摘? 要： 基于Infineon XC164CS微控制器" title="微控制器">微控制器，設(shè)計(jì)一種針對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)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(dòng)汽車(chē)的電子差速" title="電子差速">電子差速算法以及電動(dòng)輪" title="電動(dòng)輪">電動(dòng)輪的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，基于XC164CS，利用軟件就能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)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(guó)汽車(chē)工業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，但目前市場(chǎng)上的汽車(chē)絕大多數(shù)都是由內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。針對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)所引發(fā)的能源危機(jī)與環(huán)境威脅，以開(kāi)發(fā)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的替代動(dòng)力系統(tǒng)為基本思想，利用清潔能源為本質(zhì)特征的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展的前沿課題之一。
電動(dòng)汽車(chē)使用電動(dòng)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(dòng)力源，從而降低了汽車(chē)工業(yè)發(fā)展對(duì)石油的依賴(lài)程度，并且降低了汽車(chē)對(duì)城市空氣的污染；使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)在行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的噪音也比使用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)低大約5dB～15dB[1]。此外，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)還具有輕便、操控性能好、更有利于實(shí)現(xiàn)智能化等許多優(yōu)點(diǎn)[2]。
本文介紹一種基于Infineon XC164CS微控制器的電動(dòng)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(chē)輛轉(zhuǎn)彎行使時(shí)，為了避免車(chē)胎在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的過(guò)快磨損及不穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的平順轉(zhuǎn)向，一般要求所有車(chē)輪在轉(zhuǎn)向過(guò)程中都作純滾動(dòng)[4]。對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)而言，即要求四個(gè)車(chē)輪在轉(zhuǎn)向過(guò)程中具有各自不同的轉(zhuǎn)速，并且各車(chē)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(jì)汽車(chē)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(shí)，四輪速度關(guān)系分析的假設(shè)前提條件為：(1)剛性車(chē)體；(2)車(chē)輪作純滾動(dòng)，即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn)；(3)行駛時(shí)所有輪胎都未離開(kāi)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(chē)輛以任意角度轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總能夠確保四個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向軸共點(diǎn)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(xiāo)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(shí)不發(fā)生側(cè)偏，且不考慮側(cè)傾時(shí)垂直載荷對(duì)內(nèi)、外側(cè)車(chē)輪的影響，并且設(shè)電動(dòng)汽車(chē)的駕駛員通過(guò)變速傳感器給定的目標(biāo)車(chē)速為Vs，則可得到基于電動(dòng)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(gè)車(chē)體線度常數(shù)之外的其他變量均來(lái)源于駕駛員。從控制算法的角度來(lái)看，整個(gè)電子差速系統(tǒng)由駕駛員、電子差速算法及電動(dòng)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(chē)線路給定目標(biāo)車(chē)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(shí)時(shí)計(jì)算得到各個(gè)電動(dòng)輪應(yīng)有的行駛速度Vi(i=1，2，3，4）；搭載于四個(gè)電動(dòng)輪控制器上的電動(dòng)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(duì)各個(gè)電動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)控制系統(tǒng)中的自由度為2。同時(shí)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(shí)現(xiàn)，借以降低算法的運(yùn)算量；電動(dòng)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(dòng)態(tài)性能。
2 基于Infineon XC164CS微控制器的電動(dòng)輪控制器設(shè)計(jì)
2.1 電動(dòng)輪控制器硬件設(shè)計(jì)
電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)輪中的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)" title="無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)">無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)并進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；
(2)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)；
(3)通過(guò)CAN總線接收中央控制器的轉(zhuǎn)速設(shè)定命令,并將本電動(dòng)輪控制器的運(yùn)行狀況通過(guò)CAN總線發(fā)送給中央控制器。
電動(dòng)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(dòng)輪控制器軟件設(shè)計(jì)
電動(dòng)輪控制器軟件設(shè)計(jì)相對(duì)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(jì)方法以使得整個(gè)程序設(shè)計(jì)流程清晰明了。在實(shí)際行駛過(guò)程中，四輪電子差速系統(tǒng)中的電動(dòng)輪將工作在多個(gè)不同的情況下，將這些情況進(jìn)行簡(jiǎn)化與抽象即可得到有限狀態(tài)機(jī)中的各個(gè)狀態(tài)。電動(dòng)輪所處的情況是由駕駛員的控制及電動(dòng)輪自身運(yùn)行狀態(tài)所決定的，由此可得到有限狀態(tài)機(jī)中各個(gè)狀態(tài)相互遷移的條件。經(jīng)簡(jiǎn)化后的電動(dòng)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(dòng)機(jī)正常起轉(zhuǎn)；(c)、(f)、(g)源于CAN總線的剎車(chē)命令或直接檢測(cè)到剎車(chē)意圖；(d)過(guò)流或在起動(dòng)狀態(tài)中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、電動(dòng)機(jī)未起轉(zhuǎn)或其他異常；(e)主電源過(guò)流或其他異常；(h)主電源電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為0；(i)開(kāi)啟電動(dòng)輪控制器；(j)關(guān)閉電動(dòng)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(chē)信號(hào)）消失時(shí)，電動(dòng)輪控制器將立即退出異常狀態(tài)（或剎車(chē)狀態(tài)）并自動(dòng)返回到前一狀態(tài)。基于有限狀態(tài)機(jī)的電動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)輪控制器軟件部分的核心，電動(dòng)輪控制在該分支中對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)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(shí)中斷程序中進(jìn)行置位，以此方式實(shí)現(xiàn)對(duì)相鄰兩次數(shù)字PI時(shí)間間隔的有效控制。
3 PI調(diào)解器控制分析
電動(dòng)輪控制器采用PI調(diào)節(jié)器對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)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(shí)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(xiě)為離散形式：
其中ki可稱(chēng)為積分環(huán)節(jié)系數(shù)，T為矩形數(shù)值積分的單步時(shí)間寬度，也即對(duì)e(t)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)的信號(hào)采樣周期，k為采樣序號(hào)。
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(shí)考慮對(duì)PI調(diào)節(jié)器輸出的限幅，則上式可改寫(xiě)為：
其中Limit為PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅門(mén)檻值。與式(4)相比，式(6)無(wú)累加項(xiàng)，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(shí)現(xiàn)。在電動(dòng)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(gè)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(chǎng)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(shí)對(duì)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(lèi)型，將分屬轉(zhuǎn)速PI與電流PI的兩組數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)于兩個(gè)結(jié)構(gòu)體類(lèi)型的變量中。調(diào)用數(shù)字PI子函數(shù)時(shí)將結(jié)構(gòu)體變量的首地址作為該子函數(shù)的實(shí)際參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。
因?yàn)閄C164CS微控制器中的MAC單元具有16位定點(diǎn)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(shí)現(xiàn)PI控制器核心算法為例，當(dāng)使用MAC單元時(shí)，在空間上其只需6行ASM代碼，在時(shí)間上只需6個(gè)指令周期即可完成。在Keil中，實(shí)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(gè)電動(dòng)輪控制器中，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的適時(shí)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(lái)嚴(yán)重后果，故在實(shí)際上電實(shí)驗(yàn)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(lái)模擬輸入微控制器的三路霍爾信號(hào)及由其組合而成的換相信號(hào)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(shí)驗(yàn)條件有限，無(wú)法直接測(cè)量電動(dòng)輪中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速控制部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還須在后續(xù)的工作中建立一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)車(chē)電機(jī)的控制。
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參考文獻(xiàn)
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