摘? 要： 基于Infineon XC164CS微控制器" title="微控制器">微控制器，設計一種針對四輪驅動電動車電機的控制方案。介紹了基于Ackermann和Jeantand轉向模型的四輪速度關系，四輪驅動汽車的電子差速" title="電子差速">電子差速算法以及電動輪" title="電動輪">電動輪的軟件設計。實踐證明，基于XC164CS，利用軟件就能實現對電動輪的控制。
關鍵詞： XC164CS微控制器；Ackerman-Jeantand模型；電子差速技術；PI調解器
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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都是由內燃機進行驅動的。針對內燃機汽車所引發(fā)的能源危機與環(huán)境威脅，以開發(fā)內燃機系統(tǒng)的替代動力系統(tǒng)為基本思想，利用清潔能源為本質特征的電動汽車技術已經成為當今汽車領域發(fā)展的前沿課題之一。
電動汽車使用電動機代替了內燃機，可以不再直接使用石油燃料作為驅動力源，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；使用電機驅動的汽車在行駛過程中所產生的噪音也比使用內燃機驅動的汽車低大約5dB～15dB[1]。此外，與傳統(tǒng)內燃機汽車相比，電動汽車還具有輕便、操控性能好、更有利于實現智能化等許多優(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轉向模型[3]的四輪速度關系
輪式車輛轉彎行使時，為了避免車胎在轉向過程中的過快磨損及不穩(wěn)定驅動，實現車輛的平順轉向，一般要求所有車輪在轉向過程中都作純滾動[4]。對四輪獨立驅動電動汽車而言，即要求四個車輪在轉向過程中具有各自不同的轉速，并且各車輪的轉速之間應滿足某一特定關系，該關系即為設計汽車差速系統(tǒng)的主要依據。低速下，這一特定關系可基于Ackermann和Jeantand轉向模型推導得出。
使用Ackermann和Jeantand轉向模型進行轉向時，四輪速度關系分析的假設前提條件為：(1)剛性車體；(2)車輪作純滾動，即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉；(3)行駛時所有輪胎都未離開地面；(4)輪胎側向變形與側向力成正比。
為便于討論，不妨假定：當車輛以任意角度轉向時，轉向機構總能夠確保四個車輪的轉向軸共點于O；即在圖1所示的轉向模型中（其中轉向機構的主銷間距等于輪B），外轉向輪轉角α與內轉向輪轉角β總是滿足下面的等量關系[5]：
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若假定輪胎在轉向時不發(fā)生側偏，且不考慮側傾時垂直載荷對內、外側車輪的影響，并且設電動汽車的駕駛員通過變速傳感器給定的目標車速為Vs，則可得到基于電動輪轉速控制的電子差速算法：
在式（2）的左側，除了B、L這兩個車體線度常數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速控制算法三部分構成。該系統(tǒng)的控制流程為：駕駛員根據自己的意圖與行車線路給定目標車速Vs、外轉向輪轉角α、內轉向輪轉角β；電子差速算法根據式(2)進行實時計算得到各個電動輪應有的行駛速度Vi(i=1，2，3，4）；搭載于四個電動輪控制器上的電動輪轉速控制算法分別以相應的Vi為轉速目標設定值，對各個電動輪的實際轉速進行實時控制。由于外轉向輪轉角Vs與內轉向輪轉角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部插值法相結合的方式實現，借以降低算法的運算量；電動輪轉速控制算法可采用具有轉速電流雙閉環(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計
2.1 電動輪控制器硬件設計
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，其主要任務為：
(1)驅動電動輪中的無刷直流電動機" title="無刷直流電動機">無刷直流電動機并進行轉速閉環(huán)控制；
(2)對無刷直流電動機進行過流保護；
(3)通過CAN總線接收中央控制器的轉速設定命令,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中央控制器硬件部分擴展得到，其總體結構如圖2所示。
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2.2 電動輪控制器軟件設計
電動輪控制器軟件設計相對復雜，此處使用有限狀態(tài)機" title="有限狀態(tài)機">有限狀態(tài)機的軟件設計方法以使得整個程序設計流程清晰明了。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，將這些情況進行簡化與抽象即可得到有限狀態(tài)機中的各個狀態(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)機中各個狀態(tài)相互遷移的條件。經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總線的轉速設定命令非0；(b)電動機正常起轉；(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、電動機未起轉或其他異常；(e)主電源過流或其他異常；(h)主電源電動機的實際轉速為0；(i)開啟電動輪控制器；(j)關閉電動輪控制器。
除在圖3中繪出的狀態(tài)轉移關系之外，當異常情況（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)。基于有限狀態(tài)機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前所處的狀態(tài)。
圖4中多分支結構的各分支分別對應于有限狀態(tài)機中的各狀態(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進行轉速、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速控制標志位與電流控制標志位都僅在GPT定時中斷程序中進行置位，以此方式實現對相鄰兩次數字PI時間間隔的有效控制。
3 PI調解器控制分析
電動輪控制器采用PI調節(jié)器對無刷直流電動機的轉速及電流進行閉環(huán)控制。模擬PI調節(jié)器的數學模型為[6]：
其中kp為比例環(huán)節(jié)系數，Ti為積分常數，e(t)為系統(tǒng)反饋誤差，u(t)為PI調節(jié)器的輸出，t為時間。
數字PI調節(jié)器源于模擬PI調節(jié)器，使用矩形數值積分可將式（3）改寫為離散形式：
其中ki可稱為積分環(huán)節(jié)系數，T為矩形數值積分的單步時間寬度，也即對e(t)進行數字化時的信號采樣周期，k為采樣序號。
將u(k+1)-u(k)并進行整理可得數字PI調節(jié)器的迭代表示式：
令kp=A0，ki×T-kp=A1，同時考慮對PI調節(jié)器輸出的限幅，則上式可改寫為：
其中Limit為PI調節(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。在電動輪控制器中，為了提高代碼的重用性，數字PI調節(jié)器算法被封裝為一個子函數，該子函數既可用于調節(jié)電流又可用于調節(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，轉速PI調節(jié)器中的A0、A1、Limit、u(k)、e(k)各量與電流PI調節(jié)器中相應各量的數值均不相同，因此在該數字PI子函數中首先應根據其被調用的場合裝載相應的一組數據，在子函數調用返回之前還應及時對這組數據中的變量u(k)、e(k)作更新。為了有效地組織這些參數，可以使用結構體數據類型，將分屬轉速PI與電流PI的兩組數據分別存儲于兩個結構體類型的變量中。調用數字PI子函數時將結構體變量的首地址作為該子函數的實際參數即可實現數據傳遞。
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PI控制器核心算法為例，當使用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，對無刷直流電動機的適時換相至關重要。底層程序編制不當極可能引起36V鋰電池在逆變橋中直通短路并帶來嚴重后果，故在實際上電實驗之前可利用Keil集成環(huán)境進行微控制器底層仿真。使用Keil提供的輔助調試工具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單元中相應的管腳輸出，仿真結果如圖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的轉速，故轉速控制部分的實驗結果還須在后續(xù)的工作中建立一個基于CAN/USB網關的PC監(jiān)控界面之后才能給出。從已有的仿真結果可以看出，基于Infineon XC164CS的軟件控制方案能夠很好地實現對四輪驅動車電機的控制。
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參考文獻
[1] TAHARA M.Performance of Electric Vehicle.Pro.of the 12th International Electric Vehicle symposium，Anaheim?California.1994：89-96.
[2] CHAN CC，FENG FIEEE.The Past，Present and Future of?Electric Vehicle Development.IEEE 1999 International
Conference on Electronics and Drive Systems.1999：11-13.
[3] ACKERMANN J.Advantage of active steering for vehicle Dynamics Control.99ME013，1999.
[4] KASHINMA S.The present condition and the future of EV sharing in Japan.IEEE Vehicle Electronics Conference，2001，9，149.
[5] 陳家瑞.汽車構造(下冊).北京：機械工業(yè)出版社，2000.
[6] 徐薇莉，曹柱中.自動控制理論與設計.上海：上海交通大學出版社，1995.