王勝達(dá)， 贠海濤， 董利瑩， 李家月

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266520)

為了迎接可持續(xù)交通的挑戰(zhàn)及解決能源和環(huán)保問題，目前，各大研究機(jī)構(gòu)和汽車制造商針對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)和推廣，主要集中發(fā)展電動(dòng)汽車。純電動(dòng)汽車符合現(xiàn)代環(huán)保理念，噪聲小、零排放等優(yōu)點(diǎn)使其在日益發(fā)展的城市交通中占據(jù)一席之地。傳統(tǒng)汽車將逐步淘汰，電動(dòng)汽車將會(huì)成為主流。而對(duì)于簡(jiǎn)單的純電動(dòng)汽車，車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等受整車控制器(vehicle control unit，VCU)的設(shè)計(jì)水平影響。整車控制器是汽車完成動(dòng)力傳輸、能量分配及狀態(tài)監(jiān)控的核心部件[1]。純電動(dòng)車整車控制系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)汽車的大腦，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理、邏輯運(yùn)算及控制實(shí)現(xiàn)[2]。但是目前的電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的存在可靠性和穩(wěn)定性差問題，并且由于開發(fā)周期較長(zhǎng)、調(diào)試難度較大，逐漸不適用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)的開發(fā)[3]。

基于上述分析，針對(duì)整車控制器開發(fā)周期長(zhǎng)、可靠性和穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)?；陲w思卡爾S12處理器開發(fā)的可配置控制器ECMV2硬件模塊和以C語言開發(fā)的封裝成Simulink的圖形化模塊的軟件模塊，使得基礎(chǔ)軟件和控制算法在同一個(gè)平臺(tái)上搭建并驗(yàn)證，建立純電動(dòng)汽車Simulink整車模型，通過CAN網(wǎng)絡(luò)獲取一系列的標(biāo)志位來得知當(dāng)前車輛的狀況進(jìn)而根據(jù)控制策略完成對(duì)整車的控制，進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)開發(fā)周期短，復(fù)雜工況下控制器靈敏度高、電機(jī)響應(yīng)迅速、車輛運(yùn)行平穩(wěn)等目標(biāo)。

1 純電動(dòng)汽車整車控制器

圖1顯示了純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要由帶CAN分析功能的整車控制器、上位機(jī)(故障模擬系統(tǒng)和整車控制、標(biāo)定、CAN數(shù)據(jù)讀取、分析)、故障設(shè)置板卡等組成。整車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭載整車控制器可進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，通過整車控制器的標(biāo)定軟件可檢測(cè)車輛信號(hào)和修改車輛參數(shù)，控制器增加DBC文件導(dǎo)入功能可對(duì)整車CAN總線數(shù)據(jù)解析。提供整車模型，通過此系統(tǒng)可進(jìn)行整車控制，標(biāo)定，以及實(shí)車測(cè)試實(shí)驗(yàn)，CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)、解析。

圖1 整車邏輯框圖Fig.1 Complete vehicle’s logic block diagram

2 整車控制器硬件平臺(tái)

整車控制器硬件設(shè)計(jì)采用ECMV2控制器。ECMV2是基于飛思卡爾S12處理器開發(fā)的可配置控制器。該控制器具有資源豐富、接口齊全、可靠性高等特點(diǎn)，提供全部板載外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫，ECMV2可在-40～+105 ℃寬溫條件下穩(wěn)定工作；防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，防水防塵抗振動(dòng)；參數(shù)配置和功率輸出帶有故障診斷功能，精確定位短路、斷路、過載等故障；所有IO具備高防護(hù)，功率輸出快速關(guān)斷；能夠完全適應(yīng)戶外移動(dòng)設(shè)備惡劣施工環(huán)境的應(yīng)用[4-5]。

ECU采用Free Scale公司的16位芯片S12XEP100；是以Simulink/Stateflow為開發(fā)平臺(tái)，RTW編譯環(huán)境開發(fā)的；有2個(gè)CAN接口，1個(gè)RS485接口，1個(gè)LIN接口，2個(gè)RS232接口；還有16路可配置模擬量輸入：8路5 V模擬量輸入，8路32 V模擬量輸入；14路可配置數(shù)字量輸入:可配上下拉數(shù)字量輸入通道；8路PWM控制輸出；4路2 A高邊脈寬調(diào)制功率輸出，4路2 A底邊脈寬調(diào)制功率輸出；4路可配置時(shí)間檢測(cè)通道；4路電流測(cè)量通道。支持Simulink模型開發(fā)。支持 CCP協(xié)議、BootLoader。圖2為ECMV2的封裝。

圖2 ECMV2外觀圖Fig.2 The appearance of the ECMV2

3 整車控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)

ECMV2底層驅(qū)動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)C語言形式，提供ECMV2.lib文件以及必要的函數(shù)頭文件。以Code Warrior IDE for HCS12為開發(fā)環(huán)境，用戶可在NXP官方網(wǎng)站下載評(píng)估板或使用其他版本。使用本系統(tǒng)前，需要做以下準(zhǔn)備工作：需要在工作站上安裝 Code Warrior和BDM 調(diào)試器驅(qū)動(dòng)程序;通過 USB 連接 BDM 和工作站，并將 BDM 調(diào)試接口連接到 ECM；為控制器提供合適的電源。首先要啟動(dòng)設(shè)備，首先連接 B+(P60 或 P90)到電源正極，連接 B-(P59 或 P89)到電源負(fù)極， 然后打開設(shè)備電源，此時(shí)設(shè)備主電路尚未通電，需要通過合適的裝置連接 ACC(P30)到 B+(P60或 P90)，來控制控制器上電啟動(dòng)。接著要關(guān)閉設(shè)備，斷開 ACC 與B+的連接即可，此時(shí)控制器的主電路掉電，設(shè)備關(guān)機(jī)。然后用戶可自行創(chuàng)建軟件工程，也可以直接打開產(chǎn)品光盤中的工程模板，直接編寫代碼。

如圖3所示，基礎(chǔ)軟件平臺(tái)將主控芯片的IO資源封裝成Simulink中的圖形化模塊，提供全部板載外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫，并提供友好的GUI界面以便于配置，使得基礎(chǔ)軟件和控制算法在同一個(gè)平臺(tái)上搭建并驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)能夠開展電動(dòng)汽車整車控制策略的標(biāo)定和仿真實(shí)驗(yàn)。

圖3 Simulink圖形化模塊Fig.3 Simulink graphical module

整車控制器中的CAN總線分析軟件在上位機(jī)中顯示，此軟件可以用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)的通用分析工具，可以觀察、分析和支持?jǐn)U展多個(gè)CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸，它還具有可編程功能，既可以完成簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析，也能從復(fù)雜問題中發(fā)現(xiàn)并解決故障[6]。

CAN總線分析軟件由圖形化表示的方塊圖控制。它能表示數(shù)據(jù)流從總線經(jīng)過PC卡到各不同評(píng)估窗口和日志文件的過程。在這過程中，系統(tǒng)模塊的參數(shù)都可以在圖中進(jìn)行顯示和設(shè)置。

4 車輛各模型的建立

4.1 加速踏板數(shù)據(jù)采集及換算模型

加速踏板位置傳感器的原理是分壓電路，如圖4所示，傳感器電路接受來自發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制的5 V電壓[7]。油門踏板與電刷相連，轉(zhuǎn)軸與傳感器內(nèi)部的滑動(dòng)變阻器相連接組成，踩下加速踏板，加速踏板位置傳感器發(fā)生改變，電刷與接地端的電壓也會(huì)隨之改變，電子控制單元(ECU)將該變化的電壓轉(zhuǎn)變成加速踏板的位置信號(hào)。為了診斷和防止出現(xiàn)故障，加速踏板位置傳感器做成雙傳感器,采用冗余設(shè)計(jì)。為識(shí)別故障，油門位置傳感器輸出電壓是油門位置傳感器輸出電壓的2倍。

圖4 加速踏板位置傳感器輸出電壓Fig.4 Output voltage of acceleration pedal’s position sensor

傳感器從0～100%開度。踏板1信號(hào)在0～100%開度時(shí)電壓應(yīng)該在0.7～4.4 V之間。踏板2信號(hào)在0～100%開度時(shí)電壓應(yīng)該在0.37～2.2 V之間。

如圖5所示，本系統(tǒng)采用ECMV2快速原型機(jī)，通過A15V的通道0進(jìn)行模擬量采集加速踏板傳感器1的信號(hào)，然后計(jì)算得出當(dāng)前加速踏板的百分比。

圖5 加速踏板數(shù)據(jù)采集及換算模型Fig.5 Model of accelerator pedal data’s acquisition and conversion

4.2 檔位采集及剎車采集模型

根據(jù)圖6的檔位電路圖和實(shí)際測(cè)量，得出真值如表1所示。

圖6 檔位電路圖Fig.6 Gear circuit diagram

表1 檔位真值表Table 1 Gear truth table

根據(jù)表1，搭建模型，如圖7。

剎車是一個(gè)數(shù)字量，只有狀態(tài)0 V和12 V，所以采用數(shù)字量輸入或者模擬量輸入都可以。本系統(tǒng)采用的是模擬量32 V輸入，根據(jù)輸入的模擬量和預(yù)設(shè)值對(duì)比，大于即輸出布爾量1，然后賦值給GOTO標(biāo)簽，方便調(diào)用。

4.3 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模型

CAN是 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議[8]。CAN總線空閑時(shí)，所有單元發(fā)送消息。當(dāng)兩個(gè)單元同時(shí)發(fā)送消息時(shí)，CAN總線會(huì)依據(jù)標(biāo)識(shí)符ID決定優(yōu)先級(jí)。當(dāng)兩個(gè)及兩個(gè)以上的單元同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，會(huì)對(duì)各消息ID 的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。優(yōu)先級(jí)最高的單元就可以繼續(xù)發(fā)送消息，優(yōu)先級(jí)低的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。如圖8所示，通過CAN信號(hào)獲取Readly信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)使能控制，之后進(jìn)行電機(jī)控制。

圖7 檔位采集及剎車采集模型Fig.7 Model of gear position acquisition and brake acquisition

圖8 電機(jī)控制模型Fig.8 Motor control model

圖9 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模型Fig.9 CAN data transceiver model

如圖9所示，通過CAN_ID為430的信號(hào)獲取電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速當(dāng)前轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行整車狀態(tài)監(jiān)測(cè)。并通過ID為650的信號(hào)發(fā)出，由ECC軟件進(jìn)行解碼。表2是控制器中數(shù)據(jù)幀ID650中8個(gè)字節(jié)(Byte)的解析結(jié)果，其中1個(gè)字節(jié)等于8位(Bit)。

表2 ID650的解析結(jié)果Table 2 Analytic result of ID650

5 整車控制策略及整車模型

5.1 整車控制策略

整車的控制是線控和CAN通信控制，VCU通過模擬量、數(shù)字量的采集，來判斷整車當(dāng)前的檔位、油門、剎車等情況，然后通過控制策略來進(jìn)行扭矩的輸出。 控制策略是通過一系列的標(biāo)志位來得知當(dāng)前的狀況，從而發(fā)出指令控制整車。

如圖10通過硬件ECMV2中AI32 V輸入的模擬量來判斷剎車是否踩下，通過AI5V-1、2、3、4來采集檔位信號(hào)傳感器1、2、3、4，來進(jìn)行判斷是前進(jìn)檔、空檔、倒檔。

圖10 檔位變換模型Fig.10 Gear shift model

當(dāng)ECMV2控制整車，開機(jī)進(jìn)入N檔模式，然后通過剎車換檔進(jìn)入換檔模式，進(jìn)行換檔操作，此時(shí)的扭矩輸出為0，當(dāng)剎車松開時(shí)，切換到D檔或者R檔，根據(jù)油門踏板的百分比輸出扭矩，R檔扭矩為D檔輸出的一半。限制了倒車的最大速度。

圖11 狀態(tài)機(jī)模型Fig.11 State machine’s model

如圖11，狀態(tài)機(jī)一共有五種狀態(tài)，剛進(jìn)入的初始狀態(tài)，踩下剎車之后進(jìn)入剎車換擋狀態(tài)。換擋之后松開剎車進(jìn)去倒車或者前進(jìn)狀態(tài)，此時(shí)的輸出扭矩是狀態(tài)機(jī)之外的計(jì)算得到的。當(dāng)踩下剎車之后進(jìn)入換擋剎車狀態(tài)，當(dāng)沒有踩下剎車直接換擋就會(huì)進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，只有踩住剎車然后掛空擋才能回到初始狀態(tài)。錯(cuò)誤狀態(tài)，剎車換擋，初始狀態(tài)的扭矩輸出都是0，即踩下剎車，扭矩輸出變?yōu)?。將CAN中的扭矩信息給電機(jī)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5.2 整車模型

整車模型基于M/S搭建，具有模塊化、可拓展的模型構(gòu)架可提供原模型與第三方模塊接口[9]。建模本身可適用于電動(dòng)汽車也可用于HCU、MCU、扭矩控制等。實(shí)時(shí)性，針對(duì)主要的實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)通過RTW進(jìn)行代碼生成。仿真步長(zhǎng)1 ms。也可支持基于M/S的所有主流仿真機(jī)。整車動(dòng)力學(xué)模型主要包含模型具有實(shí)時(shí)求解的能力[10]。

如圖12所示，通過整車控制器IO口獲取剎車信號(hào)，檔位信號(hào)，油門踏板百分比等信號(hào)，經(jīng)過輸出扭矩計(jì)算模塊，進(jìn)行狀態(tài)機(jī)切換，完成車速的獲取，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)來完成上位機(jī)和控制器之間的信息交互。

圖12 整車模型Fig.12 Vehicle model

6 程序測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

車控制器軟件的功能測(cè)試在模擬平臺(tái)上進(jìn)行，模擬平臺(tái)配合 CAN 總線上位機(jī)，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)解析相應(yīng)的 CAN 報(bào)文內(nèi)容[11-12]。 經(jīng)多次測(cè)試，當(dāng)前系統(tǒng)能根據(jù)用戶指令完成車輛的各種行駛模式，并且能按照計(jì)算機(jī)通過 CAN 報(bào)文模擬的運(yùn)行狀態(tài)做出正確的故障提示及處理動(dòng)作[13-14]。

實(shí)車測(cè)試在樣車上進(jìn)行，圖13為整車控制器和整車數(shù)據(jù)采集，CAN收發(fā)分析環(huán)境，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控CAN總線信息，接收整車控制器通過串口發(fā)送的信息。實(shí)車測(cè)試分三個(gè)部分。加速測(cè)試、低速測(cè)試和高速測(cè)試。由試數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖14～圖16。加速測(cè)試對(duì)駕駛員單次踩下加速踏板之后整車控制器的靈敏度進(jìn)行評(píng)估，電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩相應(yīng)很迅速，峰值的時(shí)間差大約是1 s。車輛的加速過程相對(duì)穩(wěn)定。低速測(cè)試與高速測(cè)試分別實(shí)在擁擠的路段和通暢的路段測(cè)試的，代表著典型城市車輛工況循環(huán)。在測(cè)試過程中車輛運(yùn)行平穩(wěn)，電池電壓也不會(huì)迅速下降，駕駛員的操作也很快得到整車控制器的響應(yīng)。由測(cè)試表明，可以認(rèn)為此設(shè)計(jì)能夠滿足該產(chǎn)品目標(biāo)市場(chǎng)的性能需求。

圖13 實(shí)車控制器系統(tǒng)Fig.13 Real car controller system

圖14 加速測(cè)試曲線Fig.14 Acceleration test curve

圖15 低速測(cè)試曲線Fig.15 Low speed test curve

圖16 高速行駛曲線Fig.16 High speed curve

7 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，穩(wěn)定性差問題，開發(fā)了一種新的電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)。在軟硬件開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)上位機(jī)與整車控制器的通訊，完成CAN信息的交互和顯示。并通過加速行駛測(cè)試、低速行駛測(cè)試和高速行駛測(cè)試進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。該系統(tǒng)控制器靈敏度高，電機(jī)響應(yīng)迅速，在復(fù)雜路況下車輛運(yùn)行平穩(wěn)，還有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。