監(jiān)控設(shè)備的PC機(jī)及1輛自行構(gòu)建的具有4個(gè)電動(dòng)輪的低成本電動(dòng)車實(shí)物模型。這兩個(gè)部分通過(guò)一個(gè)自制的簡(jiǎn)易 CAN／USB網(wǎng)關(guān)相連，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的主體。
PC機(jī)作為該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中重要的人機(jī)接口之一，用于監(jiān)視及評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。通過(guò)對(duì)電動(dòng)車實(shí)物模型上CAN總線消息的在線監(jiān)聽，PC機(jī)可以在不干擾電動(dòng)車運(yùn)行的前提下實(shí)時(shí)獲得電動(dòng)車中央控制器、各個(gè)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行情況；還可在PC機(jī)上對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制，并且可將接收到的大量有效數(shù)據(jù)保存在PC機(jī)的硬盤中，為更為復(fù)雜的離線分析提供可能。
CAN／USB網(wǎng)關(guān)是連接本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中上位PC機(jī)與電動(dòng)車實(shí)物模型的橋梁，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的重要設(shè)備。該網(wǎng)關(guān)完成了CAN總線與USB線的物理接口及協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有雙向通信及一定的數(shù)據(jù)緩沖能力；支持USB2．O高速傳輸協(xié)議，通過(guò)編程可以支持傳輸速度最高達(dá)1 Mb／s的CAN總線通信。
5．4 電子差速算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果
在不考慮加速度信號(hào)的影響下，轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí)，利用該平臺(tái)得出各輪速度變化。轉(zhuǎn)速設(shè)定如圖4所示，轉(zhuǎn)角變化如圖5所示。
隨著轉(zhuǎn)角的變化，各個(gè)輪子速度變化如圖6所示。
從圖6中可以看出，轉(zhuǎn)角各個(gè)變化過(guò)程中對(duì)應(yīng)各輪速度的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)角由O增大到最大值時(shí)(向右轉(zhuǎn)向)，V1為前軸外側(cè)輪，速度最大，即V1為 Vref(Vs)，此時(shí)的目標(biāo)車速Vs(V1)為轉(zhuǎn)角為O時(shí)的車速，故V1保持不變，V2、V2、V4根據(jù)電子差速算法相應(yīng)的減??；當(dāng)轉(zhuǎn)角為最大值時(shí)，V2、V3、V4減小的趨勢(shì)停止，隨后轉(zhuǎn)角由最大值減小到0時(shí)，V2、V3、V4增大到與V1相同。當(dāng)轉(zhuǎn)角由0減小到最小值時(shí)(向左轉(zhuǎn)向)，V4為前軸外側(cè)輪，速度最大，即V4為Vref(Vs)，此時(shí)的目標(biāo)車速Vs(V4)為轉(zhuǎn)角為O時(shí)的車速，故V4保持不變，V1、V2、V3根據(jù)電子差速算法相應(yīng)的減?。划?dāng)轉(zhuǎn)角為最小值時(shí)，V1、V2、V3減小的趨勢(shì)停止，隨后轉(zhuǎn)角由最小值增大到O時(shí)，V1、U2、V3增大到與V4相同。
6 結(jié) 論
系統(tǒng)中的電子差速算法是以車輪轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，此算法較為簡(jiǎn)單。但也存在著一定的問(wèn)題，它只較適合于低轉(zhuǎn)速小轉(zhuǎn)角或直線行駛的情況；在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角都較大時(shí)，此時(shí)車體運(yùn)動(dòng)的離心力產(chǎn)生的側(cè)翻力矩起決定性的作用，可能會(huì)發(fā)生滑轉(zhuǎn)，在泥濘等復(fù)雜路況下也難以適用。由于試驗(yàn)的條件所限，無(wú)法采用適合于復(fù)雜路面情況的，基于滑移率或是基于驅(qū)動(dòng)輪附著力的電子差速算法。
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