專利名稱：一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種采用分布式線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器的電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電動(dòng)汽車作為一種以電池為能量源、用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛、接近零污染的綠色交通工具，它的發(fā)展對(duì)于解決全球性的能源、環(huán)境問(wèn)題，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義目前，電動(dòng)汽車的發(fā)展遇到以下問(wèn)題:安全性與可靠性還不能保證；續(xù)駛里程短，充電時(shí)間長(zhǎng)且不便捷；整車價(jià)格高、電池壽命短等。純電動(dòng)汽車的高成本主要源來(lái)自于電池和電機(jī)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以大幅度的降低。因此，只能通過(guò)提升性能的方式來(lái)提高純電動(dòng)汽車的性價(jià)比，從而才能得到消費(fèi)者的青睞。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)電動(dòng)汽車目前的技術(shù)狀況，本發(fā)明提供一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它是采用分布式線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器的電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要針對(duì)全線控的電動(dòng)汽車，可用于四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、電子機(jī)械式制動(dòng)、四輪線控轉(zhuǎn)向的電動(dòng)汽車。本發(fā)明一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它包括蓄電池、協(xié)調(diào)控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、制動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)向控制器。蓄電池與上述四個(gè)控制器分別連接；為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，各控制器之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接。所述協(xié)調(diào)控制器在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到協(xié)調(diào)控制的作用。它由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、232通信電路和CAN接口電路構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系是:電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、232通信電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路還與外部的輸入信號(hào)相連，232通信電路還與上位機(jī)的串口相連，CAN接口電路還與外部的CAN總線相連。該處理芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XEP100單片機(jī)；該電源電路為采用LM2576芯片搭建的電路，可以將蓄電池的電源轉(zhuǎn)換為控制器工作所需的5伏電源；該RC濾波電路是由電阻和電容搭建的濾波電路，它對(duì)外部輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，它對(duì)加速踏板開度、制動(dòng)踏板的踩踏力、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車輛側(cè)向加速度和橫擺角速度進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波之后將電壓信號(hào)傳送給處理芯片；該232通信電路是協(xié)調(diào)控制器與上位機(jī)通信的接口，它將處理芯片的TTL電平的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為232電平的串口信號(hào)，采用MAX232芯片作為電平的轉(zhuǎn)換芯片，在實(shí)驗(yàn)時(shí)用來(lái)將處理芯片采集到的車輛狀態(tài)信息傳送給上位機(jī)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收其它控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的實(shí)際控制狀態(tài)并向其它控制器發(fā)送補(bǔ)償控制命令。協(xié)調(diào)控制器根據(jù)駕駛員的控制輸入和車輛狀態(tài)計(jì)算出車輛的期望運(yùn)行狀態(tài)，并與實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較，通過(guò)偽逆控制分配算 法計(jì)算出四個(gè)車輪的補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向角。并將這些控制命令通過(guò)CAN總線發(fā)送給其它控制器。
所述驅(qū)動(dòng)控制器，對(duì)車輪上的輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。輪轂電機(jī)為無(wú)刷直流電機(jī)，它由包含3組電磁線圈的定子、包含永磁鐵的轉(zhuǎn)子和測(cè)量電機(jī)位置的3個(gè)霍爾傳感器構(gòu)成。所述驅(qū)動(dòng)控制器由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、3組半橋電路和CAN接口電路構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系是:電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、3組半橋電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路還與外部的輸入信號(hào)相連，3組半橋電路還與無(wú)刷電機(jī)相連，CAN接口電路還與外部的CAN總線相連。該處理芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DG128單片機(jī)；該電源電路的構(gòu)成和功能與協(xié)調(diào)控制器中的電源電路相同；該RC濾波電路用來(lái)采集無(wú)刷電機(jī)的3個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)和加速踏板開度信號(hào)，將這些信號(hào)濾波之后傳送給處理芯片；該3組半橋電路分別對(duì)3組線圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，它采用6個(gè)N溝道MOS管搭建而成，MOS管的型號(hào)為SSF7509。處理芯片采用3路PWM信號(hào)和3路通用IO信號(hào)對(duì)3組半橋電路進(jìn)行控制，變換PWM信號(hào)和通用IO信號(hào)的驅(qū)動(dòng)順序可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償控制命令。驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)加速踏板的開度計(jì)算出期望的驅(qū)動(dòng)力矩，并分別對(duì)四個(gè)車輪上的輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器還可以通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償命令，對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)直接橫擺力矩控制(DYC)。所述制動(dòng)控制器，對(duì)電子機(jī)械式制動(dòng)器進(jìn)行控制。它由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、輪速采集電路、H橋電路和CAN接口電路構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系是:電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、輪速采集電路、H橋電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路還與外部的輸入信號(hào)相連，輪速采集電路還與輪速傳感器相連，H橋電路還與制動(dòng)器內(nèi)部的力矩電機(jī)相連，CAN接口電路還與外部的CAN總線相連。該處理芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DG128單片機(jī)；該電源電路的構(gòu)成和功能與協(xié)調(diào)控制器中的電源電路相同；該RC濾波電路對(duì)制動(dòng)踏板的踩踏力信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波之后傳送給處理芯片；該輪速處 理電路采用NCV1124芯片搭建，將磁電式輪速傳感器的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的方波信號(hào)，并傳送給處理芯片；該H橋電路對(duì)制動(dòng)器內(nèi)的力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，處理芯片采用2路PWM信號(hào)對(duì)H橋進(jìn)行控制，變換起作用的PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)d_CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償控制命令并向協(xié)調(diào)控制器發(fā)送輪速信號(hào)。所述制動(dòng)控制器分別對(duì)四個(gè)車輪的電子機(jī)械式制動(dòng)器的制動(dòng)力進(jìn)行控制。制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)踏板的踩踏力計(jì)算出期望的制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)基本的制動(dòng)功能。制動(dòng)控制器中還集成了防抱死的控制邏輯，通過(guò)對(duì)輪速信號(hào)的處理判斷車輪的抱死趨勢(shì)，在緊急制動(dòng)工況可以實(shí)現(xiàn)車輪的防抱死控制。制動(dòng)控制器還可以通過(guò)CAN總線接收協(xié)調(diào)控制器發(fā)送的補(bǔ)償命令，對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)DYC功能。電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向盤和前、后輪都裝有轉(zhuǎn)角傳感器，前、后輪由有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向。所述轉(zhuǎn)向控制器，對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制。它由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、2個(gè)H橋電路和CAN接口電路構(gòu)成，它們之間的位置連接關(guān)系是:電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、2個(gè)H橋電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路還與外部的輸入信號(hào)相連，2個(gè)H橋電路還與前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)相連，CAN接口電路還與外部的CAN總線相連。該處理芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DG128單片機(jī)；該電源電路的構(gòu)成和功能與協(xié)調(diào)控制器中的電源電路相同；該RC濾波電路對(duì)轉(zhuǎn)向盤和前、后輪的轉(zhuǎn)角傳感器的信號(hào)進(jìn)行濾波，并將信號(hào)傳送給處理芯片；該H橋電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)，處理芯片采用4路PWM信號(hào)對(duì)2個(gè)H橋進(jìn)行控制，變換起作用的PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償控制命令并向協(xié)調(diào)控制器發(fā)送前、后輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角。轉(zhuǎn)向控制器采集轉(zhuǎn)向盤、前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角來(lái)計(jì)算出前、后輪的期望轉(zhuǎn)向角，對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制來(lái)跟隨期望的轉(zhuǎn)向角。同時(shí)轉(zhuǎn)向控制器還可以通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償命令，對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。其中，該協(xié)調(diào)控制器的數(shù)量為一個(gè)，驅(qū)動(dòng)控制器的數(shù)量為四個(gè)，制動(dòng)控制器的數(shù)量為四個(gè)，轉(zhuǎn)向控制器的數(shù)量為一個(gè)。其中，本發(fā)明通過(guò)偽逆控制分配算法進(jìn)行控制。該算法可以用下式來(lái)表示um=-c+D# (w+Dc)其中Uni為控制矢量，它包括了四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩和前、后輪的轉(zhuǎn)向角；c為補(bǔ)償矢量，用來(lái)補(bǔ)償超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行能力的控制量為由期望車輛狀態(tài)和實(shí)際車輛狀態(tài)計(jì)算出來(lái)的偽控制量；D為控制效能矩陣；D#為D的偽逆，Dfl可以用下式來(lái)表示Ds=T1Dt (Dr1D·V1其中，W為對(duì)角加權(quán)矩陣，它的值反映了 U111中各控制量所占的權(quán)重。當(dāng)某個(gè)或多個(gè)協(xié)調(diào)控制器以外的控制器和(或)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，協(xié)調(diào)控制器對(duì)W矩陣進(jìn)行修改，將有故障的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和(或)控制器的控制量置為0，并將控制量重新分配到其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明一種采用分布式線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器的電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，采用分布式的布置方案。驅(qū)動(dòng)控制器、制動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)向控制器分別可以單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)最基本的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能。并可以通過(guò)CAN總線接收協(xié)調(diào)控制器的控制命令，對(duì)期望控制量進(jìn)行修改，使車輛獲得良好的操縱穩(wěn)定性。當(dāng)某個(gè)或多個(gè)協(xié)調(diào)控制器以外的控制器和(或)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，還可以通過(guò)協(xié)調(diào)控制器的控制再分配算法實(shí)現(xiàn)控制量的重新分配；當(dāng)協(xié)調(diào)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，其它控制器可以下各自實(shí)現(xiàn)最基本的制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能。采用本發(fā)明的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以有效提高車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。


圖1為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為協(xié)調(diào)控制器的輸入輸出量示意圖。圖3為驅(qū)動(dòng)控制器的控制邏輯示意圖。圖4為制動(dòng)控制器的控制邏輯示意圖。圖5為轉(zhuǎn)向控制器的控制邏輯示意圖。圖6為偽逆控制分配算法的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為左前輪驅(qū)動(dòng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)控制量的重新分配結(jié)果示意中符號(hào)說(shuō)明如下:w:由偽控制器計(jì)算得到的偽控制量。Um:電動(dòng)車各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際控制量，包括四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力和(或)制動(dòng)力、車輪的轉(zhuǎn)向角。y:電動(dòng)車的運(yùn)行姿態(tài)，包括電動(dòng)車的橫擺角速度和側(cè)向加速度。T1, T2, T3> T4:左前、左后、右后和右前輪的驅(qū)動(dòng)力矩。Sf、:前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明涉及的該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括:蓄電池1、協(xié)調(diào)控制器2、驅(qū)動(dòng)控制器3、制動(dòng)控制器4和轉(zhuǎn)向控制器5。以上所述四種控制器通過(guò)CAN總線連接在一起，相互之間可以進(jìn)行通信。所述協(xié)調(diào)控制器2在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到協(xié)調(diào)控制的作用，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。只有在協(xié)調(diào)控制器2的協(xié)調(diào)控制下，該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)才能達(dá)到最佳的控制效果。如果協(xié)調(diào)控制器2出現(xiàn)故障 ，則其它控制器進(jìn)行單獨(dú)控制，雖可以實(shí)現(xiàn)基本的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能，但不能達(dá)到最佳的控制效果。協(xié)調(diào)控制器2采集的輸入信號(hào)包括:加速踏板開度、制動(dòng)踏板的踩踏力、轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角、車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度。通過(guò)CAN總線可以接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)控制器3的四個(gè)車輪的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩；來(lái)自制動(dòng)控制器4的四個(gè)車輪的輪速、制動(dòng)力矩以及車速的估計(jì)值；來(lái)自轉(zhuǎn)向控制器5的車輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角。如圖2所示，協(xié)調(diào)控制器2以上述信號(hào)為輸入變量，通過(guò)偽逆控制分配算法對(duì)四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行補(bǔ)償控制，并將控制命令通過(guò)CAN總線發(fā)送給驅(qū)動(dòng)控制器3、制動(dòng)控制器4和轉(zhuǎn)向控制器5。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)用對(duì)象的驅(qū)動(dòng)方式為四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中包含四個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器3，分別對(duì)四個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)控制器3的控制邏輯如圖3所示。驅(qū)動(dòng)控制器3采集加速踏板的開度，通過(guò)期望力矩計(jì)算模塊計(jì)算出初始的期望驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器2的補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力矩。驅(qū)動(dòng)控制器3將兩個(gè)力矩求和即可得到最終的期望驅(qū)動(dòng)力矩。驅(qū)動(dòng)控制器3中的電流采樣電阻還對(duì)輪轂電機(jī)的電流進(jìn)行采集，通過(guò)電機(jī)模型計(jì)算出實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力矩。主控邏輯以驅(qū)動(dòng)力矩誤差為輸入，采用比例微分控制對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。每個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器3與相應(yīng)的輪轂電機(jī)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。所述輪轂電機(jī)內(nèi)部有三個(gè)霍爾傳感器，用來(lái)測(cè)量電機(jī)的位置。輪轂電機(jī)中有三組電磁線圈，這三組線圈的其中一端連接在一起，另一端作為三個(gè)控制端。當(dāng)輪轂電機(jī)處于不同的位置時(shí)，需要向控制端輸入不同方向的電壓才能使電機(jī)向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。控制輸入端電壓的高低，就可以控制驅(qū)動(dòng)力矩的大小。驅(qū)動(dòng)控制器3采用單片機(jī)的通用IO 口采集電機(jī)的位置信號(hào)，通過(guò)三組半橋電路來(lái)控制電機(jī)的三個(gè)控制端。所述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用電子機(jī)械式制動(dòng)器，系統(tǒng)中包含四個(gè)制動(dòng)控制器4，分別對(duì)四個(gè)制動(dòng)器進(jìn)行控制。制動(dòng)控制器4的控制邏輯如圖4所示。制動(dòng)控制器4采集制動(dòng)踏板的行程，并根據(jù)該行程計(jì)算出初始的期望制動(dòng)力矩。同時(shí)制動(dòng)控制器4通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器2的補(bǔ)償制動(dòng)力矩。制動(dòng)控制器4將兩個(gè)力矩求和即可得到最終的期望制動(dòng)力矩。制動(dòng)控制器4中的電流采樣電阻還對(duì)制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流進(jìn)行采集，通過(guò)電機(jī)模型和制動(dòng)器模型計(jì)算出實(shí)際的制動(dòng)力矩。主控邏輯以制動(dòng)力矩誤差為輸入，采用比例微分控制對(duì)制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用線控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪通過(guò)轉(zhuǎn)向梯形連接在一起。轉(zhuǎn)向控制器5的控制邏輯如圖5所示。轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間沒有機(jī)械連接，而是向控制器提供轉(zhuǎn)角信號(hào)。轉(zhuǎn)向控制器5根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)，計(jì)算出前、后輪的初始期望轉(zhuǎn)向角。同時(shí)轉(zhuǎn)向控制器5通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器2的轉(zhuǎn)向角補(bǔ)償,并計(jì)算出轉(zhuǎn)向角的最終期望值。電動(dòng)汽車的前、后輪處也安裝了轉(zhuǎn)角傳感器5，用來(lái)測(cè)量前、后輪的轉(zhuǎn)向角。轉(zhuǎn)向控制器5對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)向角信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)轉(zhuǎn)向角誤差對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前、后輪轉(zhuǎn)向。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過(guò)偽逆控制分配算法進(jìn)行控制。該算法的結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中y為車輛的行駛狀態(tài)。偽控制器根據(jù)駕駛員的輸入和車輛的狀態(tài)計(jì)算出偽控制量w并不是施加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的實(shí)際控制量，而是為了實(shí)現(xiàn)控制分配而設(shè)計(jì)的一個(gè)中間變量?？刂品峙渌惴ㄒ詗為輸入變量，通過(guò)下式所示的算法，計(jì)算出控制矢量IVum=-c+D# (w+Dc)其中DsJT1Dt (DW-1Dt)上式，W為對(duì)角加權(quán)矩陣，它的值反映了 Um中各控制量所占的權(quán)重。偽逆控制分配算法根據(jù)駕駛員的操縱輸入和車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量的期望值，并根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的控制量計(jì)算出控制量的補(bǔ)償值。通過(guò)對(duì)四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向角的補(bǔ)償控制，使電動(dòng)汽車保持良好的穩(wěn)定性。特別地，當(dāng)電動(dòng)汽車的某個(gè)或多個(gè)協(xié)調(diào)控制器2以外的控制器和(或)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，車輛具有一定的自恢復(fù)能力。協(xié)調(diào)控制器2中的偽逆控制分配算法可以對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量進(jìn)行重新分配，以減少故障造成的影響，使車輛按照期望的行駛狀態(tài)行駛。協(xié)調(diào)控制器2的重新分配的具體方法為對(duì)W矩陣進(jìn)行修改，將有故障的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和(或)控制器所對(duì)應(yīng)的W中的元素增大1000倍，從而將有故障的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和(或)控制器的輸出置為0，并將控制量重新分配到其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。例如:轉(zhuǎn)向盤的輸入為幅值是45度的正弦輸入工況，期望車速為70km/h，路面附著系數(shù)為0.8。假設(shè)電動(dòng)汽車的左前輪驅(qū)動(dòng)控制器3出現(xiàn)故障，經(jīng)過(guò)控制算法的重新分配之后，各輪的驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向角如圖7所示。其中I\、T2、T3和T4分別為左前、左后、右后和右前輪的驅(qū)動(dòng)力矩，δ f和δ r分別為前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角?？梢?，左前輪的驅(qū) 動(dòng)力矩為0，期望的驅(qū)動(dòng)力矩分配到了其它車輪。當(dāng)協(xié)調(diào)控制器2出現(xiàn)故障時(shí)，控制分配算法不能起作用。電動(dòng)汽車在其它控制器的控制下可以實(shí)現(xiàn)最基本的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于:它包括蓄電池、協(xié)調(diào)控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、制動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)向控制器；蓄電池與上述四個(gè)控制器分別連接，各控制器之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接； 所述協(xié)調(diào)控制器在整個(gè)控制系統(tǒng)中起到協(xié)調(diào)控制的作用，它由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、232通信電路和CAN接口電路構(gòu)成，電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、232通信電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路還與外部的輸入信號(hào)相連，232通信電路還與上位機(jī)的串口相連，CAN接口電路還與外部的CAN總線相連；該處理芯片采用MC9S12XEP100單片機(jī)；該電源電路為采用LM2576芯片搭建的電路，將蓄電池的電源轉(zhuǎn)換為控制器工作所需的5伏電源；該RC濾波電路是由電阻和電容搭建的濾波電路，它對(duì)外部輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，對(duì)加速踏板開度、制動(dòng)踏板的踩踏力、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車輛側(cè)向加速度和橫擺角速度進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波之后將電壓信號(hào)傳送給處理芯片；該232通信電路是協(xié)調(diào)控制器與上位機(jī)通信的接口，它將處理芯片的TTL電平的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為232電平的串口信號(hào)，采用MAX232芯片作為電平的轉(zhuǎn)換芯片，用來(lái)將處理芯片采集到的車輛狀態(tài)信息傳送給上位機(jī)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收其它控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的實(shí)際控制狀態(tài)并向其它控制器發(fā)送補(bǔ)償控制命令；協(xié)調(diào)控制器根據(jù)駕駛員的控制輸入和車輛狀態(tài)計(jì)算出車輛的期望運(yùn)行狀態(tài)，并與實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較，通過(guò)偽逆控制分配算法計(jì)算出四個(gè)車輪的補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向角，并將這些控制命令通過(guò)CAN總線發(fā)送給其它控制器； 所述驅(qū)動(dòng)控制器，對(duì)車輪上的輪轂電機(jī)進(jìn)行控制；該輪轂電機(jī)為無(wú)刷直流電機(jī)，它由包含3組電磁線圈的定子、包含永磁鐵的轉(zhuǎn)子和測(cè)量電機(jī)位置的3個(gè)霍爾傳感器構(gòu)成，所述驅(qū)動(dòng)控制器由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、3組半橋電路和CAN接口電路構(gòu)成，電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、3組半橋電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路還與外部的輸入信號(hào)相連，3組半橋電路還與無(wú)刷電機(jī)相連，CAN接口電路還與外部的CAN總線 相連；該處理芯片是MC9S12DG128單片機(jī)；該電源電路的構(gòu)成和功能與協(xié)調(diào)控制器中的電源電路相同；該RC濾波電路用來(lái)采集無(wú)刷電機(jī)的3個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)和加速踏板開度信號(hào)，將這些信號(hào)濾波之后傳送給處理芯片；該3組半橋電路分別對(duì)3組線圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，它采用6個(gè)N溝道MOS管搭建而成，MOS管的型號(hào)為SSF7509，處理芯片采用3路PWM信號(hào)和3路通用IO信號(hào)對(duì)3組半橋電路進(jìn)行控制，變換PWM信號(hào)和通用IO信號(hào)的驅(qū)動(dòng)順序可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償控制命令；驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)加速踏板的開度計(jì)算出期望的驅(qū)動(dòng)力矩，并分別對(duì)四個(gè)車輪上的輪轂電機(jī)進(jìn)行控制；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器還通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償命令，對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)直接橫擺力矩控制； 所述制動(dòng)控制器，對(duì)電子機(jī)械式制動(dòng)器進(jìn)行控制，它由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、輪速采集電路、H橋電路和CAN接口電路構(gòu)成，電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、輪速采集電路、H橋電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路與外部的輸入信號(hào)相連，輪速采集電路與輪速傳感器相連，H橋電路與制動(dòng)器內(nèi)部的力矩電機(jī)相連，CAN接口電路與外部的CAN總線相連；該處理芯片是MC9S12DG128單片機(jī)；該電源電路的構(gòu)成和功能與協(xié)調(diào)控制器中的電源電路相同；該RC濾波電路對(duì)制動(dòng)踏板的踩踏力信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波之后傳送給處理芯片；該輪速處理電路采用NCV1124芯片搭建，將磁電式輪速傳感器的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能處理的方波信號(hào)，并傳送給處理芯片；該H橋電路對(duì)制動(dòng)器內(nèi)的力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，處理芯片采用2路PWM信號(hào)對(duì)H橋進(jìn)行控制，變換起作用的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償控制命令并向協(xié)調(diào)控制器發(fā)送輪速信號(hào)；制動(dòng)控制器分別對(duì)四個(gè)車輪的電子機(jī)械式制動(dòng)器的制動(dòng)力進(jìn)行控制，它根據(jù)制動(dòng)踏板的踩踏力計(jì)算出期望的制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)基本的制動(dòng)功能；制動(dòng)控制器中還集成了防抱死的控制邏輯，通過(guò)對(duì)輪速信號(hào)的處理判斷車輪的抱死趨勢(shì)，在緊急制動(dòng)工況實(shí)現(xiàn)車輪的防抱死控制；制動(dòng)控制器還能通過(guò)CAN總線接收協(xié)調(diào)控制器發(fā)送的補(bǔ)償命令，對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)DYC功倉(cāng)泛; 電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向盤和前、后輪都裝有轉(zhuǎn)角傳感器，前、后輪由有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)；所述轉(zhuǎn)向控制器，它對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制，它由處理芯片、電源電路、RC濾波電路、2個(gè)H橋電路和CAN接口電路構(gòu)成，電源電路給其它各部分電路提供電源，RC濾波電路、2個(gè)H橋電路和CAN接口電路都與處理芯片相連，同時(shí)RC濾波電路與外部的輸入信號(hào)相連，2個(gè)H橋電路與前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)相連，CAN接口電路與外部的CAN總線相連；該處理芯片是MC9S12DG128單片機(jī)；該電源電路的構(gòu)成和功能與協(xié)調(diào)控制器中的電源電路相同；該RC濾波電路對(duì)轉(zhuǎn)向盤和前、后輪的轉(zhuǎn)角傳感器的信號(hào)進(jìn)行濾波，并將信號(hào)傳送給處理芯片；該H橋電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)，處理芯片采用4路PWM信號(hào)對(duì)2個(gè)H橋進(jìn)行控制，變換起作用的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的調(diào)節(jié)；該CAN接口電路是處理芯片與CAN總線相連的接口，接口芯片采用TJA1040芯片，處理芯片通過(guò)它接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償控制命令并向協(xié)調(diào)控制器發(fā)送前、后輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角；轉(zhuǎn)向控制器采集轉(zhuǎn)向盤、前輪和后輪的轉(zhuǎn)向角，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角來(lái)計(jì)算出前、后輪的期望轉(zhuǎn)向角，對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制來(lái)跟隨期望的轉(zhuǎn)向角；同時(shí)轉(zhuǎn)向控制器還能通過(guò)CAN總線接收來(lái)自協(xié)調(diào)控制器的補(bǔ)償命令，對(duì)前、后輪的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于:通過(guò)偽逆控制分配算法計(jì)算出四個(gè)車輪的補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向角，該偽逆控制分配算法具體計(jì)算如下:um=-c+D# (w+Dc) 其中um為控制矢量，它包括了四個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩和前、后輪的轉(zhuǎn)向角；c為補(bǔ)償矢量，用來(lái)補(bǔ)償超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行能力的控制量;《為由期望車輛狀態(tài)和實(shí)際車輛狀態(tài)計(jì)算出來(lái)的偽控制量；D為控制效能矩陣；D#為D的偽逆，Dfl用下式來(lái)表示 Ds=T1Dt (DW-1Dt) 其中，W為對(duì)角加權(quán)矩陣，它的值反映了 U111中各控制量所占的權(quán)重。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于:該協(xié)調(diào)控制器的數(shù)量為一個(gè)，驅(qū)動(dòng)控制器的數(shù)量為四個(gè)， 制動(dòng)控制器的數(shù)量為四個(gè)，轉(zhuǎn)向控制器的數(shù)量為一個(gè)。
全文摘要
一種電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它包括蓄電池、協(xié)調(diào)控制器、驅(qū)動(dòng)控制器、制動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)向控制器；蓄電池與上述四個(gè)控制器分別連接，各控制器之間通過(guò)CAN總線連接；該協(xié)調(diào)控制器采集駕駛員的加速踏板、制動(dòng)踏板與轉(zhuǎn)向操縱輸入、車輛的狀態(tài)信息和其它各控制器的輸入；該驅(qū)動(dòng)控制器既根據(jù)加速踏板的開度計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)力矩，又根據(jù)協(xié)調(diào)控制器的命令對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行補(bǔ)償控制；該制動(dòng)控制器依據(jù)制動(dòng)踏板行程計(jì)算所需的制動(dòng)力矩，并根據(jù)協(xié)調(diào)控制器的控制命令進(jìn)行制動(dòng)力矩補(bǔ)償控制；該轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角計(jì)算前、后輪的轉(zhuǎn)向角，并根據(jù)協(xié)調(diào)控制器的命令進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)向角補(bǔ)償控制。該電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有效地提高了電動(dòng)汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。
文檔編號(hào)B60W10/192GK103223940SQ20131015863
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月2日
發(fā)明者丁能根, 何勇靈, 馮沖, 徐國(guó)艷, 高峰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)