電動(dòng)車獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制策略分析與設(shè)計(jì)

趙寶伊，盧 剛，李聲晉，周 勇

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染和能源枯竭業(yè)已成為全世界必需面對(duì)的重大戰(zhàn)略問題，以電能驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車輛以其優(yōu)異的響應(yīng)性能與獨(dú)特的靈活性，必將成為當(dāng)今最具發(fā)展前途的交通工具之一。而控制策略是電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，合理、高效的控制策略可以提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛，在控制策略設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮以下三個(gè)問題:如何在車載主控制器和伺服分控制器之間合理分配資源，確保電動(dòng)車輛具有快速響應(yīng)性;由于電動(dòng)車輛各個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元存在差異，如何保證多電機(jī)協(xié)調(diào)響應(yīng)，確保車輛平穩(wěn)運(yùn)行;由于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車輛具有特殊的車體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)單元，如何利用該特殊性實(shí)現(xiàn)車輛全電控方式的差速轉(zhuǎn)向。

為滿足電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高功率密度和強(qiáng)伺服性能的要求，本文選用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并采用PWM 雙極性調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。針對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，本文提出一種非線性模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法用以適應(yīng)電動(dòng)車輛寬調(diào)速范圍要求，提高電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

1 控制策略總體方案設(shè)計(jì)

控制策略系統(tǒng)的任務(wù)是令電動(dòng)車輛完成相關(guān)的動(dòng)作，包括正常行駛、制動(dòng)、后退以及差速轉(zhuǎn)向等。因此，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)在功能上應(yīng)滿足以下要求:

(1)通訊單元

本文電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用CSHA 控制結(jié)構(gòu)，上位機(jī)測(cè)控單元與車載主控制器之間通過(guò)串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主控制器和多個(gè)伺服分控制器之間全部采用CAN 總線進(jìn)行通訊，控制策略應(yīng)完成相應(yīng)的通訊接口設(shè)計(jì)并制定完備的通訊協(xié)議以滿足實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的通訊要求。

(2)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

車載主控制器通過(guò)CAN 總線獲取多臺(tái)伺服分控制器上傳的每個(gè)電動(dòng)輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，與上位機(jī)下達(dá)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，完成模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法，將解算后的PWM 占空比值發(fā)送給各個(gè)電動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車輛閉環(huán)調(diào)速過(guò)程、轉(zhuǎn)向控制及其他相關(guān)動(dòng)作。

(3)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

車載伺服分控制器完成電動(dòng)車輛電動(dòng)輪的“獨(dú)立驅(qū)動(dòng)”功能，根據(jù)主控制器下達(dá)的PWM 占空比值，調(diào)節(jié)各自控制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速或移動(dòng)位置。同時(shí)通過(guò)通用I/O 管腳獲取電機(jī)霍爾位置傳感器信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算并上傳至車載主控制器。

(4)傳感器信息采集單元

本文電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加裝了兩種外置傳感器，分別是陀螺儀和加速度傳感器，伺服分控制器通過(guò)A/D 端口獲取傳感器信號(hào)，得到車輛的有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)以及周圍的環(huán)境信息，并通過(guò)主控制器最終上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)單元，便于車輛的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)上述的控制策略功能描述，電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)主要分為兩部分:車載主控制器策略和伺服分控制器策略。各個(gè)部分又包括不同的功能單元，每個(gè)單元采用模塊化的編程思想，使控制策略具有方便閱讀、穩(wěn)定性高、可移植性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。圖1 是控制策略結(jié)構(gòu)框架圖。

圖1 控制策略總體結(jié)構(gòu)框圖

本文電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略工作流程為:系統(tǒng)上電后，車載主控制器和伺服分控制器各自執(zhí)行初始化程序;初始化通過(guò)后，主控制器通過(guò)串行通訊接收上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)的指令信息，并將指令數(shù)據(jù)解算后通過(guò)CAN 總線發(fā)送到各伺服分控制器;伺服分控制器接到PWM 值后，起動(dòng)電機(jī)，并實(shí)時(shí)讀取無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾信號(hào)和角位置信號(hào)，反饋給主控制器;主控制器比較上位機(jī)的指令和接收到的反饋信息，通過(guò)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法進(jìn)行PWM占空比值更新，將實(shí)時(shí)更新的PWM 傳送給伺服分控制器，完成車輛閉環(huán)控制。

2 車載主控制器控制策略設(shè)計(jì)

2.1 主控制器總體控制流程

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)車載主控制器的控制策略功能主要是實(shí)時(shí)接收、發(fā)送指令信息，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，各個(gè)功能均采用模塊化設(shè)計(jì)。主控制器程序流程圖如圖2 所示。

圖2 車載主控制器控制策略流程圖

程序中初始化模塊完成CAN 總線和UART 中斷設(shè)置、寄存器設(shè)置、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置等。執(zhí)行完初始化后，系統(tǒng)開啟UART 和CAN 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)數(shù)據(jù)分類代碼判斷屬于何種類別，然后經(jīng)過(guò)比較、解算，完成模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法等數(shù)據(jù)處理過(guò)程，通過(guò)CAN 總線將更新后的PWM 發(fā)送給相應(yīng)的伺服分控制器，由分控制器最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。

2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)算法流程圖如圖3 所示。

圖3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)控制流程圖

根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)控制方法，控制器由dsPIC30F4012 獲取無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，在dsPIC30F6010 中實(shí)現(xiàn)模糊PID算法。圖3 中Smith 預(yù)估部分的系數(shù)a 和b、積分分離部分的系數(shù)ε 以及不完全微分的系數(shù)β，均可以根據(jù)系統(tǒng)的不同需要作出適當(dāng)調(diào)整。

3 車輛伺服分控制器控制策略設(shè)計(jì)

分控制器主要完成與主控制器的CAN 通訊，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)做出理想的動(dòng)作，并將自身狀態(tài)傳給主控制器，所以整個(gè)控制策略的結(jié)構(gòu)由主程序和CAN、MCPWM、ADC 等中斷服務(wù)子程序組成。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 伺服分控制器主程序流程圖

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，完成對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)置，并打開中斷，然后等待中斷條件發(fā)生。

4 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)策略設(shè)計(jì)

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛正常運(yùn)行時(shí)需要各個(gè)單元協(xié)調(diào)動(dòng)作，本文將對(duì)電動(dòng)車輛的整車運(yùn)動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

4.1 電動(dòng)車輛多電機(jī)協(xié)調(diào)控制

(1)車輛直線行駛模塊

為了提高電動(dòng)車輛調(diào)速響應(yīng)性和調(diào)速穩(wěn)定性，保證獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛的行駛協(xié)調(diào)性，可以利用電機(jī)轉(zhuǎn)速模糊PID 參數(shù)自調(diào)節(jié)控制算法對(duì)電動(dòng)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

(2)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制模塊

為了確保車體運(yùn)行穩(wěn)定，本文設(shè)計(jì)了電動(dòng)車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制策略:

(a)若車輛處于高速行駛時(shí)有轉(zhuǎn)速指令發(fā)生，控制器自動(dòng)將PWM 占空比降低(即暫不考慮原有速度指令)，待車速降至安全范圍時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入車輛轉(zhuǎn)向模式;

(b)車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)向模式后，控制器保持PWM以較低的占空比值輸出(即不考慮加速指令，保持無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行)，同時(shí)依據(jù)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速，開始實(shí)施轉(zhuǎn)向;

(c)轉(zhuǎn)向指令完成后，各個(gè)電動(dòng)輪的PWM 占空比值恢復(fù)正常控制，車速也隨之作相應(yīng)變化(繼續(xù)履行加速指令或提速以使車輛繼續(xù)高速行駛)。

轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制模塊流程圖如圖5 所示，其中v為電動(dòng)車輪速度，T 為電動(dòng)車輪轉(zhuǎn)矩。

圖5 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定控制模塊流程圖

4.2 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車輛電子差速設(shè)計(jì)

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，由上位機(jī)(輪式移動(dòng)機(jī)器人)或其他外部裝置(電動(dòng)轎車)提供信號(hào)輸入，指令進(jìn)入車載主控制器經(jīng)解算后，主控制器給各個(gè)伺服分控制器提供不同的PWM 占空比，實(shí)現(xiàn)電子差速。

系統(tǒng)對(duì)多個(gè)電動(dòng)輪同時(shí)進(jìn)行速度控制和差速計(jì)算，下面將對(duì)電子差速控制策略進(jìn)行詳細(xì)分析。

眾創(chuàng)空間在整合資源時(shí)，首先要設(shè)計(jì)清晰的利益機(jī)制，不同的資源依附于不同的利益相關(guān)者。專利、技能、知識(shí)、創(chuàng)意是眾創(chuàng)空間運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不可或缺的創(chuàng)新資源要素，這些要素往往依附于行業(yè)專家、高校學(xué)者以及科研人才，可以采用眾包形式將創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目分解給這些利益相關(guān)者來(lái)完成，在利益機(jī)制上可以采用公開懸賞、競(jìng)賽等多種公開方式，鏈接高端資源，尋求創(chuàng)新創(chuàng)意以及技術(shù)解決方案，最終通過(guò)利益機(jī)制將各種創(chuàng)新要素編織成高效率的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。

(1)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速分析

如圖6 所示，假設(shè)某時(shí)刻電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)模型為Ackermann－Jeantand 模型，其中:δ 為電動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向角;δin為前內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角;δout為前外側(cè)輪轉(zhuǎn)向角;L 為車身長(zhǎng)度;W 為車身寬度;R 為轉(zhuǎn)向半徑，;Rin為內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向半徑;Rout為外側(cè)輪轉(zhuǎn)向半徑;Cin為內(nèi)側(cè)輪行駛距離;Cout為外側(cè)輪行駛距離。

圖6 Ackermann－Jeantand 車輛轉(zhuǎn)向模型

以圖6 為例，假設(shè)當(dāng)電動(dòng)車輛以速度v 逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，四個(gè)電動(dòng)輪分別定義為:左前輪轉(zhuǎn)速為vlf，右前輪轉(zhuǎn)速為vrf，左后輪轉(zhuǎn)速為vlr，右后輪轉(zhuǎn)速為vrr，則有:

式中:ΔT 為車輪轉(zhuǎn)過(guò)一圈所需時(shí)間，設(shè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為v，則有:

因此式(6)和式(7)可以簡(jiǎn)化:

根據(jù)圖6 的模型，可以由式(11)計(jì)算vlr和vrr:

解得:

(2)轉(zhuǎn)向控制流程

本設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)向控制策略中定義了以下幾種狀態(tài):STOP 表示車輛停止，準(zhǔn)備調(diào)頭;RUN 表示車輛正常行駛;ACCELERATE 表示加速狀態(tài);DECELERATE 表示減速狀態(tài);CONSTANT SPEED 表示勻速運(yùn)行狀態(tài);U－TURN 表示車輛調(diào)頭。

車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)向控制模塊后如果發(fā)生STOP 狀態(tài)，則意味著車輛減速至停車，準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)頭動(dòng)作，圖7 是整車轉(zhuǎn)向時(shí)的控制策略流程圖。

圖7 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向控制流程圖

4.3 電子差速仿真分析

根據(jù)電動(dòng)車輛不同的轉(zhuǎn)向角度δ，四個(gè)電動(dòng)輪的速度分配公式如式(9)、式(10)、式(12)和式(13)所示。

對(duì)實(shí)驗(yàn)樣車測(cè)量后得L = 2．6 m、W = 1．55 m，因此可知:

根據(jù)上述四個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，分別取v = 2 m/s、v = 4 m/s、v = 6 m/s、v = 8 m/s、v = 10 m/s，并且對(duì)電動(dòng)車輛前輪轉(zhuǎn)速vlf和vrf的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同車速下車輛轉(zhuǎn)向時(shí)vlf和vrf的對(duì)比圖

由上述仿真結(jié)果可以證明，本文獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛的電子差速設(shè)計(jì)正確，運(yùn)行結(jié)果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證電動(dòng)車輛控制策略的合理性和可靠性，本文利用一款輪式機(jī)器人車輛樣車作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。整個(gè)樣車采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元和車體構(gòu)成。如圖9 所示，每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元主要由一個(gè)電動(dòng)輪和一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)組成，為了提高車輛的越障功能，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元中還增加了一個(gè)擺臂和一個(gè)助動(dòng)輪。轉(zhuǎn)向電機(jī)用以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)繞支點(diǎn)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，協(xié)助完成車輛的電子差速功能。擺臂布置在車輪的內(nèi)側(cè)，由安裝在轉(zhuǎn)向臂上的電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)，可以繞著驅(qū)動(dòng)輪中心軸正反向全周擺動(dòng)。

圖9 車輛原理圖

5.1 電子差速性能實(shí)驗(yàn)

以輪式機(jī)器人車輛作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電子差速控制策略，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖10 所示。

圖10 輪式機(jī)器人車輛電子差速實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)以車輛向左20°的角度轉(zhuǎn)向，圖中虛線為電動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向行駛軌跡。

圖11 給出了機(jī)器人車輛左轉(zhuǎn)20°時(shí)各個(gè)獨(dú)立電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速變化，車輛直線行駛時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)的角度為180°，車輛左轉(zhuǎn)為180°→0°運(yùn)行，右轉(zhuǎn)為180°→360°運(yùn)行。為了將車輛行駛角度值和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在同一窗口，車輛行駛的角度值在上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)顯示時(shí)自動(dòng)放大了10 倍。

圖11 車輛左轉(zhuǎn)20°時(shí)各個(gè)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速變化對(duì)比圖

5.2 電動(dòng)車輛越障實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制策略的可靠性，本文以輪式機(jī)器人車輛為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了越障實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)是以數(shù)塊木板疊放而形成的，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出該電動(dòng)車輛樣車可以越過(guò)的最大臺(tái)階高度是187 mm，運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖12 所示。

圖12 輪式機(jī)器人車輛上臺(tái)階實(shí)驗(yàn)

6 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)，提出了主控制器控制策略和伺服分控制器控制策略。對(duì)電動(dòng)車輛整體運(yùn)動(dòng)策略，尤其是全電控方式的車輛差速轉(zhuǎn)向部分進(jìn)行了詳細(xì)研究，并進(jìn)行了仿真和相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，車輛控制算法正確，控制策略設(shè)計(jì)合理。

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