基于自動代碼生成技術(shù)的汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊偉　陳勇　楊柳

摘 要： 傳統(tǒng)汽車電子控制系統(tǒng)自動化程度低，采用自動代碼生成技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)汽車電子控制系統(tǒng)，開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)的自動代碼生成環(huán)境，在 Matlab 平臺上開發(fā)MPC5634M芯片的自動代碼生成環(huán)境以及控制系統(tǒng)所需的驅(qū)動模塊。該設(shè)計(jì)以MPC5634M芯片為控制中心的汽車電子控制器硬件電路，并分析硬件電路中各模塊的設(shè)計(jì)原理。采用基于μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，通過自動代碼生成技術(shù)將μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)嵌入Matlab/Simulink下的自動代碼生成環(huán)境底層文件中，在此基礎(chǔ)上開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)的軟件模型，采用模糊控制器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中PI參數(shù)的調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在軟件代碼開發(fā)數(shù)量和效率上具有較大優(yōu)勢，并且系統(tǒng)在實(shí)際控制過程中具有較好的穩(wěn)定性和阻力效果。

關(guān)鍵詞： 自動代碼； 汽車電子控制系統(tǒng)； 參數(shù)調(diào)整； 模糊控制器

中圖分類號： TN99?34； TP463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0132?05

Design of automotive electronic control system based on automatic code

generation technology

BIAN Wei1， CHEN Yong1， YANG Liu2

（1. School of Automotive Engineering， Nanjing Vocational Institute of Transport Technology， Nanjing 211188， China；

2. Shaanxi Jin Baoxin Automobile Sales and Service Limited Company， Xian 710018， China）

Abstract： To improve the automation degree of the traditional automotive electronic control system， the automatic code generation technology is used to design and implement the automotive electronic control system. To develop the automatic code generation environment of the automotive electronic control system， the automatic code generation environment of chip MPC5634M and driver module needed by the control system were developed on Matlab platform. The hardware circuit of the automobile electronic controller was designed， in which the chip MPC5634M was taken as its control center. The design principle of each module in hardware circuit is analyzed. The software architecture based on μC/OS?Ⅱreal?time operating system is adopted to embed the μC/OS?Ⅱ real?time operating system into the automatic code generation environment underlying file of Matlab/Simulink by means of the automatic code generation technology. On this basis， the software model of the automotive electronic control system was developed. The fuzzy controller is employed to adjust the PI parameters of the control system. The experimental results indicate that the system has high advantages in the software code development quantity and efficiency， and good stability and resistance effect in the practical control process.

Keywords： automatic code； automotive electronic control system； parameter adjustment； fuzzy controller

0 引 言

控制器的研究開發(fā)是新型汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。要保證開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擁有良好的安全性能與實(shí)用性，就給專業(yè)技術(shù)人員帶來了關(guān)于硬件設(shè)計(jì)是否過關(guān)、軟件功能是否完善、控制策略制定是否合理等諸多方面的硬性要求[1?2]。目前汽車生產(chǎn)市場的競爭進(jìn)入白熱化階段，設(shè)計(jì)出性能完美、成本低廉的產(chǎn)品以迎合消費(fèi)者成為了重中之重。同傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，汽車電子控制系統(tǒng)可以更好地實(shí)現(xiàn)汽車在高速和低速時不同的轉(zhuǎn)向力感調(diào)節(jié)，同時也更加節(jié)約成本并降低油耗。而傳統(tǒng)汽車電子控制系統(tǒng)是由開發(fā)人員手工編寫軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在耗時高、調(diào)試?yán)щy、控制誤差高的缺陷[3?5]。

當(dāng)前研究出的汽車電子控制方法都存在一定的問題，如文獻(xiàn)[6]基于汽車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)同理想狀態(tài)間的誤差反饋，調(diào)控汽車的橫擺力矩，但是該方法采用傳感器無法獲取全部的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，存在一定的局限性。文獻(xiàn)[7]通過橫擺角速度和汽車側(cè)偏角控制間的相平面獲取穩(wěn)定范圍，實(shí)現(xiàn)車輛的控制，但該方法容易受到車輛內(nèi)部因素和外界環(huán)境因素的干擾，存在較高的控制偏差。文獻(xiàn)[8]制定了車輛側(cè)滑速度的的預(yù)測策略，通過車輛動力學(xué)波動情況對車輛穩(wěn)態(tài)輸出進(jìn)行定位，但該方法對車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性要求較高，并且控制精度較低。文獻(xiàn)[9]依據(jù)輪胎和汽車動力性試驗(yàn)的管理方案，通過直接橫擺力矩增強(qiáng)汽車的控制質(zhì)量，但其控制過程較為復(fù)雜，控制效率低。

針對上述方法存在的問題，本文采用自動代碼生成技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)汽車電子控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)以MPC5634M芯片為控制核心的汽車電子控制器硬件電路，在Matlab平臺上開發(fā)MPC5634M芯片的自動代碼生成環(huán)境以及控制系統(tǒng)所需的驅(qū)動模塊。將μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng) 嵌入Matlab/Simulink下的自動代碼生成環(huán)境底層文件中，進(jìn)而開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)的軟件模型。

1 基于自動代碼技術(shù)的汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的自動代碼生成環(huán)境配置

設(shè)計(jì)的汽車電子控制系統(tǒng)采用處理芯片來自于飛思卡爾公司的 MPC5634M 單片機(jī)系列。塑造飛思卡爾MPC5634M芯片的自動代碼生成開發(fā)環(huán)境，同時開發(fā)MPC5634M不同功能的驅(qū)動模塊，可實(shí)現(xiàn)汽車電子控制系統(tǒng)控制軟件的自動代碼生成環(huán)境的開發(fā)。Matlab/Simulink平臺中的Embedded Coder功能塊可為開發(fā)人員修改在系統(tǒng)的底層 TLC 文件提供服務(wù)，并且直接生成用戶自定義代碼。

但是，在Matlab中并不包含MPC5634M的驅(qū)動模塊，因此需要通過系統(tǒng)函數(shù) S?Function設(shè)計(jì)單片機(jī)的驅(qū)動模塊，采用該系統(tǒng)函數(shù)自動生成代碼情況下，S?Function則需要通過面向該模塊編寫的TLC文件產(chǎn)生相關(guān)的代碼和注釋。采用Inlined S?Function 編寫方法設(shè)計(jì)單片機(jī)的驅(qū)動模塊，為各S?Function 模塊配置一個TLC文件，并將模塊的底層驅(qū)動代碼依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范寫入TLC文件內(nèi)。自動代碼生成過程中，通過TLC 文件內(nèi)的代碼替換C?MEX S?Function內(nèi)的代碼，確保設(shè)計(jì)的S?Function模塊符合汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，并依據(jù)用戶需求獲取自定義底層C代碼，再通過相應(yīng)的編譯器下載到目標(biāo)硬件中。用于開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)自動代碼生成環(huán)境的底層文件編寫示意圖如圖1所示。

1.2 汽車電子控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

汽車電子控制系統(tǒng)硬件電路是系統(tǒng)控制策略運(yùn)行的載體，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽車電子控制系統(tǒng)對外部方向盤扭矩信號、電機(jī)電流和電壓信號、車速信號以及發(fā)動機(jī)信號進(jìn)行提取、濾波后，將信號變換成數(shù)字信號輸入單片機(jī)中進(jìn)行操作，依據(jù)相應(yīng)的控制方法進(jìn)行運(yùn)算，并輸出控制信號，再采用驅(qū)動電路對電機(jī)進(jìn)行合理控制。

控制系統(tǒng)的硬件電路包括控制電路板和驅(qū)動電路板?？刂齐娐钒逵蓡纹瑱C(jī)、模擬信號采集電路等構(gòu)成，驅(qū)動電路板由電源模塊和繼電器控制電路等構(gòu)成。不同模塊的設(shè)計(jì)過程如下所述。

1.2.1 MPC5634M單片機(jī)的電源和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

控制核心部分選擇的是飛思卡爾公司生產(chǎn)的MPC5634M單片機(jī)。其集成了FLASH和RAM存儲空間，擁有70 MHz的主頻。這種控制核心采用4 V以上的供電，可以將控制板上的外部10 V供電模塊調(diào)成4 V，使用這種電源模塊進(jìn)行供電。這種電源模塊輸出的4 V電壓需要進(jìn)行濾波處理，才能給單片機(jī)提供必須的能源輸出。復(fù)位電路示意圖和控制芯片電源電路如圖3所示。

1.2.2 信號采集電路的設(shè)計(jì)

汽車電子控制系統(tǒng)通過電阻方法采集電流信號，電路如圖4所示。把采集到的電阻樣本加入到電機(jī)電路中，電阻樣本中的電壓通過可以限壓的二極管和RC濾波器，從而進(jìn)入到信號放大器中，經(jīng)過信號的放大將電阻樣本降壓，最后整理得到汽車電子控制系統(tǒng)在運(yùn)作過程中所產(chǎn)生的真實(shí)的電流數(shù)據(jù)情況反映。

汽車電子控制系統(tǒng)電路中的母線電壓與電機(jī)電壓的采集都是通過如圖5所示的控制器完成。在單片機(jī)的A/D采集模塊中，分壓二極管、限壓二極管和π型濾波器都對電壓信號進(jìn)行了相應(yīng)的處理?？刂葡到y(tǒng)依靠上述過程采集得到的電機(jī)電壓值和母線電壓值，采用變增益PI控制策略進(jìn)行控制分析。

1.2.3 驅(qū)動控制電路的設(shè)計(jì)

汽車電子控制系統(tǒng)的驅(qū)動控制電路如圖6所示。其中的H橋驅(qū)動電路由4個MOSFET組成，驅(qū)動控制電路選擇的是MC33883預(yù)驅(qū)動器，它的優(yōu)勢在于電路板面積小，能明顯節(jié)約成本；但驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)能力卻不容小覷，5～60 V的電壓都可以兼容，PWM輸出值可達(dá)到120 kHz，是驅(qū)動控制電路中的不二選擇。

1.3 汽車電子控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

依據(jù)1.1節(jié)開發(fā)的汽車電子控制系統(tǒng)的自動代碼生成環(huán)境，設(shè)計(jì)汽車電子控制系統(tǒng)控制軟件，并依據(jù)μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)軟件代碼的開發(fā)效率。對μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)在 MPC5634M 芯片上的移植，完成μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)同Matlab/Simulink自動代碼生成環(huán)境的融合。塑造完軟件開發(fā)環(huán)境后，可塑造汽車電子控制系統(tǒng)控制軟件模型，并且通過變增益PID控制策略，采用模糊控制器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中 PI 參數(shù)的調(diào)整。

1.3.1 汽車電子控制系統(tǒng)的變增益PI控制模塊

電機(jī)助力電流對目標(biāo)電流的跟隨控制算法是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制算法，采用變增益PI控制方法對助力電機(jī)目標(biāo)電流進(jìn)行定位監(jiān)測，如圖7所示。可以看出變增益PI控制模塊通過Matlab模糊編輯器獲取電流差值同P，I參數(shù)的關(guān)系曲線，在模型中采用查表實(shí)時調(diào)控P，I參數(shù)。

1.3.2 汽車電子控制系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

利用塑造的含有μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的Simulink自動代碼生成環(huán)境，塑造使用 μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)架構(gòu)的汽車電子控制系統(tǒng)軟件模型。將控制系統(tǒng)在μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)中分割成控制任務(wù)和通信任務(wù)。設(shè)置控制任務(wù)的運(yùn)行時間為3 ms，由信號采集、數(shù)據(jù)處理、目標(biāo)電流分析、電流定位等功能模塊構(gòu)成，是汽車電子控制的主要實(shí)現(xiàn)手段。設(shè)置通信任務(wù)的運(yùn)行周期是8 ms，其通過CAN將系統(tǒng)內(nèi)的信號周期性反饋到上位機(jī)，對總體汽車電子控制參數(shù)進(jìn)行及時監(jiān)測。設(shè)計(jì)的總體汽車電子控制系統(tǒng)模型如圖8所示。

圖8中的Set Task Time模塊設(shè)置控制任務(wù)和通信任務(wù)的運(yùn)行時間，Activate Task模塊設(shè)置任務(wù)的使用權(quán)重以及名稱，采用信號線完成兩個任務(wù)的信號溝通，通過Protected RT模塊實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)耐?。Control Logic模塊中包含汽車電子控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵邏輯模塊如圖9所示。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于自動代碼生成技術(shù)的汽車電子控制系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)將本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)程序在 MPC5634M芯片上移植成功，并且測試通過，并對比分析手動移植的控制系統(tǒng)控制程序，獲取二者代碼數(shù)量的優(yōu)劣，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種軟件開發(fā)對比

分析表1可得，本文采用自動代碼生成技術(shù)設(shè)計(jì)的汽車電子控制系統(tǒng)能夠增強(qiáng)軟件的開發(fā)效率，降低算法調(diào)試難度并且代碼生成量高，相對于手動編寫方法極大提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。

2.1 汽車電子控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺

為了在開發(fā)過程中驗(yàn)證汽車電子控制系統(tǒng)的控制策略，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的簡易試驗(yàn)臺，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。其由轉(zhuǎn)向盤、蓄電池、助力電機(jī)與控制器等組成，通過這種裝置能實(shí)時監(jiān)控本文設(shè)計(jì)的汽車電子控制系統(tǒng)的參數(shù)情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 電流階躍實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

電流階躍實(shí)驗(yàn)的前提是必須固定PI的參數(shù)值。步驟如下：首先設(shè)定目標(biāo)的電流值，將實(shí)驗(yàn)裝置的方向盤固定好后，開啟電機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。將PI值設(shè)定為0.03和0.001，效果如圖11所示。0.5 s目標(biāo)電流產(chǎn)生較大波動，此時采用固定PI控制方法無法通過高P值，完成電流的定位，該方法定位目標(biāo)電流用了0.15 s，超調(diào)量為0.9 A左右。接下來用本文設(shè)計(jì)的PI控制策略的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。圖中顯示電流值到達(dá)目標(biāo)電流時的時間為0.05 s，超調(diào)量為0.08 A，電流也比固定PI控制方法節(jié)約了0.2 A左右，并且之后的電流值極接近目標(biāo)電流，趨于平穩(wěn)。把這兩種實(shí)驗(yàn)方法得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，能明顯看出本文方法能夠增強(qiáng)汽車電子控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)效果。

2.2.2 慢速轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)結(jié)果分析

慢速轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)可以檢測PI控制對系統(tǒng)中電流穩(wěn)定性的影響，采用慢速轉(zhuǎn)動裝置中方向盤的方法，根據(jù)電流值的變化可看出效果。首先在EPS實(shí)驗(yàn)臺裝置上慢慢轉(zhuǎn)動方向盤，得到實(shí)時電流值并跟目標(biāo)電流對比，得到的結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯觯瑢?shí)際電流值對目標(biāo)電流值的跟隨度很差，穩(wěn)定性不良好。而圖14顯示的是用本文PI控制策略方法檢測出的曲線圖像，可以看出其對電流的跟隨度高，轉(zhuǎn)向平滑，實(shí)際電流也十分貼合目標(biāo)電流。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠很直觀地看出本文PI控制策略法無論在性能，還是效果上都優(yōu)于固定PI控制方法。將本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)用于實(shí)際汽車的控制過程中，助力的效果會有明顯改善。

3 結(jié) 論

本文采用自動代碼生成技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)汽車電子控制系統(tǒng)，開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)的自動代碼生成環(huán)境，在Matlab 平臺上開發(fā)MPC5634M芯片的自動代碼生成環(huán)境以及控制系統(tǒng)所需的驅(qū)動模塊。設(shè)計(jì)以MPC5634M芯片為控制中心的汽車電子控制器硬件電路，并分析硬件電路中各模塊的設(shè)計(jì)原理。

采用基于 μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，通過自動代碼生成技術(shù)將μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，嵌入Matlab/Simulink下的自動代碼生成環(huán)境底層文件中，在此基礎(chǔ)上開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)的軟件模型，采用模糊控制器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中PI參數(shù)的調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在軟件代碼開發(fā)數(shù)量和效率上具有較大優(yōu)勢，并且系統(tǒng)在實(shí)際控制過程中具有較好的穩(wěn)定性和阻力效果。

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