CN109130889B - 多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统及调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统及调度方法,系统包括车辆控制器、多个驱动电机控制器、多个传感器节点及CAN总线；车辆控制器的接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，输出端与控制器模块连接；控制器模块的输入端同时又与时钟驱动模块和调度策略模块相连，输出端与发送模块连接；调度器模块的输入端同时与时钟驱动模块和调度策略模块相连，输出端与发送模块连接；发送模块通过CAN协议网络与车辆的各驱动电机控制器、传感器节点连接。本发明可提高多车轮协同驱动控制的实时性、同步性及确保时序正确，为确保多轴分布式驱动车辆的动力性及安全性提供技术支持。

Description

多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统及调度方法
技术领域
本发明涉及多轴分布式驱动电动车辆的控制技术及系统，具体为多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统及调度方法。
背景技术
多轴分布式驱动电动车辆是指具有2个以上驱动轴且各驱动车轮由电机分别独立驱动的新构型车辆。由于电机具有较快的力矩响应能力和较高的力矩控制精度，多轴分布式驱动电动车辆具有各驱动车轮转矩灵活可控的优势，从而在车辆动力性能提升、底盘控制及节能方面拥有了很大潜力。当前多轴分布式驱动电动车辆的优势及开发已经引起了人们的重视，尤其在重型工程机械、大型公交车辆及特种机动车辆领域具有很大需求；对于采用了多轴分布式驱动的电动车辆，通过合理分配轴间及左右侧电机的力矩输出，可以实现车辆动力性能及驱动效率的优化、同时又可以实现车轮主动防滑、增强车辆的操纵性和稳定性，从而提高车辆的综合性能及性价比，已成为新的研究热点。
然而，另一方面，多轴分布式驱动电动车辆要实现车轮力矩的合理分配，工程实现中相比传统汽车，需要采集大量的车辆及车轮信息，比如车速、加减速/转向指令、轮速等，并通过合理的控制和分配策略计算产生车轮力矩命令，再将车轮力矩命令分发到各驱动电机实施动力及运动控制。各电子部件之间的合理通信及控制功能的有效集成成为新的技术挑战。为了处理各电子单元之间大量状态/命令信息的实时交换、实现电子控制功能的有效集成，CAN协议车载总线(简称CAN总线)通常被用作通信手段。CAN总线的使用一方面为通信及集成提供了便捷的数据交互能力，但同时又不可避免地引入新的问题，诸如信息传输的随机延时大、信息传输的同步性差及信息传输时序错乱等问题。这些问题不可避免地会降低多轴分布式驱动车辆力矩分配的控制性能，影响车辆的动力性及安全性。目前，现有的分布式驱动车辆CAN总线研究成果大多聚焦于解决CAN协议网络诱导延时与带宽利用率问题，无法满足多轴分布式驱动电动车辆的实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统及调度方法，有效解决CAN总线诱导的信息传输随机延时大、同步差及时序错乱问题，提高多车轮协同驱动控制的实时性、同步性及确保时序正确，为确保多轴分布式驱动车辆的动力性及安全性提供技术支持。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统，包括车辆控制器、多个驱动电机控制器、多个传感器节点(或含在MCU、ABS、EPS及BMS中)及CAN总线；所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、调度器模块、时钟驱动模块、调度策略模块和发送模块；
所述接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，并接收驾驶员指令，接收模块的输出端与控制器模块连接；所述控制器模块的输入端同时又与时钟驱动模块和调度策略模块相连，接受时钟驱动模块和调度策略模块的共同管理，控制器模块的输出端与发送模块连接；所述调度器模块的输入端同时与时钟驱动模块和调度策略模块相连，接受时钟驱动模块和调度策略模块的共同管理，调度器模块的输出端与发送模块连接；发送模块通过CAN协议网络与车辆的各驱动电机控制器、传感器节点连接。
进一步地，所述时钟驱动模块通过产生周期性触发信号的方式对控制器模块与调度器模块进行管理。所述调度策略模块使用柔性实时调度方法实现对控制器模块与调度器模块的柔性实时通信管理。
所述的多轴分布式驱动电动汽车的网络化控制系统的调度方法，包括以下步骤：
S1.车辆的多个传感器节点实时采集车辆及车轮状态信息，通过CAN协议网络传输给接收模块；
S2.接收模块将实时的车辆/车轮状态信息与加速及转向信号一起传输给控制器模块；
S3.在时钟驱动模块和调度策略模块管理下，控制器模块利用加速及转向指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆及车轮状态信息，依据驱动、防滑及节能策略，计算产生力矩控制命令以及实现力矩在轴间及左右侧电机的分配，并传输给发送模块；
S4.在时钟驱动模块和调度策略模块管理下，调度器模块在线计算产生调度命令，并传输给发送模块；
S5.发送模块通过CAN协议网络，一方面将力矩控制命令实时传输给车辆的各个驱动电机控制器节点，控制电动汽车动作，另一方面将调度命令广播给各网络节点，实现网络节点通信的柔性实时调度管理。
进一步地，调度策略模块所述调度策略采用多个基本周期实现，所述柔性实时调度管理是指在基本周期内信息的发送仍采用CAN协议的载波监听访问机制(CSMA)，保证通信行为的灵活性即柔性实时管理。
进一步地，所述基本周期的设计应满足以下调度不等式：
∑[max(Tmessage)]＜Tbase-cycle
其中，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，Tbase-cycle为基本周期时间长度。
进一步地，所述调度策略中的基本周期分为发送状态信息的基本周期(简称状态基本周期)与用于发送命令的基本周期(简称命令基本周期)，且状态基本周期先于命令基本周期，以实现正确的反馈控制时序。
本发明的有益效果是：采用时钟驱动模块和调度策略模块协同的柔性实时调度管理方法，可以有效降低信息传输的随机延时，保证信息传输的同步性，且通过状态基本周期与命令基本周期的顺序管理，确保了信息传输的时序正确，可提高多轴分布式驱动车辆多电机协同驱动控制的实时性、同步性及时序性，改善车辆动力性能及安全。
附图说明
图1为本发明的装置原理框图；
图2实施例中多轴分布式驱动电动车辆力矩分配执行解析图；
图3为依据本发明所提出的调度策略所设计的调度表实例；
图4为采用传统控制方案的网络化控制执行效果图；
图5为采用本发明所提控制方案的网络化控制执行效果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，多轴分布式驱动电动汽车的网络化控制系统，包括车辆控制器、多个驱动电机控制器、多个传感器节点(如包含在各个MCU中各轮速传感器节点、包含在EPS中的转向角度传感器节点、包含在ABS中的制动踏板传感器节点及包含在BMS中功率传感器节点等)；所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、调度器模块、时钟驱动模块、调度策略模块和发送模块。
所述接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，并接收驾驶员指令，接收模块的输出端与控制器模块连接；所述控制器模块的输入端同时又与时钟驱动模块和调度策略模块相连，接受时钟驱动模块和调度策略模块的共同管理，控制器模块的输出端与发送模块连接；所述调度器模块的输入端同时与时钟驱动模块和调度策略模块相连，接受时钟驱动模块和调度策略模块的共同管理，调度器模块的输出端与发送模块连接；发送模块通过CAN协议网络与车辆的各驱动电机控制器、传感器节点连接。
其中，所述时钟驱动模块通过产生周期性触发信号的方式对控制器模块与调度器模块进行管理。所述调度策略模块使用柔性实时调度方法实现对控制器模块与调度器模块的柔性实时通信管理。
所述的多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统的调度方法，包括以下步骤：
S1.车辆的多个传感器节点实时采集车辆及车轮状态信息，通过CAN协议网络传输给接收模块；
S2.接收模块将实时的车辆/车轮状态信息与加速及转向信号一起传输给控制器模块；
S3.在时钟驱动模块和调度策略模块管理下，控制器模块利用加速及转向指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆及车轮状态信息，依据驱动、防滑及节能策略，计算产生力矩控制命令以及实现力矩在轴间及左右侧电机的分配，并传输给发送模块；
S4.在时钟驱动模块和调度策略模块管理下，调度器模块在线计算产生调度命令，并传输给发送模块；
S5.发送模块通过CAN协议网络，一方面将力矩控制命令实时传输给车辆的各个驱动电机控制器节点，控制电动汽车动作，另一方面将调度命令广播给各网络节点，实现网络节点通信的柔性实时调度管理。
进一步地，所述调度策略采用多个基本周期实现，所述柔性实时调度管理是指在基本周期内信息的发送仍采用CAN协议的载波监听访问机制(CSMA)，保证通信行为的灵活性即柔性实时管理。
进一步地，所述基本周期的设计应满足以下调度不等式：
∑[max(Tmessage)]＜Tbase-cycle
其中，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，Tbase-cycle为基本周期时间长度。
进一步地，所述调度策略中的基本周期分为发送状态信息的基本周期(简称状态基本周期)与用于发送命令的基本周期(简称命令基本周期)，且状态基本周期先于命令基本周期，以实现正确的反馈控制时序。
在本申请的实施例中，以5轴10电机分布式驱动电动车辆网络化控制系统结构为例，该电动车辆的控制系统包括1个车辆控制器、10个驱动电机节点、10个转速传感器节点(注：实际应用中，转速传感器节点和驱动电机节点可集成在电机控制器节点总成中)、转向传感器节点(实际应用中转向信息可来自EPS，通过CAN总线传输)、制动踏板开度传感器节点(实际应用中，该信息可来自ABS，通过CAN总线传输)、电池的功率传感器节点(来自BMS，通过CAN总线传输)以及CAN网络等。车辆控制器通过CAN网络采集10个电机传感器节点的转速信号及驾驶员指令信息，并根据获得的车辆/车轮状态信息，依据车辆动力学控制要求及相应的控制策略计算产生力矩控制命令，再通过CAN网络将计算所得的力矩控制命令发送给10个驱动电机执行器节点。
图2为实施例多轴分布式驱动电动车辆力矩分配执行解析图，5轴10轮分布式驱动电动车辆执行力矩分配的过程为：首先，10个电机转速传感器采集当前电机的转速信号，并通过CAN网络发送给车辆控制器，车辆控制器的接收模块接收到10个电机转速信号以及驾驶员指令之后，依据车辆动力学控制要求及相应的力矩分配策略计算产生力矩控制命令，再通过CAN网络将10个电机的转矩命令发送给电机控制器执行转矩命令，实现的车辆的驱动控制，诸如检测到某轴车轮打滑或滑转，则将该轴电机力矩降低、分配给其它轴电机；或者检测到某侧车轮打滑或滑转，则将该侧电机力矩降低、分配给其它侧相应电机，由此实现车辆动力性能及安全性的提升。为了完成上述驱动过程并保证车辆行驶安全，须保证以下三点：第一保证各电机从转速检测到转矩命令实施反馈闭环控制的实时性，第二必须保证10个电机之间运动检测及转矩命令实施的同步性，第三必须保证各电机状态信息与控制命令信息的正确时序。因此，由CAN总线诱导的信息传输随机延时、不同步及时序错乱问题必须得到有效抑制，才能有效改善多轴分布式驱动电动车辆的动力性能与安全性能。
按照本发明的技术方案，控制器模块在处理力矩控制命令时接受调度策略模块和时钟驱动模块的管理。同时其他传感器和执行器节点在执行任务时接受调度策略模块发送的调度命令管理，通过控制与调度协同效应，可保证状态信息和命令信息传输的实时性、同步性及正确时序，进而有效保证车轮驱动控制的实时性、同步性及时序性；工程中车辆控制器可以采用内部集成CAN模块的16位及以上微控制器芯片实现。
如图3所示，为依据本发明对本实例所提出的调度策略，调度策略基于基本周期实现。在本实例中，设置CAN总线波特率为500kbps，系统采样周期为20ms，基本周期设置为10ms，每个采样周期包含状态基本周期和命令基本周期，其中在状态基本周期内完成采样信息传输的管理，在命令基本周期内完成命令信息传输的管理。
根据CAN2.0B规定的消息帧格式，扩展帧长度计算公式为：
Figure BDA0001834524980000051
可知扩展帧长度最长可为160位。在本例中，CAN通信速率设置为：250kbits/s，状态基本周期内要完成1条调度命令数据帧和13条状态信息的发送，发送14条数据帧所需时间：
Figure BDA0001834524980000052
即，本实例中基本周期满足调度不等式∑[max(Tmessage)]＜Tbase-cycle。同时命令基本周期内要完成1条调度命令数据帧和5条命令信息的发送，发送6条数据帧所需时间：
Figure BDA0001834524980000061
即，本实例中基本周期满足调度不等式∑[max(Tmessage)]＜Tbase-cycle。
图4～5为传统方法与本发明实施例中的网络化控制执行效果解析图对比图，其中图4为采用传统控制方案(未采用调度器)的网络化控制执行效果图，图5为采用本发明所提控制方案的网络化控制执行效果图。对比可知，本发明所提方案有效地解决了网络信息发送延时大、同步性差及时序错乱问题。而传统方案存在较大的随机延时、不同步性和状态命令信息错乱问题。综上，所提方案在确保多轴分布式驱动车辆车轮驱动控制的实时性、同步性及时序方面，具有明显的技术优势，可为多轴分布式驱动电动汽车的实时同步可靠控制提供技术支撑。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之上所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统，其特征在于：包括车辆控制器、多个驱动电机控制器、多个传感器节点及CAN总线；
所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、调度器模块、时钟驱动模块、调度策略模块和发送模块；
所述接收模块的输入端通过CAN协议网络与各个传感器节点连接，并接收驾驶员指令，接收模块的输出端与控制器模块连接；
所述控制器模块的输入端又分别与时钟驱动模块和调度策略模块相连，接受时钟驱动模块和调度策略模块的共同管理，控制器模块的输出端与发送模块连接；
所述调度器模块的输入端分别与时钟驱动模块和调度策略模块相连，接受时钟驱动模块和调度策略模块的共同管理，调度器模块的输出端与发送模块连接；
发送模块通过CAN协议网络与车辆的各驱动电机控制器、传感器节点连接；
所述时钟驱动模块通过产生周期性触发信号的方式对控制器模块与调度器模块进行管理；所述调度策略模块使用柔性实时调度方法实现对控制器模块与调度器模块的柔性实时通信管理。
2.根据权利要求1所述的多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统的调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.车辆的多个传感器节点实时采集车辆及车轮状态信息，通过CAN协议网络传输给接收模块；
S2.接收模块将实时的车辆/车轮状态信息与加速及转向信号一起传输给控制器模块；
S3.在时钟驱动模块和调度策略模块管理下，控制器模块利用加速及转向指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆及车轮状态信息，依据驱动、防滑及节能策略，计算产生力矩控制命令以及实现力矩在轴间及左右侧电机的分配，并传输给发送模块；
S4.在时钟驱动模块和调度策略模块管理下，调度器模块在线计算产生调度命令，并传输给发送模块；
S5.发送模块通过CAN协议网络，一方面将力矩控制命令实时传输给车辆的各个驱动电机控制器节点，控制电动汽车动作，另一方面将调度命令广播给各网络节点，实现网络节点通信的柔性实时调度管理。
3.根据权利要求2所述的多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统的调度方法，其特征在于：所述调度策略模块的调度策略采用多个基本周期实现，在基本周期内信息的发送仍采用CAN协议的载波监听访问机制，保证通信行为的灵活性。
4.根据权利要求3所述的多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统的调度方法，其特征在于：所述基本周期的设计应满足以下调度不等式：
∑[max(Tmessage)]＜Tbase-cycle
其中，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，Tbase-cycle为基本周期时间长度。
5.根据权利要求3或4所述的多轴分布式驱动电动车辆的网络化控制系统的调度方法，其特征在于：所述调度策略中的基本周期分为发送状态信息的基本周期与用于发送命令的基本周期，分别简称状态基本周期、命令基本周期，且状态基本周期先于命令基本周期，以实现正确的反馈控制时序。
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