1 引言
具有高精度、高速度、高可靠性的混合动力电动汽车整车控制器(HCU,hybrid electric vehicle control unit)是实现HEV整车控制的基础[1]。微控制器(MCU,micro-controller unit)作为电控单元(ECU)的核心,其功能日趋复杂化,嵌入式、高精度的高速MCU已成为汽车动力系统的发展趋势[2]。TMS320LF2407A是TI公司生产的一种定点DSP芯片,由于其灵活性高、精度高、可靠性和可重复性好、电磁干扰影响小等特点,我们在串联式混合动力公交车的整车控制器的设计上采用了这款处理芯片[3][4]。
2 串联式HEV及其控制系统
串联式驱动系统的示意图如图1,发动机带动发电机发电,其电能通过电动机控制器直接输送到电动机来驱动汽车。发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的,当汽车运行工况变化,电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时,由控制器控制发电机向电池充电(吸收多余的电能),或使电池向电动机放电(协助发电机供电),电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。
3 整车控制器的硬件设计
3.1 DSP介绍及芯片的选择
DSP(Digital Signal Processing),称为数字信号处理技术,是将一种具有特殊结构的微处理器应用于各种信号处理上,并通过各种信号处理算法,满足系统的控制要求的技术。
TI公司生产的TMS320LF2407A是一种定点DSP芯片,它采用增强的C2xx内核结构,代码与24x系列的芯片兼容。其主要的特点有:
(1) 采用高性能静态CMOS技术,使供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗;
(2) 30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns,从而提高了控制器的实时控制能力;
(3) CPU是时钟频率可达40MHz;
(4) 有三种通信接口,通信方式非常灵活;
(5) 丰富的片上资源等等。
由于TMS320LF2407A的性能优异,我们就在整车控制器的设计上采用了这款处理芯片。
3.2 DSP控制器硬件基本系统构成
动力总成控制器的硬件实现是各个部分模块的结合,通过电路的组合可以将DSP主芯片和其他功能原件有机的组合起来,图2显示了各模块之间的拓扑关系以及各自实现的功能。
以下将DCU的主要模块进行介绍:
3.2.1 电源模块
电动车控制系统的电源来源于车辆提供的24V直流电,但系统对电源的需求还包括各种外设、传感器、以及DSP本身需要的数字电源盒模拟电源,其中包括+5V,+3.3V和±15V。
为了满足上述要求,我们采用了三个DC/DC模块将输入的+24V电源转换,而为了简化系统设计,传感器所需的电源也是从控制器输出的。其原理模块图如图3所示:
3.2.2 复位和时钟模块
微处理器的复位一般包括三种情况,上电复位、信号复位和系统运行监视复位。为了保证DSP系统的正常工作,我们采用IMP811为电压监视的复位电路。该芯片可以保证,当系统上电,芯片给出复位信号直到电源电压到达3.3V并达到一定的延时,从而保证系统可靠的复位使系统启动时不至于跑飞;当系统电压不稳定,电源电压下降但低于3.08V并保持140ms时,重新复位DSP以保证程序的稳定;需要手动复位时可直接按压RESET按钮。
控制系统的时钟决定了DSP的你工作速度,由于高频信号会产生大量的射频干扰,通过使用适当频率的晶振可以在系统工作速度和输出辐射之间找到最优点。为了系统的稳定,我们采用了20M的有源晶振原件,晶振部分设计也比较简单,只要将1脚空置,2脚接地,4脚加3.3V电源,就可以在3脚去的稳定的振荡波形。
3.2.3 A/D和D/A接口处理电路
LF2407内部提供了16路的10位精度A/D转换模块,由于该模块电压测量范围为0-+3.3V,而通过电压和电流传感器传出的模拟电压信号的电压范围是+10-10V。所以我们采用外扩A/D模块的方法进行模拟量采样。
对于D/A模块,我们使用的是宽电压输出芯片DAC7724,如图5所示,这是一款4输出D/A芯片,12位数字精度。可以对输出的柴油机油门等模拟信号进行精确控制。另外,DAC7724的电压建立时间为10us,输出电压的速度可以满足系统的实时性要求。由于D/A芯片输出模拟电压的携带负荷能力有限,我们在D/A的输出端使用了运算放大器进行电压跟随,这样可以让模拟控制信号在信号传输途中的衰减降到最低。
3.3 EMC设计
在汽车电子环境中,HCU会面临来自多方面的干扰,包括电源噪声、各种功率执行器产生的瞬变脉冲电压、电磁波信号发射等,这对系统的可靠性会产生非常不利的影响。为了提高控制系统的工作可靠性和耐久性,就必须在硬件系统设计阶段采取相应的措施以提高其抗干扰能力。电磁兼容性已成为汽车电子控制系统设计中越来越得到重视的一个问题。
HCU硬件系统对电磁兼容性做了全面考虑,在不同的设计阶段采取了相应的抗干扰措施。
(1) 设计安全可靠的电源管理模块
智能电源芯片的使用,以及防反接、稳压、电容滤波及解耦等措施可有效抑制外界电磁干扰,提高电源可靠性。
(2) 进行信号调理
通过RC滤波、电容滤波、稳压管稳压等电路,对进出HCU的I/O信号进行滤波及稳压调理,滤除信号噪声。
(3) 集成电路芯片电源解耦
对集成电路,在芯片的电源和地引脚之间并接大容量 电容和小电容非电解电容,以去除输入电源耦合噪声,减小干扰。
(4) 合理的PCB布局和模块隔离
模拟电路、数字电路以及大功率驱动电路等电路模块互相独立并隔离,避免相互干扰;HCU的PCB设计采用6层制板工艺,留有独立的电源平面和地平面;并根据不同的电源和地类型将电源平面和地平面进行分割,采用多点接地。
采用以上措施后,HCU硬件单元获得了良好的抗干扰性能。
4 整车控制器的软件设计
本车的软件以前后台的软件方式运行。在前台运行系统的主循环,主要包括控制策略的软件实现和各子模块的软件控制;后台是各中断处理程序和基于物理层的控制。相互间提供良好的接口,这样可以使软件易于修改。
4.1 发动机启动工况的控制
控制算法计算出当前情况下应该启动发动机,主程序进入发动机启动控制子程序。在启动前,通过CAN总线监控发动机的温度,在确认其在正常范围时,给出启动信号。程序设置了发动机可以连续启动三次,启动时间分别为5s,10s和15s。如果三次都没有启动成功,就给出故障代码并报警,图6给出了程序框图。
4.2 物理层子模块设计
4.2.1 A/D模块程序设计
A/D模块采用了通道选择器加单通道A/D转换器的工作模式,它的编程和使用DSP内部A/D模块是不同的,因此我将它做一个简单的介绍。每次A/D模块可以对四个通道都进行一次转换,但是可以通过设置函数参数,屏蔽没有使用的参数,通道选好后腰延时,对AD574进行一次写操作,通过这个方式可以启动AD转换。然后检测AD574芯片的STS管脚,该管脚置高电平时,说明转换已经完成,这时就可以从AD574中读取数据了。
4.2.2 软件抗干扰模块设计
软件的抗干扰技术有很多优势,如灵活性强,程序和抗干扰算法可以随情况变化等,所以得到了广泛的应用。在DSP混合动力车辆动力总成的设计上主要采用了这些措施:
（1） 对信号采用数字信号滤波;
（2） 软件陷阱;
（3） 程序运行监视系统。
LF2407中设置了一个看门狗定时器,通过程序可以设置它的复位速度,当看门狗计数器溢出前程序没有给出看门狗复位的密匙,系统将被复位到程序的入口状态并从头开始执行。对于40MHz的系统频率,其复位间隔时间最长可到0.2s,保证了程序从子模块中退出并调用定时器复位的时间。
5 结束语
通过研究混合动力公交车动力总成的方案设计、控制策略、控制器硬件设计、软件设计等,利用DSP动力总成控制器采集了电机试验台架和整车试验的相关数据,证明了各项研究工作能够取得满意的结果。这些工作能够对串联式混合动力公交车动力控制系统的一些关键性技术提出解决方案,相信可以对我国电动汽车特别是电动公交车的研究作出一定的贡献。
参考文献:
[1] 江思敏.TMS320LF240x DSP硬件开发教程[M].北京:机械工业出版社,2003.
[2] 刘和平,王维俊,江渝.TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3] 陈清泉,孙逢春.混合电动车辆基础[M].北京:北京理工大学出版社,2001,11.
[4] STEFANO BARSALI,CARMINE MIULLI.A Control Strategy to Minimize Fuel Consumption of Series Hybrid Electric Vehicles[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(1).
作者简介:高善铭(1954-),男,高级工程师,主要从事机电一体化研究工作。