分布式驱动电动汽车底盘综合控制系统的设计*

冯 冲，丁能根，何勇灵，徐国艳，高 峰

(北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191)



2015037

分布式驱动电动汽车底盘综合控制系统的设计*

冯 冲，丁能根，何勇灵，徐国艳，高 峰

(北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191)

本文中为四轮线控转向、液压制动的分布式驱动电动汽车，设计了基于CAN总线的底盘综合控制系统。该系统包括整车控制器、4个车轮的驱动控制器、转向系统控制器和制动系统控制器。电动汽车的各控制器之间通过CAN总线进行通信，基于CAN2.0B协议制订了CAN网络的应用层协议。考虑电动汽车电磁干扰、温度变化和振动等因素的影响，设计了各控制器的硬件。建立了用于该电动汽车的伪逆控制分配算法。该算法除实现常规的控制量分配外，还可在控制系统出现故障或控制量饱和时实现控制再分配，提高了车辆的操纵稳定性。对所设计的控制系统进行仿真和实车验证，结果表明，该系统可有效地对执行机构的控制量进行常规分配和再分配，使电动汽车能很好地实现驾驶员的驾驶意图并维持车辆稳定。

分布式驱动电动汽车；CAN总线；伪逆控制分配

前言

控制器局域网(CAN)由BOSCH公司开发，具有结构简单、性能可靠、数据通信实时性强等特点，目前已广泛应用于汽车领域，并且形成了国际标准ISO 11898和ISO 11519等[1]。

电动汽车作为一种绿色交通工具，目前已成为国内外研究的热点。电动汽车的综合性能是决定电动汽车能否广泛应用的关键因素之一，目前可通过多种方式来提高电动汽车的综合性能，例如采用四轮独立驱动[2-3]、四轮转向[4]和线控制动[5]等。

本文中对分布式驱动电动汽车进行研究。“驱动”指广义的驱动，包括4个车轮的驱动、前后转向电机的驱动和四轮主动制动(制动系统在驾驶员没有踩制动踏板时对部分或全部车轮施加制动力)。针对该车的分布式特性设计了底盘综合控制系统，包括整车控制器、车轮驱动控制器、转向系统控制器和制动系统控制器。各控制器之间通过CAN总线进行通信。建立了用于该电动汽车的控制分配算法，它可以对各控制量进行分配，并可以在控制系统出现故障或控制量饱和时进行再分配。对所设计的控制系统和控制算法进行仿真和实车验证。结果表明，所设计的控制系统和控制算法是可行的。电动汽车可保持良好的操纵稳定性，并且在车辆出现故障时，仍然保持良好的操纵稳定性。

1 电动汽车底盘控制系统的总体设计

所研究的分布式驱动电动汽车的配置为：四轮轮毂电机独立驱动、四轮线控转向、具有主动制动功能的液压制动。该实验车如图1所示。

图2为控制系统的结构示意图。

控制系统CAN网络的应用层协议的制订主要参考CAN2.0B协议。CAN通信的数据帧格式有标准帧和扩展帧两种，本文中采用标准帧格式，CAN总线通信的波特率设置为250kb/s。CAN的标准数据帧格式采用11位的标志符，标志符的定义为：标志符的高3位定义为源地址，低8位定义为数据内容的标志。各控制器的二进制源地址分别为：整车控制器——001B，转向系统控制器——010B，制动系统控制器——011B，左前驱动控制器——100B，右前驱动控制器——101B，左后驱动控制器——110B，右后驱动控制器——111B。

CAN总线对车辆状态信息和控制信息进行传送。例如：标识符为00100000010B的数据帧表示由整车控制器发送的附加转向角命令数据帧，数据段的有效长度为2个字节，分别为前轮和后轮的期望附加转向角。转向系统控制器通过CAN总线接收到该帧数据后，根据数据段的内容对车轮转向角进行控制。

2 底盘综合控制系统的硬件设计

进行控制系统硬件设计时，须考虑电磁干扰、温度变化和振动等因素的影响，基于以上因素，本文中选用飞思卡尔半导体公司生产的汽车级芯片作为各控制器的主处理芯片。根据各控制器对计算能力的需求，整车控制器选用MC9S12XEP100作为主处理芯片，车轮驱动控制器、转向系统控制器和制动系统控制器都选用MC9S12DG128作为主处理芯片。

在电动实验车上采用单独的12V电源给各控制器的控制电路供电，而控制器中主要的芯片需要5V电压，因此设计了基于LM2576芯片的电源转换电路将12V电源转换为5V电源。

图3为CAN总线的接口电路，接口芯片采用TJA1040。U4和U5为高速光耦，起隔离的作用，可有效保护单片机。L31为CAN总线专用的共模滤波器，对信号起滤波作用。光耦隔离和共模滤波器的设计保证了CAN总线的可靠运行。

2.1 整车控制器设计

整车控制器是电动汽车底盘控制系统的核心，它对整个控制系统进行协调控制，其结构图如图4所示。整车控制器中的主处理芯片采集加速踏板位置、车身横摆角速度、侧向加速度和转向盘转角信息。这4个信号都是电压信号，在整车控制器中设计了滤波电路，信号经过滤波之后被单片机采集。主处理芯片还通过CAN总线采集车轮的轮速、实际驱动力矩、转向角和其它控制器的故障信息，并将执行机构的期望控制量发送到其它控制器上。整车控制器中还设计了一个辅助处理芯片，与主处理芯片进行相互监测，可以诊断主处理芯片的故障。

2.2 驱动控制器设计

控制系统中的4个车轮驱动控制器对4个车轮的无刷直流轮毂电机进行控制。在正常情况下，驱动控制器根据由CAN总线接收到的整车控制器的命令对轮毂电机的驱动力矩进行控制。驱动控制器同时对加速踏板的位置信号进行采集，以平均分配的规则计算出备用的期望驱动力矩。当整车控制器出现故障时，驱动控制器根据备用的期望驱动力矩对轮毂电机进行控制。

轮毂电机通过3个霍尔传感器的高低电平信号将电机的当前位置传递给驱动控制器，控制器通过主处理芯片的IO口对该信号进行采集，并根据该信号对电机中的3组线圈的相位进行控制。控制器通过3个半桥电路对这3组线圈进行驱动，主处理芯片通过3路PWM信号来控制这3个半桥。通过调节PWM信号的驱动顺序和占空比可以实现电机的正反转和驱动力矩的调节。控制器还根据霍尔传感器的信号计算车轮的轮速，并将轮速信息发送到CAN总线上。

2.3 转向系统控制器设计

转向系统控制器对转向盘转角和前、后车轮转向角进行采集，经滤波后传送给主处理芯片。该控制器根据转向盘转角计算出期望的前轮转向角，并与来自整车控制器的期望车轮附加转向角相加之后作为总的车轮转向角。电动汽车的前、后车轮各采用一个有刷直流电机作为转向电机，控制器通过两个H桥对两个电机继续控制，实现前、后轮的左右偏转。

2.4 制动系统控制器设计

电动汽车上采用磁电式轮速传感器采集4个车轮的轮速，控制器中采用两个NCV1124芯片对轮速信号进行转换，将轮速传感器输出的正弦波转换为方波信号，并传送给主处理芯片。NCV1124芯片在转换轮速信号的同时，还对轮速传感器进行诊断，以发现其断路故障。

控制器中包含12个用来驱动电磁阀的线圈，通过控制线圈的通断对液压管路的压力进行调节，控制器采用3个TLE6228芯片对12个线圈进行控制，同时TLE6228还可以对线圈的断路和短路故障进行诊断。

制动系统的液压单元中还包含一个电机，用来减压和主动增压。控制器采用N沟道MOS管对电机的通断进行控制。

控制器采集4个车轮的轮速，并根据轮速判断车轮的状态，通过控制12个电磁阀和电机的状态，实现车轮的防抱死制动、驱动防滑和主动增压制动功能。

3 底盘综合控制系统的软件设计

3.1 基本控制分配算法的设计

软件设计包括整车控制器、车轮驱动控制器、转向系统控制器和制动系统控制器的控制程序的设计。整车控制器的作用是实现控制分配算法的计算，它根据车辆的状态信息计算出各个执行机构的期望控制量，并通过CAN总线将这些期望控制量发送给其它控制器。其它控制器接收整车控制器的控制命令后对执行机构进行控制。

图5为2自由度四轮车辆模型。图中：Fx1、Fx2、Fx3、Fx4为每个车轮受到的纵向驱动力；Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为每个车轮受到的侧向力；δf、δr为前、后车轮的转角；αf、αr为前、后轮的侧偏角；a和b分别为前、后轴到车辆质心的距离；L为轴距；β为车辆质心侧偏角；r为车身横摆角速度；u和v分别为车辆纵向和侧向速度。

控制系统的控制算法采用伪逆控制分配算法[6]，可表示为

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

(1)

其中：

um=[δfδrFx1Fx2Fx3Fx4]T

c为补偿矢量，用来补偿超出极限值的控制量，在一般情况下c为零矢量；m为整车质量；Iz为汽车绕z轴的转动惯量；kf和kr分别为前、后轮胎的侧偏刚度；twf和twr为前轴和后轴的轮距；vn1和vn2通过滑模控制算法由车辆的运行状态得到，可表示为[7]

(2)

(3)

式中:βd和rd为车辆质心侧偏角和横摆角速度的期望值；KS1和KS2为正的参数。

Ftotal为由加速踏板行程决定的总的驱动力，D#为D的伪逆，可以表示为

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

(4)

式中：W为对角加权矩阵，它的值反映了um中各控制量的权重。

3.2 控制系统的控制再分配算法

当电动车的某个控制量饱和或某个控制器出现故障时，控制系统须重新进行控制分配。

(1)控制量饱和

当某个控制量的期望值超过其极限值时，控制算法要求对补偿矢量c和控制效能矩阵D进行修改，具体修改方法为：将c中与饱和量相对应的元素取为饱和值的相反数，并将D中与饱和量对应的列元素全部置为0[6]。例如：当左前轮驱动力饱和时，则c和D分别修改为

须要指出的是，进行控制再分配计算时，只有D#中的D矩阵采用修改后的矩阵，其它D矩阵采用原始的矩阵。

(2)整车控制器故障

整车控制器是控制系统的核心，采用双处理芯片的设计以确保系统安全。控制器中设计了一个8位单片机作为辅助处理芯片，它与主处理芯片相互监控，当其中之一在规定的时间内没有收到对方发来的指定信息时，则判断对方出现故障，则切断控制器的信号输出。

当整车控制器出现故障时，其它控制器接收不到整车控制器发来的控制命令，则各自实现基本控制功能：车轮驱动控制器采集加速踏板的位置信号，以驱动力平均分配的原则对车轮的驱动转矩进行控制；转向系统控制器采集转向盘的转角信号，控制前轮进行转向，后轮不参与转向；制动系统控制器采集轮速信号，实现制动防抱死的功能，不进行主动制动控制。

(3)车轮驱动系统故障

当某个或多个车轮的驱动控制器或轮毂电机出现故障时，控制算法对伪逆控制分配算法中用到的对角加权矩阵W进行修改，具体修改方法为：将W中与出现故障的控制量相对应的对角元素扩大1 000倍。这样可以将有故障的车轮的驱动力置为0，对其它无故障车轮的驱动力进行重新分配，并对车轮的转向角进行补偿，以抵消由驱动力不对称产生的横摆力矩[6]。

(4)转向系统故障

转向系统的故障可以分为控制器的故障和转向电机的故障。如果控制器出现故障，则整车控制器将各执行机构的控制量都置为0，禁止汽车工作；如果前、后转向电机中的一个出现故障，则控制算法控制另外一个转向电机实现前轮转向或后轮转向；如果两个电机同时出现故障，则禁止汽车工作。

(5)制动系统故障

制动系统控制器出现故障时，则控制器的防抱死和主动制动功能失效，汽车恢复常规液压制动；如果制动系统的液压回路出现故障，汽车存在制动失效的可能性，此时整车控制器将各执行机构的控制量都置为0，禁止汽车工作。

4 仿真结果与实验验证

4.1 仿真结果

(5)

式中：δs为驾驶员输入的转向盘转角；is为常规转向系统的传动比。须要注意的是，后轮转角的取值范围为[-2°, 2°]，如果式(5)计算的后轮转向角的值超过了取值范围，则取边界值。

在双移线工况下进行仿真，仿真过程采用单点预瞄驾驶员模型作为汽车的输入[8]，预瞄时间为0.8s。将采用控制分配和采用常规4WS的汽车的仿真结果进行对比。仿真过程，两种方案的驾驶员模型相同，车速都为90km/h，路面附着系数都为0.8。

采用控制分配的汽车的前、后车轮转角和4个车轮的驱动力如图6和图7所示。

两种方案的行驶轨迹如图8所示。由图可见，采用控制分配的汽车行驶轨迹与期望轨迹贴合的较好，而采用常规4WS的汽车偏离期望轨迹比较大，而且还出现了震荡，可见采用控制分配算法的汽车对路径的跟随能力要优于常规4WS的汽车。

图9为两种方案的质心侧偏角对比。采用控制分配的汽车的质心侧偏角很小，在整个双移线过程，质心侧偏角最大值约为0.5°，而采用常规4WS汽车质心侧偏角的最大值已经接近了3°。可见采用控制分配的汽车的稳定性更好。

4.2 实验验证

在如图1所示的电动实验车上，对本文中设计的控制系统进行验证。将CAN采集卡连接到实验车的CAN总线上，对CAN总线上传输的数据进行采集。采集到的数据如图10所示。图中“ID”所在的列为CAN数据帧的标志符，“Data”所在的列为CAN数据帧的数据。标志符和数据都是以16进制的方式显示的。其中标志符为101的数据帧为由整车控制器发送的4个车轮的驱动方向和期望驱动力矩；标志符为102的数据帧为由整车控制器发送的前、后车轮的期望补偿转向角；标志符为201的数据帧为由转向控制器发送的转向盘和前、后车轮的实际转向角；标志符为401、501、601和701的数据帧为由4个车轮驱动控制器发送的4个车轮的轮速。

考虑到实车实验的危险性，目前只进行了低速行驶实验，实车验证车速约为10km/h。又由于实车验证工况的可重复性比较差，进行对比实验比较困难，因此只进行了系统的可行性验证。在实验过程中，整车控制器对车辆的基本状态进行采集，并通过串口将数据发送到便携式计算机上。控制分配算法的验证结果如图11和图12所示。图11为驾驶员转向盘转角输入和车辆的横摆角速度。由图可见，电动车的实际横摆角速度对期望横摆角速度跟随比较好。图12为控制分配算法对前、后轮的补偿转向角和4个车轮驱动力矩的分配结果，由于控制分配算法的作用，电动车表现出良好的稳定性。

接下来以左后轮驱动控制器失效为例对控制再分配算法进行验证，为此人为将左后轮的驱动控制器拔掉。因整车控制器接收不到左后驱动控制器的数据，则判断该控制器出现故障，继而重新分配各执行机构的控制量。实验过程车速仍约为10km/h，转向盘的转角输入和电动车的横摆角速度如图13所示。控制再分配的分配效果如图14所示。由图可见，左后轮的驱动力矩为0，左前轮的驱动力矩比右前轮和右后轮的驱动力矩大，但是电动车右侧总的驱动力矩依然大于左侧的驱动力矩，电动车前、后轮的补偿转向角有弥补左、右驱动力矩不等的趋势。由图13可以看出，电动车的实际横摆角速度能较好地跟随期望横摆角速度。

5 结论

针对四轮轮毂电机独立驱动、四轮线控转向、液压制动的分布式驱动电动汽车，设计了基于CAN总线的底盘综合控制系统。系统的硬件包括整车控制器、4个车轮的驱动控制器、转向系统控制器和制动系统控制器。针对硬件系统的结构设计了基于伪逆控制分配的控制算法，对电动汽车的前、后车轮转角和4个车轮的驱动力和(或)制动力进行控制分配。首先通过仿真对控制分配算法的性能进行验证，并在实验车上对设计的控制系统的可行性进行验证，得出以下结论。

(1)本文中所设计的控制系统是可行的，控制系统可以有效地对执行机构的控制量进行分配；

(2)在控制分配算法的控制下，电动车能够很好地实现驾驶员的驾驶意图并维持车辆稳定；

(3)当电动车的某个控制器出现故障时，在控制再分配算法的控制下，电动车仍然表现出良好的稳定性。

[1] 邓婕.CAN总线通信原理分析[J].电子设计工程，2012，20(7): 104-107.

[2] 褚文博，罗禹贡，赵峰，等.分布式驱动电动汽车驱动转矩协调控制[J].汽车工程，2012，34(3): 185-189.

[3] Maeda Kenta, Fujimoto Hiroshi, Hori Yoichi.Four-wheel Driving-force Distribution Method for Instantaneous or Split Slippery Roads for Electric Vehicle with In-wheel Motors[C].The 12th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, 2012,3.

[4] Zhang Yachen, Zhu Xiaochun, Liang Songfeng.The Robust Controller for the Four-wheel Independent Steering System of the Electric Vehicle[C].2011 International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering, 2011,6.

[5] Wang Guoye, Zhang Juanli, Xiao Hang.Energy Regenerative Braking Feedback Lockup Electromechanical Integrated Brake System for Vehicles[C].2011 3rd International Conference on Mechanical and Electronics Engineering, 2011,9.

[6] Oppenheimer Michael W, Doman David B, Bolender Michael A.Control Allocation for Over-actuated Systems [C].Control and Automation, 2006.MED '06.14th Mediterranean Conference on 2006.

[7] Feng Chong , Ding Nenggen , He Yongling , et al.A Control Allocation Algorithm for Improving the Fail-safe Performance of an Electric Vehicle Brake System[J].SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems, 2013, 6(1): 134-143.

[8] Ding Nenggen, Saied Taheri.An Adaptive Integrated Algorithm for Active Front Steering and Direct Yaw Moment Control Based on Direct Lyapunov Method[J].Vehicle System Dynamics, 2010, 48(10): 1193-1213.

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

*国家自然科学基金(51175015)和国家高技术研究发展计划项目(2012AA110904)资助。

原稿收到日期为2013年5月7日，修改稿收到日期为2013年7月29日。