引言

伴隨著日益嚴(yán)重的大氣污染和能源危機(jī)，傳統(tǒng)的交通工具——汽車的發(fā)展面臨著一系列的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車消耗大量的石油資源，嚴(yán)重污染環(huán)境。這些無法避免的缺點(diǎn)使人們意識(shí)到，以清潔能源為動(dòng)力的新一代汽車替代傳統(tǒng)汽車的重要性，其中的電動(dòng)汽車技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域的前沿課題之一。電動(dòng)汽車具有零排放，低噪聲，輕便，操控性能好等特點(diǎn)。此外隨著電動(dòng)輪技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，在電動(dòng)車上更容易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)而為剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)等主動(dòng)安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供便利。本文介紹一種基于嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核ARTXl66的電子差速算法。

1 基于Ackermann轉(zhuǎn)向模型的四輪速度關(guān)系

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)分析可知，車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，汽車外側(cè)車輪的行程要比內(nèi)側(cè)的長。如果通過一根整軸將左右車輪連接在一起，則會(huì)由于左右車輪轉(zhuǎn)速雖相等但行程不同而引起一側(cè)車輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移，不僅使輪胎過早磨損，無益地消耗功率，并且易使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)失去抗側(cè)滑的能力而使穩(wěn)定性變壞，操控性變差。為避免上述情況的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)車輛的平順轉(zhuǎn)向，一般要求所有車輪在轉(zhuǎn)向過程中都做純滾動(dòng)。對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車而言，即要求四個(gè)車輪在轉(zhuǎn)向過程中具有各自不同的轉(zhuǎn)速，并且各車輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足一定的關(guān)系。該關(guān)系為設(shè)計(jì)汽車差速系統(tǒng)的主要依據(jù)。低速情況下，這一特定關(guān)系可由Ackermann模型推導(dǎo)得出。

使用Ackermann轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，分析四輪速度關(guān)系的假設(shè)前提條件為：

①剛性車體;

②車輪作純滾動(dòng)，即不考慮已發(fā)生滑移、滑轉(zhuǎn);

③行駛時(shí)所有輪胎都未離開地面;

④輪胎側(cè)向變形與側(cè)向力成正比。

該轉(zhuǎn)向模型如圖1所示。

其中，軸距L和兩側(cè)軸線距離D是常數(shù)值，δ是方向盤的轉(zhuǎn)角，ω0為車?yán)@轉(zhuǎn)向瞬心的角速度，V1、V2、V3、V4是4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的速度。由圖1可得：

需要注意的是，對(duì)于4個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)BLDC來說，所需要的輸入信號(hào)是角速度值ωx。它與V的關(guān)系是：

r是輪子的半徑。

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將加速手把的轉(zhuǎn)速設(shè)定值ωr(參考角速度)定義為與最大速輪的轉(zhuǎn)速，即左轉(zhuǎn)時(shí)，右前輪角速度為ωr;右轉(zhuǎn)時(shí)，左前輪角速度為ωr(也可另行定義)。

很顯然，如果在程序中直接套用上面的公式，則運(yùn)算量將非常大，運(yùn)算時(shí)間也會(huì)很長;但可以看出，只要方向盤的轉(zhuǎn)角δ定，則4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速與參考角速度的比值 ω1/ωr、ω2/ωr、ω3/ωr、ω4/ωr是唯一確定的。所以在程序運(yùn)行當(dāng)中，完全可以預(yù)先將0。到最大轉(zhuǎn)向角問分成若干等份，再將不同的δ值對(duì)應(yīng)的4個(gè)速度比率列成表格，用查表與內(nèi)插值的方法簡化運(yùn)算的過程。

值得一提的是，上述的算法可以在Matlab/Simulink中搭建模型，它將使表格的查詢與線性內(nèi)插值的處理變得十分方便。整個(gè)算法模型完成之后，還可以利用Matlab的自動(dòng)代碼生成功能，直接生成C語言代碼，嵌入到控制系統(tǒng)當(dāng)中去，這極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。2 XCl64CS微處理器

對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的控制應(yīng)用，要求微處理器提供系統(tǒng)安全和故障保險(xiǎn)機(jī)制，以及有效的措施以降低器件的功耗，并且具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力與穩(wěn)定性能，同時(shí)保證系統(tǒng)具有足夠用于整車系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)與升級(jí)所需的資源。為此，選用了Infineon公司的高性能16位微控制器XCl64CS。

XCl64內(nèi)核結(jié)構(gòu)結(jié)合了RISC和CISC處理器的優(yōu)點(diǎn)，這種強(qiáng)大的計(jì)算和控制能力通過MAC單元的DSP功能實(shí)現(xiàn)。XCl64把功能強(qiáng)勁的CPU內(nèi)核和一整套強(qiáng)大的外設(shè)單元集成于一塊芯片上，并有效連接。同時(shí)，在XCl64上應(yīng)用的LXBus是眾多總線中的一條，是外部總線接口的內(nèi)部代表。這個(gè)總線為XCl64的衍生產(chǎn)品集成附加的特殊應(yīng)用外設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)途徑。