輪轂電機網(wǎng)絡(luò)化控制器研究

陳鵬展　張永賢

華東交通大學(xué),南昌,330013

輪轂電機網(wǎng)絡(luò)化控制器研究

陳鵬展張永賢

華東交通大學(xué),南昌,330013

對四輪獨立驅(qū)動汽車中輪轂電機的控制需求進行分析,設(shè)計了一種具有FlexRay總線接口的網(wǎng)絡(luò)化輪轂電機控制器,給出了控制器的軟硬件結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議; 采用廣義預(yù)測控制策略對輪轂電機速度環(huán)控制參數(shù)進行校正,以消除負(fù)載擾動對輪轂電機控制過程的影響,通過對指令數(shù)據(jù)進行實時預(yù)測,補償傳輸過程中的延遲和丟包帶來的數(shù)據(jù)缺失;構(gòu)建了測試平臺,通過模擬指令突變、負(fù)載擾動及數(shù)據(jù)丟包等工況,對所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)化輪轂電機控制器性能進行評估。實驗結(jié)果表明,預(yù)測控制策略和指令實時預(yù)測能使輪轂電機控制系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確穩(wěn)定的控制性能。

輪轂電機;FlexRay總線;廣義預(yù)測控制;指令預(yù)測

0　引言

相較于內(nèi)燃機動力汽車，電動汽車更容易實現(xiàn)驅(qū)動形式的多樣化[1]。其中,將驅(qū)動電機安裝在各輪轂上直接驅(qū)動車輪,并以各輪轂電機分散驅(qū)動為特征的獨立驅(qū)動電動汽車,在底盤結(jié)構(gòu)、傳動效率和控制性能等方面均具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢,已成為電動汽車發(fā)展的一個重要方向[2]。

輪轂電機控制器是獨立驅(qū)動電動汽車的核心部件[3]。在獨立驅(qū)動電動汽車行駛過程中,輪轂電機控制器接收來自車輛主控制器的指令,驅(qū)動輪轂電機運行,使電動汽車按駕駛者意圖行駛，同時將輪轂電機的運行狀態(tài)不斷反饋給車輛主控制器，以便主控制器能對車輛的運行工況做出判斷,因此,輪轂電機控制器的性能影響著電動汽車行駛過程的穩(wěn)定性與精度。盧東斌等[3]采用多模式控制策略來完成輪轂電機的控制過程,多模式控制雖然能使輪轂電機獲得穩(wěn)定的控制性能，但由于在不同速度段采用不同的控制策略，會導(dǎo)致控制過程的復(fù)雜程度提高,并降低控制過程的穩(wěn)定性;Ren等[4]設(shè)計了采用自整定結(jié)構(gòu)的輪轂電機控制器,通過自整定可使輪轂電機獲得較好的控制性能,但卻無法有效消除輪轂電機運行過程中負(fù)載擾動對控制過程的影響。穩(wěn)定的輪轂電機控制策略是保證獨立驅(qū)動電動汽車高效可靠行駛的關(guān)鍵。

為了使輪轂電機在行駛過程中始終與其他輪轂電機保持運行同步，輪轂電機控制器需要實時與電動汽車中的其他控制器交換信息。采用網(wǎng)絡(luò)化方案可以提高輪轂電機控制器的信息交換效率，降低電動汽車中各類控制器之間電氣連接的復(fù)雜程度。網(wǎng)絡(luò)化方案已在獨立驅(qū)動電動汽車中得到應(yīng)用, 目前大多采用CAN總線通信方式。為了使網(wǎng)絡(luò)化獨立驅(qū)動電動汽車具有良好的操控性能，必須選用實時高速通信網(wǎng)絡(luò)作為獨立驅(qū)動電動汽車的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中輪轂電機控制器的運行特性與控制需求進行分析，獲得電機高性能驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)化多電機高可靠并行運行的最優(yōu)設(shè)計方案,以滿足網(wǎng)絡(luò)化獨立驅(qū)動電動汽車行駛驅(qū)動的需要。

1　輪轂電機網(wǎng)絡(luò)化控制需求分析

在網(wǎng)絡(luò)化獨立驅(qū)動電動汽車行駛過程中，車輛主控制器基于獲得的輪轂電機運行狀態(tài)信息，結(jié)合采集到的車輛轉(zhuǎn)向信號、制動踏板信號、油門踏板信號，做出對車輛行駛狀態(tài)和駕駛者操控意圖的判斷，根據(jù)車輛控制算法計算得到各輪轂電機的目標(biāo)速度，并通過網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)速度發(fā)送給各輪轂電機控制器。

輪轂電機通過車輛主控制器的控制指令進行響應(yīng)，使電動汽車按駕駛者的操控意圖行駛。為保證輪轂電機指令響應(yīng)的正確性和實時性，輪轂電機控制器應(yīng)具備以下特性:①實時高速的數(shù)據(jù)通信接口。輪轂電機控制器應(yīng)具有高可靠、高速率的數(shù)據(jù)通信接口，以保證輪轂電機控制器能在確定的通信周期內(nèi)正確接收到車輛主控制器速度指令。②快速準(zhǔn)確的速度控制性能。只有當(dāng)電動汽車中所有的輪縠電機都能快速準(zhǔn)確地對車輛主控制器的指令進行響應(yīng)時，才能保證電動汽車按正確的路線軌跡行駛。③高可靠性。為了保證電動汽車安全行駛，電動汽車的各組成部件均應(yīng)具有高可靠性[5]。輪轂電機控制器應(yīng)具有良好的可靠性,不僅應(yīng)能夠長期穩(wěn)定運行，而且能對運行過程中的誤操作及相關(guān)器件失效進行準(zhǔn)確判斷和完善保護。

為了獲得高性能的輪轂電機控制器設(shè)計方案，首先應(yīng)確定網(wǎng)絡(luò)化輪轂電機控制器硬件設(shè)計方案，包括選擇高速實時的網(wǎng)絡(luò)通信方案，構(gòu)建可靠穩(wěn)定的硬件平臺等，以保證控制器在運行過程中的可靠性與穩(wěn)定性。在完成控制器軟硬件平臺設(shè)計后，應(yīng)設(shè)計強實時、高可靠的軟件結(jié)構(gòu)，并研究輪轂電機速度控制策略和網(wǎng)絡(luò)通信錯誤補償策略，以保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中輪轂電機控制過程的實時性和準(zhǔn)確性。

2　控制器軟硬件平臺設(shè)計方案

2.1控制器硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化輪轂電機的控制需求分析,設(shè)計了一類輪轂電機控制器硬件平臺，主要由微處理器、總線接口電路、位置傳感器接口、電流傳感器接口、驅(qū)動電路、MOSFET逆變電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1　輪轂電機控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

為了保證控制器在進行算法處理過程中的效率和精度，應(yīng)選擇具有高速數(shù)據(jù)處理及浮點計算能力的微處理器作為控制器的處理核心。通過對多種類型的微處理器性能進行比較，控制器選用了ST公司的32位內(nèi)核的ARM微處理器STM32F407VGT6作為控制器的處理核心,該微處理器集成單周期數(shù)字信號處理和浮點運算指令,最高數(shù)據(jù)處理能力達到每秒210 DMI(百萬機器語言指令)。高速的數(shù)據(jù)處理能力能使輪轂電機控制算法得以實時執(zhí)行,同時,該微處理器內(nèi)部集成有豐富的外設(shè)資源,可減少控制器外圍硬件電路,提高系統(tǒng)可靠性。

全橋驅(qū)動拓?fù)湟子谑馆嗇炿姍C獲得更快的響應(yīng)[4],而且能夠?qū)崿F(xiàn)對電動汽車行駛過程中的制動能量進行回饋,因此,控制器中采用電壓型三相全橋電路驅(qū)動的功率逆變電路，通過控制各橋臂功率MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，可實現(xiàn)輪轂電機四象限運行。

考慮到可靠性、實時性及通信帶寬等因素，獨立驅(qū)動電動汽車選用了FlexRay總線作為控制器網(wǎng)絡(luò)連接方案。FlexRay總線具有高速、高可靠及安全的特點，其通信速率可達到每秒20 Mbit[6]。采用FlexRay總線不僅可以簡化獨立驅(qū)動電動汽車中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且能使電動汽車的網(wǎng)絡(luò)通信過程更具穩(wěn)定性和可靠性。輪轂電機控制器選用了Infineon公司的總線控制芯片CIC310來完成FlexRay總線的通信過程,通過DMA方式實現(xiàn)總線控制器與微處理器之間的數(shù)據(jù)交換，同時采用NXP公司的TJA1080作為總線收發(fā)器，實現(xiàn)與FlexRay總線的接口。

為使控制器能夠長期可靠安全運行，輪轂電機控制器選用了具有自保護功能的智能功率器件，并在選型過程中考慮了功率管參數(shù)指標(biāo)的冗余，在電路中采取了多重故障檢測與保護措施。

2.2控制器軟件體系

綜合考慮可靠性、實時性及便利性等因素，采用了汽車級嵌入式系統(tǒng)OSEK作為輪轂電機控制器的軟件平臺。OSEK是性能優(yōu)良的實時操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、實時性能優(yōu)良等特點[7],采用OSEK操作系統(tǒng)易于對控制器中不同的控制功能進行分類和模塊化。輪轂電機控制器軟件包含硬件驅(qū)動、實時內(nèi)核、應(yīng)用接口、系統(tǒng)任務(wù)和中斷服務(wù)程序等部分，如圖2所示。

圖2　輪轂電機控制器軟件體系

為了保證控制器中某些控制功能操作的實時性，在軟件設(shè)計過程中采用中斷機制來完成嚴(yán)格實時性要求事件的處理過程，如電流控制過程、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收過程、PWM信號產(chǎn)生及故障保護過程。對實時性要求不高事件的處理過程，如速度控制過程、再生制動控制過程以及總線發(fā)送數(shù)據(jù)變量復(fù)制過程，均可通過在OSEK操作系統(tǒng)開辟獨立的任務(wù)進程實現(xiàn)。

控制器在完成控制器硬件初始化過程后，開放系統(tǒng)中斷，并啟動實時內(nèi)核OSEK，通過應(yīng)用接口開辟不同任務(wù)循環(huán)，通過任務(wù)調(diào)度和中斷來觸發(fā)對各類事件的處理過程，既保證了控制器響應(yīng)過程的實時性，同時也使系統(tǒng)的軟件維護升級過程更為容易。

2.3通信協(xié)議及通信流程

電動汽車中各FlexRay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均按固定的周期通信,為了保證電動汽車運行控制的實時性,設(shè)定FlexRay總線的消息幀循環(huán)周期為20 ms。輪轂電機控制器需要在每個通信周期內(nèi)接收車輛主控制器發(fā)出的控制指令,并將電樞電流、反饋轉(zhuǎn)速、編碼器數(shù)據(jù)、負(fù)載估算結(jié)果、故障代碼等數(shù)據(jù)發(fā)送給車輛主控制器,控制器之間采用總線消息幀來傳送狀態(tài)信息與控制指令。

FlexRay總線消息幀包含幀頭段、數(shù)據(jù)段和幀尾段三個部分[6],其中數(shù)據(jù)段長度可變,需根據(jù)電動汽車運行中的信息傳輸內(nèi)容確定具體長度。為了能通過單幀消息完成控制器運行狀態(tài)全部數(shù)據(jù)的發(fā)送,需對FlexRay總線消息幀進行適當(dāng)編碼。

綜合考慮數(shù)據(jù)表示精度和數(shù)據(jù)傳輸效率,確定輪轂電機控制器發(fā)送的FlexRay消息幀中數(shù)據(jù)段的長度為30個字節(jié)。其中,工作模式、電樞電流、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、反饋轉(zhuǎn)速、負(fù)載估算結(jié)果及故障代碼均占用2個字節(jié),指令序號、電機編碼器位置占用4個字節(jié),預(yù)留12個字節(jié)給后續(xù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)幀中電流、轉(zhuǎn)速和負(fù)載數(shù)據(jù)采用12Q4格式，整數(shù)部分占用11位，小數(shù)部分占用4位，符號占用1位，數(shù)據(jù)表示范圍為:-2048.9375～2047.9375。

輪轂電機控制器的通信流程如下:控制器上電后，對通信控制器CIC310及發(fā)送定時器進行初始化,同時開放總線數(shù)據(jù)接收中斷與定時器中斷,并對中斷進行實時監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到發(fā)送定時器中斷后,將發(fā)送變量寫入通信控制器,等待總線控制器的發(fā)送完成標(biāo)志，在完成數(shù)據(jù)發(fā)送過程后退出發(fā)送定時器中斷處理過程，并等待下一次發(fā)送定時器中斷，以此實現(xiàn)輪轂電機控制器的總線數(shù)據(jù)發(fā)送過程。

輪轂電機控制器的總線數(shù)據(jù)接收過程如下：當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)接收中斷時，控制器立即進入中斷處理過程，將接收緩存區(qū)中的相關(guān)數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)的過程變量，以得到速度指令作為速度控制環(huán)下一周期的目標(biāo)值，在變量復(fù)制完畢后，清除接收中斷標(biāo)志，退出數(shù)據(jù)接收中斷處理，等待下一次數(shù)據(jù)接收中斷。控制器通過中斷的方式來觸發(fā)總線數(shù)據(jù)的接收發(fā)送過程，可以保證總線通信過程的準(zhǔn)確性和實時性。

3　速度環(huán)復(fù)合控制

輪轂電機控制器在接收到速度指令后，通過速度電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，使輪轂電機對速度指令進行跟蹤響應(yīng)。輪轂電機的速度環(huán)常采用PI控制結(jié)構(gòu),它將速度指令值與速度反饋值進行比較,差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計算得到電流給定值,再利用電流控制環(huán)對輪轂電機電磁轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整,使輪轂電機速度輸出跟隨指令變化。

PI控制結(jié)構(gòu)對被控對象模型不敏感，當(dāng)被控對象的模型發(fā)生變化時會導(dǎo)致輪轂電機控制性能下降。在電動汽車實際行駛過程中，輪轂電機的運行工況時常會發(fā)生變化，如路面摩擦因數(shù)的變化或車輛行駛中的阻力變化，這些變化都可歸結(jié)為輪轂電機運行過程中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動。負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動會降低輪轂電機的控制性能和同步精度，從而影響車輛行駛的性能與安全。

為了保證輪轂電機運行響應(yīng)的穩(wěn)定性，必須設(shè)計合適的控制策略，對輪轂電機運行過程中的擾動進行抑制。廣義預(yù)測控制策略具有較好的擾動抑制能力，但它在控制過程中可能會發(fā)生超調(diào)和失穩(wěn)[8]。結(jié)合廣義預(yù)測和PI兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可在輪轂電機速度控制主回路中采用PI控制結(jié)構(gòu)，同時利用廣義預(yù)測控制對PI控制結(jié)構(gòu)中的速度環(huán)控制參數(shù)進行在線校正，以抑制輪轂電機運行過程中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動。復(fù)合控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　輪轂電機速度環(huán)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)

速度控制環(huán)被控對象可用以下模型描述：

A(z-1)v(k)=B(z-1)I(k-1)+C(z-1)ξ(k)/Δ

(1)

式中,k為離散系統(tǒng)系列值;v、I分別為速度輸出和電流輸入;ξ為均值為零、方差為σ2的白噪聲;C(z-1)為噪聲模型狀態(tài)方程;Δ為差分算子,Δ=1-z-1;A(z-1)=1+a1z-1+…+anaz-na,na為速度輸出階次;B(z-1)=b0+b1z-1+…+bnbz-nb,nb為電流輸入階次;a1、a2、…、ana，b1、b2、…、bnb為待定系數(shù)。

根據(jù)廣義預(yù)測控制策略,可對輪轂電機的速度輸出進行預(yù)測[9]:

v(k+j)=Gj(z-1)ΔI(k+j-1)+

Ej(z-1)ΔI(k-1)+Sj(z-1)v(k)+Rjξ(k+j)

(2)

建立速度輸出預(yù)測的二次型性能指標(biāo)：

(3)

式中,E為速度預(yù)測輸出的綜合加權(quán)誤差;q、λ分別為速度輸出預(yù)測誤差與電流控制增量加權(quán)系數(shù);w為速度參考信號。

PI控制結(jié)構(gòu)的增量公式為

(4)

式中,e(k)為速度控制誤差;v(k)為速度反饋輸出;Tc為采樣時間;ks、Ts為PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

令

(5)

可得

Z(z-1)v(k)+ΔI(k)-Z(1)w(k)=0

(6)

對式(3)表示的二次型指標(biāo)求偏導(dǎo)，即為電機速度控制過程最優(yōu)運行方向：

(7)

式中,pj為速度輸出預(yù)測的二次型性能指標(biāo)的偏導(dǎo)。

定義常量

(8)

則式(7)可變形為

(9)

對比式(6)、式(9),當(dāng)式(10)成立時,PI控制結(jié)構(gòu)中控制參數(shù)能使速度控制過程按照最優(yōu)方向運行,即

(10)

令

(11)

式中,k1、k2為等價系統(tǒng)系數(shù)。

由式(5)、式(11)可得出速度控制環(huán)最優(yōu)控制參數(shù)計算公式：

(12)

根據(jù)式(12)對輪轂電機速度控制參數(shù)進行在線調(diào)整，使其對運行過程中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進行抑制,以保持控制過程的穩(wěn)定。

廣義預(yù)測與PI復(fù)合控制結(jié)構(gòu)既可使輪轂電機控制器具有良好的控制穩(wěn)定性，又使其具備對外部轉(zhuǎn)矩的擾動抑制能力。

4　基于變化趨勢的指令預(yù)測

在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境中，輪轂電機控制器一般能在約定的時刻接收到車輛主控制器發(fā)出的速度指令,并將接收到的速度指令作為下一次控制周期中的目標(biāo)值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信過程中發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失、傳輸延遲等情況時，輪轂電機控制器無法在約定的時刻接收到來自車輛主控制器的指令數(shù)據(jù)，輪轂電機的速度響應(yīng)輸出與控制器指令之間會存在較大偏差。

輪轂電機的速度目標(biāo)值來自于車輛主控制器的算法模型計算結(jié)果。主控制器的算法模型計算周期、網(wǎng)絡(luò)通信周期和輪轂電機控制周期一般均在20 ms左右,相對于主控制器計算周期、網(wǎng)絡(luò)通信周期和輪轂電機控制周期，駕駛者的動作可被視為是連續(xù)的，可以推測，車輛主控制器計算得到的輪轂電機速度目標(biāo)值在一定范圍內(nèi)是連續(xù)的，并具有規(guī)律性。

若能獲得局部范圍內(nèi)輪轂電機速度目標(biāo)值計算結(jié)果的規(guī)律，并通過某種形式對這種規(guī)律進行描述，則可利用規(guī)律對下一時刻的速度指令值進行預(yù)測[10]。如圖4所示，可通過獲取已知數(shù)據(jù)點的變化規(guī)律對下一數(shù)據(jù)進行預(yù)測。這種指令數(shù)據(jù)外延預(yù)測方法因在局部范圍內(nèi)代表了數(shù)據(jù)的趨勢和規(guī)律，具有一定的正確性。

圖4　基于趨勢的數(shù)據(jù)預(yù)測

綜合考慮數(shù)據(jù)計算量和擬合精度，采用二次型公式對主控制器指令中的局部數(shù)據(jù)變化規(guī)律進行描述。假設(shè)指令數(shù)據(jù)的變化規(guī)律二次型公式為

(13)

(14)

(15)

(16)

解方程組式(16),可得預(yù)測公式系數(shù)：

(17)

為了消除發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤時對輪轂電機控制器性能的影響，可在控制器運行過程中實時對速度指令值進行預(yù)測。當(dāng)控制器能在約定的時刻準(zhǔn)確接收到車輛主控制器發(fā)出指令數(shù)據(jù)時，以接收的數(shù)據(jù)作為下一周期目標(biāo)值；否則,以預(yù)測結(jié)果作為指令目標(biāo)，并將預(yù)測結(jié)果視為數(shù)據(jù)接收值，進行下一輪預(yù)測循環(huán)。通過對控制指令進行循環(huán)預(yù)測可補償因傳輸延遲和丟包造成的數(shù)據(jù)缺失。

5　控制器性能測試

輪轂電機控制器的性能應(yīng)從以下幾個角度進行評估：控制器的指令跟蹤能力、負(fù)載擾動的抑制能力以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟包、延遲的補償能力。研究過程中選用了一臺額定功率為1500W的電動汽車輪轂電機作為驗證對象,其額定轉(zhuǎn)矩為40N·m,額定轉(zhuǎn)速為650r/min，額定電壓為DC48V,電機轉(zhuǎn)子磁極數(shù)為16。為了便于對輪轂電機控制器性能進行測試，構(gòu)建了控制器性能測試系統(tǒng),其示意圖見圖5。

圖5　輪轂電機控制器實驗臺架

測試系統(tǒng)中使用計算機來模擬獨立驅(qū)動電動汽車的車輛主控制器；選擇Vector公司的VN3600總線接口卡與輪轂電機控制器進行連接，構(gòu)成FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)；采用聯(lián)軸器與一臺同步電機連接,并使同步電機處于力矩工作模式，通過對同步電機的輸出力矩進行調(diào)節(jié)，模擬輪轂電機行駛中受到的外部力矩擾動；利用光電測速儀對輪轂電機的實際轉(zhuǎn)速進行測試。

為了驗證控制器的指令跟蹤性能，通過PC機發(fā)出加速、恒速、減速、正弦加減速等速度指令，模擬輪轂電機控制器在運行過程中可能的指令形式，并通過測速儀對輪轂電機的實際轉(zhuǎn)速進行測試，得到結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，對于各種速度指令形式，輪轂電機都能迅速準(zhǔn)確地進行響應(yīng)，能夠滿足電動汽車行駛驅(qū)動要求。

圖6　輪轂電機變化速度響應(yīng)輸出

為了驗證輪轂電機控制器對外部擾動轉(zhuǎn)矩的抑制能力，通過計算機給同步電機控制器發(fā)出變化的力矩指令，模擬電動汽車行駛過程中的變化擾動力矩，在時間點t為3,13,23,33s時對電機施加不同方向、恒幅值的突變力矩，在時間點t為43,53s時對系統(tǒng)施加隨機擾動力矩，觀察輪轂電機在不同外部轉(zhuǎn)矩擾動作用下的速度響應(yīng)，結(jié)果如圖7所示。

圖7　存在轉(zhuǎn)矩擾動時的速度響應(yīng)

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，雖然輪轂電機在外部力矩的施加和釋放瞬時的速度響應(yīng)存在瞬態(tài)波動，但隨即恢復(fù)穩(wěn)定的速度響應(yīng)輸出，具備良好的擾動抑制能力。

為了驗證系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)延時和數(shù)據(jù)丟包時的性能，通過程序設(shè)置，屏蔽計算機在時間點t為3,13,23,33s時的網(wǎng)絡(luò)輸出,觀察輪轂電機控制器的響應(yīng)及網(wǎng)絡(luò)指令實時預(yù)測結(jié)果,如圖8所示。

圖8　存在數(shù)據(jù)丟包時的速度響應(yīng)

從實驗結(jié)果可知,利用二次型局部數(shù)據(jù)預(yù)測方法能較好地逼近原數(shù)據(jù)指令，在存在數(shù)據(jù)傳輸延遲和丟包情況下，輪轂電機的響應(yīng)仍能跟隨主控制器指令，輪轂電機的控制過程不受少量數(shù)據(jù)延遲和丟包的影響。

由實驗結(jié)果可知，采用預(yù)測控制和對局部數(shù)據(jù)插補的方法能夠降低外部負(fù)載擾動和數(shù)據(jù)錯誤對輪轂電機控制過程的影響，所設(shè)計的輪轂電機控制器具備良好的網(wǎng)絡(luò)指令跟蹤性能。

6　結(jié)語

從目前發(fā)展形勢看，網(wǎng)絡(luò)化獨立驅(qū)動可能是電動汽車發(fā)展的終極結(jié)構(gòu)形式。本文給出了一類網(wǎng)絡(luò)化輪轂電機控制器設(shè)計方案，針對輪轂電機網(wǎng)絡(luò)化運行時出現(xiàn)的負(fù)載擾動和數(shù)據(jù)傳輸錯誤，采用預(yù)測校正來抑制電機運行過程中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動，利用數(shù)據(jù)趨勢對指令進行預(yù)測，補償網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)據(jù)延遲和丟包,獲得了良好的控制性能。研究結(jié)果可為電動汽車獨立驅(qū)動控制研究打下基礎(chǔ)，同時也可為其他類似的網(wǎng)絡(luò)化運動控制器的設(shè)計提供借鑒。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Study on Networked Controller of Hub Motor

Chen PengzhanZhang Yongxian

East China Jiaotong University,Nanchang,330013

By analyzing the requirements of wheel motor control of four-wheel independent drive electric vehicle,a networked hub motor controller was designed with FlexRay bus interface;the hardware and software structure and communication protocols of the controller were put forward.Generalized predictive control strategy was applied to correct control parameters of the speed loop of hub motor and to eliminate the load disturbances in the control process.By real-time instruction predicting,data missing caused by packet loss or transmission delay were compensated.A testing platform was built, employing instruction mutation,load disturbances and packet loss condition simulation the performance of the proposed networked hub motor controller was tested.Experimental results show that predictive control strategy and real-time instruction forecasting can make hub motor control system to obtain accurate and stable control performance.

hub motor;FlexRay bus;generalized predictive control;instruction prediction

2013-06-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(61164011);江西省自然科學(xué)基金資助項目(20114BAB201023)

U463.3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.013

陳鵬展,男,1975年生。華東交通大學(xué)電氣學(xué)院副教授、博士。研究方向為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、汽車電子控制、伺服驅(qū)動控制。發(fā)表論文20余篇。張永賢，男，1975年生。華東交通大學(xué)電氣學(xué)院副教授。