一種電動車電子差速算法仿真的設(shè)計和實現(xiàn)

　　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(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車領(lǐng)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(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)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(guān)系

　　根據(jù)汽車動力學(xué)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(yīng)滿足一定的關(guān)系。該關(guān)系為設(shè)計汽車差速系統(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)向模型進行轉(zhuǎn)向時，分析四輪速度關(guān)系的假設(shè)前提條件為：

　?、賱傂攒圀w；

　?、谲囕喿骷儩L動，即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn)；

　?、坌旭倳r所有輪胎都未離開地面；

　?、茌喬?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(gòu)BLDC來說，所需要的輸入信號是角速度值ωx.它與V的關(guān)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(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，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(dāng)中，完全可以預(yù)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)結(jié)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(shè)單元集成于一塊芯片上，并有效連接。同時，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(wù)（進程）的思想，將應(yīng)用分解成若干個獨立的任務(wù)，并將各任務(wù)要做的事、任務(wù)問的關(guān)系向?qū)崟r多任務(wù)內(nèi)核交代清楚，讓實時多任務(wù)內(nèi)核去管理這些任務(wù)。

　　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(wù)實時操作系統(tǒng)。它允許建立最多達255個任務(wù)，任務(wù)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(wù)，由實時內(nèi)核按照任務(wù)號依次將控制權(quán)傳遞給準備好的任務(wù)。由于時間片很短，所以看起來任務(wù)像是同時在運行。

　　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(wù)。除此之外，還可以通過給任務(wù)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(wù)或進程間的通信主要采用了以下4種方法：

　?、偈录擞?。它主要用于任務(wù)間的同步，每個任務(wù)分配有多達16個事件標記，任務(wù)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(shè)定，從而與外部事件進行同步。

　?、谛盘柫?。它是載有虛擬令牌的二進制信號量，用于解決多個任務(wù)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(wù)，避免了任務(wù)間的干擾。沒有令牌的任務(wù)將處于睡眠狀態(tài)，只有在得到令牌之后，該任務(wù)才會被喚醒。另外，為了防止進入錯誤狀態(tài)，可以為等待令牌設(shè)置一個時限。

　?、刍コ怄i。它用于鎖定共同資源，只允許一個任務(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個中央控制器、4個電動輪控制器及CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(shè)定信號，經(jīng)過整車差速算法，分別獲得4個車輪當(dāng)前各自應(yīng)有的轉(zhuǎn)速，并將這一結(jié)果作為當(dāng)前時刻對應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值，通過CAN總線發(fā)送給相應(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)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(shè)計

　　該實物實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：1臺作為監(jiān)控設(shè)備的PC機及1輛自行構(gòu)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(guān)相連，構(gòu)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(fù)雜的離線分析提供可能。

　　CAN/USB網(wǎng)關(guān)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(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(jié)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(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(yīng)各輪速度的變化。當(dāng)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(yīng)的減??；當(dāng)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(dāng)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(yīng)的減??；當(dāng)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(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，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(fù)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(fù)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。