基于多MCU的電動汽車智能控制系統(tǒng)的設計與應用

朱云 舒雄

【摘要】? ? 多MCU的結構體系可以很好的解決功能單一、存儲空間不足等問題，其分層遞階式控制體系為電動汽車提供了更廣的系統(tǒng)資源。一方面，每個MCU獨立處理自身單元的功能信息，同時各單元之間通過高效的通信傳送數據;另一方面，多MCU體系不僅提供了豐富的系統(tǒng)功能，并預留了擴展端口，為電動汽車后期的提升空間搭建了平臺。基于多MCU的電動汽車智能控制器，該控制器包括電動汽車輪轂電機驅動單元、電機轉速提取單元、電流檢測及驅動方式切換控制單元。

【關鍵詞】? ? 多MCU? ? 電動汽車? ? 智能控制器? ? 信息通信

引言

汽車作為社會發(fā)展的重要產業(yè)之一，它的快速增長在提高人們生活水平的同時，也帶來了諸如石油危機、環(huán)境危機等交通與社會問題。人們正在尋求一種綠色可持續(xù)的交通工具，而目前電動汽車因其綠色環(huán)保、能源可再生、使用成本低等特性已經吸引了越來越多的關注。然而，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車還存在一些亟待解決的問題，比如續(xù)航里程短、充電時間長等。另外，電動汽車是由電機驅動，要實現電動汽車對復雜交通與行駛工況的適應于匹配，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，智能化控制技術得到不斷提升與應用。目前，電動汽車控制器的功能越來越全面，基本能夠滿足電動汽車的控制需求。智能控制器也成為了提升電動汽車性能，推動“智能化”的關鍵。智能控制器主要包括整車控制系統(tǒng)、電機控制器、信息檢測與通信接口等部分。

一、整車控制系統(tǒng)設計

1.1驅動控制系統(tǒng)功能需求分析

電動汽車驅動控制系統(tǒng)是電動汽車的心臟，驅動系統(tǒng)的任務是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的能量轉化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。電動汽車驅動控制系統(tǒng)從功能上來看主要包括：驅動控制、能源控制和輔助控制三個子系統(tǒng)，其結構組成如圖1所示。

對電動汽車驅動控制系統(tǒng)的性能要求主要考慮駕駛體驗、車輛性能以及能源系統(tǒng)性能等三個方面。電動汽車驅動控制系統(tǒng)的性能確定需要綜合考慮以上三個方面，并結合整體包裝、經濟性等方面從系統(tǒng)層面進行優(yōu)化，其目的在于能夠實現各子系統(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)設計

為了克服現有單電機電動汽車整車控制器不能滿足四輪獨立驅動電動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，本文設計了一種四輪獨立驅動電動汽車整車控制系統(tǒng)，不僅能滿足四輪獨立驅動電動汽車協(xié)調控制四個驅動電機的整車控制要求，而且通過本控制系統(tǒng)提供的標準通訊端口與外部無線網絡模塊通訊實現信息交互、通信互聯(lián)等功能，便于實現車-車通信、車-路通信等。

通過性能分析以及實際需求，整車控制系統(tǒng)以TMS 320F2812芯片作為內核。電動汽車直流無刷電機速度控制所需的PWM信號產生、磁極位置偵測、切換法則、速度估測、開環(huán)及閉環(huán)控制等，都在該DSP芯片通過軟件的方式實現。根據功能需求，實驗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脈沖信號輸出模塊、電源模塊、標準通訊端口模塊及備用端口模塊。

二、智能電機控制器設計

基于多MCU的電動汽車智能控制器設計包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，首先對硬件系統(tǒng)進行了設計并實現，接著在硬件上對軟件系統(tǒng)進行了調試。硬件系統(tǒng)設計的好壞直接關系到控制器的運行穩(wěn)定性和可擴展性

2.1基于MC33035的驅動電路設計

無刷直流電機（BLDC）具有使用壽命長，免維護等特點，是目前最普及的電動汽車用動力源之一。相比有刷電機控制器，無刷直流電機的控制器設計卻要復雜，一方面是因為無刷直流電機使用直流電且無換向用的電刷，其換向控制相對有刷電機要復雜許多;另一方面由于電動汽車負載極不穩(wěn)定，又使用電池作電源;因此控制器自身的保護及對電機，電源的保護均對控制器的設計提出了更多要求。

基于MC33035設計的無刷直流電機控制器能夠控制無刷直流輪轂電機的正反轉、轉速和剎車，可在此電機控制器基礎上實現電子差速控制，能夠通過數字電位器將數字命令轉化為模擬量控制輪轂電機轉速。該單元主要包括電源模塊、無刷直流電機控制芯片主控電路以及電機驅動電路三部分。

2.2基于Atmega-16的電流檢測與驅動方式切換控制器設計

ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz。電流檢測單元的主控芯片采用Atmega16單片機，其引腳的連接如圖3所示。

在此基礎上，要實現對輪轂電機的驅動狀態(tài)進行有效地控制，則需要給輪轂電機控制器的使能端輸入控制信號，當電動汽車上的電機控制器輸入12V的使能控制信號時，輪轂電機將空轉，無驅動力作用;當輪轂電機控制器的使能控制端無電壓輸入時，輪轂電機控制器則將根據踏板信號的模擬電壓以一定速度驅動輪轂電機運轉。可見，控制信號可以是12V開關型的，要想實現驅動方式的自動切換，可采用電壓比較的方法來實現。

為更精確地對電動汽車輪轂電機轉速控制和實現電機的閉環(huán)控制，我們就需要對電機的轉速進行提取。輪轂電機帶有三個霍爾傳感器用于檢測當前電機轉子的位置，電機控制器根據當前轉子位置輸出相應的驅動信號，每一相霍爾傳感器所輸出信號都是高低變化的電平，速度提取單元就是通過檢測該信號的頻率計算出輪轂電機的轉速，單個電機測速原理如圖4所示。

三、結論

在電動汽車領域中，電動汽車控制器的發(fā)展占據著非常重要的地位，隨著電動汽車的推廣與使用，更先進且智能化的控制系統(tǒng)將不斷應運而生，基于多MCU的控制結構體系將會是一種有效的解決方案。可以在電動汽車上被廣泛有效地應用，因此本設計具有較高的使用價值。本文所設計的控制器具有以下特點：

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

（2）以嵌入式MCU來設計控制器，不僅控制性能好、體積小、效率高，而且對系統(tǒng)后期的調試提供便利。

參? 考? 文? 獻

[1]李樂.四輪獨立驅動電動汽車控制系統(tǒng)的設計[D].武漢：武漢理工大學：2010.

[2]李樂，李波等.帶霍爾式位置傳感器BLDCM控制器設計[J].自動技術與應用，2010

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