CN105522935B - 电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置 - Google Patents

电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电动汽车的控制装置，具体为电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，包括比较模块、应用驱动模块、切换模块、各个任务策略库和综合模块，各个任务策略库又包含控制器模块和调度器模块；比较模块通过CAN协议网络与车辆的传感器连接，还与切换模块连接；应用驱动模块通过CAN协议网络与车辆的传感器连接，应用驱动模块还与切换模块连接；切换模块与任务策略库连接；控制器模块与综合模块连接；调度器模块与综合模块连接；综合模块通过CAN协议网络与车辆的执行器连接。本发明提供的电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，可以满足多种任务的不同实时性和数据传输频率需求，在保证***性能的同时也降低了总的数据传输量。

Description

电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置
技术领域
本发明涉及电动汽车的控制装置，具体为电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置。
背景技术
当前电动汽车的发展与推广已经引起了人们的重视，但其续驶里程、行车安全和成本等方面的问题仍有待进一步解决。随着汽车集成控制理论、电机控制技术、汽车电子技术和车载网络技术的发展，一类致力于提高电动汽车能源效率、行车安全以及综合性价比的多任务切换式集成控制类技术研究获得了较快发展。借助于电机***具有较快的响应能力和较高的控制精度，这些新的多任务切换式集成控制类技术近期获得了较大进展。C.Tseng等在文献(advanced shifting control of synchronizer mechanisms forclutchless automatic manual transmission in an electric vehicle,Mechanism andMachine Theory,2015.)中提出了一种电动汽车用无离合器式电机-变速箱集成控制技术，通过合理控制驱动电机输出的力矩和转速，依据不同的控制策略，可以实现电动汽车的经济模式驱动控制、动力模式驱动控制、自动变速控制、车辆巡航控制等多种应用功能的切换式集成运行，提高车辆综合性能和性价比。
为了实现电动汽车的多种应用功能切换式集成控制，通过CAN协议车载网络互连各控制单元是当前工程中常采用的技术手段。CAN协议车载网络的使用一方面为集成类控制提供了便捷的数据交互能力，但也会引入新的问题，诸如由于网络带宽受限、网络数据传输量大导致的网络诱导延时、***扩展能力差问题等。X.Zhu等在文献(Speedsynchronization control for integrated automotive motor-transmission power-train system with random delays，Mechanical Systems and Signal Processing,2015)中指出：CAN协议网络诱导延时将导致无离合器式电机-变速器集成***控制性能降低、甚至失稳。该文献针对网络诱导延时问题，提出了采用鲁棒控制的方法，一定程度上提高了***的稳定性。但鲁棒控制具有较大的保守性，不能有效改善***控制的动态性能；同时上述基于鲁棒控制的方法对网络延时本身的抑制和网络数据传输量的降低问题不关注，所以对于电动汽车控制性能的改善有限，也不利于车辆网络化控制***的扩展。现有的其它解决网络诱导延时影响的电动汽车网络化控制方法还有动态优先级法和模型预测法，虽然可以一定程度上改善***控制的实时性，但都不关注网络传输量降低及***扩展能力问题，尤其是模型预测法还需要事先建立***的精确模型，因此都具有一定局限性，也无法满足电动汽车的实际需要。
对于电动汽车，多种应用功能的切换式集成控制带来的好处一方面是提高了***的综合性能，另一方面也充分利用了各种传感器、控制器和执行器资源，特别是当多种应用功能使用同样的执行器、控制器或者传感器硬件时，而应用功能运行的切换主要是通过调用不同的软件策略来实现。值得注意的是，尽管使用了同样的硬件***，但不同应用功能对于***的状态采样频率、控制频率和实时性等的要求不同。以无离合器式电机-变速箱集成***控制为例，正常驾驶、巡航控制和自动换挡控制三种应用功能都需要对车速和电机转速采样并通过调整电机输出转矩实现，但三者对车速、电机转速信号采样和电机转矩控制作用的实时性和执行周期的要求是有较大差别的。传统的固定周期式采样和控制处理方法为了满足任务中实时性要求最高的任务，通常不得不采用较短的传输周期，这对于网络化控制***来说，将会导致网络资源占用率高企、数据传输量巨大、信息排队延时过长等问题；而在运行实时性相对较低的其它任务时如此频繁的采样是不必要的，大量采样数据和控制命令信号的频繁传输是对网络资源的严重浪费。因此固定周期的采样处理模式不能满足电动汽车多任务切换式集成控制的需求。
而现有的其他变周期式采样和控制处理方法，通常都是用于解决单任务***控制性能改善的方法，如基于控制性能反馈的变采样周期方法，并不适用于此类多任务切换式集成处理***。
现有电动汽车网络化控制方法都具有一定局限性，无法满足电动汽车多任务应用功能切换式集成网络化控制的应用要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种电动汽车用应用驱动切换式动态调节网络化控制装置，特别适用于网络带宽受限、多任务切换式集成处理，抑制网络诱导延时对多任务应用控制性能的影响，同时降低网络数据传输量、提高***的扩展能力。
具体的技术方案为：
电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，包括比较模块、应用驱动模块、切换模块、各个任务策略库和综合模块，其中各个任务策略库又包含控制器模块和调度器模块；
比较模块，通过CAN协议网络与车辆的传感器连接，比较模块还与切换模块连接；用于实现目标参数与实际参数的比较产生控制性能参数；
应用驱动模块，通过CAN协议网络与车辆的传感器连接，应用驱动模块还与切换模块连接，用于检测或者依据相应的策略完成应用功能请求的识别与管理。应用驱动模块负责识别和管理不同应用功能的请求，应用功能的请求包括由驾驶员直接下达的功能指令，如手动换挡开关指令，还有根据传感器输出的状态依据相应的策略自动产生的功能指令，如自动变速器在车速到达换挡时刻时自动发出换挡指令。
切换模块，与任务策略库连接，响应应用驱动模块的触发控制任务开关，选择具体的任务策略库，各个任务策略库的选择由切换模块动态管理，而切换模块的运行由应用驱动模块产生的应用申请结果触发。
控制器模块，与综合模块连接，根据控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生控制命令；
调度器模块，与综合模块连接，产生相应的发送周期和优先级调度命令；
综合模块，通过CAN协议网络与车辆的执行器连接，实现控制命令和调度命令的组合，并实现信息的网络发送。执行器采用事件触发模式接收处理并执行命令。
本发明提供的电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，通过应用驱动、策略切换模式，可以满足多种任务的不同实时性和数据传输频率需求，在保证***性能的同时也可以降低了总的数据传输量，非常有利于网络化控制***的扩展；同时应用驱动切换式方法，仅需要采集容易获得的状态和输入指令参数，不要建立***的精确模型，不需要进行大量的线下理论推导分析，算法简单、实用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例电动汽车驱动执行解析图；
图3为实施例网络化控制执行解析图。
具体实施方式
根据电动汽车多功能集成控制需求，采用应用驱动切换式动态调节方案，通过应用驱动模块基于驾驶员操作指令和***状态识别应用的启动，并触发切换模块工作，接着切换模块实现具体任务控制策略和调度策略的选取，保证各任务具有快速的响应特性，同时降低总的网络数据传输量。
结合附图，对本发明的实施进行详细的说明。
如图1所示，包括车速传感器、电机转速传感器以及驾驶员指令输入、车辆控制器、电机控制器、CAN网络以及其它节点，车辆控制器即为本发明提供的电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置。驾驶员指令输入直接由车辆控制本地采集，车速、转速传感器与电机控制器通过CAN与车辆控制器相连。工程中车辆控制器可以采用内部集成CAN模块的16位微控制器芯片实现；电机控制器可以实现电机转速传感器的采集，并通过CAN与车辆控制器交互；车速传感器则一般与车身控制器模块互连，并由车身控制器通过CAN与车辆控制器交互。需要注意的是，由于汽车的质量惯性较大，车速信号的变化相对电机转速要慢很多，因此对车速一般设置相对较大的采样周期，尤其是在换挡过程中，现有技术方案中通常假定车速不变。该电动汽车的驱动机械***配置如图2，包括驱动电机、变速齿轮箱、传动机构、驱动车轮、换挡电机、换挡传动机构以及换挡手柄、启动开关、踏板输入等。利用如此配置可以实现电动汽车的常规驾驶、定速巡航和无离合自动变速三种任务应用功能集成的驱动过程。
如图2所示，当变速齿轮正常啮合时即已经处于某档位时，车辆控制器将收集踏板输入、电机转速和车速信息计算获得电机转矩命令信号，实现按照驾驶员踏板输入驱动车辆的目的，此为常规驾驶驱动模式，此时车辆控制器的控制任务是主要应对驾驶员的踏板操纵。由于人的反应时间相对于车辆控制器要慢得多，此时车辆控制器可以使用相对较长的处理周期，如设置采样周期为200-100ms之间，且要求信息的传输延时被适度控制。
当车辆控制器检测到巡航按钮启动开关信号启动时，车辆控制器将收集当前车速、电机转速和实时车速信息计算获得电机转矩命令信号，实现按照巡航开关启动时的当前车速即目标车速驱动车辆，此为巡航控制驱动模式，此时车辆控制器的控制任务主要是保证实时车速维持在目标车速附近，此时尽管车辆控制器反应较快，但考虑到车辆一般具有较大的质量惯性、车速的变化相对不快，车辆控制器可以使用相对较短的处理周期，如设置采样周期为50-20ms之间，且要求信息的传输延时被相对严格地抑制。
当车辆控制器检测到换挡输入，或者检测到车速、电机转速到达换挡车速附件时，车辆控制器将实时、快速地收集电机转速和车速信息，计算获得电机转矩命令信号，实现无离合自动换挡操作，此为无离合自动变速驱动模式，此时车辆控制器的控制任务主要是保证换挡过程的快速性、平顺性，此时车辆控制器需要在1-2s时间内快速实现电机卸载、摘挡、选档、电机加载、电机卸载、转速同步、换挡、电机再加载等多达8个环节的控制，因此为了保证换挡的实时性和平顺性，车辆控制器需要使用相对非常短的处理周期，如设置采样周期为10-5ms之间，且要求信息的传输延时被严格抑制。
基于上述分析，可以将常规驾驶驱动、巡航驱动和自动变速驱动定义为3个应用，针对每一个应用制定对应的应用驱动条件和任务控制策略及任务调度策略，其中应用驱动条件包括输入命令请求或基于车速、转速依据换挡策略计算出的换挡命令请求；任务控制策略则根据任务的具体内容制定；任务调度策略则包括传输周期调整策略和优先级调整策略，前者用于满足任务控制的处理周期要求，可选定合适的处理周期后采用固定周期处理模式，后者用于满足信息传输对实时性的要求，在选定合适的优先级后既可采用固定优先级调度也可以采用基于控制性能的变优先级调度。
在制定上述应用驱动条件和各任务策略库的前提下，车辆控制器将会在线根据应用驱动实现多个任务策略的切换，在保证各任务响应实时性的同时，降低总的数据传输量。
设定正常驾驶驱动、巡航驱动和自动变速驱动三任务的处理周期分别为100ms、50ms和5ms，优先级分别设置为8级、4级和2级，其中8级到1级优先级递增提高，采用CAN实现8级优先级设置的细节具体详见CAN协议。则各任务切换时网络执行将如图3所示，其中tk+1代表以时间步长为单位的时间标识，时间步长设置5ms，τk+1为网络诱导延时。由图3可知，在[tk,tk+20]期间，任务1在执行，处理周期为100ms，信息优先级为8级，尽管信息优先级很低，但由于传输周期较大，数据传输量小，故此时的网络诱导延时适度为τk+1，若适当提高信息的优先级，并且此时不适宜用最高优先级，则网络诱导延时可以进一步缩短为τk+20；在[tk+40,tk+60]期间，任务2在执行，处理周期为50ms，信息优先级为4级，传输周期变小，数据传输量增大，信息优先级比任务1稍高，故此时的网络诱导延时为τk+1比任务1略有减少，若适当提高信息的优先级，并且此时没有必要用最高优先级，则网络诱导延时可以进一步缩短为τk+50；但在[tk+60,τk+62]期间，任务3在执行，处理周期为5ms，信息优先级为2级，传输周期变得更小，数据传输量将大量增大，信息优先级比任务2稍高，故此时的网络诱导延时τk+60比任务2再次减少，若提高信息的优先级，此时根据***控制性能有必要用最高优先级，则网络诱导延时可以进一步缩短为τk+64，此时控制***将在高频、实时模式下实现换挡控制，保证换挡控制的快速性、平顺性。一旦换挡完成，***将自动切换到任务2或任务1，此时单就本控制***来说，网络数据流量和带宽占用将分别降低为执行任务3时的10％、5％。而换挡行为在整个行车驱动过程中，时间既短暂，发生次数也相对有限，尤其是在路况较好的区域，如高速路、快速路等，因此大量的网络带宽将被节省，可以用来实现更多功能或***的集成。
综上，所提方法可以满足各任务快速响应的实时性要求，同时降低总的网络数据传输量。
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所所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，其特征在于：包括比较模块、应用驱动模块、切换模块、各个任务策略库和综合模块，其中各个任务策略库又包含控制器模块和调度器模块；
比较模块，通过CAN协议网络与车辆的传感器连接，比较模块还与切换模块连接，用于实现目标参数与实际参数的比较产生控制性能参数；
应用驱动模块，通过CAN协议网络与车辆的传感器连接，应用驱动模块还与切换模块连接，用于检测或者依据相应的策略完成应用功能请求的识别与管理；
切换模块，与任务策略库连接，响应应用驱动模块的触发控制任务开关，选择具体的任务策略库；
控制器模块，与综合模块连接，根据控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生控制命令；
调度器模块，与综合模块连接，产生相应的发送周期和优先级调度命令；
综合模块，通过CAN协议网络与车辆的执行器连接，实现控制命令和调度命令的组合，并实现信息的网络发送。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，其特征在于：所述的应用驱动模块负责识别和管理不同应用功能的请求，应用功能的请求包括由驾驶员直接下达的功能指令，还有根据传感器输出的状态依据相应的策略自动产生的功能指令。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车的应用驱动式动态切换网络化控制装置，其特征在于：其中各个任务策略库根据具体的应用功能制定，任何一个应用功能都同时具备相应的控制策略和调度策略；其中调度策略既包括发送周期策略，又包括优先级策略；发送周期策略采用定周期发送，优先级策略采用固定优先级策略或基于控制性能的变优先级调节策略。
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