基于實時內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場總線技術的發展，在電動車上更容易實現四輪獨立驅動控制，進而為剎車防抱死系統(ABS)、電子穩定系統(ESP)等主動安全系統的實現提供便利。
Abstract：
Key words :
伴隨著日益嚴重的大氣污染和能源危機，傳統的交通工具——汽車的發展面臨著一系列的挑戰。傳統的內燃機汽車消耗大量的石油資源，嚴重污染環境。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汽車的重要性，其中的電動汽車技術已經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場總線技術的發展，在電動車上更容易實現四輪獨立驅動控制，進而為剎車防抱死系統(ABS)、電子穩定系統(ESP)等主動安全系統的實現提供便利。
本文介紹一種基于嵌入式實時內核ARTXl66的電子差速算法。
1 基于Ackermann轉向模型的四輪速度關系
根據汽車動力學分析可知，車輛轉彎行駛時，汽車外側車輪的行程要比內側的長。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速雖相等但行程不同而引起一側車輪產生滑轉或滑移，不僅使輪胎過早磨損，無益地消耗功率，并且易使汽車在轉向時失去抗側滑的能力而使穩定性變壞，操控性變差。為避免上述情況的出現，實現車輛的平順轉向，一般要求所有車輪在轉向過程中都做純滾動。對四輪獨立驅動電動車而言，即要求四個車輪在轉向過程中具有各自不同的轉速，并且各車輪的轉速應滿足一定的關系。該關系為設計汽車差速系統的主要依據。低速情況下，這一特定關系可由Ackermann模型推導得出。
使用Ackermann轉向模型進行轉向時，分析四輪速度關系的假設前提條件為：
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。
該轉向模型如圖1所示。
其中，軸距L和兩側軸線距離D是常數值，δ是方向盤的轉角，ω0為車繞轉向瞬心的角速度，V1、V2、V3、V4是4個轉動輪的速度。由圖1可得：
需要注意的是，對于4個執行機構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。
在本實驗系統中，將加速手把的轉速設定值ωr(參考角速度)定義為與最大速輪的轉速，即左轉時，右前輪角速度為ωr；右轉時，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，只要方向盤的轉角δ定，則4個輪子的轉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，嵌入到控制系統當中去，這極大地縮短了系統開發的時間。
2 XCl64CS微處理器
對于四輪驅動電動車的控制應用，要求微處理器提供系統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定性能，同時保證系統具有足夠用于整車系統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內核結構結合了RISC和CISC處理器的優點，這種強大的計算和控制能力通過MAC單元的DSP功能實現。XCl64把功能強勁的CPU內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部代表。這個總線為 XCl64的衍生產品集成附加的特殊應用外設提供標準途徑。
3 實時操作系統內核ARTXl66
由于電子差速器只是中央控制系統功能的一部分，為了提高整車控制系統的實時性與可靠性，同時便于系統進一步的擴展(例如電池管理系統、車燈管理系統)，在控制器中采用了嵌入式實時操作系統。
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、任務問的關系向實時多任務內核交代清楚，讓實時多任務內核去管理這些任務。
實驗系統中采用的ARTXl66實時內核是由Keil公司發布的，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。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，每個時間片內運行一個任務，由實時內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循環模式被用戶禁用，則任務與任務間的切換必須通過調用os-tsK-pass()函數來完成，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先級，按優先級搶占調度的時序運行。
在ARTXl66實時內核中，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(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。
②信號量。它是載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，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，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，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。
④郵箱。它主要用于任務之間信息的交換。
4 電子差速系統及其控制流程
電子差速系統是一種基于CAN總線的分布式四輪電子差速系統。它由1個中央控制器、4個電動輪控制器及CAN總線網絡3個部分組成。
該分布式系統的電子差速實時控制過程為：中央控制器通過A／D采樣獲得來自轉向傳感器的車輛轉向角度信號以及來自手柄轉把中的車速設定信號，經過整車差速算法，分別獲得4個車輪當前各自應有的轉速，并將這一結果作為當前時刻對應車輪的轉速控制設定值，通過CAN總線發送給相應的電動輪控制器；4個車輪控制器以從CAN總線收到的轉速設定值為控制目標，使用電動轉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速實時滿足整車差速算法的要求，進而實現電動車輛的平順轉向。
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，即轉向時前軸外側輪的轉速值。此輪為4個輪子中轉速最大的輪。比例模塊通過查表確定各個輪速與Vref的比例值，轉向模塊確定轉彎的方向。
5．2 電子差速算法仿真結果
在轉向、加速、剎車3種信號作用下，4個輪子的轉速如圖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，同時由于轉向發生變化，在電子差速作用下，V1、V3瞬時增大，而V2和V4瞬時減小，且變化數值不同。在3和4之間，4和5之間，8和9之間轉向也發生變化，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
該實物實驗系統的結構主要包括：1臺作為監控設備的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網關相連，構成了整個系統的主體。
PC機作為該實驗系統中重要的人機接口之一，用于監視及評價整個系統的運行狀況。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、各個電動輪驅動控制器的運行情況；還可在PC機上對獲得的數據進行曲線繪制，并且可將接收到的大量有效數據保存在PC機的硬盤中，為更為復雜的離線分析提供可能。
CAN／USB網關是連接本實驗系統中上位PC機與電動車實物模型的橋梁，是實現現場數據采集的重要設備。該網關完成了CAN總線與USB線的物理接口及協議轉換，具有雙向通信及一定的數據緩沖能力；支持USB2．O高速傳輸協議，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，轉角發生變化時，利用該平臺得出各輪速度變化。轉速設定如圖4所示，轉角變化如圖5所示。
隨著轉角的變化，各個輪子速度變化如圖6所示。
從圖6中可以看出，轉角各個變化過程中對應各輪速度的變化。當轉角由O增大到最大值時(向右轉向)，V1為前軸外側輪，速度最大，即V1為 Vref(Vs)，此時的目標車速Vs(V1)為轉角為O時的車速，故V1保持不變，V2、V2、V4根據電子差速算法相應的減小；當轉角為最大值時，V2、V3、V4減小的趨勢停止，隨后轉角由最大值減小到0時，V2、V3、V4增大到與V1相同。當轉角由0減小到最小值時(向左轉向)，V4為前軸外側輪，速度最大，即V4為Vref(Vs)，此時的目標車速Vs(V4)為轉角為O時的車速，故V4保持不變，V1、V2、V3根據電子差速算法相應的減小；當轉角為最小值時，V1、V2、V3減小的趨勢停止，隨后轉角由最小值增大到O時，V1、U2、V3增大到與V4相同。
6 結 論
系統中的電子差速算法是以車輪轉速為控制目標，此算法較為簡單。但也存在著一定的問題，它只較適合于低轉速小轉角或直線行駛的情況；在轉速和轉角都較大時，此時車體運動的離心力產生的側翻力矩起決定性的作用，可能會發生滑轉，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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