陈鹏展　张永贤

华东交通大学,南昌,330013

轮毂电机网络化控制器研究

陈鹏展张永贤

华东交通大学,南昌,330013

对四轮独立驱动汽车中轮毂电机的控制需求进行分析,设计了一种具有FlexRay总线接口的网络化轮毂电机控制器,给出了控制器的软硬件结构和通信协议; 采用广义预测控制策略对轮毂电机速度环控制参数进行校正,以消除负载扰动对轮毂电机控制过程的影响,通过对指令数据进行实时预测,补偿传输过程中的延迟和丢包带来的数据缺失;构建了测试平台,通过模拟指令突变、负载扰动及数据丢包等工况,对所设计的网络化轮毂电机控制器性能进行评估。实验结果表明,预测控制策略和指令实时预测能使轮毂电机控制系统获得准确稳定的控制性能。

轮毂电机;FlexRay总线;广义预测控制;指令预测

0　引言

相较于内燃机动力汽车，电动汽车更容易实现驱动形式的多样化[1]。其中,将驱动电机安装在各轮毂上直接驱动车轮,并以各轮毂电机分散驱动为特征的独立驱动电动汽车,在底盘结构、传动效率和控制性能等方面均具有独特的技术优势,已成为电动汽车发展的一个重要方向[2]。

轮毂电机控制器是独立驱动电动汽车的核心部件[3]。在独立驱动电动汽车行驶过程中,轮毂电机控制器接收来自车辆主控制器的指令,驱动轮毂电机运行,使电动汽车按驾驶者意图行驶，同时将轮毂电机的运行状态不断反馈给车辆主控制器，以便主控制器能对车辆的运行工况做出判断,因此,轮毂电机控制器的性能影响着电动汽车行驶过程的稳定性与精度。卢东斌等[3]采用多模式控制策略来完成轮毂电机的控制过程,多模式控制虽然能使轮毂电机获得稳定的控制性能，但由于在不同速度段采用不同的控制策略，会导致控制过程的复杂程度提高,并降低控制过程的稳定性;Ren等[4]设计了采用自整定结构的轮毂电机控制器,通过自整定可使轮毂电机获得较好的控制性能,但却无法有效消除轮毂电机运行过程中负载扰动对控制过程的影响。稳定的轮毂电机控制策略是保证独立驱动电动汽车高效可靠行驶的关键。

为了使轮毂电机在行驶过程中始终与其他轮毂电机保持运行同步，轮毂电机控制器需要实时与电动汽车中的其他控制器交换信息。采用网络化方案可以提高轮毂电机控制器的信息交换效率，降低电动汽车中各类控制器之间电气连接的复杂程度。网络化方案已在独立驱动电动汽车中得到应用, 目前大多采用CAN总线通信方式。为了使网络化独立驱动电动汽车具有良好的操控性能，必须选用实时高速通信网络作为独立驱动电动汽车的数据传输通道，通过对网络环境中轮毂电机控制器的运行特性与控制需求进行分析，获得电机高性能驱动和网络化多电机高可靠并行运行的最优设计方案,以满足网络化独立驱动电动汽车行驶驱动的需要。

1　轮毂电机网络化控制需求分析

在网络化独立驱动电动汽车行驶过程中，车辆主控制器基于获得的轮毂电机运行状态信息，结合采集到的车辆转向信号、制动踏板信号、油门踏板信号，做出对车辆行驶状态和驾驶者操控意图的判断，根据车辆控制算法计算得到各轮毂电机的目标速度，并通过网络将目标速度发送给各轮毂电机控制器。

轮毂电机通过车辆主控制器的控制指令进行响应，使电动汽车按驾驶者的操控意图行驶。为保证轮毂电机指令响应的正确性和实时性，轮毂电机控制器应具备以下特性:①实时高速的数据通信接口。轮毂电机控制器应具有高可靠、高速率的数据通信接口，以保证轮毂电机控制器能在确定的通信周期内正确接收到车辆主控制器速度指令。②快速准确的速度控制性能。只有当电动汽车中所有的轮縠电机都能快速准确地对车辆主控制器的指令进行响应时，才能保证电动汽车按正确的路线轨迹行驶。③高可靠性。为了保证电动汽车安全行驶，电动汽车的各组成部件均应具有高可靠性[5]。轮毂电机控制器应具有良好的可靠性,不仅应能够长期稳定运行，而且能对运行过程中的误操作及相关器件失效进行准确判断和完善保护。

为了获得高性能的轮毂电机控制器设计方案，首先应确定网络化轮毂电机控制器硬件设计方案，包括选择高速实时的网络通信方案，构建可靠稳定的硬件平台等，以保证控制器在运行过程中的可靠性与稳定性。在完成控制器软硬件平台设计后，应设计强实时、高可靠的软件结构，并研究轮毂电机速度控制策略和网络通信错误补偿策略，以保证网络环境中轮毂电机控制过程的实时性和准确性。

2　控制器软硬件平台设计方案

2.1控制器硬件结构

根据网络化轮毂电机的控制需求分析,设计了一类轮毂电机控制器硬件平台，主要由微处理器、总线接口电路、位置传感器接口、电流传感器接口、驱动电路、MOSFET逆变电路组成，其结构框图见图1。

图1　轮毂电机控制器硬件结构框图

为了保证控制器在进行算法处理过程中的效率和精度，应选择具有高速数据处理及浮点计算能力的微处理器作为控制器的处理核心。通过对多种类型的微处理器性能进行比较，控制器选用了ST公司的32位内核的ARM微处理器STM32F407VGT6作为控制器的处理核心,该微处理器集成单周期数字信号处理和浮点运算指令,最高数据处理能力达到每秒210 DMI(百万机器语言指令)。高速的数据处理能力能使轮毂电机控制算法得以实时执行,同时,该微处理器内部集成有丰富的外设资源,可减少控制器外围硬件电路,提高系统可靠性。

全桥驱动拓扑易于使轮毂电机获得更快的响应[4],而且能够实现对电动汽车行驶过程中的制动能量进行回馈,因此,控制器中采用电压型三相全桥电路驱动的功率逆变电路，通过控制各桥臂功率MOSFET的导通和关断，可实现轮毂电机四象限运行。

考虑到可靠性、实时性及通信带宽等因素，独立驱动电动汽车选用了FlexRay总线作为控制器网络连接方案。FlexRay总线具有高速、高可靠及安全的特点，其通信速率可达到每秒20 Mbit[6]。采用FlexRay总线不仅可以简化独立驱动电动汽车中的网络拓扑结构，而且能使电动汽车的网络通信过程更具稳定性和可靠性。轮毂电机控制器选用了Infineon公司的总线控制芯片CIC310来完成FlexRay总线的通信过程,通过DMA方式实现总线控制器与微处理器之间的数据交换，同时采用NXP公司的TJA1080作为总线收发器，实现与FlexRay总线的接口。

为使控制器能够长期可靠安全运行，轮毂电机控制器选用了具有自保护功能的智能功率器件，并在选型过程中考虑了功率管参数指标的冗余，在电路中采取了多重故障检测与保护措施。

2.2控制器软件体系

综合考虑可靠性、实时性及便利性等因素，采用了汽车级嵌入式系统OSEK作为轮毂电机控制器的软件平台。OSEK是性能优良的实时操作系统，具有执行效率高、实时性能优良等特点[7],采用OSEK操作系统易于对控制器中不同的控制功能进行分类和模块化。轮毂电机控制器软件包含硬件驱动、实时内核、应用接口、系统任务和中断服务程序等部分，如图2所示。

图2　轮毂电机控制器软件体系

为了保证控制器中某些控制功能操作的实时性，在软件设计过程中采用中断机制来完成严格实时性要求事件的处理过程，如电流控制过程、网络数据接收过程、PWM信号产生及故障保护过程。对实时性要求不高事件的处理过程，如速度控制过程、再生制动控制过程以及总线发送数据变量复制过程，均可通过在OSEK操作系统开辟独立的任务进程实现。

控制器在完成控制器硬件初始化过程后，开放系统中断，并启动实时内核OSEK，通过应用接口开辟不同任务循环，通过任务调度和中断来触发对各类事件的处理过程，既保证了控制器响应过程的实时性，同时也使系统的软件维护升级过程更为容易。

2.3通信协议及通信流程

电动汽车中各FlexRay网络节点均按固定的周期通信,为了保证电动汽车运行控制的实时性,设定FlexRay总线的消息帧循环周期为20 ms。轮毂电机控制器需要在每个通信周期内接收车辆主控制器发出的控制指令,并将电枢电流、反馈转速、编码器数据、负载估算结果、故障代码等数据发送给车辆主控制器,控制器之间采用总线消息帧来传送状态信息与控制指令。

FlexRay总线消息帧包含帧头段、数据段和帧尾段三个部分[6],其中数据段长度可变,需根据电动汽车运行中的信息传输内容确定具体长度。为了能通过单帧消息完成控制器运行状态全部数据的发送,需对FlexRay总线消息帧进行适当编码。

综合考虑数据表示精度和数据传输效率,确定轮毂电机控制器发送的FlexRay消息帧中数据段的长度为30个字节。其中,工作模式、电枢电流、目标转速、反馈转速、负载估算结果及故障代码均占用2个字节,指令序号、电机编码器位置占用4个字节,预留12个字节给后续应用。数据帧中电流、转速和负载数据采用12Q4格式，整数部分占用11位，小数部分占用4位，符号占用1位，数据表示范围为:-2048.9375～2047.9375。

轮毂电机控制器的通信流程如下:控制器上电后，对通信控制器CIC310及发送定时器进行初始化,同时开放总线数据接收中断与定时器中断,并对中断进行实时监测。当监测到发送定时器中断后,将发送变量写入通信控制器,等待总线控制器的发送完成标志，在完成数据发送过程后退出发送定时器中断处理过程，并等待下一次发送定时器中断，以此实现轮毂电机控制器的总线数据发送过程。

轮毂电机控制器的总线数据接收过程如下：当监测到数据接收中断时，控制器立即进入中断处理过程，将接收缓存区中的相关数据复制到对应的过程变量，以得到速度指令作为速度控制环下一周期的目标值，在变量复制完毕后，清除接收中断标志，退出数据接收中断处理，等待下一次数据接收中断。控制器通过中断的方式来触发总线数据的接收发送过程，可以保证总线通信过程的准确性和实时性。

3　速度环复合控制

轮毂电机控制器在接收到速度指令后，通过速度电流双闭环控制结构，使轮毂电机对速度指令进行跟踪响应。轮毂电机的速度环常采用PI控制结构,它将速度指令值与速度反馈值进行比较,差值经PI调节器计算得到电流给定值,再利用电流控制环对轮毂电机电磁转矩进行调整,使轮毂电机速度输出跟随指令变化。

PI控制结构对被控对象模型不敏感，当被控对象的模型发生变化时会导致轮毂电机控制性能下降。在电动汽车实际行驶过程中，轮毂电机的运行工况时常会发生变化，如路面摩擦因数的变化或车辆行驶中的阻力变化，这些变化都可归结为轮毂电机运行过程中的负载转矩扰动。负载转矩扰动会降低轮毂电机的控制性能和同步精度，从而影响车辆行驶的性能与安全。

为了保证轮毂电机运行响应的稳定性，必须设计合适的控制策略，对轮毂电机运行过程中的扰动进行抑制。广义预测控制策略具有较好的扰动抑制能力，但它在控制过程中可能会发生超调和失稳[8]。结合广义预测和PI两种控制结构的优点，可在轮毂电机速度控制主回路中采用PI控制结构，同时利用广义预测控制对PI控制结构中的速度环控制参数进行在线校正，以抑制轮毂电机运行过程中的负载转矩扰动。复合控制结构如图3所示。

图3　轮毂电机速度环复合控制结构

速度控制环被控对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为离散系统系列值;v、I分别为速度输出和电流输入;ξ为均值为零、方差为σ2的白噪声;C(z-1)为噪声模型状态方程;Δ为差分算子,Δ=1-z-1;A(z-1)=1+a1z-1+…+anaz-na,na为速度输出阶次;B(z-1)=b0+b1z-1+…+bnbz-nb,nb为电流输入阶次;a1、a2、…、ana，b1、b2、…、bnb为待定系数。

根据广义预测控制策略,可对轮毂电机的速度输出进行预测[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)

建立速度输出预测的二次型性能指标：

(3)

式中,E为速度预测输出的综合加权误差;q、λ分别为速度输出预测误差与电流控制增量加权系数;w为速度参考信号。

PI控制结构的增量公式为

(4)

式中,e(k)为速度控制误差;v(k)为速度反馈输出;Tc为采样时间;ks、Ts为PI调节器参数。

令

(5)

可得

Z(z-1)v(k)+ΔI(k)-Z(1)w(k)=0

(6)

对式(3)表示的二次型指标求偏导，即为电机速度控制过程最优运行方向：

(7)

式中,pj为速度输出预测的二次型性能指标的偏导。

定义常量

(8)

则式(7)可变形为

(9)

对比式(6)、式(9),当式(10)成立时,PI控制结构中控制参数能使速度控制过程按照最优方向运行,即

(10)

令

(11)

式中,k1、k2为等价系统系数。

由式(5)、式(11)可得出速度控制环最优控制参数计算公式：

(12)

根据式(12)对轮毂电机速度控制参数进行在线调整，使其对运行过程中的负载转矩进行抑制,以保持控制过程的稳定。

广义预测与PI复合控制结构既可使轮毂电机控制器具有良好的控制稳定性，又使其具备对外部转矩的扰动抑制能力。

4　基于变化趋势的指令预测

在网络化环境中，轮毂电机控制器一般能在约定的时刻接收到车辆主控制器发出的速度指令,并将接收到的速度指令作为下一次控制周期中的目标值。当网络通信过程中发生数据包丢失、传输延迟等情况时，轮毂电机控制器无法在约定的时刻接收到来自车辆主控制器的指令数据，轮毂电机的速度响应输出与控制器指令之间会存在较大偏差。

轮毂电机的速度目标值来自于车辆主控制器的算法模型计算结果。主控制器的算法模型计算周期、网络通信周期和轮毂电机控制周期一般均在20 ms左右,相对于主控制器计算周期、网络通信周期和轮毂电机控制周期，驾驶者的动作可被视为是连续的，可以推测，车辆主控制器计算得到的轮毂电机速度目标值在一定范围内是连续的，并具有规律性。

若能获得局部范围内轮毂电机速度目标值计算结果的规律，并通过某种形式对这种规律进行描述，则可利用规律对下一时刻的速度指令值进行预测[10]。如图4所示，可通过获取已知数据点的变化规律对下一数据进行预测。这种指令数据外延预测方法因在局部范围内代表了数据的趋势和规律，具有一定的正确性。

图4　基于趋势的数据预测

综合考虑数据计算量和拟合精度，采用二次型公式对主控制器指令中的局部数据变化规律进行描述。假设指令数据的变化规律二次型公式为

(13)

(14)

(15)

(16)

解方程组式(16),可得预测公式系数：

(17)

为了消除发生数据传输错误时对轮毂电机控制器性能的影响，可在控制器运行过程中实时对速度指令值进行预测。当控制器能在约定的时刻准确接收到车辆主控制器发出指令数据时，以接收的数据作为下一周期目标值；否则,以预测结果作为指令目标，并将预测结果视为数据接收值，进行下一轮预测循环。通过对控制指令进行循环预测可补偿因传输延迟和丢包造成的数据缺失。

5　控制器性能测试

轮毂电机控制器的性能应从以下几个角度进行评估：控制器的指令跟踪能力、负载扰动的抑制能力以及网络数据丢包、延迟的补偿能力。研究过程中选用了一台额定功率为1500W的电动汽车轮毂电机作为验证对象,其额定转矩为40N·m,额定转速为650r/min，额定电压为DC48V,电机转子磁极数为16。为了便于对轮毂电机控制器性能进行测试，构建了控制器性能测试系统,其示意图见图5。

图5　轮毂电机控制器实验台架

测试系统中使用计算机来模拟独立驱动电动汽车的车辆主控制器；选择Vector公司的VN3600总线接口卡与轮毂电机控制器进行连接，构成FlexRay通信网络；采用联轴器与一台同步电机连接,并使同步电机处于力矩工作模式，通过对同步电机的输出力矩进行调节，模拟轮毂电机行驶中受到的外部力矩扰动；利用光电测速仪对轮毂电机的实际转速进行测试。

为了验证控制器的指令跟踪性能，通过PC机发出加速、恒速、减速、正弦加减速等速度指令，模拟轮毂电机控制器在运行过程中可能的指令形式，并通过测速仪对轮毂电机的实际转速进行测试，得到结果如图6所示。从图6中可以看出，对于各种速度指令形式，轮毂电机都能迅速准确地进行响应，能够满足电动汽车行驶驱动要求。

图6　轮毂电机变化速度响应输出

为了验证轮毂电机控制器对外部扰动转矩的抑制能力，通过计算机给同步电机控制器发出变化的力矩指令，模拟电动汽车行驶过程中的变化扰动力矩，在时间点t为3,13,23,33s时对电机施加不同方向、恒幅值的突变力矩，在时间点t为43,53s时对系统施加随机扰动力矩，观察轮毂电机在不同外部转矩扰动作用下的速度响应，结果如图7所示。

图7　存在转矩扰动时的速度响应

根据实验结果可以看出，虽然轮毂电机在外部力矩的施加和释放瞬时的速度响应存在瞬态波动，但随即恢复稳定的速度响应输出，具备良好的扰动抑制能力。

为了验证系统在网络延时和数据丢包时的性能，通过程序设置，屏蔽计算机在时间点t为3,13,23,33s时的网络输出,观察轮毂电机控制器的响应及网络指令实时预测结果,如图8所示。

图8　存在数据丢包时的速度响应

从实验结果可知,利用二次型局部数据预测方法能较好地逼近原数据指令，在存在数据传输延迟和丢包情况下，轮毂电机的响应仍能跟随主控制器指令，轮毂电机的控制过程不受少量数据延迟和丢包的影响。

由实验结果可知，采用预测控制和对局部数据插补的方法能够降低外部负载扰动和数据错误对轮毂电机控制过程的影响，所设计的轮毂电机控制器具备良好的网络指令跟踪性能。

6　结语

从目前发展形势看，网络化独立驱动可能是电动汽车发展的终极结构形式。本文给出了一类网络化轮毂电机控制器设计方案，针对轮毂电机网络化运行时出现的负载扰动和数据传输错误，采用预测校正来抑制电机运行过程中的负载转矩扰动，利用数据趋势对指令进行预测，补偿网络传输中的数据延迟和丢包,获得了良好的控制性能。研究结果可为电动汽车独立驱动控制研究打下基础，同时也可为其他类似的网络化运动控制器的设计提供借鉴。

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(编辑苏卫国)

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

国家自然科学基金资助项目(61164011);江西省自然科学基金资助项目(20114BAB201023)

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

陈鹏展,男,1975年生。华东交通大学电气学院副教授、博士。研究方向为网络控制系统、汽车电子控制、伺服驱动控制。发表论文20余篇。张永贤，男，1975年生。华东交通大学电气学院副教授。