1、    基于實時內核的電動車電子差速算法仿真        時間:2010年03月25日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:                 伴隨著日益嚴重的大氣污染和能源危機，傳統的交

2、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。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

3、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：剛性車體；    車輪作純滾動，即不考慮已發生滑移

4、、滑轉；    行駛時所有輪胎都未離開地面；    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，是方向盤的轉角，0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x。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r(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r；右轉時，左前輪角速度為r(也可另行定義)。很顯然，如果在程序中直接套

5、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，只要方向盤的轉角定，則4個輪子的轉速與參考角速度的比值 1r、2r、3r、4r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MatlabSimulink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。對于四輪驅動電動車的控制應用，要求微處理器提供系統

6、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

7、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

8、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

9、進程間的通信主要采用了以下4種方法：    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。    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。&#

10、160;   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。    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AD采樣獲得來自轉向傳感器的車輛轉向角度

11、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    51 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

12、加速信號等確定Vref(Vref=r×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。        52 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

13、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。        53 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 CANUSB網關相連，構成了整個系統的主體。   

14、0;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。    CANUSB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USB2O高速傳輸協

15、議，通過編程可以支持傳輸速度最高達1 Mbs的CAN總線通信。    54 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。         

16、;       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

17、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