基于Simulink的純電動汽車整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李浩

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南商丘 476100)

為有效處理能源及環(huán)保問題，現(xiàn)如今很多研究機(jī)構(gòu)和汽車廠家都比較注重電動汽車的研發(fā)投入。在城市交通中，純電動汽車不僅可滿足環(huán)保的要求，還具有噪聲小、零排放等諸多優(yōu)勢，因而占有重要地位。純電動汽車的性能受控制系統(tǒng)的影響較大，以車輛的驅(qū)動控制為例，信息的收集處理、邏輯運(yùn)算以及執(zhí)行器的控制都需整車控制系統(tǒng)的參與，其扮演著大腦核心的角色。但目前的整車控制系統(tǒng)存在著穩(wěn)定可靠性不足、開發(fā)耗時(shí)、不易調(diào)試等問題，導(dǎo)致其開發(fā)時(shí)所表現(xiàn)出的適用性不是很理想。基于此，在Simulink 中設(shè)計(jì)了一款整車控制系統(tǒng)，依托HCS12 處理器為內(nèi)核的硬件控制器和C 語言開發(fā)的軟件程序，在同一平臺中建立車輛有關(guān)模型并驗(yàn)證軟件和控制算法的有效性；此后，將系統(tǒng)與實(shí)車連接開展測試，通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)掌握相關(guān)的標(biāo)志位，進(jìn)而獲取車輛的具體情況，驗(yàn)證控制策略。這種系統(tǒng)開發(fā)模式，縮短了開發(fā)時(shí)間，控制器靈敏度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)。

1 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開發(fā)的整車控制系統(tǒng)包括整車控制器（具有CAN分析功能）、上位機(jī)（識別并且分析CAN 信息、整車標(biāo)定等）以及板卡等結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)平臺附帶整車控制器，能夠開展實(shí)車試驗(yàn)以及相關(guān)參數(shù)的驗(yàn)證。控制器內(nèi)含標(biāo)定軟件，利用該標(biāo)定軟件，可在獲取車輛信號的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)參數(shù)的修改；控制器還具備文件導(dǎo)入的功能，能夠有效解析CAN信息[1]。在Simulink平臺中構(gòu)建有車輛的相關(guān)模型，借助整車控制系統(tǒng)，能夠開展整車控制、標(biāo)定，還可以通過收集、輸送以及分析CAN信息進(jìn)行實(shí)車測試，邏輯框圖見圖1。

圖1 整車邏輯框圖

硬件選擇ECMV2控制器，它是屬于一種可配置控制器，ECU 則是飛思卡爾16 位HCS12 系列的單片機(jī)MC9S12XEP100，全部IO口擁有高防護(hù)功能，短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對功率輸出的關(guān)斷；當(dāng)處于設(shè)備惡劣的工況條件下，也有著較好的適應(yīng)性[2]。系統(tǒng)通過Simulink平臺對控制器IO資源進(jìn)行封裝處理，利用開發(fā)環(huán)境中的驅(qū)動程序庫進(jìn)行配置，進(jìn)而形成圖形化模塊，具體見圖2。整車控制系統(tǒng)模塊的全部參數(shù)，都能夠在方塊圖里體現(xiàn)和調(diào)整[3]。

圖2 Simulink圖形化模塊界面

2 車輛各模型的構(gòu)建

2.1 加速踏板模擬量收集與換算模型

加速踏板處傳感器的電路電壓為5 V（源于電機(jī)電控系統(tǒng)），它運(yùn)行時(shí)輸出電壓具體見圖3。踏板同電機(jī)電刷連接，轉(zhuǎn)軸和變阻器相連，在踩下踏板之后，位置的改變會引起變阻器阻值的改變，電刷電壓也會改變，電控單元（ECU）對出現(xiàn)改變的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，便形成了位置信號。為更好地診斷及避免干擾，采用雙傳感器形式，實(shí)施冗余設(shè)置。為有效辨別，將輸出電壓設(shè)成兩倍，傳感器由0%～100%開度范圍內(nèi)，踏板1 信號電壓需要介于0.7～4.4 V，踏板2 信號電壓需要介于0.37～2.2 V。整車控制系統(tǒng)選擇快速原型機(jī)，借助于通道0 收集傳感器的模擬量數(shù)據(jù)，通過計(jì)算獲取當(dāng)下開度百分比。

圖3 傳感器輸出電壓

2.2 檔位和剎車采集模型

結(jié)合檔位電路圖以及具體測量，獲取相應(yīng)的真實(shí)值，具體見表1。按照表1 中的數(shù)據(jù)信息，可以建立檔位與剎車采集模型[4]。對于剎車來講，它實(shí)際上屬于數(shù)字量，僅存在兩個(gè)狀態(tài)，也就是0 V 以及12 V，因此無論選擇數(shù)字量輸入還是模擬量輸入，都是可行的。在整車控制系統(tǒng)之中選用模擬量32 V輸入，結(jié)合同預(yù)設(shè)數(shù)值的比較，在超過的情況下就輸出布爾量1，接著賦予數(shù)值至標(biāo)簽，以便于進(jìn)行調(diào)用。

表1 檔位真值表

2.3 CAN信息接收模型和發(fā)送模型

CAN 是一種通信協(xié)議，在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，全部單元發(fā)送消息。有2 個(gè)或2 個(gè)以上單元同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，總線將按照標(biāo)示符ID明確優(yōu)先級。優(yōu)先級高的單元進(jìn)入發(fā)送模式，而對于級別較低的單元，將及時(shí)斷開信息發(fā)送，進(jìn)而接收信息。借助CAN總線信號可掌握真實(shí)信號，實(shí)施電機(jī)使能控制，具體如圖4 所示。借助于430 信號掌握電機(jī)轉(zhuǎn)動速度及轉(zhuǎn)矩，由此來監(jiān)測車輛實(shí)際的運(yùn)行情況。由ID 發(fā)送650 信號，在ECC軟件作用之下實(shí)現(xiàn)解碼。

圖4 CAN信息接收模型和發(fā)送模型

3 整車控制策略與整車模型

3.1 整車控制策略

對于整車控制來講，它主要包含線控和通信把控兩方面的內(nèi)容。控制器依托于接收的模擬量和數(shù)字量，對整車的有關(guān)情況實(shí)行評估，進(jìn)而掌握整車的狀態(tài)，由此給出指令控制車輛。例如：根據(jù)制動踏板所輸入的模擬量信號，判斷剎車有沒有被踩下，通過對檔位信號的采集，確定有沒有空檔以及倒檔等。控制整車動力輸出的策略是：開機(jī)進(jìn)入N檔模式，接著根據(jù)剎車信號進(jìn)行換檔，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成換檔模式，開展換檔操作，此時(shí)扭距輸出是零；切換至相應(yīng)的檔位（如R檔），松開剎車后，控制器將按照油門踏板百分比大小，輸出相應(yīng)的扭距至電動機(jī)[5]。在踩下剎車后，會切換至剎車狀態(tài)，若踩下就切換，則會處于錯(cuò)誤狀態(tài)，唯有踩住，切換回空擋，方可回到最初狀態(tài)。錯(cuò)誤狀態(tài)、初始狀態(tài)以及踩下剎車之后的狀態(tài)，輸出的扭矩均為零。

3.2 整車模型

利用M/S來建立整車模型，通過模型架構(gòu)，不但能夠供應(yīng)原模型，也可以提供模塊接口。用Simulink 進(jìn)行建模，無論是車輛結(jié)構(gòu)，還是扭矩控制等，都有著較好的適用性。基于實(shí)時(shí)硬件平臺，借助RTW 生成代碼，仿真時(shí)長僅需1 ms，且支持全部主流仿真機(jī)，通過整車模型的仿真運(yùn)行，可以實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控實(shí)車的運(yùn)行數(shù)據(jù)。根據(jù)圖5 整車模型示意圖可知，借助控制器IO 口，能夠掌握剎車及檔位等有關(guān)信號，依托于計(jì)算模塊開展?fàn)顟B(tài)機(jī)切換，進(jìn)而獲得車輛速度，利用總線開展數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

圖5 整車模型

4 實(shí)車行駛測試以及驗(yàn)證

控制器功能的測試是通過實(shí)驗(yàn)平臺開展的，平臺上附帶有上位機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步解析有關(guān)的報(bào)文內(nèi)容。通過反復(fù)進(jìn)行測試，系統(tǒng)可以按照使用者指令，有效實(shí)現(xiàn)所有的行駛模式，同時(shí)可以根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行有效的故障提示與處理。基于樣車開展實(shí)車測試，通過獲取實(shí)車控制器串口輸送的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

實(shí)車測試共包括加速、低速以及高速行駛等工況的測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可獲得相應(yīng)的測試曲線。在單次踩下踏板加速時(shí)，判斷控制器的靈敏度[6]。結(jié)果顯示，電機(jī)能在短時(shí)間之內(nèi)做出響應(yīng)，扭矩峰值時(shí)間差值大概為1 s，說明在加速過程，車輛運(yùn)行較為穩(wěn)定。低速以及高速測試時(shí)，充分考慮車輛的循環(huán)工況，依次在擁擠及順暢路段開展測試。具體測試結(jié)果表明，車輛行駛較為可靠，短時(shí)間之內(nèi)電池電壓不會降低，控制器能及時(shí)響應(yīng)駕駛者的操作。綜合測試表明，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合市場的性能要求。

5 結(jié)語

綜上所述，針對純電動整車控制系統(tǒng)開發(fā)耗時(shí)久、運(yùn)行穩(wěn)定性不足等多項(xiàng)問題，在Simulink 平臺中開發(fā)了一款新的控制系統(tǒng)。通過軟件平臺配置，實(shí)現(xiàn)了控制器和上位機(jī)結(jié)構(gòu)二者的通信，實(shí)現(xiàn)總機(jī)數(shù)據(jù)的交互及顯示。與此同時(shí)，開展了實(shí)車的加速及高低速測試。最終在此次所開發(fā)的系統(tǒng)之中，控制器的靈敏程度理想，電動機(jī)響應(yīng)迅速，即便處于較復(fù)雜的路況，車輛也能平穩(wěn)行駛，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。