純電動車整車控制器設(shè)計

摘 要摘 要純電動汽車將是未來汽車發(fā)展的主導(dǎo)方向，它會運用到電機驅(qū)動技術(shù)、車輛工程、電池技術(shù)、控制技術(shù)等領(lǐng)域中核心的技術(shù)。在環(huán)境保護日益嚴峻的態(tài)勢和石油資源將要枯竭的緊迫需求之下，研究和發(fā)展電動汽車在全世界已經(jīng)達成了共識，也是目前相關(guān)領(lǐng)域中的研究熱點。全球很多大型汽車公司都投資了大量金錢來研究和開發(fā)純電動汽車中的核心部件，也就是說整車控制器等，目前，部分品牌的純電動汽車已經(jīng)研發(fā)出來了。對于電動汽車的項目，我國也是將其作為“863” 項目和“十二五”的主要內(nèi)容。整車控制技術(shù)不僅是電動汽車關(guān)鍵的技術(shù)之一，同時在電動汽車的領(lǐng)域中，也是我國獨立自主研究開發(fā)能力的一種表現(xiàn)，本文就是圍繞電動汽車的核心部件，整車控制器的研發(fā)開展工作。本文將在全面分析純電動汽車整車控制的基礎(chǔ)上，從技術(shù)要求、信號分析、芯片選型等方面提出控制器設(shè)計方案，并據(jù)此完成各個模塊的控制器硬件電路設(shè)計。關(guān)鍵字：整車控制器，純電動汽車，硬件設(shè)計IIAbstractAbstract Pure electric vehicles will be the dominant direction of future automotive development, it will be applied to the core technology in the field of drive technology, engineering, battery technology, control technology. Environmental protection is increasingly grim situation and oil resources will be depleted under the urgent need for research and development of electric vehicles has been reached a consensus in the world, is currently the research focus in the relevant fields. Many large car companies are investing a lot of money to research and development of the core components in the pure electric vehicles, which means that the vehicle controller, and some brands of pure electric vehicles have been developed. Projects for electric vehicles, China is as a project of 863 and 12 main content.Vehicle control technology is not only one of the key technology of electric vehicles in the field of electric vehicles, but also Chinas independent research and development capabilities of a manifestation of the core components of this article is to focus on electric vehicles, vehicle controller R & D work .This paper will be on the basis of a comprehensive analytical control of electric vehicle, from the technical requirements, signal analysis, chip selection, and other aspects of the controller design, and completion of each module of the controller hardware circuit design accordingly.Key words: the vehicle controller, Pure electric vehicle, hardware design目 錄目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III第一章 緒 論11.1 本課題研究的目的和意義11.2 電動汽車的現(xiàn)狀21.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀31.3 發(fā)展電動汽車目前存在的主要問題4第二章 純電動車整車控制的相關(guān)介紹52.1 電動車控制系統(tǒng)52.2 整車控制器的功能需求分析62.3 整車控制器的信號分析7第三章 整車控制器的硬件設(shè)計103.1 整車控制器微控制單元的選型103.2 CAN通信部分硬件設(shè)計113.3 開關(guān)量輸入部分123.4 模擬量部分133.5 最小系統(tǒng)設(shè)計143.5.1 供電電路143.5.2 時鐘電路153.5.3 復(fù)位電路16第四章 整車控制器的軟件設(shè)計194.1 主程序軟件設(shè)計204.2 驅(qū)動軟件設(shè)計224.3 通信管理程序設(shè)計244.4 制動回饋子程序244.5 儀表驅(qū)動控制器程序設(shè)計26結(jié) 論28參考文獻29致 謝31附 錄 控制主圖32IV第一章 緒 論第一章 緒 論1.1 研究本課題的背景與意義 對于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)最重大的成就之一，就有內(nèi)燃機車輛，尤其是汽車的發(fā)展。它滿足了許多人們?nèi)粘Ｉ盍鲃有缘脑S多需求，為現(xiàn)代社會的發(fā)展，已經(jīng)做出了非常重大的貢獻，幫助了人類社會從原生態(tài)到高度發(fā)展的工業(yè)社會的主要進程發(fā)展。但是，對于現(xiàn)在全世界汽車的大量應(yīng)用，它在為我們?nèi)祟惿鐣砜旖菡Z舒適的同時，也已經(jīng)產(chǎn)生并正在繼續(xù)引發(fā)嚴重的環(huán)境問題，還給人類生存帶來了嚴重的問題。當(dāng)前人們首要關(guān)注的問題就有，大氣污染，其中汽車尾氣是大氣污染的主要來源，全球變暖，以及全球的石油資源快速減少?；旧犀F(xiàn)在全部汽車提供給驅(qū)動力所需要的能量，都是通過依靠燃燒碳氫化合物類燃料。但是在燃料汽車中燃燒碳氫化合物類燃料，肯定不是理想化的，因為它們除了會生成水和二氧化碳之外，燃燒還會生成有害氣體，它其中就含有一定量的一氧化碳、沒有完全燃燒的碳氫化合物與氧化氮化合物，很多不良的生成物都會毒害人類的健康。而且尾氣中大量排放的二氧化碳，是引發(fā)“溫室效應(yīng)”的重要原因。大量二氧化碳的累積，會是大氣溫度升溫，破壞我們的生存環(huán)境。現(xiàn)在排放二氧化碳的主要來源就是運輸工具，汽車正好又是我們現(xiàn)在經(jīng)常用的運輸工具。石油的液態(tài)燃料是運輸工具中主要的燃料來源。石油是活性物質(zhì)分解的生成物，是在地底下開采出來的礦物燃料。有研究顯示，最少要經(jīng)過200萬年的時間才能生成石油，從這我們就能看出燃料形成為地球資源之所以有限的原因了，因此累積的成品油和新儲油地的發(fā)現(xiàn)就完全取決了全球石油資源可維持石油供應(yīng)的年數(shù)。根據(jù)歷史的數(shù)據(jù)顯示，石油消耗量近幾年表現(xiàn)出高速的增長率，并且發(fā)現(xiàn)新儲油地的進程很緩慢。假如石油消耗量和發(fā)現(xiàn)新儲油地的進程還是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，那么全球的石油資源約僅可能應(yīng)用到2038年，甚至于更短。而現(xiàn)在石油的主要使用者主要就是運輸部門。所以說我們傳統(tǒng)交通工具燃油汽車的可持續(xù)的發(fā)展，現(xiàn)在面臨著的形勢是日趨嚴峻，現(xiàn)在汽車工業(yè)的發(fā)展方向，因為這些因素，那勢必就是零排放的、綜合利用能源、低噪聲的方向。而目前人類汽車工業(yè)想要解決能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保等相關(guān)問題的主要途徑就是發(fā)展電動汽車。在20世紀(jì)，在20項最宏偉工程技術(shù)的成就，電動汽車就是其中前2項技術(shù)融合的，就是“汽車”和“電氣化”融合的產(chǎn)物，它的研制和構(gòu)想是要比燃油車早的。所以，全新系統(tǒng)工程的研究成果就是電動汽車。它不僅只是運輸車輛這么簡單，而且電氣設(shè)備還是最新的。將電氣、汽車工程、化學(xué)工程、和電子工程領(lǐng)域中，全新技術(shù)的成就運用到電動車的研制中去，是它將要所面臨重要的問題。那么我們就要努力找到適用到電動汽車設(shè)計的獨特方法，達到電動汽車最優(yōu)化利用能量的目的。近來年對電動汽車的研發(fā)與制造，外國與我國都有了一定的進展，但是突破其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，還是有需要全世界進一步的研制。而純電動汽車整車控制器是純電動汽車整車控制系統(tǒng)的核心部件，它對汽車的故障診斷和處理，是否正常行駛，回收再生能量，監(jiān)視電動汽車的狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)管理等功能都有著關(guān)鍵性的作用。整車控制器作為純電動汽車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，它是衡量整車控制系統(tǒng)功能等級和性能的重要部件，并且純電動汽車控制系統(tǒng)控制效果優(yōu)劣是受性能是好是壞的影響。不管汽車其他總成性能怎么樣的完好，如果整車控制器出現(xiàn)了問題，那么汽車將無法實現(xiàn)能量回收，無法高速行駛，甚至很有可能會出現(xiàn)事故。因此在純電動汽車整車控制系統(tǒng)中一個不能缺少的工作任務(wù)就是研制出功能齊全與性能優(yōu)越的整車控制器，同樣這也就是在本文中將要研究并解決的重要問題。1.2 電動汽車的現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展的現(xiàn)狀從過去20年來，可以把西方工業(yè)國對電動汽車的研究和發(fā)展作為解決環(huán)境問題和能源問題的有效手段。美國政府組織動員了全國的研究機構(gòu)來研究電動汽車，在20世紀(jì)90年代，福特的汽車公司，美國通用的汽車公司，克萊斯勒的汽車公司一起共同協(xié)議的先進電池聯(lián)合體成立，為開發(fā)高性能的電池，這電池是最新電動汽車需要的。新型高效節(jié)能的車輛，為維持現(xiàn)有的汽車性能和價格，美國已經(jīng)推出了很多重要的計劃。德國政府和九個主要的公司簽署了一項諒解備忘錄，與九大公司結(jié)成聯(lián)盟，以創(chuàng)造一個清潔能源的城市（柏林）。英國，意大利和其他歐洲國家都在開展電動汽車的研發(fā)。當(dāng)然日本政府也是特別重視電動汽車的研究和發(fā)展。日本東京電力公司電力公司在1998年與日本電池公司聯(lián)合，開發(fā)了“ZA”牌電動車，電動車用高科技，它具有當(dāng)時EV世界的最高水平。豐田汽車公司于1996年研制成功的燃料電池汽車的樣車生產(chǎn)，先于其他汽車制造商，第一次在1997年開始大規(guī)模生產(chǎn)混合燃料電池汽車，成為了環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域和世界電動汽車的產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)頭羊。上述各國政府大力支持的大型汽車集團，通過發(fā)展環(huán)保和節(jié)能法規(guī)，采取投資，稅收優(yōu)惠，政府消費政策的補貼，旨在搶占電動車產(chǎn)業(yè)的制高點。代表著現(xiàn)代電動汽車先進水平的福特汽車公司，通用汽車公司，本田電動車公司是這種競爭的產(chǎn)品。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境保護與交通能源的問題是我國現(xiàn)在將要面臨非常重大的挑戰(zhàn)。電動汽車行業(yè)的發(fā)展，自從20世紀(jì)70年代末以來，我國就已經(jīng)開始非常重視了?！鞍宋濉钡臅r候，國家科技將要攻破難關(guān)的計劃列入了電動汽車的研發(fā)，重點開展研究電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)；“九五”的時候，國家非常重大的科技研究產(chǎn)業(yè)項目把它正式列入其中；“十五”的時候，科技部設(shè)立電動汽車的重大專門項目以支持電動汽車的研究。作為國內(nèi)汽車科技項目的一個探索，“三縱三橫”研究開發(fā)布局被專項提了出來。在我國國家政府組織的盡力支持之下，我國取得了非常大的技術(shù)突破，包括在燃料電池汽車、純電動車、和混合動力汽車動力系統(tǒng)的集成技術(shù)、動力總成的關(guān)鍵零件技術(shù)、和整車集成的技術(shù)方面，此外，新興能源汽車自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和專利戰(zhàn)略平臺已打好了良好和堅實的基礎(chǔ)。由同濟大學(xué)、上汽等投資一起組建了上海燃料電池動力系統(tǒng)公司，它已經(jīng)開發(fā)的第三代“超越”系列燃料電池汽車的動力系統(tǒng)平臺和示范車，北京清能華通公司已開發(fā)出燃料電池城市客車，我國燃料電池轎車和客車技術(shù)指標(biāo)接近國際先進水平，天津清源開發(fā)了3種純電動轎車，并通過純電動汽車動力鋰離子電池的正面碰撞試驗。從國內(nèi)和國外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，純電動汽車，雖然有低噪音的突出優(yōu)勢，實現(xiàn)零排放，能源的應(yīng)用，但其技術(shù)和經(jīng)濟性能指標(biāo)尚未達到實用化要求，但仍有許多需要進一步研究，測試和開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。這里值得注意的是，中國的汽車產(chǎn)業(yè)落后于發(fā)達國家，但與其他國家相比，電動汽車技術(shù)的差距就不是那么明顯?？梢灶A(yù)見，大力推進電動汽車技術(shù)的發(fā)展在21世紀(jì)的全球研究和提出，在電動汽車的產(chǎn)業(yè)化和進入市場的商業(yè)運作的實際即將到來。1.3 發(fā)展電動汽車目前存在的主要問題電動汽車的主要問題是高初始成本和里程不理想。為了解決這個里的程問題，現(xiàn)在正在開發(fā)先進的電池，如鎳氫電池，鋅空氣燃料電池，鋰離子電池，磷酸鐵鋁電池。普通鉛酸電池的能量和能量密度比油低得多，因此目前采用先進的電池，對電動汽車的發(fā)展來說是在一個加速發(fā)展的時期。同時，混合動力電動汽車的商業(yè)化的迅速發(fā)展，因為混合動力電動汽車使用輔助能源，發(fā)動機及其輔助設(shè)施，并以結(jié)構(gòu)復(fù)雜和高成本為代價，從根本上，改善了電動汽車的續(xù)駛里程及其性能。為了降低電動車的成本，人們現(xiàn)在努力改善電源轉(zhuǎn)換器，電機，電子控制器，能量管理系統(tǒng)，充電器，電池和其他輔助設(shè)施，電動汽車各個子系統(tǒng)等等，當(dāng)然，也在對電動車整車控制器進行綜合和優(yōu)化設(shè)計。- 4 -第二章 純電動車整車控制的基本功能第二章 純電動車整車控制的基本功能2.1 電動車控制系統(tǒng)純電動汽車控制系統(tǒng)示意圖如圖2-1所示，電動車控制系統(tǒng)分為整車控制系統(tǒng)、電力驅(qū)動子系統(tǒng)、主能源系統(tǒng)、和輔助控制子系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)整車控制器電機 控制器電機變速箱主減速器主能源系統(tǒng)動力電池組圖2-1純電動汽車控制系統(tǒng)首先，通過地面的充電設(shè)備給電動車動力蓄電池組充上電，當(dāng)充電完成以后，駕駛員就能啟動鑰匙的開關(guān)了，這時，動力蓄電池組就給照明、信號、儀表等低壓的電器上電，這些是通過直流整流變換器來完成的。動力蓄電池組同時也供電給前進力、制動轉(zhuǎn)向變換器，當(dāng)在接受到控制信號的指令后，帶動電動助力轉(zhuǎn)向泵、電動真空泵等工作。純電動車整車的控制器控制著動力蓄電池組是，供電給動力電機的控制器，然后動力電機控制器，再通過逆變將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，也就是動力電機真正需要的，然后通過動力電機的運轉(zhuǎn)，是再讓差速器、傳動軸、變速箱與后橋等驅(qū)動使車輛正常行駛。對于車輛的后退和前進來說，是控制電機的反轉(zhuǎn)與正轉(zhuǎn)來達到目的。在車輛啟動時，駕駛員首先要將儀表板上的倒退或前進開關(guān)，置“向后”或者“向前”位，然后再腳踩下加速踏板。在加速踏板已經(jīng)離開起始位置后，位置改變了的加速踏板，會使驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的給定值也隨著變化。在加速踏板踩到最大的時候，也就是說驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的給定值達到了最大，這是的純電動車加速度是最大的。當(dāng)動力電機控制器，接收到驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的給定值信號和方向信號之后，動力電機就會被控制，進入運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，而且動力電機轉(zhuǎn)向就會得到確定，轉(zhuǎn)向這是根據(jù)方向信號確定的，并且會根據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的給定值信號，確定下動力電機輸出的轉(zhuǎn)矩大小。當(dāng)在驅(qū)動狀態(tài)信號消失時，就是加速踏板回到起始位置時，同時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩給定值，則返回到零值，這時，動力電機被動力電機控制器控制停止輸出轉(zhuǎn)矩。純電車制動分為兩種情況，其中，一種是緊急制動的情況，在這時，機械制動系統(tǒng)制動應(yīng)該是被使用的。而另一種是，在非緊急制動情況，在這時，電機的再生制動和機械制動系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)合在一起聯(lián)合制動，制動強度較小的情況下，主要是再生制動，輔以機械制動；制動強度在中高等強度下的時候，主要是機械制動，輔以再生制動。動力電機控制器接收到制動狀態(tài)信號、方向信號、和制動轉(zhuǎn)矩給定值信號后，控制動力電機，就會進入制動狀態(tài)下，再根據(jù)制動轉(zhuǎn)矩給定值的信號，來確定，動力電機輸出制動轉(zhuǎn)矩大小，然后回饋制動開始，動力蓄電池這時會被充電。制動狀態(tài)信號消失時，就是制動踏板，回到起始位置后，同時，制動轉(zhuǎn)矩給定值，則回到0值了，動力電機控制器，控制動力電機就會停止制動輸出轉(zhuǎn)矩。車輛減速制動，發(fā)電工況為動力電機運行狀況，這時，就會將有電能，是由部分動能轉(zhuǎn)化成，然后，向動力蓄電池充電，那么電動汽車續(xù)駛里程就會增加。2.2 整車控制器的功能需求分析整車控制器是電動汽車的智能核心，各個系統(tǒng)的信號都將匯集與整車控制器，從而發(fā)布整車控制命令。整車控制器是一數(shù)字電路與模擬電路共存、多輸入、多輸出的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，其具體功能要求為： 1控制器要接收到駕駛員操作駕駛的指令，并且能夠很好的處理，還要能向發(fā)送控制指令到所需要的部件控制器，讓純電動車按駕駛員的期望行駛；2控制器能夠和動力蓄電池組、DC/DC、電機等進行正確即使的通訊，還能通過CAN總線，和模擬量關(guān)鍵的信息，進行可靠的狀態(tài)采集輸入與即使輸出控制指令量；3能接收并處理好每個零部件的信息，再根據(jù)能源管理模塊提供出當(dāng)前能源狀況的正確信息。4系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確判斷并存儲下來，能動態(tài)的檢測出系統(tǒng)信息，出現(xiàn)的故障能記錄下；5對純電動車整車具有一定的保護功能，對故障的不同類別，可以進行分級的保護，在緊急的情況下，可以切斷母線的高壓系統(tǒng)，或者即使的關(guān)掉發(fā)電機；6協(xié)調(diào)管理好純電動車上其他的電器設(shè)備；2.3 整車控制器的信號分析系統(tǒng)分析純電動汽車控制系統(tǒng)后，得出與控制器相關(guān)的信號如下整車控制器的輸入分為整車模擬量輸入，整車開關(guān)量輸入。整車控制器的輸出通過CAN總線輸出給各個控制器。整車模擬量檢測輸入包括的信號為：加速踏板輸入信號，制動踏板輸入信號，制動器主缸壓力輸入，車速傳感器輸入。 整車開關(guān)量檢測輸入信號包括：前進信號，倒車信號，爬坡?lián)踔甘拘盘枺埠街甘拘盘?，車門開關(guān)信號。各系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸入輸出量描述如表2-1所示:。表2-1 控制系統(tǒng)的輸入輸出描述控制單元輸出信息輸入信息整車控制單元電機所要提供的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩電機的正反轉(zhuǎn)命令再生制動指令變速器的擋位指令模擬量加速踏板開度、制動踏板開度、制動主缸壓力、車速傳感器 開關(guān)量鑰匙開關(guān)、充電開關(guān)、方向信號、擋位信號CAN通訊量電機的狀態(tài)、電池的狀態(tài)電機控制單元電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度電樞的電流、電壓、報警信號等 整車控制單元給電機的輸入狀態(tài)和指令能源管理系統(tǒng)電池的電壓、溫度、充放電電流、功率強度、SOC值、SOH值、報警信息等通電及關(guān)閉命令車載顯示系統(tǒng)自身狀態(tài)接收總線上的所有信息在系統(tǒng)的分析純電動汽車的基礎(chǔ)上，結(jié)合以上對控制器信號的分析，可設(shè)計整車控制器原理結(jié)構(gòu)圖，如圖2-2所示。加速踏板信號制動踏板信號制動主缸壓力車速傳感器充電開關(guān)方向信號擋位信號 模擬量調(diào)整模擬量調(diào)整 開關(guān)量調(diào)整 光電隔離 MCU CAN總線收發(fā)電機控制器能源管理統(tǒng)車載顯示變速器輸出電源模板晶振鑰匙開關(guān)圖2-2整車控制器原理結(jié)構(gòu)圖- 32 -第三章 整車控制器的硬件設(shè)計第三章 整車控制器的硬件設(shè)計3.1 整車控制器微控制單元的選型控制單元的硬件芯片是整車控制器的核心，整車控制器整車數(shù)據(jù)是先采集、再處理、最后邏輯運算，這些都是由硬件芯片完成。主控芯片的選擇是需要根據(jù)整車將要實現(xiàn)的功能和整車的節(jié)點數(shù)來確定的，嵌入式系統(tǒng)在電動車上一個的典型應(yīng)用就是整車控制器。考慮到現(xiàn)階段產(chǎn)品主要功能的要求與換代升級。為此，控制單元硬件設(shè)計總的原則是：功能應(yīng)該略大于設(shè)計的要求。 具體而言，選型的方法可概括為：1在功能滿足情況下，選擇16位機。它相比32位機具有更高的性價比，產(chǎn)品的升級無需再硬件上做過大改動；2盡量不擴展外部程序存儲器，所以應(yīng)選擇具有存儲空間要足夠大的芯片，以減少硬件外擴帶來的成本；3芯片應(yīng)盡量選用汽車級產(chǎn)品，可靠性高；綜合以上原則及實際情況，本文最終選用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，Motorola的新一代HCS12系列16位微控制器MC9S12DP512，現(xiàn)在只需要45元就能買到的。相比較來說，若選同公司的MC9S08DZ60，而它的價格盡管相對便宜點，只要26元，但是它只有64個引腳，會加上比較多的外圍電路；若選德州儀器公司的TMS320F2812則有176個引腳，價格是74元，就有些引腳用不到了，而且價格要貴一點。MC9S12DP512的主要特點：內(nèi)部里面有16位的CPU (SATRT12 CPU)，片上有集成的512K字節(jié)FLASH EEPROM、4K字節(jié)EEPROM、14K字節(jié)RAM、SCI接口2路、SPI接口3路、有一個8通道增強型IC/OC捕捉定時器、2個8通道十位的A/D轉(zhuǎn)換器、一路8通道的PWM輸出、符合CAN2.0規(guī)程的5個CAN模塊、29余個數(shù)字I/O口等等。整體來說是，整車控制器對純電動車的控制芯片功能要求能夠滿足。根據(jù)整車控制器的功能設(shè)計要求，結(jié)合實際參與控制的對象以及選用控制芯片的特點，它采用功能劃分和模塊化的思想設(shè)計。MC9S12DP512內(nèi)部有5路滿足CAN通道，只需利用其中的兩路經(jīng)過CAN驅(qū)動芯片，就能夠輸出與接收高速CAN總線與低速CAN總線信號，它們是由獨立的5V電源供電。輸出信號大致分成兩種類型：其中一種是，通過光電隔離的輸出信號，具有50500mA驅(qū)動能力，另一種是，通過輸出驅(qū)動芯片MC33385等繼電器接點控制信號，它們可用于接觸器、驅(qū)動儀表盤等外部設(shè)備。開關(guān)量或光隔輸入調(diào)理，是用于接受外部邏輯量控制信息，其中，根據(jù)控制的需要可分成高低電平2種驅(qū)動形式。模擬量輸入調(diào)理，是用來采集加速踏板信號等的。3.2 電源與CAN通信部分硬件設(shè)計整個系統(tǒng)由直流電池供電，由于電池為24V直流輸出，單片機控制系統(tǒng)及其外圍設(shè)備的電源供電由5V系統(tǒng)，因此需穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換單元。系統(tǒng)設(shè)計的過程中，選擇MC33989電源轉(zhuǎn)換裝置，該芯片具有CAN接口，4個喚醒輸入端口，和看門狗復(fù)位端口，系統(tǒng)斷電，過電流保護是可以實現(xiàn)的。該芯片有兩個電源整流器，提供給MCU和外圍設(shè)備電源。智能半導(dǎo)體器件，可以提供必要的系統(tǒng)電壓，它具有噪音低，200毫安整流器用于外圍設(shè)備的電源。此外，還有一控制外部導(dǎo)通的晶體管裝置，專門用于供電給外圍設(shè)備的，以此來滿足所需應(yīng)用程序特定限制功耗的控制裝置，但也會根據(jù)第二個電源切斷所選外圍的設(shè)備供應(yīng)，以達到降低功耗的目的。MC33989支持位速率達1Mb/s的高速CAN，與最高速率為4.0MHz的CPU接口，因此，使用高速CAN(500Kb/s)驅(qū)動器的MC33989。在低速CAN驅(qū)動程序，使用MC33388，它支持最高速率為125Kb/s的低速CAN，可用CAN模塊和I/O端口與CPU直接連接。具體電路的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 電源與CAN驅(qū)動圖3.3 開關(guān)量輸入部分開關(guān)量輸入信號包括鑰匙開關(guān)位置、擋位開關(guān)和制動開關(guān)等，因為這些信號的有效時對應(yīng)著的電平并不統(tǒng)一，因此開關(guān)量輸入接口選用的是開關(guān)檢測的接口芯片MC33884。MC33884與MCU直接連接，是經(jīng)過SPI協(xié)議，它們連接之后，可將每個端口的開關(guān)量狀態(tài)反饋至MCU，以便MCU有效處理。MC33884可編程開關(guān)輸入檢測端口有4個、6個固定對低電平或者地有效的開關(guān)輸入檢測端口、2個固定對高電平與電源有效的開關(guān)輸入檢測端口。在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時就能產(chǎn)生中斷輸出，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時就能產(chǎn)生輸出復(fù)位，系統(tǒng)即自動的進入到睡眠模式。開關(guān)量的輸入部分電路如圖3-2所示。圖3-2關(guān)開輸入調(diào)整電路3.4 模擬量部分純電動車的整車控制器模擬量主要有制動踏板的開度信號、加速踏板的開度信號等。在實際的情況中，模擬量變化頻率是比較小的，但常受到純電動車其他許多部件的電磁干擾，使得信號失真。如圖3-3所示，為了濾除摻雜在模擬信號中高頻的交流信號，本文就用RC低通濾波的電路，C1可以用來抗電磁的干擾，電阻R1、R2可以用作信號的上拉和下拉作用，R3、R4可以用來分壓原始的信號，使得輸出的信號分在系統(tǒng)可以接受的范圍中。3.5 最小系統(tǒng)設(shè)計雖然微控制器將CPU等，集成在電路芯片內(nèi)，但是仍需一些支持的外圍電路，外圍電路提供電、時鐘、復(fù)位等，MCU與這些外圍的電路，共同構(gòu)成了的核心部分，也稱為單片機最小系統(tǒng)。下面簡單的介紹下，最小系統(tǒng)的設(shè)計，其中主要包括有供電電路模塊、時鐘電路模塊和復(fù)位電路模塊。圖3-3 模擬信號采集電路3.5.1 供電電路純電動車上的電源工作環(huán)境是非常惡劣的，而且電磁干擾源較多，電壓變動范圍大，還混雜有大量的尖峰脈沖和很多干擾信號。因此低質(zhì)量的電源，很有可能使電子元件不能正常的工作，也可能形成對電子控制單元的錯誤動作，因而高質(zhì)量的供電電路模塊是整個系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的保證。純電動汽車電池的電壓+24 V 是要DC / DC變換成+5 V電壓，用于MCU的供電，主要是通過 ECU的電源管理模塊實現(xiàn)的，而MC9S12DP512芯片內(nèi)，集成的電壓調(diào)整器模塊，會產(chǎn)生給內(nèi)部單片機所需其它的電壓。由圖3-4所示電感L1和電容C1濾波電路的構(gòu)成，可以克服的MCU電源波動的不利影響，去耦電容是電容值較小的電容C2與C3，以去除微控制器上高頻率的運行噪音，減少高頻干擾，并提高了系統(tǒng)的電磁兼容性。圖3-4 供電電路中的濾波及去耦電容3.5.2 時鐘電路時鐘電路對單片機的運行至關(guān)重要，各部分都以時鐘頻率為基準(zhǔn)有條不紊地工作。MC9S12DP512核心的頻率最高可達50MHz，總線的頻率最高可以達25MHz。 MC9S12DP512有兩種方式來獲得時鐘頻率。一個連接到外部晶體和內(nèi)部振蕩器電路引腳的XTAL（輸入）和EXTAL（輸出），形成系統(tǒng)時鐘，片上鎖相回路，以確保系統(tǒng)時鐘可靠性。另一種方法是使用一個外部振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，直接通過EXTAL引腳輸入。若該系統(tǒng)采用第一種方法，可連接16MHz外部晶振，到微控制器外部晶振的輸入接口EXTAL與XTAL，而該芯片就可以通過鎖相環(huán)和內(nèi)部壓控振蕩器，共同把主頻提到25MHz，作為單片機內(nèi)總線時鐘。如圖3-5顯示了無源晶振的外部接口電路，當(dāng)外部電容值22PF時，工作在1MHz以上質(zhì)量較好晶體，是可以取得良好效果的。圖3-5 時鐘電路如圖3-6所示濾波電路是PLL模塊的，VDDPLL引腳是單片機內(nèi)提供的2.5V電壓。Rs、Cp與Cs的值是和REFDV寄存器、晶振、SYNR寄存器相關(guān)的。壓控振蕩器的電壓控制端，給鎖相環(huán)電路的編程，以數(shù)字的方式鎖定住VCO控制端的電壓，實際上就是XFC端口。若電阻與電容取值得不當(dāng)，或不加濾波器，就會造成VCO控制端電壓的抖動，以至于整個系統(tǒng)無法正常工作。圖3-6 鎖相環(huán)的濾波電路3.5.3 復(fù)位電路單片機程序的執(zhí)行是從復(fù)位開始的。復(fù)位后，芯片各寄存器及端口值都恢復(fù)到默認值，程序計數(shù)器自動進入默認起始地址開始運行。復(fù)位可使MCU內(nèi)部寄存器、中斷寄存器、I/O端口、控制狀態(tài)位、時鐘等都強制初始化。為了保證其可靠復(fù)位，VCC、振蕩器等已經(jīng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)后，還須保持低電平的4064個時鐘周期。MC9S12DP512有四種復(fù)位方式：1上電復(fù)位上電復(fù)位僅用于初始化內(nèi)部MCU電路。在上電過程中，復(fù)位電路即被觸發(fā)，當(dāng)該復(fù)位進行4064個時鐘周期，當(dāng)外部的電壓減小到0V之前，系統(tǒng)不會再出現(xiàn)復(fù)位動作，所以它不是很適合做掉電檢測的。2外部復(fù)位外部復(fù)位是外部加上復(fù)位電路來對系統(tǒng)的強制復(fù)位。可選專用的復(fù)位芯片實現(xiàn)，也可以手動的復(fù)位電路，它對系統(tǒng)進行任何時候強制的復(fù)位，一般用在對系統(tǒng)的調(diào)試過程。傳統(tǒng)常用復(fù)位電路經(jīng)常由電容、二極管等元件構(gòu)成，使得準(zhǔn)確不夠，性能也是不穩(wěn)定的。專門復(fù)位芯片是不需要外接其它的元件，只是需要將相應(yīng)的引腳，接到單片機復(fù)位端陣腳導(dǎo)通即可。當(dāng)系統(tǒng)電壓，低于系統(tǒng)可靠的工作電壓時，芯片就會使系統(tǒng)處于復(fù)位的狀態(tài)，直到電源的電壓，高于可靠的工作電壓時。它通?？梢杂脕碜龅綦姳O(jiān)測的。3看門狗定時器復(fù)位看門狗定時器復(fù)位，主要用來檢測程序執(zhí)行是否有錯，也是可以用來作為軟件復(fù)位的。在軟件執(zhí)行過程中，應(yīng)該讓監(jiān)視定時器不會產(chǎn)生溢出，溢出就會復(fù)位并且產(chǎn)生中斷。4時鐘監(jiān)測復(fù)位時鐘監(jiān)測復(fù)位功能通常由電容延時、內(nèi)部電阻控制，如果在延時時間內(nèi)未出現(xiàn)時鐘跳變時，那么時鐘監(jiān)視定時器即出現(xiàn)復(fù)位。一般基于可靠性考慮，芯片都加有電源檢測電路和外部復(fù)位電路。本課題設(shè)計采用了如圖3-7所示的復(fù)位電路。圖3-7 復(fù)位電路本電路中，使用了一款低電壓復(fù)位芯片MC34064，它只用微控制器復(fù)位系統(tǒng)。該芯片集成了較強的復(fù)位功能，可以直接用于監(jiān)控汽車系統(tǒng)微控制器的5V電源，同時低電流功耗下，保證電壓是低于1.0V的，而復(fù)位輸出的電流超10mA，保護電源波動，MC34064可在一定的電壓范圍之內(nèi)，使復(fù)位端保持在低電平。第四章 整車控制器的軟件設(shè)計第四章 整車控制器的軟件設(shè)計根據(jù)控制器的功能要求將主控制器的軟件開發(fā)模塊化，形成如圖4-1所示軟件流程的結(jié)構(gòu)框架。可以將整車控制器的控制軟件分成為底層驅(qū)動、控制與處理2個層次。1底層驅(qū)動底層驅(qū)動，是實現(xiàn)控制核心，它是為整車控制器和外部數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。進入主程序之前，必須先初始化所使用的端口，這取決于類型的實際需要，合理配置端口，設(shè)置相應(yīng)的中斷向量，設(shè)置CAN模塊（工作方法，波特率參數(shù)，接受屏蔽寄存器，接受代碼寄存器，篩選方法，中斷允許寄存器，等等）需要進入的主程序籌備工作。2控制與處理控制和處理模塊，是在主程序中進行常規(guī)處理上展開的，這一部分是給電動車控制器上電后，首先需要進行初始化，然后確定鍵開關(guān)，以確定車輛那時是什么樣的狀態(tài)，處理從CAN網(wǎng)絡(luò)其他子系統(tǒng)的信息，再將處理結(jié)果，由中斷服務(wù)程序，發(fā)布到相應(yīng)的消息對象中。整車控制器軟件底層驅(qū)動中斷服務(wù)通訊中斷車速測量中斷定時中斷初始化驅(qū)動控制與處理邏輯控制工作狀態(tài)控制驅(qū)動與制動控制信息處理信息接收與發(fā)送數(shù)據(jù)處理圖4-1 整車控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖除了合理的硬件設(shè)計外，設(shè)計可靠性好的軟件也是占很重要的作用。如果軟件一旦失效，那將可有可能造成災(zāi)難性后果。整車控制器的可靠性是直接影響著整車的控制單元的可靠性，和汽車行駛的安全性。而且軟件設(shè)計的合理是能夠很大程度減少開發(fā)的時間，提高效率，提高控制器電磁兼容和可靠性。4.1 主程序軟件設(shè)計純電動汽車在運行過程中，控制軟件，以確定機動車輛的運行模式，進入工作。速度，油門踏板位置，制動踏板的位置，電池狀態(tài)，電機狀態(tài)，溫度等信號是軟件控制操作的基礎(chǔ)，以這來開展驅(qū)動力矩的計算，繼電器控制，能源管理，儀器儀表等，如圖4 -2所示純電動汽車整車控制器軟件流程圖。軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，利用MC9S12DP512硬件中斷能力，先進的多任務(wù)機制，系統(tǒng)的所有功能，根據(jù)實時性要求的水平，分配給主程序和中斷服務(wù)程序。 實時要求不高的任務(wù)，運行主程序，包括汽車運行能量管理，通信管理，驅(qū)動力矩的計算，故障診斷。實時要求不低的任務(wù)，從相應(yīng)的中斷程序執(zhí)行，主要包括CAN消息定時，脈沖捕捉，數(shù)據(jù)采集，故障存儲，通信接口等底層硬件驅(qū)動功能。高層次的功能模塊和底層功能模塊，以RAM交換信息。CAN定時發(fā)送，數(shù)據(jù)采集，串行通信，CAN通信，和系統(tǒng)的高層次管理等許多任務(wù)，根據(jù)其執(zhí)行頻率獨立運行。這種多任務(wù)的結(jié)構(gòu)，對于程序的調(diào)試和維護，變得更加容易。過程中存在的離散模塊形式，每個模塊功能獨立，相互影響小，方便獨立調(diào)試，并很容易找到問題所在。擴展程序更方便，不改變原有結(jié)構(gòu)，僅僅通過增加可擴展部分。 MC9S12DP512支持高層次的編程語言，高層次的功能模塊使用C語言編程。匯編語言編程則主要是底層功能模塊采用的。開始初始化采集輸入信號（開關(guān)量和模擬量）CAN信號接收和處理故障診斷及處理工況判斷停車停車充電啟動自檢預(yù)充電驅(qū)動制動故障運行驅(qū)動力矩計 算制動回饋制 動向CAN總線發(fā)送信息儀表顯示串行通信軟件狗設(shè)置圖4-2 整車控制器主程序軟件流程圖4.2 驅(qū)動軟件設(shè)計由于電機不存在啟動和怠速的問題，所以主要考慮的是車輛的驅(qū)動力矩的設(shè)計。驅(qū)動程序，主要要考慮兩個方面：一個是電量充足的條件下，穩(wěn)定控制，是在車輛加速和高速穩(wěn)定的條件下，另一個條件是電池電量不足時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩限制和保護電池，防止電池切斷，導(dǎo)致突然停車。在主程序中，根據(jù)踏板的特征參數(shù)，尋求加速系數(shù)，這是可以通過查表求得的，然后再按照電機的轉(zhuǎn)速，查表得到電機驅(qū)動力矩，作為驅(qū)動扭矩的需求，根據(jù)電池和車輛的能源狀況，如電工部分使用嗎？來修復(fù)的驅(qū)動扭矩的需求，最后，實際輸出扭矩，定時10ms頻率發(fā)送到的電機控制器，這是通過CAN總線進行的。電動車倒車驅(qū)動策略和前進驅(qū)動策略，基本上是相同的，有所不同的是，電機驅(qū)動的特性MAP和踏板參數(shù)MAP，這是考慮到倒車的安全性，和低速電機驅(qū)動的特點。用來確定電動車是在天氣正常下行駛，或在惡劣條件下駕駛，汽車操作面板上設(shè)計了一個模式開關(guān)，當(dāng)然，這取決于司機的選擇。這是一個簡單的開關(guān)信號輸入，通過I / O端口。在這兩種模式下，車輛的加速性能。在能源短缺的情況下，以避免突然切對開停車場的設(shè)計是關(guān)鍵。在設(shè)計過程中，一方面不同的充電電池狀態(tài)，就會有不同的最大驅(qū)動力的限制，另一方面，將通過監(jiān)測電池的電流，不斷校正驅(qū)動扭矩。當(dāng)電動車的故障時，低速行駛到維修站，是一個必要考慮的因素。驅(qū)動程序流程圖見圖4-3所示。是是否否驅(qū)動力矩計算從CAN總線接受信息計算踏板位置和加速度踏板是否會零計算電機額定力矩是否過載倒拖回饋制動子程序調(diào)用電機過載管理程序根據(jù)踏板特性計算司機需求力矩電池功率輸出能力修正SOC修正電流限制整車能量管理修正返回圖4-3 驅(qū)動控制流程圖4.3 通信管理程序設(shè)計軟件設(shè)計一個非常重要的一部分，就是通訊程序。所需的上位和下位機發(fā)送和接收操作，都是屬于雙向通信的，所以需要發(fā)展通信協(xié)議。通信方式的具體手段如下，對于司機的操作信信，ECU以不變的頻率循環(huán)發(fā)送，而運行參數(shù)，和控制參數(shù)則以幀的方式給上位機，上位機又以同樣固定的頻率，向ECU發(fā)送調(diào)試的參數(shù)?；贑AN總線機制的通信程序，考慮到電機的干擾，和高速CAN總線通信，因此沒有中斷處理，同樣可以達到循環(huán)方式的需求。主程序調(diào)用CAN接受和發(fā)送的程序，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的ID，里面的數(shù)據(jù)被主程序讀取數(shù)據(jù)，并加以解決?？紤]CAN通信的可靠性，該方案并沒有具體的數(shù)據(jù)糾錯。通信程序流程圖如圖4-4所示。開始開始停滯緩沖區(qū)停滯緩沖區(qū)寫發(fā)送幀ID向緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)字節(jié)長度激活緩沖區(qū)激活緩沖區(qū)結(jié)束結(jié)束讀取數(shù)據(jù)圖4-4 通信程序流程圖4.4 制動回饋子程序制動是以實現(xiàn)良好的能量回饋，對于電動汽車來說是具有非常重要的意義，而且必須合理調(diào)整電動汽車的機械制動液壓力，考慮到將要做出的變化，在原車上改動是很難的，因為還涉及到了安全方面的問題，因此制動能量回饋要從軟件控制上實現(xiàn)了。兩個常開開關(guān)傳感器安裝在制動踏板上，一個用來指示能量回饋的跡象，而另外一個用來指示能量回饋的深度。當(dāng)斷開的兩個開關(guān)信號時，制動踏板是不動作的，當(dāng)開關(guān)信號關(guān)閉時，制動踏板是移動了一定程度的，這是通過在I / O端口輸入低電平，來幫助軟件判斷。從功能的角度來看，制動能量回饋分為兩個部分：一個是汽車滑行制動能量回饋的過程，這個時候制動踏板并不采取行動，加速踏板回零，以模擬慣性制動能量反饋發(fā)動機的回轉(zhuǎn)力，目的是達到原車的滑動效果，所以這部分能量回饋是比較輕微的，另一部分在這個過程中的制動能量回饋，因為機械制動力量是不可調(diào)的，所以電制動力補償是非常有限的，反之，制動的感覺就會是很不好的。鋰電池對電壓等級是非常敏感的，那么在制動過程中，電機就會給電池充電，電機電壓迅速增加，且極不穩(wěn)定的，對電池產(chǎn)生比較大的影響，所以對制動的電功率做出限制是很有必要的，設(shè)置最大反饋電流的電池狀態(tài)，以確保電池不會過度充電，電機制動效率在不同的速度，是非常不同的，在低速時，幾乎不能備份充電，而在高速，即使電流是很小的，當(dāng)前制動功率也將是很大的，所以在不同的電機轉(zhuǎn)速，不同的制動反饋策略。制動程序流程圖見圖4-5所示。制動回饋子程序踏板回零制動開關(guān)1？SOC90%接受電池最大充電電流信息根據(jù)轉(zhuǎn)速給出制動力制動力修正發(fā)送扭矩結(jié)束是是是否否否圖4-5 制動回饋子程序4.5 儀表驅(qū)動控制器程序設(shè)計純電動車整車控制器采集車速、母線電流、SOC、電壓信息等后，對這些信息進行一定的處理，根據(jù)標(biāo)定的信息轉(zhuǎn)換方波信號，其信號是輸出頻率可調(diào)或者占空比可調(diào)的。然后顯示在驅(qū)動儀表上，每隔0.5秒更新一次整車控制器輸出的信號。開始500毫秒定時到了是否處理車速、SOC、電流、電壓信號輸出處理后信息結(jié)束圖4-6 儀表驅(qū)動控制器設(shè)計結(jié) 論結(jié) 論本文以純電動車整車控制器為開發(fā)對象，在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，重點進行了純電動車整車控制器的硬件設(shè)計等研究。主要完成了對整車控制器總體設(shè)計，設(shè)計了整車控制器的硬件電路和控制流程。并主要完成了以下幾個方面的研究工作：1提出了電動車對電子控制系統(tǒng)的要求。介紹了整車控制器的基本功能。根據(jù)基本功能提出了整車控制器的總體設(shè)計。2根據(jù)電動汽車對電子控制系統(tǒng)的要求，選擇了MC9S12DP512芯片作為整車控制器的中央控制單元。描述了該芯片的最小系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計思想，設(shè)計了模擬量調(diào)整電路，開關(guān)量調(diào)整電路，CAN總線驅(qū)動電路等外圍電路。3設(shè)計了整車控制器的工作流程，其中分為總控制流程，驅(qū)動流程，再生制動流程，中斷控制流程等。跟據(jù)題目的要求，本設(shè)計已經(jīng)基本完成了純電動車整車控制器的設(shè)計。在設(shè)計過程中，通過系統(tǒng)的總體方案論證以及各個組成部分的方案論證，充實了自己的專業(yè)知識，加強了知識體系與專業(yè)課程之間的聯(lián)系。在課題設(shè)計的過程中，遇到了許多困難，但通過查閱資料與自我分析，最終使問題得以解決。在設(shè)計的整個過程中，我深刻體會到共同協(xié)作與團隊精神的重要性，經(jīng)過這段時間的努力學(xué)習(xí)和工作，我感觸頗深的是解決問題的方法與技巧。在這段時間內(nèi)，我遇到了許許多多的問題，但是我沒有逃避，認真尋找問題的解決辦法，最后獲得了解決，因此我覺得對待問題一定要多方法，多角度來處理和解決。通過這段時間的畢業(yè)設(shè)計工作，我不但增強了實踐能力和探索精神，而且懂得了理論聯(lián)系實際的重要性，這對我們以后的學(xué)習(xí)和工作不無裨益。參考文獻參考文獻1 楊慧田CAN總線協(xié)議分析中國儀器儀表，2002(4)2 王桂榮CAN總線和基于CAN總線的高層協(xié)議計算機測量與控制，2003 (5)3 童衛(wèi)東CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用研究南京:東南大學(xué)，20054 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