劉新磊，程增木

（山東交通學(xué)院，山東濟(jì)南，250300）

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基于MATLABSimulink的純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法研究

劉新磊，程增木

（山東交通學(xué)院，山東濟(jì)南，250300）

摘要：介紹了一種基于MATLABSimulink環(huán)境下的純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。概述了基于Simulink開(kāi)發(fā)平臺(tái)下建立純電動(dòng)汽車(chē)控制模型及整車(chē)硬件控制系統(tǒng)，并利用Real Time Workshop Embedded Coder對(duì)飛思卡爾HCS12X系列單片機(jī)快速開(kāi)發(fā)的方法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：使用MATLAB會(huì)加快純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)速度。本方法對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；整車(chē)控制；MATLAB/Simulink；飛思卡爾；單片機(jī)

引言

在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，傳統(tǒng)的汽車(chē)嵌入式開(kāi)發(fā)的過(guò)程需要整車(chē)開(kāi)發(fā)人員不僅需要懂嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用層,還需要懂得芯片相關(guān)底層的開(kāi)發(fā)，這無(wú)疑增加了開(kāi)發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)的周期會(huì)加長(zhǎng)[1]。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，其Simulink模塊廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。對(duì)于開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器，開(kāi)發(fā)人員可以在Simulink環(huán)境下建立控制模型并進(jìn)行仿真，當(dāng)仿真結(jié)果符合開(kāi)發(fā)人員要求時(shí)，使用Embedded Coder技術(shù)可以直接生成在產(chǎn)品級(jí)代碼。該工具可以在可視化動(dòng)態(tài)交互平臺(tái)上直接應(yīng)用。因此,使用Simulink的Real Time Workshop Embedded Coder工具可大大縮短開(kāi)發(fā)周期，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

1　控制器原理

純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器是純電動(dòng)汽車(chē)的核心組成成分，它決定著純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中的一系列策略，是純電動(dòng)汽車(chē)的大腦[1]。其主要功能[1]如下：

（1）應(yīng)答與處理：接收駕駛員的指令，對(duì)指令進(jìn)行處理，向其他控制器發(fā)出控制指令，協(xié)調(diào)處理各個(gè)控制模塊的反饋信息。

（2）能源管理：在純電動(dòng)汽車(chē)中，實(shí)時(shí)反饋蓄電池的工作狀態(tài)。保證汽車(chē)的正常行駛并同時(shí)反饋電量信息給駕駛員。

（3）機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)：純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電子助力轉(zhuǎn)向等行駛機(jī)構(gòu)，對(duì)其模擬狀態(tài)量進(jìn)行連續(xù)采集并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供其他模塊處理與使用。

（4）狀態(tài)判斷：對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)的故障進(jìn)行判斷與存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)地采集與檢測(cè)狀態(tài)信息，并進(jìn)行記錄。

（5）自動(dòng)保護(hù)：對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)的故障進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)故障程度進(jìn)行分級(jí)保護(hù)與自動(dòng)處理，保證電動(dòng)汽車(chē)的安全性。

2　基于Simulink的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一般過(guò)程

Simulink模塊支持多種嵌入式單片機(jī)，其操作簡(jiǎn)便，具有極好的移植性。在Simulink工作環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[2,9]的流程如圖1所示。

2.1需求分析階段

本階段主要需要相關(guān)工程人員根據(jù)技術(shù)要求文檔建立相應(yīng)的精準(zhǔn)的Simulink數(shù)學(xué)模型[3]。開(kāi)發(fā)人員可以依據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)的修訂、對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行初步的評(píng)估。本階段主要是為了確定系統(tǒng)算法的可行性，保證系統(tǒng)可以運(yùn)行在在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。

圖1　開(kāi)發(fā)流程

2.2解析模型階段

2.2.1模型的構(gòu)析

需求分析結(jié)束后，Simulink在構(gòu)析階段掌握了整個(gè)程序模型的結(jié)構(gòu)、各個(gè)模塊間的先后執(zhí)行順序、各個(gè)模塊的參數(shù)配置和采樣時(shí)間等重要信息，技術(shù)人員需要對(duì)構(gòu)析的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析。

2.2.2TCL文件

TCL[4]語(yǔ)言類(lèi)似于c/c++的腳本語(yǔ)言，用RTW代碼生成體系支持不同的MCU，不同的MCU又有自己的相應(yīng)的TCL文件。開(kāi)發(fā)人員可以使用RTW自帶的模板，也可以自己創(chuàng)建自定義模塊，TCL文件可以自動(dòng)優(yōu)化代碼。專(zhuān)用算法和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序同樣也可合并到模型代碼中。使用S-Function Builder模塊可以自動(dòng)生成用于用戶(hù)自定義代碼的TCL文件。

2.3代碼生成及編譯連接

在完成相關(guān)TCL文件的配置之后，MATLAB/Simulink即可自動(dòng)生成高級(jí)語(yǔ)言的代碼，同時(shí)會(huì)結(jié)合生成的MakeFile[4]文件（.mk）來(lái)控制編譯鏈接過(guò)程。運(yùn)用于目標(biāo)硬件相對(duì)應(yīng)的編譯工具和鏈接工具即可在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行代碼。如果在程序模型中配置了用戶(hù)自定義的源代碼和用戶(hù)自定義的庫(kù)函數(shù)文件，在編譯鏈接階段這些源代碼和庫(kù)都將被編譯并且鏈接。在編譯過(guò)程中，Embedded Target產(chǎn)品會(huì)調(diào)用內(nèi)部已有MCU庫(kù)，自動(dòng)獨(dú)立生成與目標(biāo)MCU相關(guān)的底層函數(shù)。

3　純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器

3.1控制器的選擇

MATLAB(2009b)版本支持Freescale HCS12X系列處理器，HCS12X[5]系列單片機(jī)是Freescale公司于2005年推出的HCS12系列增強(qiáng)型產(chǎn)品，基于S12 CPU內(nèi)核的16位單片機(jī)，128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash(D-lash)，可以達(dá)到25MHz的HCS12的2-5倍性能?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。HCS12X系列單片機(jī)可以工作從-40℃到125℃，完全可以滿(mǎn)足汽車(chē)的需求。此外，MATLABSimulink對(duì)HCS12X系列單片機(jī)有很好的驅(qū)動(dòng)與底層支持，因此使用MATLAB Simulink可以很好的對(duì)HCS12X單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.2整車(chē)控制系統(tǒng)的抽象模型

HCS12X單片機(jī)主要功能模塊[5-6]包括：多個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)器，內(nèi)部PLL鎖相環(huán)回路，2個(gè)異步串口通訊SCI，1個(gè)串行外設(shè)接口SPI，雙通道MSCAN2.0模塊，1個(gè)8通道輸入/輸出比較定時(shí)器模塊TIM，周期中斷定時(shí)器模塊PIT，16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC，1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM，多個(gè)輸入/輸出數(shù)字I/O口。

根據(jù)HCS12X系列單片機(jī)的這些特性，可以建立如圖2所示的純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制模型[7]。

3.3整車(chē)控制系統(tǒng)的控制概述

在如圖2所示的控制模型中，純電動(dòng)汽車(chē)由DC12/24 V電壓進(jìn)行供電，由輸入電源模塊將DC12/24V電壓經(jīng)穩(wěn)壓、濾波轉(zhuǎn)換為DC12V、DC7.2V、DC5V、DC3.3V等多種電壓，為單片機(jī)和其他電器結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊供電。純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，由多種傳感器將模擬信號(hào)采集回來(lái)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后反饋給HCS12X單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)電機(jī)、汽車(chē)助力裝置[8]等模塊的控制。整車(chē)控制中，多機(jī)通訊[10]采用以CAN總線為主，LIN總線為輔的通信策略，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于輸入與輸出電子電力問(wèn)題，由HCS12X系列單片機(jī)控制電池管理系統(tǒng)，對(duì)電池進(jìn)行合理管理可以保證電能的有效利用和電池的有效維護(hù)，保障純電動(dòng)汽車(chē)的安全行駛。

圖2　整車(chē)控制系統(tǒng)的抽象模型

3.4純電動(dòng)汽車(chē)前車(chē)燈控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)例

在MATLABSimulink環(huán)境下搭建如圖所示的車(chē)燈控制系統(tǒng)[11]，如圖3所示。

圖3　純電動(dòng)汽車(chē)前車(chē)燈控制系統(tǒng)

圖3中In1、In2、In3、In4分別表示左轉(zhuǎn)向燈、右轉(zhuǎn)向燈、前近光大燈、前遠(yuǎn)光大燈。Control logic為控制邏輯模塊，負(fù)責(zé)控制內(nèi)部邏輯；sensor correction and Fault Redundancy1和sensor correction and Fault Redundancy2為傳感器校正和故障冗余模塊，負(fù)責(zé)傳感器的故障的檢查；Fuel Calculation為能源消耗計(jì)算模塊，負(fù)責(zé)對(duì)消耗的電能進(jìn)行計(jì)算；XCP CANTransport Layer為CAN總線接收器，負(fù)責(zé)接收總線信號(hào)；Out為輸出模塊。對(duì)控制模型進(jìn)行仿真，仿真無(wú)誤之后對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)析，解析車(chē)燈在仿真時(shí)間內(nèi)電能消耗等一系列參數(shù)。隨后進(jìn)行TCL文件的配置與代碼的自動(dòng)生成，點(diǎn)擊Generate Code即可生成本模型的代碼，并可直接移植至HCS12X系列單片機(jī)上使用。部分核心代碼塊如圖4所示。

圖4　本模型生成的部分核心代碼塊

代碼生成之后，利用Simulink中的scope觀察輸入與輸出模塊，汽車(chē)轉(zhuǎn)向燈輸入邏輯電平和輸出的邏輯電平分別如圖5、圖6所示。

對(duì)圖5、圖6分析可以得知：輸入頻率一定時(shí)，輸出模塊可以很好地響應(yīng)輸入信號(hào)，MATLAB可以自動(dòng)優(yōu)化代碼進(jìn)行軟件濾波，電平出現(xiàn)周期性跳變，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的輸出信號(hào)，證明由MATLAB生成的整車(chē)控制代碼可以穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖5　汽車(chē)轉(zhuǎn)向燈輸入邏輯電平

圖6　汽車(chē)轉(zhuǎn)向燈輸出邏輯電平

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的這種基于MATLABSimulink的整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)方法可以有效的應(yīng)用于汽車(chē)電子控制的開(kāi)發(fā)上，讓開(kāi)發(fā)人員擺脫不熟悉底層和硬件層開(kāi)發(fā)的困境，加快開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)速度。同時(shí)，本文介紹的開(kāi)發(fā)方法可以動(dòng)態(tài)地將模型控制、數(shù)據(jù)仿真、算法控制、底層驅(qū)動(dòng)完美的結(jié)合在一起，在今后汽車(chē)電子的開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以大大減小開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。

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劉新磊(1981-)，講師，工學(xué)博士。研究方向：新能源汽車(chē)與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

程增木(1996-)，工學(xué)學(xué)士，研究方向：汽車(chē)MCU開(kāi)發(fā)與汽車(chē)電機(jī)控制。

A Development of Pure Electric Vehicle Controller Based On MATLABSimulink

XinLei Liu,ZengMu Cheng
(ShanDong JiaoTong University,ShanDong,JiNan,250300,China)

Abstract:In this paper,a software and hardware design method of Pure Electric Vehicle Controller was introduced based on MATLABSimulink.A way of creating Pure Electric Vehicle Controller model and system of Vehicle hardware Controller was statemented.Meanwhile,using Real Time Workshop Embedded Code can quickly develop Freescale HCS12X family of microcontrollers.Finally,the outcome shows using MATLAB can accelerate the development of pure electric vehicle controller.This method of pure electric vehicle control system development and design has a reference value.

Key words:Pure Electric Vehicle;Vehicle Controller;MATLAB/Simulink;Freescale;Microcontroller

作者簡(jiǎn)介：

DOI:工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.001

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412(2016)01-644-05