基于MPC5644A的燃料電池控制器設(shè)計

袁罡

摘 要： 采用了飛思卡爾公司的MPC5644A單片機(jī)作為燃料電池控制器的控制核心，通過設(shè)計燃料電池控制器的專用外圍模塊組成一個完整的控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)的主控制板包括電源、采集、通訊、調(diào)節(jié)等模塊。在此控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過一種模糊預(yù)測算法進(jìn)行電堆控制，該設(shè)計具有一定創(chuàng)新型，對燃料電池控制器的設(shè)計具有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： MPC5644A；控制器；模糊預(yù)測；電堆控制

自從工業(yè)革命以來，現(xiàn)代社會對化石能源的需求劇增，而化石燃料的使用不可避免的造成大量二氧化碳等溫室氣體排放，直接導(dǎo)致“全球氣候變暖”這種影響世界整體的環(huán)境問題。因此，發(fā)展新型清潔替代能源和提高能源的利用率將成為新世紀(jì)能源發(fā)展中的主要議題之一。在現(xiàn)階段，質(zhì)子交換膜燃料電池成為新型清潔能源重要的發(fā)展方向[1-5]。本文主要設(shè)計的是基于MPC5644A芯片的燃料電池控制器部分。MPC5644A是32位的Power Architecture微控制器，適用于汽車的一些敏感部件的控制，可在惡劣的環(huán)境下持續(xù)工作，它擁有高達(dá)150MHZ的工作頻率，32通道eTPU2（第二代eTPU）和24個統(tǒng)一eMIOS通道以及多達(dá)40通道ADC使電堆控制變得異常方便。

本設(shè)計以MPC5644A為核心的控制電路，運用通訊模塊、采集模塊、調(diào)節(jié)模塊等組成統(tǒng)一的且綜合性強(qiáng)的控制系統(tǒng)，為燃料電池

控制器研究者的進(jìn)一步研究提供一個較好的平臺[6]。

1系統(tǒng)方案與設(shè)計

本設(shè)計主要有以下幾個模塊：MPC5644A最小系統(tǒng)、脈沖信號處理模塊、模擬信號處理模塊、開關(guān)信號處理模塊、容錯處理、反饋與通訊等。

1.1主控芯片

MPC5644A 最小系統(tǒng)模塊分為5部分，主要包括MPC5644A時鐘電路與模擬部分供電配置、芯片電源部分去耦電路、復(fù)位電路、啟動配置電路和其他電源配置電路，采用外接8M無源晶振。

該芯片有大量的電源和地引腳，故增加了相應(yīng)的去耦電容，去耦電容采用大小相間排布，其中 PCB 設(shè)計中小電容盡可能靠近管腳。為減少數(shù)模信號之間的干擾作用，AD部分的參考電壓需要加入一些磁珠進(jìn)行隔離。

該復(fù)位部分采用ADM6315專用的電壓檢測芯片，ADM6315性能可靠，適合多數(shù)電壓監(jiān)控使用，可用來監(jiān)控低至1.8%的電源電壓壓降。

MPC5644A與大多數(shù)芯片不同，它是通過外部硬件輸入引腳的配置和一段稱為啟動引導(dǎo)輔助存儲器 BAM 的代碼，共同確認(rèn)硬件復(fù)位之后到程序執(zhí)行之前的運行與初始配置。

1.2信號處理模塊

（1）AD采集電路

本設(shè)計中，模擬信號ADCx（x=0～23，表示有24路AD采集電路）輸入，連接到MCU的PAD0x（x=0～23）。它們之間采用HCNR201線性光耦結(jié)合運算放大器LM214，能有效地把外部信號傳送到內(nèi)部MCU的AD管腳，并消除外部的電磁干擾，其中PESD5VOSIBA器件是屬于瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）的電磁保護(hù)器件。

（2）IO輸入電路

燃料電池控制器總共設(shè)計多路輸入IO信號，IOIN2為外部IO輸入信號，經(jīng)過ADUM1410隔離器件，進(jìn)入MCU的端口引腳。另外可從圖中看出，外部電路和內(nèi)部電路的電源是不同的，外部電路使用VCC電源，而內(nèi)部電路使用MVDD_5.0，起到完全隔離作用，阻止了外部干擾信號的進(jìn)入。其中器件ADUM1410是ADI公司推出的基于iCouple磁耦隔離技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器，它采用了高速的CMOS工藝和芯片級的高壓器技術(shù)，在性能、功能、體積等各方面有光電隔離無法比擬的優(yōu)勢。

1.3通訊模塊

本設(shè)計中通訊模塊主要利用MPC5644A中兩路具有64個消息緩沖器的FlexCAN來實現(xiàn)，ADUM1201和TJA1050芯片的組合搭建，是典型的CAN總線接口電路，也是燃料電池控制器能否正常工作的關(guān)鍵電路。其中EM201是共模電感用于防止電磁干擾信號，ESD201是CAN總線的ESD（electro-static discharge，靜電釋放）保護(hù)二極管，R201是CAN總線的終端電阻，防止總線上的信號反射。

ADUM1201是ADI公司采用其iCouple磁耦隔離技術(shù)的雙通道隔離的電平轉(zhuǎn)換器，采用高速的CMOS工藝和芯片級的變壓器技術(shù)，在性能功耗等方面有很大優(yōu)勢，TJA1510是CAN總線協(xié)議控制器和物理總線之間的接口[7-11]。

2PCB板設(shè)計

本設(shè)計中PCB圖通過Altium Designer軟件進(jìn)行繪制，包括焊盤的繪制、建立封裝、器件布局、規(guī)則設(shè)置、布線、DRC檢測和出光繪。圖為PCB主板布局圖[12-13]。

3軟件部分設(shè)計

燃料電池控制器的軟件設(shè)計按照功能分為以下幾個部分即：初始化模塊、A/D采樣模塊、控制策略模塊、通信模塊如下圖所示

3.1時鐘設(shè)置

PLL鎖相環(huán)有四種運行模式，分別為旁路模式、基于外部晶振的正常模式、基于外部參考時鐘的標(biāo)準(zhǔn)模式和雙控制器模式。在正常模式情況下，PLL從晶振電路接收輸入的時鐘信號，并且對該信號進(jìn)行倍頻，從而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出時鐘信號，外部晶振要求限定的范圍為4MHz到40MHz。

3.2復(fù)位確定

復(fù)位包括上電復(fù)位、PLL失鎖復(fù)位、看門狗時間溢出復(fù)位、軟件系統(tǒng)復(fù)位、復(fù)位引腳輸入復(fù)位和機(jī)器狀態(tài)檢查錯誤復(fù)位。在這些復(fù)位的條件中，每種都有一個單獨的復(fù)位狀態(tài)位。

3.3 數(shù)字I/O引腳的配置

MPC5644A的I/O引腳豐富，大部分的端口都具有數(shù)字I/O的功能，每一個引腳都具 有以下單獨的寄存器：SIU_PCRx、SIU_GPDOx、SIU_GPDIx。通過寫入數(shù)據(jù)輸出寄存器的最低位與讀入數(shù)據(jù)輸入寄存器的最低位可以設(shè)置這些引腳的邏輯電平。

3.4 片內(nèi)外設(shè)的初始化

芯片復(fù)位后所有的片內(nèi)外設(shè)都會被激活， 可通過關(guān)閉一些不需要的模塊來降低功耗。 除了ETPU、SCI、Flash和NPC這些外設(shè)模塊需要特殊處理外，其它模塊的使能位都是 MCR寄存器的MDIS位，該位默認(rèn)為0，需要 禁用某個模塊，只需要對該模塊相應(yīng)的MDIS 位置位即可。

4PEMFC溫度模糊預(yù)測控制系統(tǒng)仿真

一般的常規(guī)控制首先都要對被控系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。但是在很多現(xiàn)實情況下被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型都比較難以建立， 比如質(zhì)子交換膜燃料電池就屬于一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，對于類似的這種被控系統(tǒng)往往不能用清晰的物理公式或化學(xué)反應(yīng)式來進(jìn)行解釋，這一類系統(tǒng)會受到很多的因素的影響，并且這些因素之間又存在相互的聯(lián)系，使其模型非常的復(fù)雜化。模糊控制理論與技術(shù)就是基于這種情況而產(chǎn)生的。由于PEMFC溫度控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用模糊控制理論對溫度系統(tǒng)進(jìn)行模糊建?？梢员荛_PEMFC的物理或化學(xué)規(guī)律，是一種有效的建模方法。

預(yù)測控制通常是指模型預(yù)測控制（MPC-model predictive control）。預(yù)測控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由參考軌跡、預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和在線校正這幾個部分組成。其基本原理如下所述。

基于模型的預(yù)測：預(yù)測未來有限步（有限時域）的模型輸出；

反饋校正：用檢測到的輸出誤差即時修正模型預(yù)測輸出；

滾動優(yōu)化：將校正后的預(yù)測輸出與參考信號進(jìn)行比較，在各種約束條件下（如對控制量、輸出等），計算控制量，使未來有限時域的預(yù)測輸出誤差最小。

本課題采用一種基于模糊控制模型的預(yù)測控制算法，有效的對燃料電池構(gòu)建模型進(jìn)行溫度控制，以適應(yīng)本系統(tǒng)復(fù)雜的工作環(huán)境，取得良好的綜合控制效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Y（K）=[y（k-1），y（k-2），y（k-3）]，U（K）=[u（k-1），u（k-2），u（k-3）]T，將模糊模型轉(zhuǎn)化為模糊狀態(tài)模型如下：

R1： if y（k-1） is B1 and u（t-3） is A1，then Y（K+1）=C1Y（K）+D1U（K）

R2： if y（k-1）is B2 and u（t-3） is A2，then Y（K+1）=C2Y（K）+D2U（K）

R3： if y（k-1）is B3 and u（t-3） is A3，then Y（K+1）=C3Y（K）+D3U（K）

選取控制時域Nu=3，預(yù)測時域N=5選擇多步線性化方法，控制器參數(shù)選擇為優(yōu)化矩陣R=diag[0.1，0.1，0.1]，Q=diag[1，1，1]，

模糊預(yù)測控制與傳統(tǒng)的PID控制的控制效果進(jìn)行比較，模糊預(yù)測控制響應(yīng)更快，控制效果更好。

5 結(jié)束語

本設(shè)計與實際應(yīng)用相結(jié)合，利用高性能 的MPC5644A芯片，輔以各種傳感器來組成燃料電池電堆的控制系統(tǒng)。在此燃料電池電堆控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過高可靠性的設(shè)計與模糊預(yù)測控制算法調(diào)試，實現(xiàn)了對燃料電池電堆的智能控制。

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