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(chǔ)空間不足等問(wèn)題，其分層遞階式控制體系為電動(dòng)汽車提供了更廣的系統(tǒng)資源。一方面，每個(gè)MCU獨(dú)立處理自身單元的功能信息，同時(shí)各單元之間通過(guò)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(kuò)展端口，為電動(dòng)汽車后期的提升空間搭建了平臺(tái)?；诙郙CU的電動(dòng)汽車智能控制器，該控制器包括電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)轉(zhuǎn)速提取單元、電流檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)方式切換控制單元。

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

引言

汽車作為社會(huì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，它的快速增長(zhǎng)在提高人們生活水平的同時(shí)，也帶來(lái)了諸如石油危機(jī)、環(huán)境危機(jī)等交通與社會(huì)問(wèn)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(dòng)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(lái)越多的關(guān)注。然而，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車還存在一些亟待解決的問(wèn)題，比如續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等。另外，電動(dòng)汽車是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車對(duì)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(dòng)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(dòng)汽車控制器的功能越來(lái)越全面，基本能夠滿足電動(dòng)汽車的控制需求。智能控制器也成為了提升電動(dòng)汽車性能，推動(dòng)“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(jī)控制器、信息檢測(cè)與通信接口等部分。

一、整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)功能需求分析

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，驅(qū)動(dòng)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(dòng)能，或者將車輪的動(dòng)能反饋到蓄電池中。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)從功能上來(lái)看主要包括：驅(qū)動(dòng)控制、能源控制和輔助控制三個(gè)子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求主要考慮駕駛體驗(yàn)、車輛性能以及能源系統(tǒng)性能等三個(gè)方面。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能確定需要綜合考慮以上三個(gè)方面，并結(jié)合整體包裝、經(jīng)濟(jì)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(jì)

為了克服現(xiàn)有單電機(jī)電動(dòng)汽車整車控制器不能滿足四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)，不僅能滿足四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)控制四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的整車控制要求，而且通過(guò)本控制系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)通訊端口與外部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊通訊實(shí)現(xiàn)信息交互、通信互聯(lián)等功能，便于實(shí)現(xiàn)車-車通信、車-路通信等。

通過(guò)性能分析以及實(shí)際需求，整車控制系統(tǒng)以TMS 320F2812芯片作為內(nèi)核。電動(dòng)汽車直流無(wú)刷電機(jī)速度控制所需的PWM信號(hào)產(chǎn)生、磁極位置偵測(cè)、切換法則、速度估測(cè)、開(kāi)環(huán)及閉環(huán)控制等，都在該DSP芯片通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)功能需求，實(shí)驗(yàn)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(hào)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(jī)控制器設(shè)計(jì)

基于多MCU的電動(dòng)汽車智能控制器設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，首先對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，接著在硬件上對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到控制器的運(yùn)行穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性

2.1基于MC33035的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）具有使用壽命長(zhǎng)，免維護(hù)等特點(diǎn)，是目前最普及的電動(dòng)汽車用動(dòng)力源之一。相比有刷電機(jī)控制器，無(wú)刷直流電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)卻要復(fù)雜，一方面是因?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)使用直流電且無(wú)換向用的電刷，其換向控制相對(duì)有刷電機(jī)要復(fù)雜許多;另一方面由于電動(dòng)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(duì)電機(jī)，電源的保護(hù)均對(duì)控制器的設(shè)計(jì)提出了更多要求。

基于MC33035設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制器能夠控制無(wú)刷直流輪轂電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速和剎車，可在此電機(jī)控制器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電子差速控制，能夠通過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)速。該單元主要包括電源模塊、無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片主控電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三部分。

2.2基于Atmega-16的電流檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)方式切換控制器設(shè)計(jì)

ATmega16是基于增強(qiáng)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(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz。電流檢測(cè)單元的主控芯片采用Atmega16單片機(jī)，其引腳的連接如圖3所示。

在此基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效地控制，則需要給輪轂電機(jī)控制器的使能端輸入控制信號(hào)，當(dāng)電動(dòng)汽車上的電機(jī)控制器輸入12V的使能控制信號(hào)時(shí)，輪轂電機(jī)將空轉(zhuǎn)，無(wú)驅(qū)動(dòng)力作用;當(dāng)輪轂電機(jī)控制器的使能控制端無(wú)電壓輸入時(shí)，輪轂電機(jī)控制器則將根據(jù)踏板信號(hào)的模擬電壓以一定速度驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，控制信號(hào)可以是12V開(kāi)關(guān)型的，要想實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式的自動(dòng)切換，可采用電壓比較的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為更精確地對(duì)電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，我們就需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行提取。輪轂電機(jī)帶有三個(gè)霍爾傳感器用于檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，電機(jī)控制器根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每一相霍爾傳感器所輸出信號(hào)都是高低變化的電平，速度提取單元就是通過(guò)檢測(cè)該信號(hào)的頻率計(jì)算出輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單個(gè)電機(jī)測(cè)速原理如圖4所示。

三、結(jié)論

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中，電動(dòng)汽車控制器的發(fā)展占據(jù)著非常重要的地位，隨著電動(dòng)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(yùn)而生，基于多MCU的控制結(jié)構(gòu)體系將會(huì)是一種有效的解決方案?？梢栽陔妱?dòng)汽車上被廣泛有效地應(yīng)用，因此本設(shè)計(jì)具有較高的使用價(jià)值。本文所設(shè)計(jì)的控制器具有以下特點(diǎn)：

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

（2）以嵌入式MCU來(lái)設(shè)計(jì)控制器，不僅控制性能好、體積小、效率高，而且對(duì)系統(tǒng)后期的調(diào)試提供便利。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李樂(lè).四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)：2010.

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

[3]傅周興，王秋妍等.基于DSP的電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].電氣易用，2007，6（26）：70-73.