摘 要：基于Infineon XC164CS微控制器" title="微控制器">微控制器，设计一种针对四轮驱动电动车电机的控制方案。介绍了基于Ackermann和Jeantand转向模型的四轮速度关系，四轮驱动汽车的电子差速" title="电子差速">电子差速算法以及电动轮" title="电动轮">电动轮的软件设计。实践证明，基于XC164CS，利用软件就能实现对电动轮的控制。

关键词：XC164CS微控制器；Ackerman-Jeantand模型；电子差速技术；PI调解器

　　我国汽车工业正处于高速发展时期，但目前市场上的汽车绝大多数都是由内燃机进行驱动的。针对内燃机汽车所引发的能源危机与环境威胁，以开发内燃机系统的替代动力系统为基本思想，利用清洁能源为本质特征的电动汽车技术已经成为当今汽车领域发展的前沿课题之一。

　　电动汽车使用电动机代替了内燃机，可以不再直接使用石油燃料作为驱动力源，从而降低了汽车工业发展对石油的依赖程度，并且降低了汽车对城市空气的污染；使用电机驱动的汽车在行驶过程中所产生的噪音也比使用内燃机驱动的汽车低大约5dB～15dB^[1]。此外，与传统内燃机汽车相比，电动汽车还具有轻便、操控性能好、更有利于实现智能化等许多优点[2]。

　　本文介绍一种基于Infineon XC164CS微控制器的电动轮分布式电子差速控制方案。

1 基于Ackermann和Jeantand转向模型^[3]的四轮速度关系

　　轮式车辆转弯行使时，为了避免车胎在转向过程中的过快磨损及不稳定驱动，实现车辆的平顺转向，一般要求所有车轮在转向过程中都作纯滚动^[4]。对四轮独立驱动电动汽车而言，即要求四个车轮在转向过程中具有各自不同的转速，并且各车轮的转速之间应满足某一特定关系，该关系即为设计汽车差速系统的主要依据。低速下，这一特定关系可基于Ackermann和Jeantand转向模型推导得出。

　　使用Ackermann和Jeantand转向模型进行转向时，四轮速度关系分析的假设前提条件为：(1)刚性车体；(2)车轮作纯滚动，即不考虑已发生滑移、滑转；(3)行驶时所有轮胎都未离开地面；(4)轮胎侧向变形与侧向力成正比。

　　为便于讨论，不妨假定：当车辆以任意角度转向时，转向机构总能够确保四个车轮的转向轴共点于O；即在图1所示的转向模型中（其中转向机构的主销间距等于轮B），外转向轮转角α与内转向轮转角β总是满足下面的等量关系^[5]：

　　若假定轮胎在转向时不发生侧偏，且不考虑侧倾时垂直载荷对内、外侧车轮的影响，并且设电动汽车的驾驶员通过变速传感器给定的目标车速为Vs，则可得到基于电动轮转速控制的电子差速算法：

　　在式（2）的左侧，除了B、L这两个车体线度常数之外的其他变量均来源于驾驶员。从控制算法的角度来看，整个电子差速系统由驾驶员、电子差速算法及电动轮转速控制算法三部分构成。该系统的控制流程为：驾驶员根据自己的意图与行车线路给定目标车速Vs、外转向轮转角α、内转向轮转角β；电子差速算法根据式(2)进行实时计算得到各个电动轮应有的行驶速度V_i(i=1，2，3，4）；搭载于四个电动轮控制器上的电动轮转速控制算法分别以相应的Vi为转速目标设定值，对各个电动轮的实际转速进行实时控制。由于外转向轮转角Vs与内转向轮转角β受到式(1)的约束，故整个控制系统中的自由度为2。同时由于电子差速算法的非线性，可以使用将查表法与内部插值法相结合的方式实现，借以降低算法的运算量；电动轮转速控制算法可采用具有转速电流双闭环的PI算法，以便获得较好的动态性能。

2 基于Infineon XC164CS微控制器的电动轮控制器设计

2.1 电动轮控制器硬件设计

　　电动轮控制器是四轮电子差速系统中的控制命令执行器，其主要任务为：

　　(1)驱动电动轮中的无刷直流电动机" title="无刷直流电动机">无刷直流电动机并进行转速闭环控制；

　　(2)对无刷直流电动机进行过流保护；

　　(3)通过CAN总线接收中央控制器的转速设定命令,并将本电动轮控制器的运行状况通过CAN总线发送给中央控制器。

　　电动轮控制器硬件部分经中央控制器硬件部分扩展得到，其总体结构如图2所示。

2.2 电动轮控制器软件设计

　　电动轮控制器软件设计相对复杂，此处使用有限状态机" title="有限状态机">有限状态机的软件设计方法以使得整个程序设计流程清晰明了。在实际行驶过程中，四轮电子差速系统中的电动轮将工作在多个不同的情况下，将这些情况进行简化与抽象即可得到有限状态机中的各个状态。电动轮所处的情况是由驾驶员的控制及电动轮自身运行状态所决定的，由此可得到有限状态机中各个状态相互迁移的条件。经简化后的电动轮控制器状态迁移图如图3所示。

　　其中各状态迁移条件为：(a)源于CAN总线的转速设定命令非0；(b)电动机正常起转；(c)、(f)、(g)源于CAN总线的刹车命令或直接检测到刹车意图；(d)过流或在起动状态中停留时间过长、电动机未起转或其他异常；(e)主电源过流或其他异常；(h)主电源电动机的实际转速为0；(i)开启电动轮控制器；(j)关闭电动轮控制器。

　　除在图3中绘出的状态转移关系之外，当异常情况（或刹车信号）消失时，电动轮控制器将立即退出异常状态（或刹车状态）并自动返回到前一状态。基于有限状态机的电动轮控制器程序主流程如图4所示，其中变量state中存放的是电动轮控制器当前所处的状态。

　　图4中多分支结构的各分支分别对应于有限状态机中的各状态。其中正常差速分支是电动轮控制器软件部分的核心，电动轮控制在该分支中对无刷直流电动机进行转速、电流双闭环控制。该分支的主要流程如图5所示。

　　正常差速分支中用到的转速控制标志位与电流控制标志位都仅在GPT定时中断程序中进行置位，以此方式实现对相邻两次数字PI时间间隔的有效控制。

3 PI调解器控制分析

　　电动轮控制器采用PI调节器对无刷直流电动机的转速及电流进行闭环控制。模拟PI调节器的数学模型为^[6]：

　　其中k_p为比例环节系数，T_i为积分常数，e(t)为系统反馈误差，u(t)为PI调节器的输出，t为时间。

　　数字PI调节器源于模拟PI调节器，使用矩形数值积分可将式（3）改写为离散形式：

　　其中k_i可称为积分环节系数，T为矩形数值积分的单步时间宽度，也即对e(t)进行数字化时的信号采样周期，k为采样序号。

　　将u(k+1)-u(k)并进行整理可得数字PI调节器的迭代表示式：

　　令k_p=A0，k_i×T-k_p=A1，同时考虑对PI调节器输出的限幅，则上式可改写为：

　　其中Limit为PI调节器的输出限幅门槛值。与式(4)相比，式(6)无累加项，能有效避免积分饱和且其为迭代形式，便于该算法在微控制器中的实现。在电动轮控制器中，为了提高代码的重用性，数字PI调节器算法被封装为一个子函数，该子函数既可用于调节电流又可用于调节电压，其流程如图6所示。

　　在双闭环控制系统中，一般情况下，转速PI调节器中的A₀、A₁、Limit、u(k)、e(k)各量与电流PI调节器中相应各量的数值均不相同，因此在该数字PI子函数中首先应根据其被调用的场合装载相应的一组数据，在子函数调用返回之前还应及时对这组数据中的变量u(k)、e(k)作更新。为了有效地组织这些参数，可以使用结构体数据类型，将分属转速PI与电流PI的两组数据分别存储于两个结构体类型的变量中。调用数字PI子函数时将结构体变量的首地址作为该子函数的实际参数即可实现数据传递。

　　因为XC164CS微控制器中的MAC单元具有16位定点DSP的部分功能，所以使用MAC单元可以极大地提高算法执行效率。以实现PI控制器核心算法为例，当使用MAC单元时，在空间上其只需6行ASM代码，在时间上只需6个指令周期即可完成。在Keil中，实现PI核心算法的MAC单元宏汇编指令如下：

　　%*DEFINE(MAC_MADDS_Q31(a，b，c，d，e，f))(

　　MOV MCW，#0200h；

　　CoLOAD %b，%a；

　　CoMAC %c，%d；

　　CoMAC %e，%f；

　　CoSTORE %a，MAH；

　　CoSTORE %b，MAL

　　)

　　在整个电动轮控制器中，对无刷直流电动机的适时换相至关重要。底层程序编制不当极可能引起36V锂电池在逆变桥中直通短路并带来严重后果，故在实际上电实验之前可利用Keil集成环境进行微控制器底层仿真。使用Keil提供的辅助调试工具Function Editor来模拟输入微控制器的三路霍尔信号及由其组合而成的换相信号speed_puls；使用Logic Analyzer窗口观察CC6单元中相应的管脚输出，仿真结果如图7所示。

　　由于实验条件有限，无法直接测量电动轮中无刷直流电动机的转速，故转速控制部分的实验结果还须在后续的工作中建立一个基于CAN/USB网关的PC监控界面之后才能给出。从已有的仿真结果可以看出，基于Infineon XC164CS的软件控制方案能够很好地实现对四轮驱动车电机的控制。

参考文献

[1] TAHARA M.Performance of Electric Vehicle.Pro.of the　12th International Electric Vehicle symposium，Anaheim California.1994：89-96.

[2] CHAN CC，FENG FIEEE.The Past，Present and Future of Electric Vehicle Development.IEEE 1999 International

Conference on Electronics and Drive Systems.1999：11-13.

[3] ACKERMANN J.Advantage of active steering for vehicle Dynamics Control.99ME013，1999.

[4] KASHINMA S.The present condition and the future of EV　sharing in Japan.IEEE Vehicle Electronics Conference，2001，9，149.

[5] 陈家瑞.汽车构造(下册).北京：机械工业出版社，2000.

[6] 徐薇莉，曹柱中.自动控制理论与设计.上海：上海交通大学出版社，1995.