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

车
工
程
2015 年（ 第 37 卷） 第 2 期
。“驱 本文中对分布式驱动电动汽车进行研究 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。
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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。
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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
School of Transportation Science and Engineering ，Beihang University，Beijing 100191
［ Abstract］ A comprehensive chassis control system based on CAN bus is designed for a distributeddrive electric vehicle with fourwheel steeringbywire 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． Keywords： distributed drive electric vehicle ； CAN bus； pseudo inverse control allocation ISO 11898 和 ISOAN 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 CAN 准帧和扩展帧两种， 本文中采用标准帧格式， 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 — —001B ， — —010B ， 控制 器— 转 向 系 统 控 制 器— 制动 — —011B ， — —100B ， 左 前 驱 动 控 制 器— 系统 控 制 器— — —101B ， — — 右前 驱 动 控 制 器— 左 后 驱 动 控 制 器— 110B ， — —111B 。 右后驱动控制器— 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。
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 。
图3
CAN 总线接口电路
图4
整车控制器的结构图
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
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
图2
电动汽车的底盘综合控制系统结构图
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
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冯冲， 等： 分布式驱动电动汽车底盘综合控制系统的设计
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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
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
［2 － 3 ］ ［4 ］ ［5 ］ 、 四轮转向 和线控制动 等。
* 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。 修改稿收到日期为 2013 年 7 月 29 日。 原稿收到日期为 2013 年 5 月 7 日，
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汽
关键词： 分布式驱动电动汽车； CAN 总线； 伪逆控制分配
Design of a Comprehensive Chassis Control System for a Distributed Drive Electric Vehicle
Feng Chong，Ding Nenggen，He Yongling，Xu Guoyan ＆ Gao Feng
前言
具 控制器局域网 （ CAN ） 由 BOSCH 公司开发， 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