分布式驅(qū)動電動汽車底盤綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計*

馮 沖，丁能根，何勇靈，徐國艷，高 峰

(北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191)

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2015037

分布式驅(qū)動電動汽車底盤綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計*

馮 沖，丁能根，何勇靈，徐國艷，高 峰

(北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191)

本文中為四輪線控轉(zhuǎn)向、液壓制動的分布式驅(qū)動電動汽車，設(shè)計了基于CAN總線的底盤綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括整車控制器、4個車輪的驅(qū)動控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動系統(tǒng)控制器。電動汽車的各控制器之間通過CAN總線進行通信，基于CAN2.0B協(xié)議制訂了CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議?？紤]電動汽車電磁干擾、溫度變化和振動等因素的影響，設(shè)計了各控制器的硬件。建立了用于該電動汽車的偽逆控制分配算法。該算法除實現(xiàn)常規(guī)的控制量分配外，還可在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或控制量飽和時實現(xiàn)控制再分配，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性。對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真和實車驗證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地對執(zhí)行機構(gòu)的控制量進行常規(guī)分配和再分配，使電動汽車能很好地實現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖并維持車輛穩(wěn)定。

分布式驅(qū)動電動汽車；CAN總線；偽逆控制分配

前言

控制器局域網(wǎng)(CAN)由BOSCH公司開發(fā)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、數(shù)據(jù)通信實時性強等特點，目前已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，并且形成了國際標準ISO 11898和ISO 11519等[1]。

電動汽車作為一種綠色交通工具，目前已成為國內(nèi)外研究的熱點。電動汽車的綜合性能是決定電動汽車能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，目前可通過多種方式來提高電動汽車的綜合性能，例如采用四輪獨立驅(qū)動[2-3]、四輪轉(zhuǎn)向[4]和線控制動[5]等。

本文中對分布式驅(qū)動電動汽車進行研究?！膀?qū)動”指廣義的驅(qū)動，包括4個車輪的驅(qū)動、前后轉(zhuǎn)向電機的驅(qū)動和四輪主動制動(制動系統(tǒng)在駕駛員沒有踩制動踏板時對部分或全部車輪施加制動力)。針對該車的分布式特性設(shè)計了底盤綜合控制系統(tǒng)，包括整車控制器、車輪驅(qū)動控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動系統(tǒng)控制器。各控制器之間通過CAN總線進行通信。建立了用于該電動汽車的控制分配算法，它可以對各控制量進行分配，并可以在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或控制量飽和時進行再分配。對所設(shè)計的控制系統(tǒng)和控制算法進行仿真和實車驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)和控制算法是可行的。電動汽車可保持良好的操縱穩(wěn)定性，并且在車輛出現(xiàn)故障時，仍然保持良好的操縱穩(wěn)定性。

1 電動汽車底盤控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

所研究的分布式驅(qū)動電動汽車的配置為：四輪輪轂電機獨立驅(qū)動、四輪線控轉(zhuǎn)向、具有主動制動功能的液壓制動。該實驗車如圖1所示。

圖2為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議的制訂主要參考CAN2.0B協(xié)議。CAN通信的數(shù)據(jù)幀格式有標準幀和擴展幀兩種，本文中采用標準幀格式，CAN總線通信的波特率設(shè)置為250kb/s。CAN的標準數(shù)據(jù)幀格式采用11位的標志符，標志符的定義為：標志符的高3位定義為源地址，低8位定義為數(shù)據(jù)內(nèi)容的標志。各控制器的二進制源地址分別為：整車控制器——001B，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器——010B，制動系統(tǒng)控制器——011B，左前驅(qū)動控制器——100B，右前驅(qū)動控制器——101B，左后驅(qū)動控制器——110B，右后驅(qū)動控制器——111B。

CAN總線對車輛狀態(tài)信息和控制信息進行傳送。例如：標識符為00100000010B的數(shù)據(jù)幀表示由整車控制器發(fā)送的附加轉(zhuǎn)向角命令數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)段的有效長度為2個字節(jié)，分別為前輪和后輪的期望附加轉(zhuǎn)向角。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器通過CAN總線接收到該幀數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)段的內(nèi)容對車輪轉(zhuǎn)向角進行控制。

2 底盤綜合控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

進行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計時，須考慮電磁干擾、溫度變化和振動等因素的影響，基于以上因素，本文中選用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的汽車級芯片作為各控制器的主處理芯片。根據(jù)各控制器對計算能力的需求，整車控制器選用MC9S12XEP100作為主處理芯片，車輪驅(qū)動控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動系統(tǒng)控制器都選用MC9S12DG128作為主處理芯片。

在電動實驗車上采用單獨的12V電源給各控制器的控制電路供電，而控制器中主要的芯片需要5V電壓，因此設(shè)計了基于LM2576芯片的電源轉(zhuǎn)換電路將12V電源轉(zhuǎn)換為5V電源。

圖3為CAN總線的接口電路，接口芯片采用TJA1040。U4和U5為高速光耦，起隔離的作用，可有效保護單片機。L31為CAN總線專用的共模濾波器，對信號起濾波作用。光耦隔離和共模濾波器的設(shè)計保證了CAN總線的可靠運行。

2.1 整車控制器設(shè)計

整車控制器是電動汽車底盤控制系統(tǒng)的核心，它對整個控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整車控制器中的主處理芯片采集加速踏板位置、車身橫擺角速度、側(cè)向加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息。這4個信號都是電壓信號，在整車控制器中設(shè)計了濾波電路，信號經(jīng)過濾波之后被單片機采集。主處理芯片還通過CAN總線采集車輪的輪速、實際驅(qū)動力矩、轉(zhuǎn)向角和其它控制器的故障信息，并將執(zhí)行機構(gòu)的期望控制量發(fā)送到其它控制器上。整車控制器中還設(shè)計了一個輔助處理芯片，與主處理芯片進行相互監(jiān)測，可以診斷主處理芯片的故障。

2.2 驅(qū)動控制器設(shè)計

控制系統(tǒng)中的4個車輪驅(qū)動控制器對4個車輪的無刷直流輪轂電機進行控制。在正常情況下，驅(qū)動控制器根據(jù)由CAN總線接收到的整車控制器的命令對輪轂電機的驅(qū)動力矩進行控制。驅(qū)動控制器同時對加速踏板的位置信號進行采集，以平均分配的規(guī)則計算出備用的期望驅(qū)動力矩。當整車控制器出現(xiàn)故障時，驅(qū)動控制器根據(jù)備用的期望驅(qū)動力矩對輪轂電機進行控制。

輪轂電機通過3個霍爾傳感器的高低電平信號將電機的當前位置傳遞給驅(qū)動控制器，控制器通過主處理芯片的IO口對該信號進行采集，并根據(jù)該信號對電機中的3組線圈的相位進行控制?？刂破魍ㄟ^3個半橋電路對這3組線圈進行驅(qū)動，主處理芯片通過3路PWM信號來控制這3個半橋。通過調(diào)節(jié)PWM信號的驅(qū)動順序和占空比可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和驅(qū)動力矩的調(diào)節(jié)?？刂破鬟€根據(jù)霍爾傳感器的信號計算車輪的輪速，并將輪速信息發(fā)送到CAN總線上。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和前、后車輪轉(zhuǎn)向角進行采集，經(jīng)濾波后傳送給主處理芯片。該控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計算出期望的前輪轉(zhuǎn)向角，并與來自整車控制器的期望車輪附加轉(zhuǎn)向角相加之后作為總的車輪轉(zhuǎn)向角。電動汽車的前、后車輪各采用一個有刷直流電機作為轉(zhuǎn)向電機，控制器通過兩個H橋?qū)蓚€電機繼續(xù)控制，實現(xiàn)前、后輪的左右偏轉(zhuǎn)。

2.4 制動系統(tǒng)控制器設(shè)計

電動汽車上采用磁電式輪速傳感器采集4個車輪的輪速，控制器中采用兩個NCV1124芯片對輪速信號進行轉(zhuǎn)換，將輪速傳感器輸出的正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號，并傳送給主處理芯片。NCV1124芯片在轉(zhuǎn)換輪速信號的同時，還對輪速傳感器進行診斷，以發(fā)現(xiàn)其斷路故障。

控制器中包含12個用來驅(qū)動電磁閥的線圈，通過控制線圈的通斷對液壓管路的壓力進行調(diào)節(jié)，控制器采用3個TLE6228芯片對12個線圈進行控制，同時TLE6228還可以對線圈的斷路和短路故障進行診斷。

制動系統(tǒng)的液壓單元中還包含一個電機，用來減壓和主動增壓。控制器采用N溝道MOS管對電機的通斷進行控制。

控制器采集4個車輪的輪速，并根據(jù)輪速判斷車輪的狀態(tài)，通過控制12個電磁閥和電機的狀態(tài)，實現(xiàn)車輪的防抱死制動、驅(qū)動防滑和主動增壓制動功能。

3 底盤綜合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 基本控制分配算法的設(shè)計

軟件設(shè)計包括整車控制器、車輪驅(qū)動控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動系統(tǒng)控制器的控制程序的設(shè)計。整車控制器的作用是實現(xiàn)控制分配算法的計算，它根據(jù)車輛的狀態(tài)信息計算出各個執(zhí)行機構(gòu)的期望控制量，并通過CAN總線將這些期望控制量發(fā)送給其它控制器。其它控制器接收整車控制器的控制命令后對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

圖5為2自由度四輪車輛模型。圖中：Fx1、Fx2、Fx3、Fx4為每個車輪受到的縱向驅(qū)動力；Fy1、Fy2、Fy3、Fy4為每個車輪受到的側(cè)向力；δf、δr為前、后車輪的轉(zhuǎn)角；αf、αr為前、后輪的側(cè)偏角；a和b分別為前、后軸到車輛質(zhì)心的距離；L為軸距；β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角；r為車身橫擺角速度；u和v分別為車輛縱向和側(cè)向速度。

控制系統(tǒng)的控制算法采用偽逆控制分配算法[6]，可表示為

um=-c+D#(w+Dc)

(1)

其中：

um=[δfδrFx1Fx2Fx3Fx4]T

c為補償矢量，用來補償超出極限值的控制量，在一般情況下c為零矢量；m為整車質(zhì)量；Iz為汽車繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量；kf和kr分別為前、后輪胎的側(cè)偏剛度；twf和twr為前軸和后軸的輪距；vn1和vn2通過滑?？刂扑惴ㄓ绍囕v的運行狀態(tài)得到，可表示為[7]

(2)

(3)

式中:βd和rd為車輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的期望值；KS1和KS2為正的參數(shù)。

Ftotal為由加速踏板行程決定的總的驅(qū)動力，D#為D的偽逆，可以表示為

D#=W-1DT(DW-1DT)-1

(4)

式中：W為對角加權(quán)矩陣，它的值反映了um中各控制量的權(quán)重。

3.2 控制系統(tǒng)的控制再分配算法

當電動車的某個控制量飽和或某個控制器出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)須重新進行控制分配。

(1)控制量飽和

當某個控制量的期望值超過其極限值時，控制算法要求對補償矢量c和控制效能矩陣D進行修改，具體修改方法為：將c中與飽和量相對應(yīng)的元素取為飽和值的相反數(shù)，并將D中與飽和量對應(yīng)的列元素全部置為0[6]。例如：當左前輪驅(qū)動力飽和時，則c和D分別修改為

須要指出的是，進行控制再分配計算時，只有D#中的D矩陣采用修改后的矩陣，其它D矩陣采用原始的矩陣。

(2)整車控制器故障

整車控制器是控制系統(tǒng)的核心，采用雙處理芯片的設(shè)計以確保系統(tǒng)安全?？刂破髦性O(shè)計了一個8位單片機作為輔助處理芯片，它與主處理芯片相互監(jiān)控，當其中之一在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到對方發(fā)來的指定信息時，則判斷對方出現(xiàn)故障，則切斷控制器的信號輸出。

當整車控制器出現(xiàn)故障時，其它控制器接收不到整車控制器發(fā)來的控制命令，則各自實現(xiàn)基本控制功能：車輪驅(qū)動控制器采集加速踏板的位置信號，以驅(qū)動力平均分配的原則對車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行控制；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器采集轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角信號，控制前輪進行轉(zhuǎn)向，后輪不參與轉(zhuǎn)向；制動系統(tǒng)控制器采集輪速信號，實現(xiàn)制動防抱死的功能，不進行主動制動控制。

(3)車輪驅(qū)動系統(tǒng)故障

當某個或多個車輪的驅(qū)動控制器或輪轂電機出現(xiàn)故障時，控制算法對偽逆控制分配算法中用到的對角加權(quán)矩陣W進行修改，具體修改方法為：將W中與出現(xiàn)故障的控制量相對應(yīng)的對角元素擴大1 000倍。這樣可以將有故障的車輪的驅(qū)動力置為0，對其它無故障車輪的驅(qū)動力進行重新分配，并對車輪的轉(zhuǎn)向角進行補償，以抵消由驅(qū)動力不對稱產(chǎn)生的橫擺力矩[6]。

(4)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障可以分為控制器的故障和轉(zhuǎn)向電機的故障。如果控制器出現(xiàn)故障，則整車控制器將各執(zhí)行機構(gòu)的控制量都置為0，禁止汽車工作；如果前、后轉(zhuǎn)向電機中的一個出現(xiàn)故障，則控制算法控制另外一個轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向或后輪轉(zhuǎn)向；如果兩個電機同時出現(xiàn)故障，則禁止汽車工作。

(5)制動系統(tǒng)故障

制動系統(tǒng)控制器出現(xiàn)故障時，則控制器的防抱死和主動制動功能失效，汽車恢復(fù)常規(guī)液壓制動；如果制動系統(tǒng)的液壓回路出現(xiàn)故障，汽車存在制動失效的可能性，此時整車控制器將各執(zhí)行機構(gòu)的控制量都置為0，禁止汽車工作。

4 仿真結(jié)果與實驗驗證

4.1 仿真結(jié)果

(5)

式中：δs為駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；is為常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比。須要注意的是，后輪轉(zhuǎn)角的取值范圍為[-2°, 2°]，如果式(5)計算的后輪轉(zhuǎn)向角的值超過了取值范圍，則取邊界值。

在雙移線工況下進行仿真，仿真過程采用單點預(yù)瞄駕駛員模型作為汽車的輸入[8]，預(yù)瞄時間為0.8s。將采用控制分配和采用常規(guī)4WS的汽車的仿真結(jié)果進行對比。仿真過程，兩種方案的駕駛員模型相同，車速都為90km/h，路面附著系數(shù)都為0.8。

采用控制分配的汽車的前、后車輪轉(zhuǎn)角和4個車輪的驅(qū)動力如圖6和圖7所示。

兩種方案的行駛軌跡如圖8所示。由圖可見，采用控制分配的汽車行駛軌跡與期望軌跡貼合的較好，而采用常規(guī)4WS的汽車偏離期望軌跡比較大，而且還出現(xiàn)了震蕩，可見采用控制分配算法的汽車對路徑的跟隨能力要優(yōu)于常規(guī)4WS的汽車。

圖9為兩種方案的質(zhì)心側(cè)偏角對比。采用控制分配的汽車的質(zhì)心側(cè)偏角很小，在整個雙移線過程，質(zhì)心側(cè)偏角最大值約為0.5°，而采用常規(guī)4WS汽車質(zhì)心側(cè)偏角的最大值已經(jīng)接近了3°?？梢姴捎每刂品峙涞钠嚨姆€(wěn)定性更好。

4.2 實驗驗證

在如圖1所示的電動實驗車上，對本文中設(shè)計的控制系統(tǒng)進行驗證。將CAN采集卡連接到實驗車的CAN總線上，對CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行采集。采集到的數(shù)據(jù)如圖10所示。圖中“ID”所在的列為CAN數(shù)據(jù)幀的標志符，“Data”所在的列為CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)。標志符和數(shù)據(jù)都是以16進制的方式顯示的。其中標志符為101的數(shù)據(jù)幀為由整車控制器發(fā)送的4個車輪的驅(qū)動方向和期望驅(qū)動力矩；標志符為102的數(shù)據(jù)幀為由整車控制器發(fā)送的前、后車輪的期望補償轉(zhuǎn)向角；標志符為201的數(shù)據(jù)幀為由轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送的轉(zhuǎn)向盤和前、后車輪的實際轉(zhuǎn)向角；標志符為401、501、601和701的數(shù)據(jù)幀為由4個車輪驅(qū)動控制器發(fā)送的4個車輪的輪速。

考慮到實車實驗的危險性，目前只進行了低速行駛實驗，實車驗證車速約為10km/h。又由于實車驗證工況的可重復(fù)性比較差，進行對比實驗比較困難，因此只進行了系統(tǒng)的可行性驗證。在實驗過程中，整車控制器對車輛的基本狀態(tài)進行采集，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式計算機上?？刂品峙渌惴ǖ尿炞C結(jié)果如圖11和圖12所示。圖11為駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入和車輛的橫擺角速度。由圖可見，電動車的實際橫擺角速度對期望橫擺角速度跟隨比較好。圖12為控制分配算法對前、后輪的補償轉(zhuǎn)向角和4個車輪驅(qū)動力矩的分配結(jié)果，由于控制分配算法的作用，電動車表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

接下來以左后輪驅(qū)動控制器失效為例對控制再分配算法進行驗證，為此人為將左后輪的驅(qū)動控制器拔掉。因整車控制器接收不到左后驅(qū)動控制器的數(shù)據(jù)，則判斷該控制器出現(xiàn)故障，繼而重新分配各執(zhí)行機構(gòu)的控制量。實驗過程車速仍約為10km/h，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角輸入和電動車的橫擺角速度如圖13所示?？刂圃俜峙涞姆峙湫Ч鐖D14所示。由圖可見，左后輪的驅(qū)動力矩為0，左前輪的驅(qū)動力矩比右前輪和右后輪的驅(qū)動力矩大，但是電動車右側(cè)總的驅(qū)動力矩依然大于左側(cè)的驅(qū)動力矩，電動車前、后輪的補償轉(zhuǎn)向角有彌補左、右驅(qū)動力矩不等的趨勢。由圖13可以看出，電動車的實際橫擺角速度能較好地跟隨期望橫擺角速度。

5 結(jié)論

針對四輪輪轂電機獨立驅(qū)動、四輪線控轉(zhuǎn)向、液壓制動的分布式驅(qū)動電動汽車，設(shè)計了基于CAN總線的底盤綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件包括整車控制器、4個車輪的驅(qū)動控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動系統(tǒng)控制器。針對硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計了基于偽逆控制分配的控制算法，對電動汽車的前、后車輪轉(zhuǎn)角和4個車輪的驅(qū)動力和(或)制動力進行控制分配。首先通過仿真對控制分配算法的性能進行驗證，并在實驗車上對設(shè)計的控制系統(tǒng)的可行性進行驗證，得出以下結(jié)論。

(1)本文中所設(shè)計的控制系統(tǒng)是可行的，控制系統(tǒng)可以有效地對執(zhí)行機構(gòu)的控制量進行分配；

(2)在控制分配算法的控制下，電動車能夠很好地實現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖并維持車輛穩(wěn)定；

(3)當電動車的某個控制器出現(xiàn)故障時，在控制再分配算法的控制下，電動車仍然表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

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Design of a Comprehensive Chassis Control System for a Distributed Drive Electric Vehicle

Feng Chong, Ding Nenggen, He Yongling, Xu Guoyan & Gao Feng

SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191

A comprehensive chassis control system based on CAN bus is designed for a distributed-drive electric vehicle with four-wheel steering-by-wire and hydraulic brake in this paper.The control system consists of a vehicle controller, four wheel drive controllers, a steering system controller and a braking system controller.The controllers of electric vehicle communicate via CAN bus and the application layer protocol of CAN network is designed based on CAN 2.0B protocol.The hardware of controllers is designed with consideration of the effects of electromagnetic interference, temperature changes, vibration and other factors of electric vehicle.A pseudo inverse control allocation algorithm for electric vehicle is created, which can not only fulfill routine control allocation, but also achieve control reallocation in the cases of control system faults and control input saturation, hence improving the controllability and stability of vehicle.The results of simulation and verification test show that the control system designed can effectively allocate and reallocate the control input of actuator and make electric vehicle well realize the intention of driver with stability of vehicle maintained.

distributed drive electric vehicle; CAN bus; pseudo inverse control allocation

*國家自然科學基金(51175015)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2012AA110904)資助。

原稿收到日期為2013年5月7日，修改稿收到日期為2013年7月29日。