采用分布式控制單元的線控4WS系統(tǒng)研究

張庭芳，郭勁林，曹 銘，張超敏

（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程研究所，江西 南昌 330031）

1 引言

近年來，隨著電子科技的不斷發(fā)展，四輪轉(zhuǎn)向（4WS）和線控轉(zhuǎn)向（SBW）技術(shù)已經(jīng)成為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[1]。4WS技術(shù)是改善汽車操縱穩(wěn)定性最有效的主動底盤技術(shù)，而SBW則是四輪主動轉(zhuǎn)向的發(fā)展趨勢，它去除了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接部分，完全由信號線和控制器代替，通過合理的控制方法來分配前、后輪轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)智能控制。

國內(nèi)目前在線控轉(zhuǎn)向特別是線控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)和試驗(yàn)臺搭建方面尚處在起步階段，但在相關(guān)控制理論方面有一定的成果[2-3]。雖然我國線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究水平還無法與國外相比，但對該系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，對于拓展線控傳動技術(shù)的應(yīng)用、加快國產(chǎn)汽車的電子化發(fā)展，以及提供未來智能汽車駕駛技術(shù)的支持，都將有深遠(yuǎn)的意義。結(jié)合4WS和SBW的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行線控4WS系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對該系統(tǒng)分布式控制單元進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線控4WS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。主要由方向盤模塊、前輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊、控制單元（ECU）等構(gòu)成。考慮到線控系統(tǒng)的性能對其控制單元有很高的要求，設(shè)計(jì)出一種分布式控制單元，包括1個主控制器、1個路感電機(jī)控制器、2個轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制器和2個道路阻力加載電機(jī)控制器共計(jì)6個節(jié)點(diǎn)。主控制器負(fù)責(zé)采集轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度等數(shù)據(jù)，運(yùn)行車輛轉(zhuǎn)向的主動控制算法計(jì)算出理論車輪轉(zhuǎn)角；路感電機(jī)控制器負(fù)責(zé)計(jì)算此時的路感力矩，輸出PWM波控制路感電機(jī)輸出駕駛者路感，并在需要時控制方向盤回正；轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制器負(fù)責(zé)接收車輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，輸出PWM波控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。

在搭建系統(tǒng)試驗(yàn)臺時，參考文獻(xiàn)[4]在搭建類似試驗(yàn)臺時的做法，阻力加載采用具有高精度、高線性度優(yōu)點(diǎn)的電機(jī)模擬轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊工作時承受的道路阻力，與傳統(tǒng)加載方式如電動缸加載相比，電機(jī)摩擦小、傳動效率高、能快速響應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加載需求并可精確運(yùn)動至某一位置[4]。所有控制器均選擇飛思卡爾公司的微控制器MC9S12XF512，其能夠滿足線控轉(zhuǎn)向過程中的數(shù)據(jù)處理和算法控制要求。各控制器通過CAN總線串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)消息實(shí)時通信，由于MC9S12XF512自帶了CAN通信模塊MSCAN，故只需在控制器外部連接CAN總線收發(fā)器即可，選用恩智浦公司TJA1050收發(fā)器。

圖1 汽車線控4WS系統(tǒng)Fig.1 Automobile 4WS-by-Wire System

3 系統(tǒng)最優(yōu)控制策略研究

3.1 4WS汽車橫向動力學(xué)模型

質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度是影響汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的兩個至關(guān)重要的因素，把汽車簡化為一個包含這兩個自由度的二自由度兩輪模型進(jìn)行研究[5]。假設(shè)輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍，保持汽車前進(jìn)速度不變，忽略懸架的影響，認(rèn)為汽車只作平行于地面的平面運(yùn)動，則汽車只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動與繞z軸的橫擺運(yùn)動2個自由度[6]。其運(yùn)動方程如下：

式中：β—質(zhì)心側(cè)偏角；kf和 kr—前、后輪側(cè)偏剛度；δf和 δr—前、后轉(zhuǎn)角；a和b—質(zhì)心到前、后軸的距離；IZ—汽車?yán)@質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量。

為了可以調(diào)節(jié)前、后輪最優(yōu)控制反饋角的比例，令前后輪轉(zhuǎn)角滿足式（2）：

把式（2）代入式（1），并化為狀態(tài)方程：

3.2 4WS最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)

構(gòu)造最優(yōu)控制器的目的是尋求最優(yōu)的控制器反饋輸入角δi，使質(zhì)心側(cè)偏角為零和橫擺角速度響應(yīng)快速而穩(wěn)定，并控制所需的能量較小，所以應(yīng)使（4）式二次型性能指標(biāo)為極小值。

構(gòu)造哈密頓函數(shù)H為：

因?yàn)橹灰噮?shù)確定，R和B都為常數(shù)，所以只要γ（t），就可求出U*。

對（7）兩邊求導(dǎo)可得：

又因?yàn)榘殡S方程為：

令式（8）與式（9）相等，并把式（3）、式（6）和式（8）代入，考慮到 A、B、Q、R 都為常數(shù)陣，當(dāng) t→∞ 時，P˙（t）=0，ε˙（t）=0，得：

最后得到：

所以最優(yōu)控制器前輪轉(zhuǎn)角前饋增益矩陣K1=-R-1BT（PBR-1BT-AT）-1PD，而狀態(tài)變量反饋增益矩陣K2=-R-1BTP。四輪轉(zhuǎn)向最優(yōu)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 4WS最優(yōu)控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 4WS Optimal Controller Structure

4 系統(tǒng)控制單元軟件設(shè)計(jì)

線控4WS系統(tǒng)總體控制流程，如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)將介紹方向盤轉(zhuǎn)角采集、控制策略實(shí)現(xiàn)、前后輪電機(jī)控制以及CAN通信功能。

圖3 線控4WS系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Control Flow Chart of 4WS-by-Wire System

4.1 方向盤位置采集模塊

方向盤位置采集模塊位于主控制器中，其工作內(nèi)容有三個：（1）判斷方向盤轉(zhuǎn)動方向；（2）采集方向盤轉(zhuǎn)角大小；（3）方向盤的極限區(qū)域判斷。采用增量式光電編碼器為轉(zhuǎn)角傳感器，用增強(qiáng)型捕捉定時器的PACN10通道采集信號，其工作原理及流程，如圖4所示。

4.2 最優(yōu)控制模塊

最優(yōu)控制模塊的具體思路是[7-8]：理論前輪轉(zhuǎn)角先由方向盤轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度作為輸入量，通過模糊控制方法得到轉(zhuǎn)向系傳動比，如圖5所示。以此得到前輪的輸入轉(zhuǎn)角，然后將和前后輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系式代入4WS二自由度整車動 學(xué)模型中，通過最優(yōu)控制（如圖2所示）尋求最優(yōu)的控制器反饋輸入角δi，相加得到前后輪最終的理論轉(zhuǎn)角a

由式（2）和式（11）聯(lián)立求解最優(yōu)控制的理論前后輪轉(zhuǎn)角的最終表達(dá)式為：

其中，X=［β ωr］T，因?yàn)橘|(zhì)心側(cè)偏角 β 很小，所以認(rèn)定 β=0，而橫擺角速度ωr忽略其上升過程，認(rèn)定其等于穩(wěn)態(tài)橫擺角度，表達(dá)式：

圖4 方向盤位置變化采集模塊控制流程圖Fig.4 Flow Chart of Steering Wheel Position Change Acquisition Module

圖5 模糊變傳動比控制思路Fig.5 Control Ideas of Fuzzy Variable Ratio

4.3 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制模塊

轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制模塊計(jì)算理論前后輪轉(zhuǎn)角需要的電機(jī)電壓大小，輸出合適的PWM波，同時根據(jù)線位移傳感器采集到的實(shí)際車輪轉(zhuǎn)角act_δf和act_δ，通過PID算法修正PWM波形，實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制。使用拉桿式直線位移傳感器（類似于一個滑動變阻器），通過一個8位A/D口來采集其變化情況，其輸出變化范圍為（0～5）V，等效于A/D采集數(shù)值的（0～255），采集結(jié)果保存在 AD_in0中。PID控制輸入量為理論前后輪轉(zhuǎn)角與實(shí)際前后輪轉(zhuǎn)角的偏差值e（t），而控制輸出量為體現(xiàn)占空比的電壓值Volt，該值由PWM控制輸出，其占空比為Duty用于直接驅(qū)動前后輪執(zhí)行電機(jī)，也就調(diào)節(jié)了實(shí)際前后輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制[9]。

4.4 CAN通信模塊

CAN通信模塊是SBW系統(tǒng)控制單元實(shí)現(xiàn)分布式控制的關(guān)鍵，各控制器需通過CAN通信模塊來收發(fā)需要的數(shù)據(jù)，對CAN通信模塊收發(fā)的報文信息設(shè)計(jì)，如表1所示。MC9S12XF512單片機(jī)可通過其自帶的MSCAN模塊來控制CAN通信，故CAN通信模塊通過設(shè)置MSCAN的相關(guān)寄存器來設(shè)定通信參數(shù)，考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對指令的實(shí)時性有很高的要求，在MSCAN初始化時設(shè)置CAN通信速率為500kb/s，通信時鐘均使用ECU內(nèi)部總線時鐘源，并使能總線接收中斷[10]。

表1 CAN總線報文信息Tab.1 CAN Bus Message Information

5 系統(tǒng)臺架搭建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在線控4WS系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，搭建系統(tǒng)臺架可方便進(jìn)行相關(guān)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于4WS系統(tǒng)前后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和阻力加載模塊均完全一致，故在搭建臺架時為了簡化，實(shí)際只搭建了前輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和阻力加載模塊。搭建完成的系統(tǒng)臺架各部分，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中車速、橫擺角速度等車體狀態(tài)信號由信號發(fā)生器提供。

圖6 線控4WS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架Fig.6 Bench of 4WS-by-Wire System

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的線控4WS系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)上的正確性，采用仿真模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比的方式來說明。在Matlab/Simulink中建立了線控4WS汽車最優(yōu)控制仿真模型，如圖7所示。并進(jìn)行了三種不同工況下的仿真模擬，仿真模擬結(jié)果和相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，如圖8所示。

圖7 線控4WS系統(tǒng)最優(yōu)控制Simulink模型Fig.7 Simulink Model of 4WS-by-wire System Optimal Control

圖8 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.8 Contrast of Simulation Results and Experimental Results

通過圖8的結(jié)果可知，Simulink模型中不同工況下前后輪轉(zhuǎn)角仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是非常接近的，所以該線控4WS系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)是合理可行的。

6 小結(jié)

全文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種線控4WS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要研究成果如下：（1）對線控4WS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并提出在系統(tǒng)中加入阻力加載模塊來模擬道路工況；（2）對控制單元進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，提出采用分布式控制單元ECU來減少單一控制器工作負(fù)荷，并對ECU工作時的幾個重要功能模塊以及用于數(shù)據(jù)交換時的CAN通信模塊進(jìn)行了詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)；（3）通過相同條件下的仿真模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，完成了系統(tǒng)基本功能的驗(yàn)證，說明線控4WS系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)是正確可行的。