馮 沖，丁能根，何勇靈，徐國(guó)艷，高 峰

(北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

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2015037

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

馮 沖，丁能根，何勇靈，徐國(guó)艷，高 峰

(北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

本文中為四輪線控轉(zhuǎn)向、液壓制動(dòng)的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的底盤綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括整車控制器、4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動(dòng)系統(tǒng)控制器。電動(dòng)汽車的各控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通信，基于CAN2.0B協(xié)議制訂了CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議。考慮電動(dòng)汽車電磁干擾、溫度變化和振動(dòng)等因素的影響，設(shè)計(jì)了各控制器的硬件。建立了用于該電動(dòng)汽車的偽逆控制分配算法。該算法除實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制量分配外，還可在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或控制量飽和時(shí)實(shí)現(xiàn)控制再分配，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性。對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)車驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量進(jìn)行常規(guī)分配和再分配，使電動(dòng)汽車能很好地實(shí)現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖并維持車輛穩(wěn)定。

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車；CAN總線；偽逆控制分配

前言

控制器局域網(wǎng)(CAN)由BOSCH公司開發(fā)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，并且形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898和ISO 11519等[1]。

電動(dòng)汽車作為一種綠色交通工具，目前已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車的綜合性能是決定電動(dòng)汽車能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，目前可通過多種方式來提高電動(dòng)汽車的綜合性能，例如采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)[2-3]、四輪轉(zhuǎn)向[4]和線控制動(dòng)[5]等。

本文中對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車進(jìn)行研究。“驅(qū)動(dòng)”指廣義的驅(qū)動(dòng)，包括4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)、前后轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和四輪主動(dòng)制動(dòng)(制動(dòng)系統(tǒng)在駕駛員沒有踩制動(dòng)踏板時(shí)對(duì)部分或全部車輪施加制動(dòng)力)。針對(duì)該車的分布式特性設(shè)計(jì)了底盤綜合控制系統(tǒng)，包括整車控制器、車輪驅(qū)動(dòng)控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動(dòng)系統(tǒng)控制器。各控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通信。建立了用于該電動(dòng)汽車的控制分配算法，它可以對(duì)各控制量進(jìn)行分配，并可以在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或控制量飽和時(shí)進(jìn)行再分配。對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和控制算法進(jìn)行仿真和實(shí)車驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和控制算法是可行的。電動(dòng)汽車可保持良好的操縱穩(wěn)定性，并且在車輛出現(xiàn)故障時(shí)，仍然保持良好的操縱穩(wěn)定性。

1 電動(dòng)汽車底盤控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

所研究的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的配置為：四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、四輪線控轉(zhuǎn)向、具有主動(dòng)制動(dòng)功能的液壓制動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)車如圖1所示。

圖2為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議的制訂主要參考CAN2.0B協(xié)議。CAN通信的數(shù)據(jù)幀格式有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種，本文中采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，CAN總線通信的波特率設(shè)置為250kb/s。CAN的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式采用11位的標(biāo)志符，標(biāo)志符的定義為：標(biāo)志符的高3位定義為源地址，低8位定義為數(shù)據(jù)內(nèi)容的標(biāo)志。各控制器的二進(jìn)制源地址分別為：整車控制器——001B，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器——010B，制動(dòng)系統(tǒng)控制器——011B，左前驅(qū)動(dòng)控制器——100B，右前驅(qū)動(dòng)控制器——101B，左后驅(qū)動(dòng)控制器——110B，右后驅(qū)動(dòng)控制器——111B。

CAN總線對(duì)車輛狀態(tài)信息和控制信息進(jìn)行傳送。例如：標(biāo)識(shí)符為00100000010B的數(shù)據(jù)幀表示由整車控制器發(fā)送的附加轉(zhuǎn)向角命令數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)段的有效長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)，分別為前輪和后輪的期望附加轉(zhuǎn)向角。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器通過CAN總線接收到該幀數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)段的內(nèi)容對(duì)車輪轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制。

2 底盤綜合控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮電磁干擾、溫度變化和振動(dòng)等因素的影響，基于以上因素，本文中選用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的汽車級(jí)芯片作為各控制器的主處理芯片。根據(jù)各控制器對(duì)計(jì)算能力的需求，整車控制器選用MC9S12XEP100作為主處理芯片，車輪驅(qū)動(dòng)控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動(dòng)系統(tǒng)控制器都選用MC9S12DG128作為主處理芯片。

在電動(dòng)實(shí)驗(yàn)車上采用單獨(dú)的12V電源給各控制器的控制電路供電，而控制器中主要的芯片需要5V電壓，因此設(shè)計(jì)了基于LM2576芯片的電源轉(zhuǎn)換電路將12V電源轉(zhuǎn)換為5V電源。

圖3為CAN總線的接口電路，接口芯片采用TJA1040。U4和U5為高速光耦，起隔離的作用，可有效保護(hù)單片機(jī)。L31為CAN總線專用的共模濾波器，對(duì)信號(hào)起濾波作用。光耦隔離和共模濾波器的設(shè)計(jì)保證了CAN總線的可靠運(yùn)行。

2.1 整車控制器設(shè)計(jì)

整車控制器是電動(dòng)汽車底盤控制系統(tǒng)的核心，它對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整車控制器中的主處理芯片采集加速踏板位置、車身橫擺角速度、側(cè)向加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息。這4個(gè)信號(hào)都是電壓信號(hào)，在整車控制器中設(shè)計(jì)了濾波電路，信號(hào)經(jīng)過濾波之后被單片機(jī)采集。主處理芯片還通過CAN總線采集車輪的輪速、實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)向角和其它控制器的故障信息，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的期望控制量發(fā)送到其它控制器上。整車控制器中還設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助處理芯片，與主處理芯片進(jìn)行相互監(jiān)測(cè)，可以診斷主處理芯片的故障。

2.2 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中的4個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)4個(gè)車輪的無刷直流輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。在正常情況下，驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)由CAN總線接收到的整車控制器的命令對(duì)輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)控制器同時(shí)對(duì)加速踏板的位置信號(hào)進(jìn)行采集，以平均分配的規(guī)則計(jì)算出備用的期望驅(qū)動(dòng)力矩。當(dāng)整車控制器出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)備用的期望驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。

輪轂電機(jī)通過3個(gè)霍爾傳感器的高低電平信號(hào)將電機(jī)的當(dāng)前位置傳遞給驅(qū)動(dòng)控制器，控制器通過主處理芯片的IO口對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)該信號(hào)對(duì)電機(jī)中的3組線圈的相位進(jìn)行控制?？刂破魍ㄟ^3個(gè)半橋電路對(duì)這3組線圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主處理芯片通過3路PWM信號(hào)來控制這3個(gè)半橋。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)順序和占空比可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)?？刂破鬟€根據(jù)霍爾傳感器的信號(hào)計(jì)算車輪的輪速，并將輪速信息發(fā)送到CAN總線上。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和前、后車輪轉(zhuǎn)向角進(jìn)行采集，經(jīng)濾波后傳送給主處理芯片。該控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角計(jì)算出期望的前輪轉(zhuǎn)向角，并與來自整車控制器的期望車輪附加轉(zhuǎn)向角相加之后作為總的車輪轉(zhuǎn)向角。電動(dòng)汽車的前、后車輪各采用一個(gè)有刷直流電機(jī)作為轉(zhuǎn)向電機(jī)，控制器通過兩個(gè)H橋?qū)蓚€(gè)電機(jī)繼續(xù)控制，實(shí)現(xiàn)前、后輪的左右偏轉(zhuǎn)。

2.4 制動(dòng)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車上采用磁電式輪速傳感器采集4個(gè)車輪的輪速，控制器中采用兩個(gè)NCV1124芯片對(duì)輪速信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將輪速傳感器輸出的正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，并傳送給主處理芯片。NCV1124芯片在轉(zhuǎn)換輪速信號(hào)的同時(shí)，還對(duì)輪速傳感器進(jìn)行診斷，以發(fā)現(xiàn)其斷路故障。

控制器中包含12個(gè)用來驅(qū)動(dòng)電磁閥的線圈，通過控制線圈的通斷對(duì)液壓管路的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制器采用3個(gè)TLE6228芯片對(duì)12個(gè)線圈進(jìn)行控制，同時(shí)TLE6228還可以對(duì)線圈的斷路和短路故障進(jìn)行診斷。

制動(dòng)系統(tǒng)的液壓?jiǎn)卧羞€包含一個(gè)電機(jī)，用來減壓和主動(dòng)增壓?？刂破鞑捎肗溝道MOS管對(duì)電機(jī)的通斷進(jìn)行控制。

控制器采集4個(gè)車輪的輪速，并根據(jù)輪速判斷車輪的狀態(tài)，通過控制12個(gè)電磁閥和電機(jī)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車輪的防抱死制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)防滑和主動(dòng)增壓制動(dòng)功能。

3 底盤綜合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 基本控制分配算法的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括整車控制器、車輪驅(qū)動(dòng)控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動(dòng)系統(tǒng)控制器的控制程序的設(shè)計(jì)。整車控制器的作用是實(shí)現(xiàn)控制分配算法的計(jì)算，它根據(jù)車輛的狀態(tài)信息計(jì)算出各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的期望控制量，并通過CAN總線將這些期望控制量發(fā)送給其它控制器。其它控制器接收整車控制器的控制命令后對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

圖5為2自由度四輪車輛模型。圖中：Fx1、Fx2、Fx3、Fx4為每個(gè)車輪受到的縱向驅(qū)動(dòng)力；Fy1、Fy2、Fy3、Fy4為每個(gè)車輪受到的側(cè)向力；δf、δr為前、后車輪的轉(zhuǎn)角；αf、αr為前、后輪的側(cè)偏角；a和b分別為前、后軸到車輛質(zhì)心的距離；L為軸距；β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角；r為車身橫擺角速度；u和v分別為車輛縱向和側(cè)向速度。

控制系統(tǒng)的控制算法采用偽逆控制分配算法[6]，可表示為

um=-c+D#(w+Dc)

(1)

其中：

um=[δfδrFx1Fx2Fx3Fx4]T

c為補(bǔ)償矢量，用來補(bǔ)償超出極限值的控制量，在一般情況下c為零矢量；m為整車質(zhì)量；Iz為汽車?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；kf和kr分別為前、后輪胎的側(cè)偏剛度；twf和twr為前軸和后軸的輪距；vn1和vn2通過滑?？刂扑惴ㄓ绍囕v的運(yùn)行狀態(tài)得到，可表示為[7]

(2)

(3)

式中:βd和rd為車輛質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的期望值；KS1和KS2為正的參數(shù)。

Ftotal為由加速踏板行程決定的總的驅(qū)動(dòng)力，D#為D的偽逆，可以表示為

D#=W-1DT(DW-1DT)-1

(4)

式中：W為對(duì)角加權(quán)矩陣，它的值反映了um中各控制量的權(quán)重。

3.2 控制系統(tǒng)的控制再分配算法

當(dāng)電動(dòng)車的某個(gè)控制量飽和或某個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)須重新進(jìn)行控制分配。

(1)控制量飽和

當(dāng)某個(gè)控制量的期望值超過其極限值時(shí)，控制算法要求對(duì)補(bǔ)償矢量c和控制效能矩陣D進(jìn)行修改，具體修改方法為：將c中與飽和量相對(duì)應(yīng)的元素取為飽和值的相反數(shù)，并將D中與飽和量對(duì)應(yīng)的列元素全部置為0[6]。例如：當(dāng)左前輪驅(qū)動(dòng)力飽和時(shí)，則c和D分別修改為

須要指出的是，進(jìn)行控制再分配計(jì)算時(shí)，只有D#中的D矩陣采用修改后的矩陣，其它D矩陣采用原始的矩陣。

(2)整車控制器故障

整車控制器是控制系統(tǒng)的核心，采用雙處理芯片的設(shè)計(jì)以確保系統(tǒng)安全?？刂破髦性O(shè)計(jì)了一個(gè)8位單片機(jī)作為輔助處理芯片，它與主處理芯片相互監(jiān)控，當(dāng)其中之一在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到對(duì)方發(fā)來的指定信息時(shí)，則判斷對(duì)方出現(xiàn)故障，則切斷控制器的信號(hào)輸出。

當(dāng)整車控制器出現(xiàn)故障時(shí)，其它控制器接收不到整車控制器發(fā)來的控制命令，則各自實(shí)現(xiàn)基本控制功能：車輪驅(qū)動(dòng)控制器采集加速踏板的位置信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)力平均分配的原則對(duì)車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器采集轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)，控制前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，后輪不參與轉(zhuǎn)向；制動(dòng)系統(tǒng)控制器采集輪速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)防抱死的功能，不進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)控制。

(3)車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障

當(dāng)某個(gè)或多個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)控制器或輪轂電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，控制算法對(duì)偽逆控制分配算法中用到的對(duì)角加權(quán)矩陣W進(jìn)行修改，具體修改方法為：將W中與出現(xiàn)故障的控制量相對(duì)應(yīng)的對(duì)角元素?cái)U(kuò)大1 000倍。這樣可以將有故障的車輪的驅(qū)動(dòng)力置為0，對(duì)其它無故障車輪的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行重新分配，并對(duì)車輪的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行補(bǔ)償，以抵消由驅(qū)動(dòng)力不對(duì)稱產(chǎn)生的橫擺力矩[6]。

(4)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障可以分為控制器的故障和轉(zhuǎn)向電機(jī)的故障。如果控制器出現(xiàn)故障，則整車控制器將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量都置為0，禁止汽車工作；如果前、后轉(zhuǎn)向電機(jī)中的一個(gè)出現(xiàn)故障，則控制算法控制另外一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向或后輪轉(zhuǎn)向；如果兩個(gè)電機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障，則禁止汽車工作。

(5)制動(dòng)系統(tǒng)故障

制動(dòng)系統(tǒng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，則控制器的防抱死和主動(dòng)制動(dòng)功能失效，汽車恢復(fù)常規(guī)液壓制動(dòng)；如果制動(dòng)系統(tǒng)的液壓回路出現(xiàn)故障，汽車存在制動(dòng)失效的可能性，此時(shí)整車控制器將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量都置為0，禁止汽車工作。

4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果

(5)

式中：δs為駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；is為常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比。須要注意的是，后輪轉(zhuǎn)角的取值范圍為[-2°, 2°]，如果式(5)計(jì)算的后輪轉(zhuǎn)向角的值超過了取值范圍，則取邊界值。

在雙移線工況下進(jìn)行仿真，仿真過程采用單點(diǎn)預(yù)瞄駕駛員模型作為汽車的輸入[8]，預(yù)瞄時(shí)間為0.8s。將采用控制分配和采用常規(guī)4WS的汽車的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。仿真過程，兩種方案的駕駛員模型相同，車速都為90km/h，路面附著系數(shù)都為0.8。

采用控制分配的汽車的前、后車輪轉(zhuǎn)角和4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力如圖6和圖7所示。

兩種方案的行駛軌跡如圖8所示。由圖可見，采用控制分配的汽車行駛軌跡與期望軌跡貼合的較好，而采用常規(guī)4WS的汽車偏離期望軌跡比較大，而且還出現(xiàn)了震蕩，可見采用控制分配算法的汽車對(duì)路徑的跟隨能力要優(yōu)于常規(guī)4WS的汽車。

圖9為兩種方案的質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)比。采用控制分配的汽車的質(zhì)心側(cè)偏角很小，在整個(gè)雙移線過程，質(zhì)心側(cè)偏角最大值約為0.5°，而采用常規(guī)4WS汽車質(zhì)心側(cè)偏角的最大值已經(jīng)接近了3°?？梢姴捎每刂品峙涞钠嚨姆€(wěn)定性更好。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在如圖1所示的電動(dòng)實(shí)驗(yàn)車上，對(duì)本文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。將CAN采集卡連接到實(shí)驗(yàn)車的CAN總線上，對(duì)CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)如圖10所示。圖中“ID”所在的列為CAN數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志符，“Data”所在的列為CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)。標(biāo)志符和數(shù)據(jù)都是以16進(jìn)制的方式顯示的。其中標(biāo)志符為101的數(shù)據(jù)幀為由整車控制器發(fā)送的4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)方向和期望驅(qū)動(dòng)力矩；標(biāo)志符為102的數(shù)據(jù)幀為由整車控制器發(fā)送的前、后車輪的期望補(bǔ)償轉(zhuǎn)向角；標(biāo)志符為201的數(shù)據(jù)幀為由轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送的轉(zhuǎn)向盤和前、后車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角；標(biāo)志符為401、501、601和701的數(shù)據(jù)幀為由4個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)送的4個(gè)車輪的輪速。

考慮到實(shí)車實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，目前只進(jìn)行了低速行駛實(shí)驗(yàn)，實(shí)車驗(yàn)證車速約為10km/h。又由于實(shí)車驗(yàn)證工況的可重復(fù)性比較差，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)比較困難，因此只進(jìn)行了系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)過程中，整車控制器對(duì)車輛的基本狀態(tài)進(jìn)行采集，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式計(jì)算機(jī)上?？刂品峙渌惴ǖ尿?yàn)證結(jié)果如圖11和圖12所示。圖11為駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入和車輛的橫擺角速度。由圖可見，電動(dòng)車的實(shí)際橫擺角速度對(duì)期望橫擺角速度跟隨比較好。圖12為控制分配算法對(duì)前、后輪的補(bǔ)償轉(zhuǎn)向角和4個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)力矩的分配結(jié)果，由于控制分配算法的作用，電動(dòng)車表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

接下來以左后輪驅(qū)動(dòng)控制器失效為例對(duì)控制再分配算法進(jìn)行驗(yàn)證，為此人為將左后輪的驅(qū)動(dòng)控制器拔掉。因整車控制器接收不到左后驅(qū)動(dòng)控制器的數(shù)據(jù)，則判斷該控制器出現(xiàn)故障，繼而重新分配各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量。實(shí)驗(yàn)過程車速仍約為10km/h，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角輸入和電動(dòng)車的橫擺角速度如圖13所示?？刂圃俜峙涞姆峙湫Ч鐖D14所示。由圖可見，左后輪的驅(qū)動(dòng)力矩為0，左前輪的驅(qū)動(dòng)力矩比右前輪和右后輪的驅(qū)動(dòng)力矩大，但是電動(dòng)車右側(cè)總的驅(qū)動(dòng)力矩依然大于左側(cè)的驅(qū)動(dòng)力矩，電動(dòng)車前、后輪的補(bǔ)償轉(zhuǎn)向角有彌補(bǔ)左、右驅(qū)動(dòng)力矩不等的趨勢(shì)。由圖13可以看出，電動(dòng)車的實(shí)際橫擺角速度能較好地跟隨期望橫擺角速度。

5 結(jié)論

針對(duì)四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、四輪線控轉(zhuǎn)向、液壓制動(dòng)的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的底盤綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件包括整車控制器、4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器和制動(dòng)系統(tǒng)控制器。針對(duì)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于偽逆控制分配的控制算法，對(duì)電動(dòng)汽車的前、后車輪轉(zhuǎn)角和4個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力和(或)制動(dòng)力進(jìn)行控制分配。首先通過仿真對(duì)控制分配算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證，并在實(shí)驗(yàn)車上對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

(1)本文中所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是可行的，控制系統(tǒng)可以有效地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量進(jìn)行分配；

(2)在控制分配算法的控制下，電動(dòng)車能夠很好地實(shí)現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖并維持車輛穩(wěn)定；

(3)當(dāng)電動(dòng)車的某個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，在控制再分配算法的控制下，電動(dòng)車仍然表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

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Design of a Comprehensive Chassis Control System for a Distributed Drive Electric Vehicle

Feng Chong, Ding Nenggen, He Yongling, Xu Guoyan & Gao Feng

SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191

A comprehensive chassis control system based on CAN bus is designed for a distributed-drive electric vehicle with four-wheel steering-by-wire and hydraulic brake in this paper.The control system consists of a vehicle controller, four wheel drive controllers, a steering system controller and a braking system controller.The controllers of electric vehicle communicate via CAN bus and the application layer protocol of CAN network is designed based on CAN 2.0B protocol.The hardware of controllers is designed with consideration of the effects of electromagnetic interference, temperature changes, vibration and other factors of electric vehicle.A pseudo inverse control allocation algorithm for electric vehicle is created, which can not only fulfill routine control allocation, but also achieve control reallocation in the cases of control system faults and control input saturation, hence improving the controllability and stability of vehicle.The results of simulation and verification test show that the control system designed can effectively allocate and reallocate the control input of actuator and make electric vehicle well realize the intention of driver with stability of vehicle maintained.

distributed drive electric vehicle; CAN bus; pseudo inverse control allocation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175015)和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA110904)資助。

原稿收到日期為2013年5月7日，修改稿收到日期為2013年7月29日。