融合主動減振的增程混動系統(tǒng)動力域控制器開發(fā)

方成，郭圣剛，胡耀東，劉思源，徐可鵬，楊福源

摘要： 針對增程混動系統(tǒng)的扭轉振動問題，開發(fā)了一種基于多核單片機的動力域控制器，集成了整車控制、APU系統(tǒng)控制、發(fā)動機控制和電機控制的軟硬件，在多核任務分配和核間協(xié)調的基礎上，通過電機相位和發(fā)動機相位同步算法，利用矩形波進行扭矩補償，實現(xiàn)了主動減振功能。試驗結果表明：利用該控制器，恒轉速倒拖工況發(fā)動機轉速波動范圍可以減少79.7%；倒拖起動工況和自由停機工況共振時，第一階次頻率分量的幅值降幅約42.9%。

關鍵詞： 混合動力汽車；控制器；主動減振

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.007

中圖分類號：U469.7文獻標志碼： B文章編號： 1001-2222（2024）02-0047-06

在節(jié)能和減排的雙重壓力下，混合動力成為汽車動力系統(tǒng)的技術路線之一，它既能降低整車油耗，又能解決里程焦慮問題［1］。依據發(fā)動機和電機的耦合方式，混合動力系統(tǒng)分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等，但無論是哪種構型，NVH（noise vibration harshness）都是混合動力汽車開發(fā)中需要解決的問題［2］?；旌蟿恿ζ嚨氖孢m性和駕駛性受到多方面因素的影響，來自傳動系統(tǒng)的扭轉振動是關鍵之一：一方面，扭轉振動可能會損壞動力總成的部件和連接軸；另一方面，當發(fā)動機曲軸的扭轉振動傳遞到車架時，會引起車身振動，降低駕駛的舒適性［3-4］。發(fā)動機的扭轉振動主要來源于起動過程、怠速過程和停機過程［5］。增程混動系統(tǒng)是市面上常見的一種混合動力構型，通常由發(fā)動機和ISG（integrated starter generator）電機組成輔助動力單元（auxiliary power unit，APU）［6］。通過主動減振技術，利用ISG電機輸出與發(fā)動機輸出扭矩反向的補償扭矩，可以顯著降低發(fā)動機的轉速波動和振動水平［7］。

在之前的研究中，分別使用發(fā)動機控制器（engine control unit，ECU）和電機控制器（motor control unit，MCU）控制發(fā)動機和ISG電機，兩個控制器之間通過CAN（controller area network）總線進行通信。CAN總線的通信波特率和通信延遲限制了系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)調能力。

本研究開發(fā)了一個動力域控制器（domain control unit，DCU），集成了整車控制、APU系統(tǒng)控制、發(fā)動機控制和電機控制等功能，基于多核單片機核間同步進行電機和發(fā)動機的高頻協(xié)調控制，實現(xiàn)了主動減振（active damping control，ADC）功能。

1試驗環(huán)境

研究用發(fā)動機為一臺YC4EG185高壓共軌柴油機，發(fā)動機部分參數(shù)見表1。

ISG電機為TZ435XS-SL080F永磁同步電機，發(fā)動機與電機為同軸剛性連接，電機部分參數(shù)見表2。電池包部分參數(shù)如表3所示。

測試臺架配備HT250交流電力測功機，用于記錄發(fā)動機轉速和動力系統(tǒng)扭矩；配備Saleae Logic16邏輯分析儀，用于采集光電編碼器信號獲得發(fā)動機瞬時轉速；配備Cambustion Dewetron燃燒分析儀，用于采集缸壓信號。

2域控制器硬件設計

域控制器由主控板、驅動板、功率模塊、結構件和附件（包括配電板、電流傳感器和保險等）組成。域控制器主電路框架見圖1。

主控板負責運行控制邏輯，在該板上集成了整車控制、發(fā)動機控制、燃燒控制和電機控制的弱電電路，包括以下部分。

1） 電源電路。通過DCDC和LDO芯片，產生內部電路和傳感器供電需要的5 V，3.3 V和1.2 V等電源，以及IGBT驅動需要的15 V電源。

2） 通信電路。為了支持與其他控制單元的信息交互，以及在線監(jiān)控和標定，設計了CAN和以太網的通信電路。

3） 信號調理電路。對輸入的各種傳感器（轉速傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器等）信號和開關信號進行處理；集成了發(fā)動機各缸缸壓信號的處理電路，實現(xiàn)放大、濾波和偏移等功能；同時還采集電機驅動的母線電壓和各相電流，這些信號來自于高壓部分，需要進行電氣隔離。

4） 多核單片機。采用TC387高性能多核單片機，該單片機內部集成了6個運行頻率達300 MHz的核心（4個功能核+2個鎖步核），實時算力4 000 DMIPS（dhrystone million instructions per second，每秒處理的百萬級的機器語言指令數(shù)），可滿足功能安全等級ASIL-D的設計要求，另外還具備豐富的外設資源，如10 MB Flash，1 Gbit以太網和符合EVITA Full［8］的HSM（hardware security module）安全模塊等。

5） 發(fā)動機及整車驅動電路。通過高低邊驅動芯片驅動各種電磁閥、繼電器和指示燈等，如發(fā)動機各缸噴油器電磁閥、EGR（exhaust gas recirculation）閥和軌壓控制閥等。

6） 電機驅動電路。主要是輸出電機驅動所需的3相6路PWM信號，一方面把單片機輸出的5 V信號轉換成15 V的信號，另一方面使用比較器、觸發(fā)器和與門等器件實現(xiàn)異常驅動電流時的電機保護功能。

在驅動板上實現(xiàn)驅動部分的高低壓隔離，把電機驅動的3相PWM信號轉換成6路IGBT的驅動信號。在電路設計的基礎上，進行域控制器的結構設計（見圖2），在域控制器結構設計過程中，需要綜合考慮防護、散熱、抗振、安全和電磁兼容等性能。

3域控制器軟件設計

域控制器軟件分為基礎軟件和應用軟件，軟件框架如圖3所示。

1） 基礎軟件。包括通用基礎軟件、轉速信號處理與噴射控制軟件、缸壓采集和燃燒狀態(tài)指標計算軟件、電機矢量控制軟件等。

（1） 通用基礎軟件。按照AUTOSAR（automotive open system architecture）［9］規(guī)范設計，包括單片機抽象層、ECU抽象層和服務層，分別包含了單片機各個模塊（輸入輸出模塊、通信模塊和內存模塊等）驅動、在板設備/內存硬件/通信硬件/輸出輸出硬件的封裝、系統(tǒng)服務/內存服務/通信服務的封裝。

（2） 轉速信號處理與噴射控制軟件。對曲軸轉速信號和凸輪軸轉速信號進行處理，建立發(fā)動機相位基準，在此基礎上，根據發(fā)動機動力需求，輸出各缸噴油器電磁閥的驅動脈寬。

（3） 缸壓采集與燃燒狀態(tài)指標計算軟件。一方面，根據曲軸轉速信號識別的發(fā)動機基礎相位，每0.2°（曲軸轉角）觸發(fā)缸壓采集任務，采集與發(fā)動機相位對應的各缸缸壓信號；另一方面，每1°觸發(fā)缸壓處理任務，每6°觸發(fā)運動學模型計算任務，每180°觸發(fā)燃燒模型計算任務，計算各種燃燒狀態(tài)指標，如瞬時放熱率、累計放熱、CA50和平均有效壓力等［10］。

（4） 電機FOC（field orientation control）矢量控制軟件。根據采集的母線電壓和各相電流，利用坐標變換、PI控制器和空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）等技術，輸出三相PWM信號，控制IGBT實現(xiàn)三相電流的調節(jié)，達到電機的目標扭矩或目標轉速。

為了實現(xiàn)主動減振控制，需要把電機相位同步到發(fā)動機相位。通過旋轉變壓器來反饋電機相位，圖4示出旋轉變壓器的轉子和定子。

旋轉變壓器轉子邊緣加工成一種形狀重復出現(xiàn)，重復次數(shù)與旋轉變壓器的極對數(shù)p一致。旋轉變壓器輸出的信號，經過芯片處理后轉換為k位無符號整數(shù)i（0～2k－1）給單片機。由于ISG電機與發(fā)動機同軸，電機數(shù)字相位信息i與發(fā)動機相位之間的關系如下：

φ=（m+i2k－1）×360°p。（1）

本研究中，電機極對數(shù)p為12，處理芯片輸出的數(shù)字相位信息i為16位無符號整數(shù)（k=16）；數(shù)字相位信息在發(fā)動機一個循環(huán)（720°）內重復出現(xiàn)的次數(shù)為24次，式（1）中，m（1≤m≤24）表示同一個數(shù)字相位信息第幾次出現(xiàn)。

2） 應用軟件。涵蓋了從燃燒過程、發(fā)動機、電機、APU系統(tǒng)到整車等各個層次的控制算法。

（1） 整車控制算法。司機扭矩需求通過加速踏板輸入后，轉換成加速踏板目標扭矩，綜合來自巡航控制、驅動控制和車輛穩(wěn)定性控制的扭矩需求，經過系統(tǒng)扭矩保護限制后傳遞給動力系統(tǒng)控制。動力系統(tǒng)包括電池包、主驅電機、變速箱和APU系統(tǒng)等，本研究使用基于規(guī)則的功率跟隨式能量管理策略［11］，綜合整車扭矩需求確定主驅電機的目標扭矩，根據電池包荷電狀態(tài)（SOC，state of charge），確定電池包輸出功率和APU系統(tǒng)輸出功率；主驅電機的目標扭矩通過CAN總線發(fā)送給主驅電機控制器。

（2） APU系統(tǒng)控制算法。APU系統(tǒng)包含發(fā)動機和ISG電機，根據APU系統(tǒng)的發(fā)電功率需求，協(xié)調發(fā)動機和電機的運行，確定發(fā)動機和ISG電機的目標轉速和目標扭矩。

（3） 發(fā)動機控制算法。通過燃油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的協(xié)調控制實現(xiàn)發(fā)動機動力性和經濟性的控制，達到目標轉速和目標扭矩，燃油系統(tǒng)控制輸出各缸的軌壓、噴油脈寬和噴油提前角，空氣系統(tǒng)控制輸出EGR率和增壓壓力等；通過后處理系統(tǒng)的控制，控制發(fā)動機的排放使之符合法規(guī)。

（4） 燃燒控制算法。一方面，通過平均指示壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）和50%放熱曲軸位置（50% of the mass fraction burned，MFB50）等的閉環(huán)控制，輸出各缸的噴油脈寬和噴油提前角的調節(jié)量，對燃油系統(tǒng)控制輸出的噴油脈寬和噴油提前角進行修正，降低發(fā)動機循環(huán)波動和各缸的不一致性；另一方面，通過缸內壓力和瞬時轉速的采集，可以計算發(fā)動機的氣體作用力扭矩和往復慣性力扭矩，實時估計發(fā)動機輸出的實際扭矩。

（5） 電機控制算法。根據APU系統(tǒng)發(fā)電/驅動需求和主動減振需求，確定ISG電機的目標扭矩。主動減振的基本原理是讓電機可以輸出一個與發(fā)動機輸出瞬時扭矩幅值相當，但是相位相反的理想補償扭矩。但由于電機控制周期和電機響應時間的影響，無法輸出該理想補償扭矩，可以設計補償扭矩波形［13-14］（見圖5）。

補償扭矩方波的最大值為Teng，max－Teng，avr，最小值為Teng，max－Teng，min，單個方波波形的持續(xù)時間如下計算：

（Teng，max－Teng，avr）·Δφ+=

∫φ2φ1（Teng（φ）－Teng，avr）dφ，（2）

（Teng，min－Teng，avr）·Δφ－=

∫φ3φ2（Teng（φ）－Teng，avr）dφ。（3）

一方面，補償扭矩方波關于角度的積分值為0，這樣保證不改變APU系統(tǒng)輸出的功率；另一方面，正的補償扭矩（表示電機發(fā)電）積分與高于發(fā)動機平均扭矩的扭矩積分相同，負的補償扭矩（表示電機驅動）積分與低于發(fā)動機平均扭矩的扭矩積分相同。

主動減振補償扭矩的輸出必須與發(fā)動機相位同步，利用旋轉變壓器獲得電機相位，通過同步算法獲得對應的發(fā)動機相位，使用該相位查表獲得同步補償扭矩，作為主動減振目標扭矩。該目標扭矩再疊加APU系統(tǒng)電機需求扭矩，作為最終的ISG電機目標扭矩，由基礎軟件中的矢量控制軟件控制電機三相電流實現(xiàn)該目標扭矩。

4任務分配與核間協(xié)調機制

本研究所用的TC387高性能單片機，內部具備4個運算核心，一方面是為了均衡各個內核的計算負荷，另一方面可以讓軟件架構更清晰。本研究對各個內核進行了任務分配：

1） Core0。運行通用基礎軟件、發(fā)動機控制軟件、APU系統(tǒng)控制軟件、動力系統(tǒng)控制軟件和整車控制軟件，雖然任務較多，但最快的任務調度周期為10 ms。

2） Core1。運行轉速信號處理軟件、噴射控制軟件和燃燒控制算法，轉速信號處理任務6°觸發(fā)一次；燃燒控制算法包括循環(huán)間燃燒控制和循環(huán)內燃燒控制，其中循環(huán)內燃燒控制對實時性要求很高，任務需要每隔1°同步調用［15］，在發(fā)動機轉速為2 000 r/min時，任務調度周期為83.3 μs。

3） Core2。運行缸壓采集和燃燒狀態(tài)指標計算軟件，包含0.2°，1°和6°的軟件任務，在發(fā)動機轉速為2 000 r/min的情況下，任務調度周期分別為16.7 μs，83.3 μs和500 μs。該內核計算負荷高，未安排其他任務。

4） Core3。運行電機FOC矢量控制軟件，主任務200 μs運行一次，輸出各個IGBT功率管控制PWM的頻率和占空比。

在任務分配的基礎上，對內存進行分配。

1） 原則上，各內核擁有獨立的堆?？臻g、代碼空間、常數(shù)空間和變量空間。

2） 共享變量，保存在單獨的共享內存空間，使用標志位指示共享數(shù)據的更新狀態(tài)，同時，通過旗語（Semaphore）來保證共享區(qū)域的數(shù)據連續(xù)性，避免多個內核對同一片內存進行寫操作。

3） 共享的代碼和參數(shù)，程序在運行過程中只會進行讀取，而不會發(fā)生更改行為，所以可以保存在任何一個內核的代碼空間。

最后，在各個內核之間還需要進行任務同步。

1） 強實時任務同步，指的是通過一個內核去觸發(fā)另一個內核的任務運行，任務調度允許延遲時間小于10 μs；對于這類任務同步，則直接由一個內核去觸發(fā)另一個內核的高優(yōu)先級中斷，在高優(yōu)先級中斷中直接運行相應代碼，如在Core1的轉速信號處理任務中，會基于轉速預測來觸發(fā)Core2的0.2°缸壓采集任務［16］，就是通過在Core1中觸發(fā)Core2的高優(yōu)先級中斷來實現(xiàn)。

2） 弱實時任務同步，指的是通過一個內核去觸發(fā)另一個內核的任務運行，任務調度允許延遲時間較長（一般大于100 μs）；對于這類任務同步，則由一個內核通過操作系統(tǒng)去觸發(fā)另一個內核的軟件任務。

5控制平臺試驗驗證

完成域控制器軟硬件開發(fā)后，在發(fā)動機臺架上進行試驗，驗證控制器的功能和性能。圖6示出700 r/min恒轉速倒拖工況下的主動減振試驗結果。由圖6可知，發(fā)動機的轉速波動范圍從42.4 r/min減小至8.6 r/min，降低了79.7%。循環(huán)角加速度平方定義為在一個完整發(fā)動機工作循環(huán)內角加速度平方的積分，可用于表征振動中包含的能量，主動減振介入后，該指標可減小89.7%。

增程混動系統(tǒng)典型瞬態(tài)工況（倒拖起動和自由停機）的試驗結果見圖7和圖8。

由圖7可以看到，主動減振開啟后，倒拖加速過程中的轉速波動范圍被大幅度削減，由共振導致的轉速波動同樣被削減。使用短時傅里葉變換（short-time fourier transform，STFT）進行時頻分析，當共振發(fā)生時，第一階次頻率分量的幅值驟增至約70 r/min。主動減振使能后，該幅值下降至不到40 r/min，降幅為42.9%。

由于主動減振應用前后軸系具有不同的減速度，為了方便對比，將自由停機過程的試驗結果繪制在曲軸轉角域。結果顯示，自由停機過程中的歸一化應變的幅值能夠被主動減振有效地削減；同時，由于周期性壓縮缸內工質引起的轉速波動也被有效削減。使用短時傅里葉變換進行分析，在自由停機過程中，當共振發(fā)生時，第一階次頻率分量的幅值驟增至約35 r/min。主動減振使能后，該幅值下降至不到20 r/min，降幅約42.9%。

6結論

a） 基于高性能多核芯片TC387開發(fā)的增程混動系統(tǒng)動力域控制器，集成了燃燒控制、發(fā)動機控制、ISG電機控制、APU系統(tǒng)控制和整車控制功能的硬件和軟件，在多核任務分配和核間協(xié)調基礎上，通過電機相位和曲軸相位同步算法，利用矩形波進行扭矩補償，實現(xiàn)了主動減振功能；

b） 利用該域控制器，在700 r/min恒轉速倒拖工況，發(fā)動機的轉速波動范圍能夠從42.4 r/min減小至8.6 r/min，削減率為79.7%；

c） 利用該域控制器，倒拖起動過程共振時，第一階次頻率分量的幅值從約70 r/min下降至不到40 r/min，降幅約42.9%；自由停機共振時，第一階次頻率分量的幅值從約35 r/min下降至不到20 r/min，降幅約42.9%。

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Development of Powertrain Domain Control Unit with Active?Damping Control for Range-Extended Hybrid System

FANG Cheng1，2，GUO Shenggang1，3，HU Yaodong1，LIU Siyuan3，XU Kepeng3，YANG Fuyuan1

（1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing100084，China;2.ECTEK Automotive Electronics Co.，Ltd.，Changzhou213164，China;3.Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang261001，China）

Abstract： Aiming to reduce the torsional vibration of range-extended hybrid system， a powertrain domain control unit based on a multi-core microcontroller was developed. The softwares and hardwares of vehicle control， APU system control， engine control and motor control were integrated. Based on multi-core tasking and inter-core coordination， the synchronization algorithm between the motor phase and engine phase was used， the rectangular torque wave was used for torque compensation， and the active damping control was realized. The experimental results show that the engine speed fluctuation range can reduce by 79.7% under constant speed motoring conditions by using this controller. When the resonance of motoring starting conditions and free stop conditions happens， the amplitude of first-order frequency decreases by approximately 42.9%.

Key words： hybrid vehicle;control unit;active damping control

［編輯： 袁曉燕］