基于實時內(nèi)核的電動車電子差速算法仿真
摘要： 電動汽車具有零排放，低噪聲，輕便，操控性能好等特點。此外隨著電動輪技術和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，在電動車上更容易實現(xiàn)四輪獨立驅(qū)動控制，進而為剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)等主動安全系統(tǒng)的實現(xiàn)提供便利。
Abstract：
Key words :
伴隨著日益嚴重的大氣污染和能源危機，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)燃機汽車消耗大量的石油資源，嚴重污染環(huán)境。這些無法避免的缺點使人們意識到，以清潔能源為動力的新一代汽車替代傳統(tǒng)汽車的重要性，其中的電動汽車技術已經(jīng)成為當今汽車領域的前沿課題之一。
電動汽車具有零排放，低噪聲，輕便，操控性能好等特點。此外隨著電動輪技術和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，在電動車上更容易實現(xiàn)四輪獨立驅(qū)動控制，進而為剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)等主動安全系統(tǒng)的實現(xiàn)提供便利。
本文介紹一種基于嵌入式實時內(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系
根據(jù)汽車動力學分析可知，車輛轉(zhuǎn)彎行駛時，汽車外側(cè)車輪的行程要比內(nèi)側(cè)的長。如果通過一根整軸將左右車輪連接在一起，則會由于左右車輪轉(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，不僅使輪胎過早磨損，無益地消耗功率，并且易使汽車在轉(zhuǎn)向時失去抗側(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)向過程中都做純滾動。對四輪獨立驅(qū)動電動車而言，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)速應滿足一定的關系。該關系為設計汽車差速系統(tǒng)的主要依據(jù)。低速情況下，這一特定關系可由Ackermann模型推導得出。
使用Ackermann轉(zhuǎn)向模型進行轉(zhuǎn)向時，分析四輪速度關系的假設前提條件為：
?、賱傂攒圀w；
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。
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為車繞轉(zhuǎn)向瞬心的角速度，V1、V2、V3、V4是4個轉(zhuǎn)動輪的速度。由圖1可得：
需要注意的是，對于4個執(zhí)行機構BLDC來說，所需要的輸入信號是角速度值ωx。它與V的關系是：
r是輪子的半徑。
在本實驗系統(tǒng)中，將加速手把的轉(zhuǎn)速設定值ωr(參考角速度)定義為與最大速輪的轉(zhuǎn)速，即左轉(zhuǎn)時，右前輪角速度為ωr；右轉(zhuǎn)時，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，則運算量將非常大，運算時間也會很長；但可以看出，只要方向盤的轉(zhuǎn)角δ定，則4個輪子的轉(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。所以在程序運行當中，完全可以預先將0。到最大轉(zhuǎn)向角問分成若干等份，再將不同的δ值對應的4個速度比率列成表格，用查表與內(nèi)插值的方法簡化運算的過程。
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。整個算法模型完成之后，還可以利用Matlab的自動代碼生成功能，直接生成C語言代碼，嵌入到控制系統(tǒng)當中去，這極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時間。
2 XCl64CS微處理器
對于四輪驅(qū)動電動車的控制應用，要求微處理器提供系統(tǒng)安全和故障保險機制，以及有效的措施以降低器件的功耗，并且具有強大的運算能力與穩(wěn)定性能，同時保證系統(tǒng)具有足夠用于整車系統(tǒng)進一步改進與升級所需的資源。為此，選用了Infineon公司的高性能16位微控制器XCl64CS。
XCl64內(nèi)核結構結合了RISC和CISC處理器的優(yōu)點，這種強大的計算和控制能力通過MAC單元的DSP功能實現(xiàn)。XCl64把功能強勁的CPU內(nèi)核和一整套強大的外設單元集成于一塊芯片上，并有效連接。同時，在XCl64上應用的LXBus是眾多總線中的一條，是外部總線接口的內(nèi)部代表。這個總線為 XCl64的衍生產(chǎn)品集成附加的特殊應用外設提供標準途徑。
3 實時操作系統(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)的實時性與可靠性，同時便于系統(tǒng)進一步的擴展(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時操作系統(tǒng)。
實時操作是基于并行任務(進程)的思想，將應用分解成若干個獨立的任務，并將各任務要做的事、任務問的關系向?qū)崟r多任務內(nèi)核交代清楚，讓實時多任務內(nèi)核去管理這些任務。
實驗系統(tǒng)中采用的ARTXl66實時內(nèi)核是由Keil公司發(fā)布的，一個易于在英飛凌XCl6x系列微處理器上使用的多任務實時操作系統(tǒng)。它允許建立最多達 255個任務，任務間的切換主要通過Round-Robin循環(huán)的模式進行。這是一種準并行的方式，將CPU時間劃分成時間片，每個時間片內(nèi)運行一個任務，由實時內(nèi)核按照任務號依次將控制權傳遞給準備好的任務。由于時間片很短，所以看起來任務像是同時在運行。
如果Round-Robin循環(huán)模式被用戶禁用，則任務與任務間的切換必須通過調(diào)用os-tsK-pass()函數(shù)來完成，它將立刻切換到下一個準備好的任務。除此之外，還可以通過給任務分配不同的優(yōu)先級，按優(yōu)先級搶占調(diào)度的時序運行。
在ARTXl66實時內(nèi)核中，任務或進程間的通信主要采用了以下4種方法：
①事件標記。它主要用于任務間的同步，每個任務分配有多達16個事件標記，任務的繼續(xù)(或喚醒)可以選擇等待所有的事件標記或是只等待其中的一個或幾個。事件標記也可以通過外部中斷程序進行設定，從而與外部事件進行同步。
?、谛盘柫俊Ｋ禽d有虛擬令牌的二進制信號量，用于解決多個任務占用公共資源的情況。在同一時間內(nèi)，該令牌只能交給一個任務，避免了任務間的干擾。沒有令牌的任務將處于睡眠狀態(tài)，只有在得到令牌之后，該任務才會被喚醒。另外，為了防止進入錯誤狀態(tài)，可以為等待令牌設置一個時限。
③互斥鎖。它用于鎖定共同資源，只允許一個任務占用，其他任務是封鎖的，直到互斥鎖被釋放。
?、茑]箱。它主要用于任務之間信息的交換。
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個中央控制器、4個電動輪控制器及CAN總線網(wǎng)絡3個部分組成。
該分布式系統(tǒng)的電子差速實時控制過程為：中央控制器通過A／D采樣獲得來自轉(zhuǎn)向傳感器的車輛轉(zhuǎn)向角度信號以及來自手柄轉(zhuǎn)把中的車速設定信號，經(jīng)過整車差速算法，分別獲得4個車輪當前各自應有的轉(zhuǎn)速，并將這一結果作為當前時刻對應車輪的轉(zhuǎn)速控制設定值，通過CAN總線發(fā)送給相應的電動輪控制器；4個車輪控制器以從CAN總線收到的轉(zhuǎn)速設定值為控制目標，使用電動轉(zhuǎn)速控制算法對各自的電動輪進行控制，使各個電動輪的實際轉(zhuǎn)速實時滿足整車差速算法的要求，進而實現(xiàn)電動車輛的平順轉(zhuǎn)向。
5 電子差速算法仿真平臺及實驗平臺設計
5．1 電子差速算法本體的仿真模型
圖2中，速度基準值模塊通過加速信號等確定Vref(Vref=ωr×r)。Vref為速度基準值，即轉(zhuǎn)向時前軸外側(cè)輪的轉(zhuǎn)速值。此輪為4個輪子中轉(zhuǎn)速最大的輪。比例模塊通過查表確定各個輪速與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果
在轉(zhuǎn)向、加速、剎車3種信號作用下，4個輪子的轉(zhuǎn)速如圖3所示，從中可以清楚地看出電子差速的效果。在時間為1時，由于減速，V1、V2、V3、V4同時減小，同時由于轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，在電子差速作用下，V1、V3瞬時增大，而V2和V4瞬時減小，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瞬時增大或減小，而V2和V4瞬時減小或增大，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 電子差速算法實驗平臺的設計
該實物實驗系統(tǒng)的結構主要包括：1臺作為監(jiān)控設備的PC機及1輛自行構建的具有4個電動輪的低成本電動車實物模型。這兩個部分通過一個自制的簡易 CAN／USB網(wǎng)關相連，構成了整個系統(tǒng)的主體。
PC機作為該實驗系統(tǒng)中重要的人機接口之一，用于監(jiān)視及評價整個系統(tǒng)的運行狀況。通過對電動車實物模型上CAN總線消息的在線監(jiān)聽，PC機可以在不干擾電動車運行的前提下實時獲得電動車中央控制器、各個電動輪驅(qū)動控制器的運行情況；還可在PC機上對獲得的數(shù)據(jù)進行曲線繪制，并且可將接收到的大量有效數(shù)據(jù)保存在PC機的硬盤中，為更為復雜的離線分析提供可能。
CAN／USB網(wǎng)關是連接本實驗系統(tǒng)中上位PC機與電動車實物模型的橋梁，是實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的重要設備。該網(wǎng)關完成了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，通過編程可以支持傳輸速度最高達1 Mb／s的CAN總線通信。
5．4 電子差速算法實驗平臺的試驗結果
在不考慮加速度信號的影響下，轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時，利用該平臺得出各輪速度變化。轉(zhuǎn)速設定如圖4所示，轉(zhuǎn)角變化如圖5所示。
隨著轉(zhuǎn)角的變化，各個輪子速度變化如圖6所示。
從圖6中可以看出，轉(zhuǎn)角各個變化過程中對應各輪速度的變化。當轉(zhuǎn)角由O增大到最大值時(向右轉(zhuǎn)向)，V1為前軸外側(cè)輪，速度最大，即V1為 Vref(Vs)，此時的目標車速Vs(V1)為轉(zhuǎn)角為O時的車速，故V1保持不變，V2、V2、V4根據(jù)電子差速算法相應的減??；當轉(zhuǎn)角為最大值時，V2、V3、V4減小的趨勢停止，隨后轉(zhuǎn)角由最大值減小到0時，V2、V3、V4增大到與V1相同。當轉(zhuǎn)角由0減小到最小值時(向左轉(zhuǎn)向)，V4為前軸外側(cè)輪，速度最大，即V4為Vref(Vs)，此時的目標車速Vs(V4)為轉(zhuǎn)角為O時的車速，故V4保持不變，V1、V2、V3根據(jù)電子差速算法相應的減小；當轉(zhuǎn)角為最小值時，V1、V2、V3減小的趨勢停止，隨后轉(zhuǎn)角由最小值增大到O時，V1、U2、V3增大到與V4相同。
6 結 論
系統(tǒng)中的電子差速算法是以車輪轉(zhuǎn)速為控制目標，此算法較為簡單。但也存在著一定的問題，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，此時車體運動的離心力產(chǎn)生的側(cè)翻力矩起決定性的作用，可能會發(fā)生滑轉(zhuǎn)，在泥濘等復雜路況下也難以適用。由于試驗的條件所限，無法采用適合于復雜路面情況的，基于滑移率或是基于驅(qū)動輪附著力的電子差速算法。
參考文獻
1. 孫逢春 電動汽車--21世紀的重要交通工具 1997
2. 陳家瑞 汽車構造 2000
3. Ackermann Jetal.Advantage of active steering for vehicle Dynamics Control 1999
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