李冰林，朱書林 LI Binglin,ZHU Shulin

（南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037）

物流行業(yè)中，運輸環(huán)節(jié)占據(jù)著整個物流過程的大部分成本，同時由于燃油物流車會帶來節(jié)能環(huán)保的問題，不符合國家倡導的綠色可持續(xù)發(fā)展的政策方針。更進一步，現(xiàn)在城區(qū)內(nèi)都是對燃油貨車限行[1-2]。因此，物流車輛純電動化顯得很有必要，也很有實際意義。為了應對這些問題，目前普遍采取的策略是將現(xiàn)有的燃油車改裝成油電混用或者純電動車。因此，為了協(xié)調(diào)駕駛員意圖與驅(qū)動電機控制器與電池管理系統(tǒng)的工作，必須進行整車控制器的研究與開發(fā)[3-4]。

論文以電動物流車為應用研究對象，對其整車控制器進行設(shè)計，采用NXP的K60芯片為控制器核心，與電機控制系統(tǒng)、蓄電池管理系統(tǒng)進行CAN網(wǎng)絡(luò)通信，同時采集駕駛員操作信息等，使車輛按要求行駛，開發(fā)出電動汽車整車控制器，達到整車控制行駛目的。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

圖1 整車控制系統(tǒng)組成

所研究的電動物流車采用的是雙電機驅(qū)動，整車控制器的總體方案設(shè)計組成如圖1所示。整車控制器通過采集加速踏板信號、制動踏板信號、擋位信號，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線從電機控制器獲得電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號等，從而判斷車輛當前的行駛狀態(tài)及駕駛員的操作意圖，通過設(shè)計的控制策略，發(fā)送給電機控制器等，驅(qū)動電機進行相應的指令執(zhí)行，使車輛按照駕駛員的意圖行駛[5]。

根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計，整車控制器系統(tǒng)主要組成部分如圖2所示，包括K60主控芯片模塊、模擬信號輸入模塊、開關(guān)信號輸入模塊、CAN通信模塊、外部驅(qū)動模塊、串口收發(fā)模塊、液晶顯示模塊等。K60主控芯片將采集各路傳感器信號，根據(jù)控制策略及算法做出控制決策，發(fā)送給整車各部分執(zhí)行單元控制器，控制車輛的行駛。CAN通信模塊主要是實現(xiàn)整車控制器與電機控制器、蓄電池管理系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)交互。外部驅(qū)動模塊主要實現(xiàn)電動汽車中的空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱，電池系統(tǒng)加熱，以及倒擋信號的控制等；串口收發(fā)模塊、液晶顯示模塊主要作用是為了便于軟件設(shè)計過程中程序的調(diào)試及后續(xù)策略研究。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器信號輸入模塊

信號輸入模塊包括加速踏板傳感器和制動踏板傳感器的信號、開關(guān)信號等，為了保證信號的穩(wěn)定性，需對其進行濾波，以確?？刂破髂軌虿杉降男畔蚀_，實現(xiàn)對整車的精確控制。根據(jù)整車功能需求，整車控制系統(tǒng)的信號采集電路分為脈沖輸入信號、模擬輸入信號等信號處理電路等部分。

模擬信號采集電路，主要是對電動汽車中供電電壓和踏板開度等模擬信號進行采集。具體設(shè)計電路如圖3所示。該電路主要由低通濾波放大電路、鉗位保護電路所組成。

開關(guān)信號處理電路，主要是對開關(guān)信號、擋位信號進行采集與處理。通過K60芯片的FTM模塊檢測出信號的輸入，如圖4所示。電路具有濾波和鉗位功能。

圖2 系統(tǒng)電路設(shè)計框圖

圖3 模擬信號輸入電路

圖4 開關(guān)量信號輸入

2.2 CAN通信模塊

整車控制器與電機控制器和電池管理系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線進行信息交互。K60芯片內(nèi)含兩個CAN控制器，因此只需設(shè)計CAN總線收發(fā)器。芯片MCP2551能夠給CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)功能，也能為CAN控制器及總線上的高壓尖峰信號之間提供緩沖器的功能，過濾這些由外部器件產(chǎn)生的高壓尖峰信號。通信模塊設(shè)計如圖5所示。

2.3 外部驅(qū)動模塊

為驅(qū)動包括繼電器在內(nèi)的一些負載，提高電路電流的驅(qū)動能力，需要設(shè)計信號輸出驅(qū)動電路，ULN2003A芯片是高耐壓、大電流、具有7路的復合晶體管，可以直接用于驅(qū)動繼電器等負載，如圖6所示。

圖5 CAN通信模塊

圖6 外部驅(qū)動模塊

2.4 信號輸出模塊

信號輸出模塊主要是將控制器GPIO口產(chǎn)生的電平信號轉(zhuǎn)換為外部控制信號。Q6可以實現(xiàn)當外部信號異常時對GPIO端的信號進行屏蔽，起到保護電路的作用。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 主程序

系統(tǒng)工作的主程序流程是整車控制器上電進行初始化，通過檢測加速踏板信號、制動踏板信號、電機轉(zhuǎn)速、擋位狀態(tài)、電機溫度、電池電流、電池SOC值等控制整車驅(qū)動力矩的主要參數(shù)，判斷車輛狀態(tài)并檢查有無異常，如異常進入故障診斷模式；如系統(tǒng)狀態(tài)正常，整車控制器根據(jù)駕駛員的行駛要求、車輛運行時的實際狀態(tài)進行分析，判斷汽車是起步、加速、減速還是充電狀態(tài)，從而滿足駕駛員的駕駛意圖，使之進入相應的工作模式。然后將控制指令發(fā)送給電機控制器，電機控制器計算出電機的期望轉(zhuǎn)矩，控制電機使其快速準確的輸出相應的電機驅(qū)動力矩。主程序流程圖如圖8所示。

圖7 信號輸出電路

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 信號采集處理子程序

模擬信號的采集包括加速踏板、制動踏板等位置信號的采集，具體地信號進行AD轉(zhuǎn)換后進行處理和計算踏板的位置，判斷出加速或者制動強度。為了保證采集到的數(shù)據(jù)可靠有效，采用“算數(shù)平均濾波法”對干擾信號進行濾除。模擬信號采集處理子程序流程如圖9所示。

圖9 模擬信號采集處理子程序流程圖

3.3 CAN通信子程序

在電動物流車當中，整車控制器與2個電機控制器通過CAN總線進行數(shù)據(jù)的傳輸。CAN總線采用串行數(shù)據(jù)通信的模式，因此其能工作在接收和發(fā)送兩種狀態(tài)。在車運行過程中，整車控制器向電機控制器、電池管理系統(tǒng)發(fā)送控制指令控制電機按要求運行，或者接收它們的狀態(tài)信息，獲取車輛狀態(tài)參數(shù)[6-7]。具體數(shù)據(jù)接收處理流程圖如圖10所示。

4 實驗結(jié)果

采用硬件在環(huán)仿真仿真技術(shù)能對控制器的性能進行研究[8]。根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的硬件和軟件，對其進行CAN通信試驗和模擬信號采集試驗，試驗平臺如圖11所示。

圖10 CAN報文的接收處理

圖11 系統(tǒng)測試平臺

首先，試驗了整車控制器與電機控制器之間的CAN總線通信，圖12為CAN模塊發(fā)送和接收報文數(shù)據(jù)，發(fā)送時間間隔20ms。試驗證明整車控制器能實現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，同時對接受的報文數(shù)據(jù)進行解析，通過液晶可具體顯示其數(shù)值。

其次，利用采集加速踏板信號來檢測AD功能模塊工作情況，踏板開度與對應AD轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖13所示。結(jié)果表明，隨著踏板開度的變化，采集信號的AD值幾乎成線性變化，符合要求。

5 結(jié)束語

針對電動物流車的整車控制器進行了硬件電路和軟件程序設(shè)計，最后通過模擬平臺對各個功能模塊進行了驗證，證明設(shè)計可行。

圖12 整車控制器CAN總線通信的波形

圖13 加速踏板對應的AD轉(zhuǎn)換值