電動汽車電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

朱巨蓮

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，武漢 430205）

在電動汽車電機控制器產(chǎn)品的開發(fā)過程中，調(diào)試工具具有十分重要的作用。功能完善、靈活高效的電機控制器調(diào)試系統(tǒng)能夠提高電機控制器調(diào)試工作的效率，并有助于加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。目前，大多數(shù)電機控制器產(chǎn)品的調(diào)試工具存在，參數(shù)體系不夠靈活的缺陷。電機控制器的各種輸入和輸出信號源固定，當(dāng)現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)生變化時，要更改輸入或輸出信號源，只能通過重新修改和下載程序?qū)崿F(xiàn)，導(dǎo)致電機控制器調(diào)試工作的效率降低。為此，在電機控制器調(diào)試系統(tǒng)中引入靈活的參數(shù)體系和高效的通信協(xié)議，以便設(shè)計和開發(fā)出可以提高電機控制器調(diào)試工作效率的調(diào)試系統(tǒng)。

1 互聯(lián)參數(shù)體系

電機控制器所有參數(shù)分為只讀參數(shù)、連接器參數(shù)和可設(shè)置參數(shù)3 類。只讀參數(shù)只能顯示不能修改，常用于顯示系統(tǒng)輸出值，如控制器狀態(tài)、電機電流和轉(zhuǎn)速、故障等。連接器參數(shù)是固定值或電機控制器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)生成的值，不能修改，只能用于設(shè)置互聯(lián)參數(shù)。其中，開關(guān)量連接器參數(shù)前綴為B，單字?jǐn)?shù)字量連接器參數(shù)前綴為K。可設(shè)置參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，常用于設(shè)置系統(tǒng)輸入值，如控制器目標(biāo)轉(zhuǎn)矩給定、故障檢測閾值等?？稍O(shè)置參數(shù)又分為兩種：一種是功能參數(shù)，可以設(shè)置為允許范圍內(nèi)的某個值；另一種是互聯(lián)參數(shù)，可以通過連接器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。開關(guān)量互聯(lián)參數(shù)的后綴為B，單字?jǐn)?shù)字量互聯(lián)參數(shù)的后綴為K。

連接器參數(shù)和互聯(lián)參數(shù)為電機控制器提供了一種靈活聯(lián)系輸入和輸出信號的參數(shù)設(shè)置方法，可以根據(jù)實際應(yīng)用需求隨時更改信號輸入和輸出的端口。連接器參數(shù)和互聯(lián)參數(shù)的應(yīng)用示例，如圖1 所示。電機控制器的啟停命令參數(shù)P4001.B 是一個開關(guān)量互聯(lián)參數(shù)，可以根據(jù)實際應(yīng)用需求將其設(shè)置為不同來源的連接器參數(shù)，如位常量0（B0000）、位常量1（B0001）、鍵盤啟停信號（B0002）、整車通信啟停信號（B0004）等。同時，啟停命令的值也是一個開關(guān)量連接器參數(shù)B0008，可以供其他開關(guān)量互聯(lián)參數(shù)使用。電機控制器目標(biāo)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值給定參數(shù)P4296.K 是一個數(shù)字量互聯(lián)參數(shù)，可以根據(jù)實際應(yīng)用需求將其設(shè)置為各種不同來源的連接器參數(shù)，如單字常量100%（K0502）、單字常量-200%（K0508）、鍵盤轉(zhuǎn)矩給定（K0528）、整車通信轉(zhuǎn)矩給定（K0524）等。目標(biāo)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值也是一個數(shù)字量連接器參數(shù)K0640，可以供其他數(shù)字量互聯(lián)參數(shù)使用。

圖1 連接器參數(shù)和互聯(lián)參數(shù)的應(yīng)用

2 CAN 通信協(xié)議設(shè)計

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線由于結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活、具有良好的實際應(yīng)用性能成為主流車載總線，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。CAN 總線為多主系統(tǒng)，通信速率最高達(dá)到1 Mb·s-1，通過標(biāo)識符區(qū)分優(yōu)先級，采用短幀報文，抗干擾能力強。同時，采用循環(huán)冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗，數(shù)據(jù)傳輸可靠，錯誤節(jié)點可以自動關(guān)閉，主動脫離總線，不影響總線上其他正常工作的節(jié)點[1]。根據(jù)電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，結(jié)合互聯(lián)參數(shù)體系的優(yōu)勢及CAN 總線的特點，合理設(shè)計調(diào)試系統(tǒng)的CAN 通信協(xié)議。該協(xié)議易于實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸效率高，具有可靠性且易于擴展。

2.1 通信方式

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)采用主從通信方式。主設(shè)備（上位機）通過CAN 總線與一個或多個從設(shè)備（下位機）相連，CAN 網(wǎng)絡(luò)中的每個從設(shè)備都有不同的地址。如果主設(shè)備要與CAN 網(wǎng)絡(luò)中的某個從設(shè)備進(jìn)行通信，必須先發(fā)送包含該從設(shè)備地址的連接命令，與其建立有效連接，才能開始通信。

2.2 傳輸模式

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的主要通信任務(wù)包括快速讀取和設(shè)置電機控制器的單個參數(shù)值、上傳和下載電機控制器多個連續(xù)參數(shù)或全部參數(shù)、在線周期監(jiān)測電機控制器參數(shù)的變化情況。為了實現(xiàn)以上通信任務(wù)，定義兩種主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸模式。

2.2.1 應(yīng)答傳輸模式

在應(yīng)答傳輸模式下，每次都由主設(shè)備先發(fā)送一條命令報文，然后從設(shè)備進(jìn)行應(yīng)答，發(fā)送一條回復(fù)報文。這種傳輸模式主從設(shè)備之間采用一問一答方式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?。?dāng)從設(shè)備在執(zhí)行命令過程中出現(xiàn)錯誤時，可以將錯誤信息通過回復(fù)報文中的錯誤碼上報給主設(shè)備。應(yīng)答傳輸模式適用于少量或者可靠性要求高的數(shù)據(jù)傳輸，可以用于讀取和設(shè)置、上傳和下載電機控制器參數(shù)，但是不適用于在線連續(xù)監(jiān)測[2]。

2.2.2 無應(yīng)答（周期）傳輸模式

在無應(yīng)答傳輸模式下，主設(shè)備首先發(fā)送相關(guān)的周期傳輸設(shè)置命令報文，設(shè)置從設(shè)備周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量、采樣周期、觸發(fā)條件等。從設(shè)備收到設(shè)置命令后，按照設(shè)置要求主動發(fā)送數(shù)據(jù)報文到主設(shè)備，直到主設(shè)備需要停止無應(yīng)答傳輸時，再次發(fā)送停止周期傳輸命令的報文，從設(shè)備收到后立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)報文。無應(yīng)答傳輸模式適用于在線周期監(jiān)測電機控制器參數(shù)的變化情況。

2.3 CAN 通信協(xié)議

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的CAN 通信協(xié)議是在符合CAN2.0A 或CAN2.0B 規(guī)范的CAN 報文幀基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次定義，主要規(guī)定CAN 報文幀數(shù)據(jù)域中的8 個字節(jié)數(shù)據(jù)的格式和含義。主設(shè)備發(fā)送的第1 個字節(jié)是命令碼，第2 個字節(jié)是報文編號，主要用于主從設(shè)備之間的同步應(yīng)答，主設(shè)備每發(fā)送一次報文，編號自動加一。從設(shè)備發(fā)送的第1 個字節(jié)是錯誤代碼，主要用于向主設(shè)備上報錯誤信息和異常狀態(tài)。第2 個字節(jié)是報文編號，從設(shè)備回復(fù)的報文編號必須與主設(shè)備發(fā)送的一致。CAN 報文中其他字節(jié)對于不同的命令可以定義不同的含義。

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的CAN 通信只需使用兩個CAN 報文身份標(biāo)識號（Identity Document，ID），就可以使主設(shè)備和從設(shè)備發(fā)送CAN 報文。兩個CAN 報文ID 的具體值可以自行定義，一般采用優(yōu)先級較低的CAN 報文ID，以免影響CAN 總線上其他CAN 報文的傳輸[3-4]。

3 調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)主要包括調(diào)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計、上位機調(diào)試軟件的設(shè)計以及下位機電機控制器CAN 通信協(xié)議棧的程序開發(fā)。

3.1 調(diào)試系統(tǒng)的硬件組成

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2 所示。主設(shè)備（上位機）主要包括個人計算機（Personal Computer，PC）機和調(diào)試軟件，其中PC 機的通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口通過USB-CAN 轉(zhuǎn)換器連接到CAN 總線，再將CAN 總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 數(shù)據(jù)，供調(diào)試軟件讀取和處理。從設(shè)備（下位機）主要是電機控制器電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），采用高性能數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）處理器TMS320F28335，其內(nèi)部集成了CAN控制器，只需通過CAN 收發(fā)芯片即可連接到CAN總線。

圖2 調(diào)試系統(tǒng)硬件

3.2 調(diào)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

電機控制器調(diào)試系統(tǒng)的軟件分為上位機調(diào)試軟件和下位機調(diào)試軟件，并通過CAN 通信實現(xiàn)上下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸[5]。上位機調(diào)試軟件主要包括CAN協(xié)議處理模塊、CAN 通信驅(qū)動模塊、參數(shù)表文件解析模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊（包括監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線顯示部分）和數(shù)據(jù)存儲模塊等，負(fù)責(zé)發(fā)送命令報文以及接收和解析下位機回復(fù)的報文，開發(fā)工具選用Microsoft Visual Studio 2010。下位機調(diào)試軟件相對簡單，主要包括CAN 協(xié)議處理模塊、CAN 通信驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)接收、解析、回復(fù)上位機的命令報文，并主動發(fā)送周期監(jiān)測數(shù)據(jù)報文。

4 應(yīng)用效果

電動汽車電機控制器調(diào)試軟件的主界面，如圖3所示。雙擊互聯(lián)參數(shù)即可彈出連接器選擇框，根據(jù)需要選擇合適的連接器即可。經(jīng)測試，電機控制器調(diào)試系統(tǒng)長期連續(xù)運行正常。

圖3 電機控制器調(diào)試軟件主界面

5 結(jié)語

在電動汽車電機控制器調(diào)試系統(tǒng)中引入靈活的參數(shù)體系和高效的通信協(xié)議，能夠設(shè)計和開發(fā)出提高電機控制器調(diào)試工作效率的調(diào)試系統(tǒng)。該調(diào)試系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，可以靈活配置輸入和輸出信號源，具有快速讀取和修改參數(shù)、可靠上傳和下載全部參數(shù)、在線周期監(jiān)測參數(shù)變化情況等功能。經(jīng)過長時間的測試和應(yīng)用，證明該調(diào)試系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確，使用方便、靈活，能夠滿足電機控制器現(xiàn)場和開發(fā)的調(diào)試需求。