基于多MCU的電動汽車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

朱云 舒雄

【摘要】? ? 多MCU的結(jié)構(gòu)體系可以很好的解決功能單一、存儲空間不足等問題，其分層遞階式控制體系為電動汽車提供了更廣的系統(tǒng)資源。一方面，每個MCU獨立處理自身單元的功能信息，同時各單元之間通過高效的通信傳送數(shù)據(jù);另一方面，多MCU體系不僅提供了豐富的系統(tǒng)功能，并預(yù)留了擴展端口，為電動汽車后期的提升空間搭建了平臺?；诙郙CU的電動汽車智能控制器，該控制器包括電動汽車輪轂電機驅(qū)動單元、電機轉(zhuǎn)速提取單元、電流檢測及驅(qū)動方式切換控制單元。

【關(guān)鍵詞】? ? 多MCU? ? 電動汽車? ? 智能控制器? ? 信息通信

引言

汽車作為社會發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，它的快速增長在提高人們生活水平的同時，也帶來了諸如石油危機、環(huán)境危機等交通與社會問題。人們正在尋求一種綠色可持續(xù)的交通工具，而目前電動汽車因其綠色環(huán)保、能源可再生、使用成本低等特性已經(jīng)吸引了越來越多的關(guān)注。然而，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車還存在一些亟待解決的問題，比如續(xù)航里程短、充電時間長等。另外，電動汽車是由電機驅(qū)動，要實現(xiàn)電動汽車對復(fù)雜交通與行駛工況的適應(yīng)于匹配，需要有外接的各種控制功能模塊，而這些模塊組成的控制器性能也就決定了電動汽車的性能。隨著微電子控制單元的快速發(fā)展，智能化控制技術(shù)得到不斷提升與應(yīng)用。目前，電動汽車控制器的功能越來越全面，基本能夠滿足電動汽車的控制需求。智能控制器也成為了提升電動汽車性能，推動“智能化”的關(guān)鍵。智能控制器主要包括整車控制系統(tǒng)、電機控制器、信息檢測與通信接口等部分。

一、整車控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1驅(qū)動控制系統(tǒng)功能需求分析

電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車的心臟，驅(qū)動系統(tǒng)的任務(wù)是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)從功能上來看主要包括：驅(qū)動控制、能源控制和輔助控制三個子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

對電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能要求主要考慮駕駛體驗、車輛性能以及能源系統(tǒng)性能等三個方面。電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能確定需要綜合考慮以上三個方面，并結(jié)合整體包裝、經(jīng)濟性等方面從系統(tǒng)層面進(jìn)行優(yōu)化，其目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)各子系統(tǒng)之間的相互配合以及系統(tǒng)整體的匹配。

1.2基于TMS320F2812的整車控制系統(tǒng)設(shè)計

為了克服現(xiàn)有單電機電動汽車整車控制器不能滿足四輪獨立驅(qū)動電動汽車的控制要求以及不支持信息交互、通信互聯(lián)等功能拓展的缺點，本文設(shè)計了一種四輪獨立驅(qū)動電動汽車整車控制系統(tǒng)，不僅能滿足四輪獨立驅(qū)動電動汽車協(xié)調(diào)控制四個驅(qū)動電機的整車控制要求，而且通過本控制系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)通訊端口與外部無線網(wǎng)絡(luò)模塊通訊實現(xiàn)信息交互、通信互聯(lián)等功能，便于實現(xiàn)車-車通信、車-路通信等。

通過性能分析以及實際需求，整車控制系統(tǒng)以TMS 320F2812芯片作為內(nèi)核。電動汽車直流無刷電機速度控制所需的PWM信號產(chǎn)生、磁極位置偵測、切換法則、速度估測、開環(huán)及閉環(huán)控制等，都在該DSP芯片通過軟件的方式實現(xiàn)。根據(jù)功能需求，實驗車上的整車控制單元主要包括A/D采樣模塊、DSP主控模塊、PWM脈沖信號輸出模塊、電源模塊、標(biāo)準(zhǔn)通訊端口模塊及備用端口模塊。

二、智能電機控制器設(shè)計

基于多MCU的電動汽車智能控制器設(shè)計包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，首先對硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計并實現(xiàn)，接著在硬件上對軟件系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。硬件系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接關(guān)系到控制器的運行穩(wěn)定性和可擴展性

2.1基于MC33035的驅(qū)動電路設(shè)計

無刷直流電機（BLDC）具有使用壽命長，免維護(hù)等特點，是目前最普及的電動汽車用動力源之一。相比有刷電機控制器，無刷直流電機的控制器設(shè)計卻要復(fù)雜，一方面是因為無刷直流電機使用直流電且無換向用的電刷，其換向控制相對有刷電機要復(fù)雜許多;另一方面由于電動汽車負(fù)載極不穩(wěn)定，又使用電池作電源;因此控制器自身的保護(hù)及對電機，電源的保護(hù)均對控制器的設(shè)計提出了更多要求。

基于MC33035設(shè)計的無刷直流電機控制器能夠控制無刷直流輪轂電機的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速和剎車，可在此電機控制器基礎(chǔ)上實現(xiàn)電子差速控制，能夠通過數(shù)字電位器將數(shù)字命令轉(zhuǎn)化為模擬量控制輪轂電機轉(zhuǎn)速。該單元主要包括電源模塊、無刷直流電機控制芯片主控電路以及電機驅(qū)動電路三部分。

2.2基于Atmega-16的電流檢測與驅(qū)動方式切換控制器設(shè)計

ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz。電流檢測單元的主控芯片采用Atmega16單片機，其引腳的連接如圖3所示。

在此基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)對輪轂電機的驅(qū)動狀態(tài)進(jìn)行有效地控制，則需要給輪轂電機控制器的使能端輸入控制信號，當(dāng)電動汽車上的電機控制器輸入12V的使能控制信號時，輪轂電機將空轉(zhuǎn)，無驅(qū)動力作用;當(dāng)輪轂電機控制器的使能控制端無電壓輸入時，輪轂電機控制器則將根據(jù)踏板信號的模擬電壓以一定速度驅(qū)動輪轂電機運轉(zhuǎn)?？梢姡刂菩盘柨梢允?2V開關(guān)型的，要想實現(xiàn)驅(qū)動方式的自動切換，可采用電壓比較的方法來實現(xiàn)。

為更精確地對電動汽車輪轂電機轉(zhuǎn)速控制和實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，我們就需要對電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行提取。輪轂電機帶有三個霍爾傳感器用于檢測當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子的位置，電機控制器根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號，每一相霍爾傳感器所輸出信號都是高低變化的電平，速度提取單元就是通過檢測該信號的頻率計算出輪轂電機的轉(zhuǎn)速，單個電機測速原理如圖4所示。

三、結(jié)論

在電動汽車領(lǐng)域中，電動汽車控制器的發(fā)展占據(jù)著非常重要的地位，隨著電動汽車的推廣與使用，更先進(jìn)且智能化的控制系統(tǒng)將不斷應(yīng)運而生，基于多MCU的控制結(jié)構(gòu)體系將會是一種有效的解決方案?？梢栽陔妱悠嚿媳粡V泛有效地應(yīng)用，因此本設(shè)計具有較高的使用價值。本文所設(shè)計的控制器具有以下特點：

（1）適用于四輪輪式獨立驅(qū)動電動汽車，具有豐富的系統(tǒng)功能，不僅為電動汽車提供了穩(wěn)定的駕駛性能，還同時提供了許多智能化的輔助功能。

（2）以嵌入式MCU來設(shè)計控制器，不僅控制性能好、體積小、效率高，而且對系統(tǒng)后期的調(diào)試提供便利。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李樂.四輪獨立驅(qū)動電動汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)：2010.

[2]李樂，李波等.帶霍爾式位置傳感器BLDCM控制器設(shè)計[J].自動技術(shù)與應(yīng)用，2010

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