基于MPC5634的混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制器硬件設(shè)計(jì)

汪明明+鄧濤+羅俊林+李亞南+尹燕莉

摘 要：針對(duì)一款并聯(lián)AMT（自動(dòng)化機(jī)械式變速器）混合動(dòng)力汽車(chē)，介紹了采用32位微處理器MPC5634實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制器的硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)闡述了電源電路、輸入電路和驅(qū)動(dòng)電路等主要硬件模塊的設(shè)計(jì)原理和PCB布線方法，并利用dSPACE進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)； 整車(chē)控制器； 硬件設(shè)計(jì)；MPC5634

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.04

Abstract：Considering a parallel AMT hybrid electric vehicle， this paper introduced the hardware design of the vehicle controller using 32 bit microprocessor MPC5634. Descriptions of main modules， including the power supply circuit， input circuits and output circuits， and the PCB wiring method were introduced. In addition， the hardware-in-the-loop simulation test with dSPACE was adopted. The test results show that the designed controller can achieve the intended functions and has good stability and real-time performance.

Keywords：hybrid electric vehicle； vehicle controller； hardware design； MPC5634

混合動(dòng)力汽車(chē)（Hybrid Electric Vehicles，HEV）集成了純電動(dòng)汽車(chē)高效率、低排放和傳統(tǒng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)節(jié)能減排有極大的幫助，受到國(guó)內(nèi)外企業(yè)的青睞，是目前能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的節(jié)能車(chē)型，如豐田普銳斯、雪弗蘭Volt、比亞迪秦等車(chē)型?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在整車(chē)系統(tǒng)集成和整車(chē)控制，目前對(duì)控制策略的研究文獻(xiàn)比較多，而對(duì)實(shí)現(xiàn)控制策略的控制器開(kāi)發(fā)研究則較少?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制器（Hybrid Electric Vehicle Control Unit，HCU）硬件部分穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行是控制策略能被良好執(zhí)行的前提。HCU接收多種形式的外部信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為控制策略可以識(shí)別的信息，控制策略在控制器微處理器上進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算后獲得控制命令，控制命令通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行，或者通過(guò)通信電路將控制命令傳送到其它控制單元。因此，HCU是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，被稱(chēng)作整車(chē)控制系統(tǒng)的“大腦”。此外，HCU工作在大電流、強(qiáng)電壓、高輻射的整車(chē)環(huán)境中，硬件部分要具有較好的抗干擾能力[1-3]。本文對(duì)所選微處理器特性進(jìn)行了介紹，對(duì)最小系統(tǒng)、電源電路、模擬量電路、數(shù)字量電路、頻率量電路和通訊電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 HCU硬件總體結(jié)構(gòu)

本研究針對(duì)一款并聯(lián)式AMT混合動(dòng)力汽車(chē)，前向模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、AMT、電機(jī)和動(dòng)力電池4個(gè)關(guān)鍵部件模型，如圖1所示。并聯(lián)式AMT混合動(dòng)力汽車(chē)采用了典型的單軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子和變速器輸入軸二者固連，電機(jī)殼體與變速器殼體固連，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間采用干式離合器柔性連接，變速器輸出軸的動(dòng)力通過(guò)差速器、傳動(dòng)半軸傳到車(chē)輪。各部件的控制器發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）、變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）、電機(jī)微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）通過(guò)CAN總線與HCU通信。

HCU除了要具備較強(qiáng)的運(yùn)算和儲(chǔ)存能力，還要接收大量輸入信號(hào)并控制相關(guān)的執(zhí)行器件。如圖2所示，HCU與外部電路相關(guān)聯(lián)的部分主要是輸入信號(hào)處理電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路及通信電路。輸入信號(hào)分為模擬量、開(kāi)關(guān)量和頻率量；HCU僅驅(qū)動(dòng)與能量管理有關(guān)的空調(diào)壓縮機(jī)繼電器和主繼電器；通信電路主要采用CAN通信，CANA通信電路負(fù)責(zé)與其它控制單元信息交互，CANC通信電路與上位機(jī)通信。本研究采用的標(biāo)定軟件INCA通過(guò)CANC電路通信。

2 各模塊電路具體實(shí)現(xiàn)

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的HCU主控芯片是飛思卡爾公司的MPC5634M，該芯片是基于PowerPC架構(gòu)的32位高性能微處理芯片，專(zhuān)為傳統(tǒng)燃油機(jī)和混合動(dòng)力汽車(chē)以及自動(dòng)變速器而設(shè)計(jì)，具有低功耗、高頻率、存儲(chǔ)容量大、高度集成等特點(diǎn)。同時(shí)該微處理器內(nèi)部Flash高達(dá)1.5 M，完全能滿(mǎn)足復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)的需求，94 KB的SRAM，可以設(shè)置大量的標(biāo)定量，方便研發(fā)工程中數(shù)據(jù)的標(biāo)定[4]。此外，最重要的一點(diǎn)是很多開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)公司針對(duì)該款微處理器設(shè)計(jì)了自動(dòng)代碼生成工具，利用這些開(kāi)發(fā)工具可大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

式中，Vdata為AD轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制結(jié)果；Vin為待轉(zhuǎn)換的實(shí)際電壓；VRH為參考電壓的高電位；VRL為參考電壓的低電位。所以穩(wěn)定的VRH-VRL是獲得正確轉(zhuǎn)換結(jié)果的前提，如果VRH-VRL波動(dòng)較大，即使有穩(wěn)定的輸入電壓Vin，也無(wú)法獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)VRH需做好濾波和隔離，本研究采用了10 uF和0.1 uF的電容以及10 uH的電感對(duì)該電路進(jìn)行處理，這三個(gè)元器件要擺放到相應(yīng)的引腳

附近。

為減少電磁干擾帶來(lái)的影響，每個(gè)微處理器供電引腳上并聯(lián)電容來(lái)過(guò)濾雜波。推薦5 V電源并聯(lián)1 uF和 0.01 uF電容濾除高低頻干擾，同時(shí)3.3 V電源并聯(lián)10 uF和220 nF電容[5]。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊是整車(chē)控制器的重要組成模塊，其性能的優(yōu)劣會(huì)影響到整個(gè)硬件電路的穩(wěn)定性和可靠性。良好的電源模塊要能給系統(tǒng)的各個(gè)模塊帶來(lái)可靠的電源供給，同時(shí)還要降低干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。對(duì)系統(tǒng)的電源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮系統(tǒng)功耗、成本、體積等因素。

MPC5634M內(nèi)部常用3種類(lèi)型的電源，包括5.0 V、3.3 V、1.2 V。在微處理器外部需要5 V和3.3 V的電源供給，本研究采用英飛凌公司的TLE7368電源芯片，該芯片提供一路5 V的數(shù)字電源，可給微處理器供電，同時(shí)提供兩路5 V模擬電源，可給外部傳感器供電。另外還提供一路3.3 V電源，滿(mǎn)足微處理器3.3 V電源的需求。設(shè)計(jì)采用的是TLE7368使用手冊(cè)的推薦電路，如圖3所示。需說(shuō)明的是采用單向二級(jí)管，防止電源反接對(duì)電路造成損壞，采用 TVS管使后級(jí)電路電壓鉗位到25 V，保護(hù)后級(jí)電壓電路。

2.3 輸入模塊電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路是控制器干擾的主要來(lái)源，因此 這部分電路需要設(shè)計(jì)較好的濾波電路以減小干擾。本研究設(shè)計(jì)的整車(chē)控制器的信號(hào)采集電路主要包括模擬量、開(kāi)關(guān)量和頻率量。

模擬信號(hào)包括制動(dòng)踏板與油門(mén)踏板信號(hào)，其開(kāi)度值代表駕駛意圖，引入干擾后的模擬信號(hào)會(huì)有信號(hào)的跳變，控制策略很可能誤判。該3路模擬量信號(hào)輸入范圍都在0～5 V，3路模擬信號(hào)處理電路完全一樣，電路如圖4所示。FB3為磁珠，利用其阻高頻通低頻的特性，減少高頻干擾的進(jìn)入；電阻R64主要起分壓作用，一般取較大值，減少因?yàn)楹蠹?jí)電路的接入而造成輸入信號(hào)電壓值的失真。C63、R63和C62構(gòu)成典型的π型濾波電路，進(jìn)一步對(duì)引入的干擾進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)R63具有限流作用，防止誤接高電壓時(shí)產(chǎn)生的高電流對(duì)電路造成傷害。D20為BAT54S，其作用和兩個(gè)單向二極管串聯(lián)是一樣的，如果其輸入端電壓小于0 V，下邊二極管導(dǎo)通，使其電壓升到0 V，如果輸入端電壓大于5 V，上邊二極管導(dǎo)通，使其電壓降到5 V，這樣保證了輸出端電壓鉗位為0～5 V。

開(kāi)關(guān)量電路高低電平的切換間隔比較大，由干擾造成高低電平誤判的可能性很小，該電路可設(shè)計(jì)得相對(duì)簡(jiǎn)單些。大多數(shù)情況下的開(kāi)關(guān)信號(hào)電壓等于電池電壓，所以，需要設(shè)計(jì)分壓電路，使其控制在5 V以下。如圖5所示的電阻R52、R54構(gòu)成分壓電路，根據(jù)不同情況調(diào)整電阻R52、R54的大小，可適用不同的電壓輸入信號(hào)，同時(shí)電阻R52和電容C57構(gòu)成常用的RC濾波電路。D15作用和前文敘述一樣。

頻率量主要是車(chē)速信號(hào)，車(chē)速傳感器采用霍爾傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定頻率的12 V方波信號(hào)，其周期隨著車(chē)速的改變而改變。微處理器通過(guò)eTPU或者eMIOS模塊測(cè)量其高電平的時(shí)間，或者測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)接收的脈沖數(shù)，即可推算車(chē)速。本研究采用的RC濾波電路也獲得了良好的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示，為增強(qiáng)電路的通用性，通過(guò)2 K的電阻將轉(zhuǎn)速信號(hào)上拉到12 V，通過(guò)R83、R109分壓到5 V，然后采用RC電路濾波。需要注意的是，C79要根據(jù)RC電路的截止頻率計(jì)算，截止頻率與最高車(chē)速及車(chē)輪半徑、每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)有關(guān)。在本設(shè)計(jì)中，車(chē)輪每轉(zhuǎn)一圈傳感器輸出4個(gè)脈沖，最高車(chē)速200 km/h，車(chē)輪半徑0.282 m，可計(jì)算到最高頻率，再乘以安全系數(shù)，最終確定電容為1 nF，其截至頻率為2 342 Hz。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本研究中主要驅(qū)動(dòng)的部件為空調(diào)壓縮機(jī)的繼電器和主電源的繼電器，繼電器的本質(zhì)是電感線圈，其吸合電流根據(jù)型號(hào)不同而有區(qū)別，通常只有幾十毫安，其功率相對(duì)較小，一般MOS管和三級(jí)管均能驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路通斷切換的瞬間，線圈會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果不做處理很可能擊穿驅(qū)動(dòng)芯片甚至是微處理器，通常會(huì)在電路中加續(xù)流二極管。汽車(chē)上較多采用低邊驅(qū)動(dòng)對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而續(xù)流二極管的方式不方便實(shí)現(xiàn)。本研究采用安森美半導(dǎo)體公司推出的NUD3124驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是專(zhuān)用的繼電器驅(qū)動(dòng)芯片，如圖7所示，內(nèi)部集成了限流電阻、MOS管，同時(shí)具有續(xù)流作用，較好地滿(mǎn)足了對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)。

2.5 通信電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的通信電路僅采用了CAN總線通信方式。雖然MPC5634M內(nèi)集成了FlexCAN模塊，但是不能直接實(shí)現(xiàn)CAN通訊，因?yàn)镕lexCAN模塊只是在邏輯上實(shí)現(xiàn)了所要傳輸數(shù)據(jù)的編碼與解碼，如果在CAN總線上實(shí)現(xiàn)正常通訊，還需另外增加CAN總線驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)模塊之間的物理連接。

CAN通信電路如圖8所示，驅(qū)動(dòng)芯片采用博世公司的CF160CAN，該芯片對(duì)CAN模塊的待發(fā)送信號(hào)提供差動(dòng)發(fā)送能力，同時(shí)將接收的差分信號(hào)解析。共模電感ACT45B可抑制高速CAN信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射[6]。在CANH和CANL兩條傳輸線上接入了MMBZ27VALQ半導(dǎo)體芯片，該芯片內(nèi)部集成兩對(duì)TVS，可以為CAN總線提供靜電釋放（ESD）保護(hù)和浪涌脈沖保護(hù)。為防止線纜之間的信號(hào)反射并實(shí)現(xiàn)終端匹配，末端并聯(lián)120 Ω的終端電阻[7]。

2.6 整車(chē)控制器PCB布線設(shè)計(jì)

綜合考慮元器件密度及成本問(wèn)題，整車(chē)控制器印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）采用四層板設(shè)計(jì)。在元器件布局及走線方面主要考慮以下幾點(diǎn)[8]：

（1）核心元器件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局，晶振電路周?chē)灰贾媚M信號(hào)。

（2）模電、數(shù)電分開(kāi)布局，電源或者大功率器件最好布置在PCB兩側(cè)，利于散熱。

（3）輸入信號(hào)的濾波電容盡可能放置在接插件附近，這樣PCB板內(nèi)側(cè)引入的干擾會(huì)少些。

（4）電流較大電路走線要相對(duì)粗些，較高頻率的電路要盡量遠(yuǎn)離模擬電路，且與相鄰走線保持一定間距。

（5）相鄰布線層的信號(hào)線走向盡量垂直，以免產(chǎn)生寄生電容。

（6）模擬地和數(shù)字地要分離，最后通過(guò)磁珠或者0 Ω電阻連接，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。

（7） 去耦電容盡量布置在芯片電壓引腳附近，電源、地、去耦電容形成的回路越短，抗干擾能力越強(qiáng)。

3 硬件在環(huán)試驗(yàn)

將混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)模型及部件模型下載到dSPACE實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)中，以模擬整車(chē)控制器的真實(shí)應(yīng)用環(huán)境，主要測(cè)試HCU信號(hào)采集與處理功能、通信功能和控制策略執(zhí)行功能，同時(shí)還對(duì)HCU的正確性加以驗(yàn)證。為了盡可能地模擬HCU的真實(shí)應(yīng)用環(huán)境，本設(shè)計(jì)的整車(chē)控制器與dSPACE信號(hào)的交互連接方式和實(shí)車(chē)完全一樣。仿真平臺(tái)的邏輯連接框圖和實(shí)物連接分別如圖9和圖10所示。

打開(kāi)ControlDesk上位機(jī)采集的分配轉(zhuǎn)矩和需求轉(zhuǎn)矩波形信息，為了顯示清晰，選取1～11 s時(shí)間段記錄的波形，硬件在環(huán)運(yùn)行曲線如圖11所示。

在該段仿真時(shí)間內(nèi)，控制器的分配轉(zhuǎn)矩曲線幾乎完全與需求轉(zhuǎn)矩曲線重疊，說(shuō)明控制策略能夠正常、快速運(yùn)行。在近半小時(shí)的仿真期間，電源電路溫度正常，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象，信號(hào)采集以及通信部分電路運(yùn)行良好，無(wú)故障出現(xiàn)。

4 結(jié)論

為滿(mǎn)足HCU功能要求和性能要求，通過(guò)對(duì)各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，完成了一款高性能整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)。搭建硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)控制器的功能和性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了控制器的正確性。硬件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)以及硬件在環(huán)仿真測(cè)試，為下一步改進(jìn)控制策略和實(shí)車(chē)試驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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