輪轂電機網絡化控制器研究

陳鵬展　張永賢

華東交通大學,南昌,330013

輪轂電機網絡化控制器研究

陳鵬展張永賢

華東交通大學,南昌,330013

對四輪獨立驅動汽車中輪轂電機的控制需求進行分析,設計了一種具有FlexRay總線接口的網絡化輪轂電機控制器,給出了控制器的軟硬件結構和通信協議; 采用廣義預測控制策略對輪轂電機速度環控制參數進行校正,以消除負載擾動對輪轂電機控制過程的影響,通過對指令數據進行實時預測,補償傳輸過程中的延遲和丟包帶來的數據缺失;構建了測試平臺,通過模擬指令突變、負載擾動及數據丟包等工況,對所設計的網絡化輪轂電機控制器性能進行評估。實驗結果表明,預測控制策略和指令實時預測能使輪轂電機控制系統獲得準確穩定的控制性能。

輪轂電機;FlexRay總線;廣義預測控制;指令預測

0　引言

相較于內燃機動力汽車，電動汽車更容易實現驅動形式的多樣化[1]。其中,將驅動電機安裝在各輪轂上直接驅動車輪,并以各輪轂電機分散驅動為特征的獨立驅動電動汽車,在底盤結構、傳動效率和控制性能等方面均具有獨特的技術優勢,已成為電動汽車發展的一個重要方向[2]。

輪轂電機控制器是獨立驅動電動汽車的核心部件[3]。在獨立驅動電動汽車行駛過程中,輪轂電機控制器接收來自車輛主控制器的指令,驅動輪轂電機運行,使電動汽車按駕駛者意圖行駛，同時將輪轂電機的運行狀態不斷反饋給車輛主控制器，以便主控制器能對車輛的運行工況做出判斷,因此,輪轂電機控制器的性能影響著電動汽車行駛過程的穩定性與精度。盧東斌等[3]采用多模式控制策略來完成輪轂電機的控制過程,多模式控制雖然能使輪轂電機獲得穩定的控制性能，但由于在不同速度段采用不同的控制策略，會導致控制過程的復雜程度提高,并降低控制過程的穩定性;Ren等[4]設計了采用自整定結構的輪轂電機控制器,通過自整定可使輪轂電機獲得較好的控制性能,但卻無法有效消除輪轂電機運行過程中負載擾動對控制過程的影響。穩定的輪轂電機控制策略是保證獨立驅動電動汽車高效可靠行駛的關鍵。

為了使輪轂電機在行駛過程中始終與其他輪轂電機保持運行同步，輪轂電機控制器需要實時與電動汽車中的其他控制器交換信息。采用網絡化方案可以提高輪轂電機控制器的信息交換效率，降低電動汽車中各類控制器之間電氣連接的復雜程度。網絡化方案已在獨立驅動電動汽車中得到應用, 目前大多采用CAN總線通信方式。為了使網絡化獨立驅動電動汽車具有良好的操控性能，必須選用實時高速通信網絡作為獨立驅動電動汽車的數據傳輸通道，通過對網絡環境中輪轂電機控制器的運行特性與控制需求進行分析，獲得電機高性能驅動和網絡化多電機高可靠并行運行的最優設計方案,以滿足網絡化獨立驅動電動汽車行駛驅動的需要。

1　輪轂電機網絡化控制需求分析

在網絡化獨立驅動電動汽車行駛過程中，車輛主控制器基于獲得的輪轂電機運行狀態信息，結合采集到的車輛轉向信號、制動踏板信號、油門踏板信號，做出對車輛行駛狀態和駕駛者操控意圖的判斷，根據車輛控制算法計算得到各輪轂電機的目標速度，并通過網絡將目標速度發送給各輪轂電機控制器。

輪轂電機通過車輛主控制器的控制指令進行響應，使電動汽車按駕駛者的操控意圖行駛。為保證輪轂電機指令響應的正確性和實時性，輪轂電機控制器應具備以下特性:①實時高速的數據通信接口。輪轂電機控制器應具有高可靠、高速率的數據通信接口，以保證輪轂電機控制器能在確定的通信周期內正確接收到車輛主控制器速度指令。②快速準確的速度控制性能。只有當電動汽車中所有的輪縠電機都能快速準確地對車輛主控制器的指令進行響應時，才能保證電動汽車按正確的路線軌跡行駛。③高可靠性。為了保證電動汽車安全行駛，電動汽車的各組成部件均應具有高可靠性[5]。輪轂電機控制器應具有良好的可靠性,不僅應能夠長期穩定運行，而且能對運行過程中的誤操作及相關器件失效進行準確判斷和完善保護。

為了獲得高性能的輪轂電機控制器設計方案，首先應確定網絡化輪轂電機控制器硬件設計方案，包括選擇高速實時的網絡通信方案，構建可靠穩定的硬件平臺等，以保證控制器在運行過程中的可靠性與穩定性。在完成控制器軟硬件平臺設計后，應設計強實時、高可靠的軟件結構，并研究輪轂電機速度控制策略和網絡通信錯誤補償策略，以保證網絡環境中輪轂電機控制過程的實時性和準確性。

2　控制器軟硬件平臺設計方案

2.1控制器硬件結構

根據網絡化輪轂電機的控制需求分析,設計了一類輪轂電機控制器硬件平臺，主要由微處理器、總線接口電路、位置傳感器接口、電流傳感器接口、驅動電路、MOSFET逆變電路組成，其結構框圖見圖1。

圖1　輪轂電機控制器硬件結構框圖

為了保證控制器在進行算法處理過程中的效率和精度，應選擇具有高速數據處理及浮點計算能力的微處理器作為控制器的處理核心。通過對多種類型的微處理器性能進行比較，控制器選用了ST公司的32位內核的ARM微處理器STM32F407VGT6作為控制器的處理核心,該微處理器集成單周期數字信號處理和浮點運算指令,最高數據處理能力達到每秒210 DMI(百萬機器語言指令)。高速的數據處理能力能使輪轂電機控制算法得以實時執行,同時,該微處理器內部集成有豐富的外設資源,可減少控制器外圍硬件電路,提高系統可靠性。

全橋驅動拓撲易于使輪轂電機獲得更快的響應[4],而且能夠實現對電動汽車行駛過程中的制動能量進行回饋,因此,控制器中采用電壓型三相全橋電路驅動的功率逆變電路，通過控制各橋臂功率MOSFET的導通和關斷，可實現輪轂電機四象限運行。

考慮到可靠性、實時性及通信帶寬等因素，獨立驅動電動汽車選用了FlexRay總線作為控制器網絡連接方案。FlexRay總線具有高速、高可靠及安全的特點，其通信速率可達到每秒20 Mbit[6]。采用FlexRay總線不僅可以簡化獨立驅動電動汽車中的網絡拓撲結構，而且能使電動汽車的網絡通信過程更具穩定性和可靠性。輪轂電機控制器選用了Infineon公司的總線控制芯片CIC310來完成FlexRay總線的通信過程,通過DMA方式實現總線控制器與微處理器之間的數據交換，同時采用NXP公司的TJA1080作為總線收發器，實現與FlexRay總線的接口。

為使控制器能夠長期可靠安全運行，輪轂電機控制器選用了具有自保護功能的智能功率器件，并在選型過程中考慮了功率管參數指標的冗余，在電路中采取了多重故障檢測與保護措施。

2.2控制器軟件體系

綜合考慮可靠性、實時性及便利性等因素，采用了汽車級嵌入式系統OSEK作為輪轂電機控制器的軟件平臺。OSEK是性能優良的實時操作系統，具有執行效率高、實時性能優良等特點[7],采用OSEK操作系統易于對控制器中不同的控制功能進行分類和模塊化。輪轂電機控制器軟件包含硬件驅動、實時內核、應用接口、系統任務和中斷服務程序等部分，如圖2所示。

圖2　輪轂電機控制器軟件體系

為了保證控制器中某些控制功能操作的實時性，在軟件設計過程中采用中斷機制來完成嚴格實時性要求事件的處理過程，如電流控制過程、網絡數據接收過程、PWM信號產生及故障保護過程。對實時性要求不高事件的處理過程，如速度控制過程、再生制動控制過程以及總線發送數據變量復制過程，均可通過在OSEK操作系統開辟獨立的任務進程實現。

控制器在完成控制器硬件初始化過程后，開放系統中斷，并啟動實時內核OSEK，通過應用接口開辟不同任務循環，通過任務調度和中斷來觸發對各類事件的處理過程，既保證了控制器響應過程的實時性，同時也使系統的軟件維護升級過程更為容易。

2.3通信協議及通信流程

電動汽車中各FlexRay網絡節點均按固定的周期通信,為了保證電動汽車運行控制的實時性,設定FlexRay總線的消息幀循環周期為20 ms。輪轂電機控制器需要在每個通信周期內接收車輛主控制器發出的控制指令,并將電樞電流、反饋轉速、編碼器數據、負載估算結果、故障代碼等數據發送給車輛主控制器,控制器之間采用總線消息幀來傳送狀態信息與控制指令。

FlexRay總線消息幀包含幀頭段、數據段和幀尾段三個部分[6],其中數據段長度可變,需根據電動汽車運行中的信息傳輸內容確定具體長度。為了能通過單幀消息完成控制器運行狀態全部數據的發送,需對FlexRay總線消息幀進行適當編碼。

綜合考慮數據表示精度和數據傳輸效率,確定輪轂電機控制器發送的FlexRay消息幀中數據段的長度為30個字節。其中,工作模式、電樞電流、目標轉速、反饋轉速、負載估算結果及故障代碼均占用2個字節,指令序號、電機編碼器位置占用4個字節,預留12個字節給后續應用。數據幀中電流、轉速和負載數據采用12Q4格式，整數部分占用11位，小數部分占用4位，符號占用1位，數據表示范圍為:-2048.9375～2047.9375。

輪轂電機控制器的通信流程如下:控制器上電后，對通信控制器CIC310及發送定時器進行初始化,同時開放總線數據接收中斷與定時器中斷,并對中斷進行實時監測。當監測到發送定時器中斷后,將發送變量寫入通信控制器,等待總線控制器的發送完成標志，在完成數據發送過程后退出發送定時器中斷處理過程，并等待下一次發送定時器中斷，以此實現輪轂電機控制器的總線數據發送過程。

輪轂電機控制器的總線數據接收過程如下：當監測到數據接收中斷時，控制器立即進入中斷處理過程，將接收緩存區中的相關數據復制到對應的過程變量，以得到速度指令作為速度控制環下一周期的目標值，在變量復制完畢后，清除接收中斷標志，退出數據接收中斷處理，等待下一次數據接收中斷。控制器通過中斷的方式來觸發總線數據的接收發送過程，可以保證總線通信過程的準確性和實時性。

3　速度環復合控制

輪轂電機控制器在接收到速度指令后，通過速度電流雙閉環控制結構，使輪轂電機對速度指令進行跟蹤響應。輪轂電機的速度環常采用PI控制結構,它將速度指令值與速度反饋值進行比較,差值經PI調節器計算得到電流給定值,再利用電流控制環對輪轂電機電磁轉矩進行調整,使輪轂電機速度輸出跟隨指令變化。

PI控制結構對被控對象模型不敏感，當被控對象的模型發生變化時會導致輪轂電機控制性能下降。在電動汽車實際行駛過程中，輪轂電機的運行工況時常會發生變化，如路面摩擦因數的變化或車輛行駛中的阻力變化，這些變化都可歸結為輪轂電機運行過程中的負載轉矩擾動。負載轉矩擾動會降低輪轂電機的控制性能和同步精度，從而影響車輛行駛的性能與安全。

為了保證輪轂電機運行響應的穩定性，必須設計合適的控制策略，對輪轂電機運行過程中的擾動進行抑制。廣義預測控制策略具有較好的擾動抑制能力，但它在控制過程中可能會發生超調和失穩[8]。結合廣義預測和PI兩種控制結構的優點，可在輪轂電機速度控制主回路中采用PI控制結構，同時利用廣義預測控制對PI控制結構中的速度環控制參數進行在線校正，以抑制輪轂電機運行過程中的負載轉矩擾動。復合控制結構如圖3所示。

圖3　輪轂電機速度環復合控制結構

速度控制環被控對象可用以下模型描述：

A(z-1)v(k)=B(z-1)I(k-1)+C(z-1)ξ(k)/Δ

(1)

式中,k為離散系統系列值;v、I分別為速度輸出和電流輸入;ξ為均值為零、方差為σ2的白噪聲;C(z-1)為噪聲模型狀態方程;Δ為差分算子,Δ=1-z-1;A(z-1)=1+a1z-1+…+anaz-na,na為速度輸出階次;B(z-1)=b0+b1z-1+…+bnbz-nb,nb為電流輸入階次;a1、a2、…、ana，b1、b2、…、bnb為待定系數。

根據廣義預測控制策略,可對輪轂電機的速度輸出進行預測[9]:

v(k+j)=Gj(z-1)ΔI(k+j-1)+

Ej(z-1)ΔI(k-1)+Sj(z-1)v(k)+Rjξ(k+j)

(2)

建立速度輸出預測的二次型性能指標：

(3)

式中,E為速度預測輸出的綜合加權誤差;q、λ分別為速度輸出預測誤差與電流控制增量加權系數;w為速度參考信號。

PI控制結構的增量公式為

(4)

式中,e(k)為速度控制誤差;v(k)為速度反饋輸出;Tc為采樣時間;ks、Ts為PI調節器參數。

令

(5)

可得

Z(z-1)v(k)+ΔI(k)-Z(1)w(k)=0

(6)

對式(3)表示的二次型指標求偏導，即為電機速度控制過程最優運行方向：

(7)

式中,pj為速度輸出預測的二次型性能指標的偏導。

定義常量

(8)

則式(7)可變形為

(9)

對比式(6)、式(9),當式(10)成立時,PI控制結構中控制參數能使速度控制過程按照最優方向運行,即

(10)

令

(11)

式中,k1、k2為等價系統系數。

由式(5)、式(11)可得出速度控制環最優控制參數計算公式：

(12)

根據式(12)對輪轂電機速度控制參數進行在線調整，使其對運行過程中的負載轉矩進行抑制,以保持控制過程的穩定。

廣義預測與PI復合控制結構既可使輪轂電機控制器具有良好的控制穩定性，又使其具備對外部轉矩的擾動抑制能力。

4　基于變化趨勢的指令預測

在網絡化環境中，輪轂電機控制器一般能在約定的時刻接收到車輛主控制器發出的速度指令,并將接收到的速度指令作為下一次控制周期中的目標值。當網絡通信過程中發生數據包丟失、傳輸延遲等情況時，輪轂電機控制器無法在約定的時刻接收到來自車輛主控制器的指令數據，輪轂電機的速度響應輸出與控制器指令之間會存在較大偏差。

輪轂電機的速度目標值來自于車輛主控制器的算法模型計算結果。主控制器的算法模型計算周期、網絡通信周期和輪轂電機控制周期一般均在20 ms左右,相對于主控制器計算周期、網絡通信周期和輪轂電機控制周期，駕駛者的動作可被視為是連續的，可以推測，車輛主控制器計算得到的輪轂電機速度目標值在一定范圍內是連續的，并具有規律性。

若能獲得局部范圍內輪轂電機速度目標值計算結果的規律，并通過某種形式對這種規律進行描述，則可利用規律對下一時刻的速度指令值進行預測[10]。如圖4所示，可通過獲取已知數據點的變化規律對下一數據進行預測。這種指令數據外延預測方法因在局部范圍內代表了數據的趨勢和規律，具有一定的正確性。

圖4　基于趨勢的數據預測

綜合考慮數據計算量和擬合精度，采用二次型公式對主控制器指令中的局部數據變化規律進行描述。假設指令數據的變化規律二次型公式為

(13)

(14)

(15)

(16)

解方程組式(16),可得預測公式系數：

(17)

為了消除發生數據傳輸錯誤時對輪轂電機控制器性能的影響，可在控制器運行過程中實時對速度指令值進行預測。當控制器能在約定的時刻準確接收到車輛主控制器發出指令數據時，以接收的數據作為下一周期目標值；否則,以預測結果作為指令目標，并將預測結果視為數據接收值，進行下一輪預測循環。通過對控制指令進行循環預測可補償因傳輸延遲和丟包造成的數據缺失。

5　控制器性能測試

輪轂電機控制器的性能應從以下幾個角度進行評估：控制器的指令跟蹤能力、負載擾動的抑制能力以及網絡數據丟包、延遲的補償能力。研究過程中選用了一臺額定功率為1500W的電動汽車輪轂電機作為驗證對象,其額定轉矩為40N·m,額定轉速為650r/min，額定電壓為DC48V,電機轉子磁極數為16。為了便于對輪轂電機控制器性能進行測試，構建了控制器性能測試系統,其示意圖見圖5。

圖5　輪轂電機控制器實驗臺架

測試系統中使用計算機來模擬獨立驅動電動汽車的車輛主控制器；選擇Vector公司的VN3600總線接口卡與輪轂電機控制器進行連接，構成FlexRay通信網絡；采用聯軸器與一臺同步電機連接,并使同步電機處于力矩工作模式，通過對同步電機的輸出力矩進行調節，模擬輪轂電機行駛中受到的外部力矩擾動；利用光電測速儀對輪轂電機的實際轉速進行測試。

為了驗證控制器的指令跟蹤性能，通過PC機發出加速、恒速、減速、正弦加減速等速度指令，模擬輪轂電機控制器在運行過程中可能的指令形式，并通過測速儀對輪轂電機的實際轉速進行測試，得到結果如圖6所示。從圖6中可以看出，對于各種速度指令形式，輪轂電機都能迅速準確地進行響應，能夠滿足電動汽車行駛驅動要求。

圖6　輪轂電機變化速度響應輸出

為了驗證輪轂電機控制器對外部擾動轉矩的抑制能力，通過計算機給同步電機控制器發出變化的力矩指令，模擬電動汽車行駛過程中的變化擾動力矩，在時間點t為3,13,23,33s時對電機施加不同方向、恒幅值的突變力矩，在時間點t為43,53s時對系統施加隨機擾動力矩，觀察輪轂電機在不同外部轉矩擾動作用下的速度響應，結果如圖7所示。

圖7　存在轉矩擾動時的速度響應

根據實驗結果可以看出，雖然輪轂電機在外部力矩的施加和釋放瞬時的速度響應存在瞬態波動，但隨即恢復穩定的速度響應輸出，具備良好的擾動抑制能力。

為了驗證系統在網絡延時和數據丟包時的性能，通過程序設置，屏蔽計算機在時間點t為3,13,23,33s時的網絡輸出,觀察輪轂電機控制器的響應及網絡指令實時預測結果,如圖8所示。

圖8　存在數據丟包時的速度響應

從實驗結果可知,利用二次型局部數據預測方法能較好地逼近原數據指令，在存在數據傳輸延遲和丟包情況下，輪轂電機的響應仍能跟隨主控制器指令，輪轂電機的控制過程不受少量數據延遲和丟包的影響。

由實驗結果可知，采用預測控制和對局部數據插補的方法能夠降低外部負載擾動和數據錯誤對輪轂電機控制過程的影響，所設計的輪轂電機控制器具備良好的網絡指令跟蹤性能。

6　結語

從目前發展形勢看，網絡化獨立驅動可能是電動汽車發展的終極結構形式。本文給出了一類網絡化輪轂電機控制器設計方案，針對輪轂電機網絡化運行時出現的負載擾動和數據傳輸錯誤，采用預測校正來抑制電機運行過程中的負載轉矩擾動，利用數據趨勢對指令進行預測，補償網絡傳輸中的數據延遲和丟包,獲得了良好的控制性能。研究結果可為電動汽車獨立驅動控制研究打下基礎，同時也可為其他類似的網絡化運動控制器的設計提供借鑒。

[1]趙云.電動汽車結構布置及設計[J].汽車電器,2006(6):4-11.

ZhaoYun.StructuralArchitectureandDesignofEV[J].AutoElectricParts,2006(6):4-11.

[2]張興宇.輪轂式電動汽車電子差速系統的研究[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[3]盧東斌,李建秋,何濤,等.四輪輪轂電機驅動電動汽車無刷電機控制算法的研究[J].汽車工程,2012(10):871-877.

LuDongbin,LiJiangqiu,HeTao,etal.AResearchontheControlAlgorithmforBrushlessMotorinFour-wheelHubMotorDriveElectricVechicle[J].AutomotiveEngineering,2012(10):871-877.

[4]RenTsai-Jiun,ChenTien-Chi,ChenChun-Jung.MotionControlforaTwo-wheeledVehicleUsingaSelf-tuningPIDController[J].ControlEngineeringPractice,2008,16(3):365-375.

[5]胡偉,溫旭輝,劉鈞.電動汽車電機驅動系統可靠性模型及預計[J].電氣傳動,2007,37(12):7-10.

HuWei,WenXuhui,LiuJun.ReliabilityModelandPredictionofMotorDrivingSysteminElectricVehicles[J].ElectricDrive,2007，37(12):7-10.

[6]劉思遠,楊芳,汪小潔,等.時間觸發型FlexRay總線星載應用研究[J].航天器工程,2012,21(6):80-86.

LiuSiyuan,YangFang,WangXiaojie,etal.AnalysisofTime-triggeredFlexRayBusforSatelliteAvionicsApplication[J].SpacecraftEngineering,2012,21(6):80-86.

[7]LemieuxJ.ProgrammingintheOSEK/VDXEnvironment[S].Gilroy,CA:CMPBooks,2001.

[8]陳鵬展.交流伺服系統控制參數自整定策略研究[D].武漢:華中科技大學,2010.

[9]SatoT.DesignofaGPC-basedPIDControllerforControllingaWeighFeeder[J].ControlEngineeringPractice,2010,18(2):105-113.

[10]陶菊春.趨勢外推預測模型的識別與選擇研究[J].西北師范大學學報:自然科學版,2005,41(6):14-17.

TaoJuchun.StudyonIdentificationandChoiceoftheTrendExtendForecastModel[J].JournalofNorthwestNormalUniversity:NaturalScienceEdition,2005,41(6):14-17.

(編輯蘇衛國)

Study on Networked Controller of Hub Motor

Chen PengzhanZhang Yongxian

East China Jiaotong University,Nanchang,330013

By analyzing the requirements of wheel motor control of four-wheel independent drive electric vehicle,a networked hub motor controller was designed with FlexRay bus interface;the hardware and software structure and communication protocols of the controller were put forward.Generalized predictive control strategy was applied to correct control parameters of the speed loop of hub motor and to eliminate the load disturbances in the control process.By real-time instruction predicting,data missing caused by packet loss or transmission delay were compensated.A testing platform was built, employing instruction mutation,load disturbances and packet loss condition simulation the performance of the proposed networked hub motor controller was tested.Experimental results show that predictive control strategy and real-time instruction forecasting can make hub motor control system to obtain accurate and stable control performance.

hub motor;FlexRay bus;generalized predictive control;instruction prediction

2013-06-13

國家自然科學基金資助項目(61164011);江西省自然科學基金資助項目(20114BAB201023)

U463.3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.013

陳鵬展,男,1975年生。華東交通大學電氣學院副教授、博士。研究方向為網絡控制系統、汽車電子控制、伺服驅動控制。發表論文20余篇。張永賢，男，1975年生。華東交通大學電氣學院副教授。