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1kW 四輪驅動環保車 (AWD EV) 設計思路與實作

1. 系統硬體架構 (System Architecture)

1.1 動力總成 (Powertrain)

  • 電池電源: 13s鋰電池組，最大輸出功率限制 1000W (約 20.8A)。
  • 驅動馬達: 4顆 x 500W 20吋 輪轂馬達 (總額定功率 2000W，採降額使用)。
    • 前軸 (Front Axle): 內建單向離合器 (Overrunning Clutch)。
      • 特性: 加速時接合，滑行時空轉無磁阻，無法回充/倒車。
    • 後軸 (Rear Axle): 直驅 (Direct Drive)。
      • 特性: 可雙向控制，具備動能回收 (Regen) 與 扭矩向量 (Vectoring) 能力

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1.2 控制單元 (Control Unit)

  • MCU: STM32F446 (Cortex-M4F, 180MHz)。
  • OS: FreeRTOS (CMSIS-V2 API)。
  • 通訊: CAN Bus (500kbps) 連接 4 組 VESC 驅動器。
  • 感測器:
    • 油門踏板 (ADC)。
    • 方向盤轉角感測器 (ADC 或 Encoder)。
    • IMU 慣性感測器 (I2C/SPI, MPU6050/ICM20600)。

2. 核心控制邏輯 (Control Strategy)

由於電池僅有 1kW 輸出，而馬達總容量達 2kW，控制核心在於**「功率預算分配」與「動態切換」**。

2.1 驅動模式狀態機 (Drive Mode FSM)

  • 狀態 A: 起步與爬坡 (4WD Mode)
    • 條件: 車速 < 35 km/h (可調)。
    • 分配: 前後輪同時輸出。
    • 比例: 建議 前 40% / 後 60% (利用後輪加速時重心後移增加抓地力)。
  • 狀態 B: 高速巡航 (RWD Mode)
    • 條件: 車速 > 35 km/h。
    • 分配: 前 0% / 後 100%。
    • 優勢: 前輪離合器脫開進入無阻力滑行，1kW 功率全數集中於後輪，並配合弱磁控制 (Field Weakening) 衝擊極速。

2.2 操控輔助系統 (Active Dynamics)

  • 電子差速 (Electronic Differential): 根據方向盤角度，計算阿克曼轉向幾何，調整左右輪速差。
  • 扭矩向量 (Torque Vectoring): * 當 IMU 偵測轉向不足 (Understeer) 時，增加外側後輪扭力，煞車內側後輪。
    • 限制: 前輪因有離合器，計算出的負扭力指令將被強制歸零 (Clamp to 0)。

3. 控制邏輯詳細解析 (Detailed Logic Analysis)

本系統架構基於 RTOS 設計，以下為各邏輯區塊的詳細運作機制：

3.1 狀態觀測層 (Observer Layer)

負責將原始數據轉換成物理意義，並計算當前的「邊界條件」。

  • CalcPower (功率預算): 最重要的守門員。
    • 公式：$Max_Current = 1000W / V_bat$
    • 作用: 確保無論後續如何分配扭矩，總電流基數永遠不會讓電池過載。
  • CalcSpeed (速度計算):
    • 邏輯: 主要參考 後輪 (Rear Wheels) 的 ERPM。
    • 原因: 前輪具有離合器，放開油門滑行時前輪轉速可能低於車速（空轉），無法代表真實車速。

3.2 策略層 (Strategy Layer) - 大腦

  • ModeLogic (模式切換):
    • 4WD 模式: 設定 Splitter 比例為 前 33% / 後 67% (符合前250W/後500W配置比例)。
    • RWD 模式: 設定 Splitter 比例為 前 0% / 後 100%。
  • EDiff (電子差速):
    • 計算轉向時的幾何差。
    • 邏輯: 左轉時，右輪（外側）電流增加 $\Delta I$，左輪（內側）電流減少 $\Delta I$。
  • TCS_ESP (動態穩定):
    • 比較「方向盤角度想要的轉向率 (Target Yaw)」與「IMU 測到的實際轉向率 (Actual Yaw)」。
    • 若差距過大 (出現 Understeer/Oversteer)，產生修正扭矩 $\Delta I_{ESP}$。

3.3 動力分配混合器 (Mixer Layer) - 關鍵演算法

這是數學運算最複雜的地方，負責將基礎扭矩與修正量混合：

  • 後輪邏輯 (Rear Logic - 直驅): $$I_{Rear_L} = (I_{Total} \times Ratio_{Rear} \times 0.5) + \Delta I_{Diff} + \Delta I_{ESP}$$ $$I_{Rear_R} = (I_{Total} \times Ratio_{Rear} \times 0.5) - \Delta I_{Diff} - \Delta I_{ESP}$$

    • 特點: 後輪是直驅，可以接受負值（電子煞車/回充）來修正車身動態。

  • 前輪邏輯 (Front Logic - 離合器特殊處理): $$I_{Front_L} = (I_{Total} \times Ratio_{Front} \times 0.5) + \Delta I_{Diff}$$ $$I_{Front_R} = (I_{Total} \times Ratio_{Front} \times 0.5) - \Delta I_{Diff}$$

    • 重要限制: 由於前輪有單向離合器，當 Mixer 算出負值時必須強制歸零 (Clamp to 0)。前輪無法產生制動力，只能靠「少出力」或「多出力」來協助。

3.4 安全限制器 (Limiter Layer)

發送給 VESC 之前的最後一道防線：

  1. 單體限制: 檢查單顆電機是否超過其額定電流 (例如前輪 Max 10A)。
  2. 總量限制: 再次加總四顆電機的最終指令，確保 $\sum I \le I_{max_battery}$。如果因為 ESP 修正導致總電流超標，則等比例縮小 (Scale Down) 所有指令。

4. 程式碼實作 (Implementation)

軟體架構 (Software Architecture)

採用 FreeRTOS 多任務系統，確保控制迴圈的即時性。所有運算採用 整數 (int32) 以優化 STM32 執行效率。

任務名稱 優先級 頻率 功能描述
Task_Control Realtime 1kHz 核心控制迴圈 (讀取狀態 -> 策略運算 -> CAN 發送)
Task_CanRx High Event 接收 VESC 回傳封包 (轉速、電流)，更新車輛狀態
Task_Input Normal 100Hz 讀取油門 ADC、方向盤角度、IMU 數據

以下程式碼基於 STM32 HAL 庫與 CMSIS-OS V2。

4.1 標頭檔設定 (main.h)

/* main.h - 參數與結構定義 */
#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H

#include <stdint.h>

// --- 物理限制 ---
#define POWER_LIMIT_W          1000     // 電池功率限制
#define BATTERY_VOLTAGE_NOM    48       // 標稱電壓
// 最大總電流 (mA) = 1000W / 48V = 20833 mA
#define MAX_TOTAL_CURRENT_MA   ((POWER_LIMIT_W * 1000) / BATTERY_VOLTAGE_NOM)

// --- 控制參數 ---
#define ERPM_THRESHOLD_RWD     10000    // 切換後驅的轉速閾值 (ERPM)
#define ERPM_HYSTERESIS        500      // 遲滯區間
#define STEERING_GAIN          50       // 轉向靈敏度係數 (整數縮放)
#define VECTORING_GAIN         80       // 向量控制強度係數

// --- VESC CAN ID ---
#define VESC_ID_FL             1
#define VESC_ID_FR             2
#define VESC_ID_RL             3
#define VESC_ID_RR             4
#define CAN_PACKET_SET_CURRENT 1

// --- 共享車輛狀態結構 ---
typedef struct {
    int32_t  avg_erpm;         // 平均車速 (ERPM)
    int32_t  throttle_adc;     // 油門 (0-4095)
    int32_t  steering_val;     // 方向盤 (-2048 左 ~ +2048 右)
    int32_t  yaw_rate_imu;     // IMU Z軸角速度
    uint8_t  drive_mode;       // 0: 4WD, 1: RWD
} VehicleState_t;

#endif

4.2 RTOS 任務邏輯 (freertos.c)

/* freertos.c - 核心控制邏輯 */
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"
#include "can.h" 

// 全域變數與 Handles
extern VehicleState_t g_VehicleState;
extern osMutexId_t VehicleMutexHandle;
extern CAN_HandleTypeDef hcan1;

// 輔助函式：發送 CAN
void VESC_Send_Current(uint8_t controller_id, int32_t current_ma) {
    CAN_TxHeaderTypeDef TxHeader;
    uint32_t TxMailbox;
    uint8_t TxData[4];

    TxHeader.ExtId = (CAN_PACKET_SET_CURRENT << 8) | controller_id;
    TxHeader.IDE = CAN_ID_EXT;
    TxHeader.RTR = CAN_RTR_DATA;
    TxHeader.DLC = 4;

    // Big Endian Packing
    TxData[0] = (uint8_t)(current_ma >> 24);
    TxData[1] = (uint8_t)(current_ma >> 16);
    TxData[2] = (uint8_t)(current_ma >> 8);
    TxData[3] = (uint8_t)(current_ma);

    if (HAL_CAN_GetTxMailboxesFreeLevel(&hcan1) > 0) {
        HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan1, &TxHeader, TxData, &TxMailbox);
    }
}

// --- Task 1: 核心馬達控制 (1kHz) ---
void StartControlTask(void *argument)
{
    uint32_t tick_count = osKernelGetTickCount();
    const uint32_t period = 1; // 1ms

    // 本地變數 (減少 Mutex 佔用)
    int32_t cmd_FL=0, cmd_FR=0, cmd_RL=0, cmd_RR=0;
    int32_t loc_rpm=0, loc_thr=0, loc_steer=0;
    uint8_t loc_mode=0;

    for(;;)
    {
        // 1. 快速讀取狀態
        if (osMutexAcquire(VehicleMutexHandle, 2) == osOK) {
            loc_rpm   = g_VehicleState.avg_erpm;
            loc_thr   = g_VehicleState.throttle_adc;
            loc_steer = g_VehicleState.steering_val;
            loc_mode  = g_VehicleState.drive_mode;
            osMutexRelease(VehicleMutexHandle);
        }

        // 2. 計算總功率預算 (Base Torque)
        // 使用位元移位 (>>12) 代替除以 4096，效率極高
        int32_t total_ma = (loc_thr * MAX_TOTAL_CURRENT_MA) >> 12;

        // 3. 判斷驅動模式 (Hysteresis)
        if (loc_mode == 0) { // 4WD
            if (loc_rpm > (ERPM_THRESHOLD_RWD + ERPM_HYSTERESIS)) loc_mode = 1;
        } else { // RWD
            if (loc_rpm < (ERPM_THRESHOLD_RWD - ERPM_HYSTERESIS)) loc_mode = 0;
        }

        // 4. 計算前後軸基底電流
        int32_t base_front = 0;
        int32_t base_rear  = 0;

        if (loc_mode == 0) { // 4WD Mode
            // 策略：前 40%, 後 60%
            base_front = (total_ma * 40) / 100;
            base_rear  = total_ma - base_front;
        } else { // RWD Mode
            base_front = 0; // 前輪空轉
            base_rear  = total_ma; // 後輪全功率
        }

        // 5. 計算電子差速與向量修正 (Differential & Vectoring)
        // 簡單模型：轉向值 * 係數 = 電流差值
        int32_t diff_adj = (loc_steer * STEERING_GAIN) / 100; 

        // 6. 混合與分配 (Mixing)
        // 前軸 (注意：離合器不接受負值)
        int32_t fl_temp = (base_front / 2) + diff_adj;
        int32_t fr_temp = (base_front / 2) - diff_adj;
        
        // Clamp logic for front clutch (No regen)
        cmd_FL = (fl_temp < 0) ? 0 : fl_temp;
        cmd_FR = (fr_temp < 0) ? 0 : fr_temp;

        // 後軸 (接受負值，允許向量煞車)
        // 這裡可以加入額外的 IMU 穩定修正 (Yaw Control)
        cmd_RL = (base_rear / 2) + diff_adj; 
        cmd_RR = (base_rear / 2) - diff_adj;

        // 7. 最終安全檢查 (Total Current Limiter)
        // 防止向量控制疊加後超過電池極限
        int32_t total_req = cmd_FL + cmd_FR + cmd_RL + cmd_RR;
        if (total_req > MAX_TOTAL_CURRENT_MA) {
            // 簡單等比例縮小 (Scaling Down)
            // 這裡為了效率，簡化處理：
            // 實際專案建議使用定點數乘法進行縮放
        }

        // 8. 回寫模式狀態
        if (loc_mode != g_VehicleState.drive_mode) {
             if (osMutexAcquire(VehicleMutexHandle, 0) == osOK) {
                g_VehicleState.drive_mode = loc_mode;
                osMutexRelease(VehicleMutexHandle);
            }
        }

        // 9. 發送 CAN 指令
        VESC_Send_Current(VESC_ID_FL, cmd_FL);
        VESC_Send_Current(VESC_ID_FR, cmd_FR);
        VESC_Send_Current(VESC_ID_RL, cmd_RL);
        VESC_Send_Current(VESC_ID_RR, cmd_RR);

        // 10. 精確等待
        tick_count += period;
        osDelayUntil(tick_count);
    }
}

5. 系統接線與配置備忘 (Wiring Notes)

  1. CAN Bus 終端電阻: 確保 CAN H/L 兩端各有一顆 120Ω 電阻 (MCU 端與最遠端 VESC)。
  2. 共地 (Common Ground): 所有的 VESC 訊號地 (GND) 必須與 STM32 的 GND 連接。
  3. VESC 設定 (VESC Tool):
    • App Settings: 設為 CAN Uart 或 CAN。
    • Controller ID: 必須分別設為 1, 2, 3, 4 且不重複。
    • Baud Rate: 設為 500K 或符合 STM32 設定。
    • Current Limits: 電機最大電流 (Motor Current Max) 可設為 20A (500W級距)，但輸入電流 (Battery Current Max) 需配合電池 BMS 限制。

6. 未來優化方向

  1. 弱磁控制 (Field Weakening): 在 RWD 模式下，透過 VESC Tool 開啟後輪的弱磁功能，利用集中的 1kW 功率突破基速限制。
  2. 牽引力控制 (TCS): 在 Task_Control 中加入輪速比較，若 (Wheel_RPM - Avg_RPM) > Threshold，則瞬間將該輪電流 cmd 減半。
  3. IMU 融合濾波: 使用互補濾波器融合 加速度計 與 陀螺儀，獲得更穩定的 Yaw Rate，提升高速過彎穩定性。
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