摘? 要： 基于Infineon XC164CS微控制器" title="微控制器">微控制器，設(shè)計一種針對四輪驅(qū)動電動車電機(jī)的控制方案。介紹了基于Ackermann和Jeantand轉(zhuǎn)向模型的四輪速度關(guān)系，四輪驅(qū)動汽車的電子差速" title="電子差速">電子差速算法以及電動輪" title="電動輪">電動輪的軟件設(shè)計。實踐證明，基于XC164CS，利用軟件就能實現(xiàn)對電動輪的控制。
關(guān)鍵詞： XC164CS微控制器；Ackerman-Jeantand模型；電子差速技術(shù)；PI調(diào)解器
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我國汽車工業(yè)正處于高速發(fā)展時期，但目前市場上的汽車絕大多數(shù)都是由內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的。針對內(nèi)燃機(jī)汽車所引發(fā)的能源危機(jī)與環(huán)境威脅，以開發(fā)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的替代動力系統(tǒng)為基本思想，利用清潔能源為本質(zhì)特征的電動汽車技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域發(fā)展的前沿課題之一。
電動汽車使用電動機(jī)代替了內(nèi)燃機(jī)，可以不再直接使用石油燃料作為驅(qū)動力源，從而降低了汽車工業(yè)發(fā)展對石油的依賴程度，并且降低了汽車對城市空氣的污染；使用電機(jī)驅(qū)動的汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的噪音也比使用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車低大約5dB～15dB[1]。此外，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動汽車還具有輕便、操控性能好、更有利于實現(xiàn)智能化等許多優(yōu)點[2]。
本文介紹一種基于Infineon XC164CS微控制器的電動輪分布式電子差速控制方案。
1 基于Ackermann和Jeantand轉(zhuǎn)向模型[3]的四輪速度關(guān)系
輪式車輛轉(zhuǎn)彎行使時，為了避免車胎在轉(zhuǎn)向過程中的過快磨損及不穩(wěn)定驅(qū)動，實現(xiàn)車輛的平順轉(zhuǎn)向，一般要求所有車輪在轉(zhuǎn)向過程中都作純滾動[4]。對四輪獨立驅(qū)動電動汽車而言，即要求四個車輪在轉(zhuǎn)向過程中具有各自不同的轉(zhuǎn)速，并且各車輪的轉(zhuǎn)速之間應(yīng)滿足某一特定關(guān)系，該關(guān)系即為設(shè)計汽車差速系統(tǒng)的主要依據(jù)。低速下，這一特定關(guān)系可基于Ackermann和Jeantand轉(zhuǎn)向模型推導(dǎo)得出。
使用Ackermann和Jeantand轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，四輪速度關(guān)系分析的假設(shè)前提條件為：(1)剛性車體；(2)車輪作純滾動，即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn)；(3)行駛時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。
為便于討論，不妨假定：當(dāng)車輛以任意角度轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總能夠確保四個車輪的轉(zhuǎn)向軸共點于O；即在圖1所示的轉(zhuǎn)向模型中（其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的主銷間距等于輪B），外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α與內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β總是滿足下面的等量關(guān)系[5]：
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若假定輪胎在轉(zhuǎn)向時不發(fā)生側(cè)偏，且不考慮側(cè)傾時垂直載荷對內(nèi)、外側(cè)車輪的影響，并且設(shè)電動汽車的駕駛員通過變速傳感器給定的目標(biāo)車速為Vs，則可得到基于電動輪轉(zhuǎn)速控制的電子差速算法：
在式（2）的左側(cè)，除了B、L這兩個車體線度常數(shù)之外的其他變量均來源于駕駛員。從控制算法的角度來看，整個電子差速系統(tǒng)由駕駛員、電子差速算法及電動輪轉(zhuǎn)速控制算法三部分構(gòu)成。該系統(tǒng)的控制流程為：駕駛員根據(jù)自己的意圖與行車線路給定目標(biāo)車速Vs、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α、內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β；電子差速算法根據(jù)式(2)進(jìn)行實時計算得到各個電動輪應(yīng)有的行駛速度Vi(i=1，2，3，4）；搭載于四個電動輪控制器上的電動輪轉(zhuǎn)速控制算法分別以相應(yīng)的Vi為轉(zhuǎn)速目標(biāo)設(shè)定值，對各個電動輪的實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時控制。由于外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角Vs與內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β受到式(1)的約束，故整個控制系統(tǒng)中的自由度為2。同時由于電子差速算法的非線性，可以使用將查表法與內(nèi)部插值法相結(jié)合的方式實現(xiàn)，借以降低算法的運算量；電動輪轉(zhuǎn)速控制算法可采用具有轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的PI算法，以便獲得較好的動態(tài)性能。
2 基于Infineon XC164CS微控制器的電動輪控制器設(shè)計
2.1 電動輪控制器硬件設(shè)計
電動輪控制器是四輪電子差速系統(tǒng)中的控制命令執(zhí)行器，其主要任務(wù)為：
(1)驅(qū)動電動輪中的無刷直流電動機(jī)" title="無刷直流電動機(jī)">無刷直流電動機(jī)并進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；
(2)對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)；
(3)通過CAN總線接收中央控制器的轉(zhuǎn)速設(shè)定命令,并將本電動輪控制器的運行狀況通過CAN總線發(fā)送給中央控制器。
電動輪控制器硬件部分經(jīng)中央控制器硬件部分?jǐn)U展得到，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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2.2 電動輪控制器軟件設(shè)計
電動輪控制器軟件設(shè)計相對復(fù)雜，此處使用有限狀態(tài)機(jī)" title="有限狀態(tài)機(jī)">有限狀態(tài)機(jī)的軟件設(shè)計方法以使得整個程序設(shè)計流程清晰明了。在實際行駛過程中，四輪電子差速系統(tǒng)中的電動輪將工作在多個不同的情況下，將這些情況進(jìn)行簡化與抽象即可得到有限狀態(tài)機(jī)中的各個狀態(tài)。電動輪所處的情況是由駕駛員的控制及電動輪自身運行狀態(tài)所決定的，由此可得到有限狀態(tài)機(jī)中各個狀態(tài)相互遷移的條件。經(jīng)簡化后的電動輪控制器狀態(tài)遷移圖如圖3所示。
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其中各狀態(tài)遷移條件為：(a)源于CAN總線的轉(zhuǎn)速設(shè)定命令非0；(b)電動機(jī)正常起轉(zhuǎn)；(c)、(f)、(g)源于CAN總線的剎車命令或直接檢測到剎車意圖；(d)過流或在起動狀態(tài)中停留時間過長、電動機(jī)未起轉(zhuǎn)或其他異常；(e)主電源過流或其他異常；(h)主電源電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速為0；(i)開啟電動輪控制器；(j)關(guān)閉電動輪控制器。
除在圖3中繪出的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系之外，當(dāng)異常情況（或剎車信號）消失時，電動輪控制器將立即退出異常狀態(tài)（或剎車狀態(tài)）并自動返回到前一狀態(tài)?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)的電動輪控制器程序主流程如圖4所示，其中變量state中存放的是電動輪控制器當(dāng)前所處的狀態(tài)。
圖4中多分支結(jié)構(gòu)的各分支分別對應(yīng)于有限狀態(tài)機(jī)中的各狀態(tài)。其中正常差速分支是電動輪控制器軟件部分的核心，電動輪控制在該分支中對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。該分支的主要流程如圖5所示。
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正常差速分支中用到的轉(zhuǎn)速控制標(biāo)志位與電流控制標(biāo)志位都僅在GPT定時中斷程序中進(jìn)行置位，以此方式實現(xiàn)對相鄰兩次數(shù)字PI時間間隔的有效控制。
3 PI調(diào)解器控制分析
電動輪控制器采用PI調(diào)節(jié)器對無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流進(jìn)行閉環(huán)控制。模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型為[6]：
其中kp為比例環(huán)節(jié)系數(shù)，Ti為積分常數(shù)，e(t)為系統(tǒng)反饋誤差，u(t)為PI調(diào)節(jié)器的輸出，t為時間。
數(shù)字PI調(diào)節(jié)器源于模擬PI調(diào)節(jié)器，使用矩形數(shù)值積分可將式（3）改寫為離散形式：
其中ki可稱為積分環(huán)節(jié)系數(shù)，T為矩形數(shù)值積分的單步時間寬度，也即對e(t)進(jìn)行數(shù)字化時的信號采樣周期，k為采樣序號。
將u(k+1)-u(k)并進(jìn)行整理可得數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的迭代表示式：
令kp=A0，ki×T-kp=A1，同時考慮對PI調(diào)節(jié)器輸出的限幅，則上式可改寫為：
其中Limit為PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅門檻值。與式(4)相比，式(6)無累加項，能有效避免積分飽和且其為迭代形式，便于該算法在微控制器中的實現(xiàn)。在電動輪控制器中，為了提高代碼的重用性，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法被封裝為一個子函數(shù)，該子函數(shù)既可用于調(diào)節(jié)電流又可用于調(diào)節(jié)電壓，其流程如圖6所示。
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在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，一般情況下，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器中的A0、A1、Limit、u(k)、e(k)各量與電流PI調(diào)節(jié)器中相應(yīng)各量的數(shù)值均不相同，因此在該數(shù)字PI子函數(shù)中首先應(yīng)根據(jù)其被調(diào)用的場合裝載相應(yīng)的一組數(shù)據(jù)，在子函數(shù)調(diào)用返回之前還應(yīng)及時對這組數(shù)據(jù)中的變量u(k)、e(k)作更新。為了有效地組織這些參數(shù)，可以使用結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，將分屬轉(zhuǎn)速PI與電流PI的兩組數(shù)據(jù)分別存儲于兩個結(jié)構(gòu)體類型的變量中。調(diào)用數(shù)字PI子函數(shù)時將結(jié)構(gòu)體變量的首地址作為該子函數(shù)的實際參數(shù)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。
因為XC164CS微控制器中的MAC單元具有16位定點DSP的部分功能，所以使用MAC單元可以極大地提高算法執(zhí)行效率。以實現(xiàn)PI控制器核心算法為例，當(dāng)使用MAC單元時，在空間上其只需6行ASM代碼，在時間上只需6個指令周期即可完成。在Keil中，實現(xiàn)PI核心算法的MAC單元宏匯編指令如下：
%*DEFINE(MAC_MADDS_Q31(a，b，c，d，e，f))(
MOV MCW，#0200h；
CoLOAD %b，%a；
CoMAC %c，%d；
CoMAC %e，%f；
CoSTORE %a，MAH；
CoSTORE %b，MAL
)
在整個電動輪控制器中，對無刷直流電動機(jī)的適時換相至關(guān)重要。底層程序編制不當(dāng)極可能引起36V鋰電池在逆變橋中直通短路并帶來嚴(yán)重后果，故在實際上電實驗之前可利用Keil集成環(huán)境進(jìn)行微控制器底層仿真。使用Keil提供的輔助調(diào)試工具Function Editor來模擬輸入微控制器的三路霍爾信號及由其組合而成的換相信號speed_puls；使用Logic Analyzer窗口觀察CC6單元中相應(yīng)的管腳輸出，仿真結(jié)果如圖7所示。
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由于實驗條件有限，無法直接測量電動輪中無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速控制部分的實驗結(jié)果還須在后續(xù)的工作中建立一個基于CAN/USB網(wǎng)關(guān)的PC監(jiān)控界面之后才能給出。從已有的仿真結(jié)果可以看出，基于Infineon XC164CS的軟件控制方案能夠很好地實現(xiàn)對四輪驅(qū)動車電機(jī)的控制。
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參考文獻(xiàn)
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