電動(dòng)物流車的整車控制器設(shè)計(jì)

李冰林，朱書林 LI Binglin,ZHU Shulin

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

物流行業(yè)中，運(yùn)輸環(huán)節(jié)占據(jù)著整個(gè)物流過程的大部分成本，同時(shí)由于燃油物流車會(huì)帶來節(jié)能環(huán)保的問題，不符合國家倡導(dǎo)的綠色可持續(xù)發(fā)展的政策方針。更進(jìn)一步，現(xiàn)在城區(qū)內(nèi)都是對(duì)燃油貨車限行[1-2]。因此，物流車輛純電動(dòng)化顯得很有必要，也很有實(shí)際意義。為了應(yīng)對(duì)這些問題，目前普遍采取的策略是將現(xiàn)有的燃油車改裝成油電混用或者純電動(dòng)車。因此，為了協(xié)調(diào)駕駛員意圖與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器與電池管理系統(tǒng)的工作，必須進(jìn)行整車控制器的研究與開發(fā)[3-4]。

論文以電動(dòng)物流車為應(yīng)用研究對(duì)象，對(duì)其整車控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用NXP的K60芯片為控制器核心，與電機(jī)控制系統(tǒng)、蓄電池管理系統(tǒng)進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)采集駕駛員操作信息等，使車輛按要求行駛，開發(fā)出電動(dòng)汽車整車控制器，達(dá)到整車控制行駛目的。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

圖1 整車控制系統(tǒng)組成

所研究的電動(dòng)物流車采用的是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整車控制器的總體方案設(shè)計(jì)組成如圖1所示。整車控制器通過采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、擋位信號(hào)，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線從電機(jī)控制器獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)等，從而判斷車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)及駕駛員的操作意圖，通過設(shè)計(jì)的控制策略，發(fā)送給電機(jī)控制器等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的指令執(zhí)行，使車輛按照駕駛員的意圖行駛[5]。

根據(jù)以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，整車控制器系統(tǒng)主要組成部分如圖2所示，包括K60主控芯片模塊、模擬信號(hào)輸入模塊、開關(guān)信號(hào)輸入模塊、CAN通信模塊、外部驅(qū)動(dòng)模塊、串口收發(fā)模塊、液晶顯示模塊等。K60主控芯片將采集各路傳感器信號(hào)，根據(jù)控制策略及算法做出控制決策，發(fā)送給整車各部分執(zhí)行單元控制器，控制車輛的行駛。CAN通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)整車控制器與電機(jī)控制器、蓄電池管理系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)交互。外部驅(qū)動(dòng)模塊主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車中的空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱，電池系統(tǒng)加熱，以及倒擋信號(hào)的控制等；串口收發(fā)模塊、液晶顯示模塊主要作用是為了便于軟件設(shè)計(jì)過程中程序的調(diào)試及后續(xù)策略研究。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器信號(hào)輸入模塊

信號(hào)輸入模塊包括加速踏板傳感器和制動(dòng)踏板傳感器的信號(hào)、開關(guān)信號(hào)等，為了保證信號(hào)的穩(wěn)定性，需對(duì)其進(jìn)行濾波，以確?？刂破髂軌虿杉降男畔?zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的精確控制。根據(jù)整車功能需求，整車控制系統(tǒng)的信號(hào)采集電路分為脈沖輸入信號(hào)、模擬輸入信號(hào)等信號(hào)處理電路等部分。

模擬信號(hào)采集電路，主要是對(duì)電動(dòng)汽車中供電電壓和踏板開度等模擬信號(hào)進(jìn)行采集。具體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。該電路主要由低通濾波放大電路、鉗位保護(hù)電路所組成。

開關(guān)信號(hào)處理電路，主要是對(duì)開關(guān)信號(hào)、擋位信號(hào)進(jìn)行采集與處理。通過K60芯片的FTM模塊檢測(cè)出信號(hào)的輸入，如圖4所示。電路具有濾波和鉗位功能。

圖2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖

圖3 模擬信號(hào)輸入電路

圖4 開關(guān)量信號(hào)輸入

2.2 CAN通信模塊

整車控制器與電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線進(jìn)行信息交互。K60芯片內(nèi)含兩個(gè)CAN控制器，因此只需設(shè)計(jì)CAN總線收發(fā)器。芯片MCP2551能夠給CAN協(xié)議控制器提供差分收發(fā)功能，也能為CAN控制器及總線上的高壓尖峰信號(hào)之間提供緩沖器的功能，過濾這些由外部器件產(chǎn)生的高壓尖峰信號(hào)。通信模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.3 外部驅(qū)動(dòng)模塊

為驅(qū)動(dòng)包括繼電器在內(nèi)的一些負(fù)載，提高電路電流的驅(qū)動(dòng)能力，需要設(shè)計(jì)信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路，ULN2003A芯片是高耐壓、大電流、具有7路的復(fù)合晶體管，可以直接用于驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載，如圖6所示。

圖5 CAN通信模塊

圖6 外部驅(qū)動(dòng)模塊

2.4 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊主要是將控制器GPIO口產(chǎn)生的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部控制信號(hào)。Q6可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)外部信號(hào)異常時(shí)對(duì)GPIO端的信號(hào)進(jìn)行屏蔽，起到保護(hù)電路的作用。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序

系統(tǒng)工作的主程序流程是整車控制器上電進(jìn)行初始化，通過檢測(cè)加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、擋位狀態(tài)、電機(jī)溫度、電池電流、電池SOC值等控制整車驅(qū)動(dòng)力矩的主要參數(shù)，判斷車輛狀態(tài)并檢查有無異常，如異常進(jìn)入故障診斷模式；如系統(tǒng)狀態(tài)正常，整車控制器根據(jù)駕駛員的行駛要求、車輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行分析，判斷汽車是起步、加速、減速還是充電狀態(tài)，從而滿足駕駛員的駕駛意圖，使之進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。然后將控制指令發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器計(jì)算出電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩，控制電機(jī)使其快速準(zhǔn)確的輸出相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩。主程序流程圖如圖8所示。

圖7 信號(hào)輸出電路

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 信號(hào)采集處理子程序

模擬信號(hào)的采集包括加速踏板、制動(dòng)踏板等位置信號(hào)的采集，具體地信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理和計(jì)算踏板的位置，判斷出加速或者制動(dòng)強(qiáng)度。為了保證采集到的數(shù)據(jù)可靠有效，采用“算數(shù)平均濾波法”對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾除。模擬信號(hào)采集處理子程序流程如圖9所示。

圖9 模擬信號(hào)采集處理子程序流程圖

3.3 CAN通信子程序

在電動(dòng)物流車當(dāng)中，整車控制器與2個(gè)電機(jī)控制器通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。CAN總線采用串行數(shù)據(jù)通信的模式，因此其能工作在接收和發(fā)送兩種狀態(tài)。在車運(yùn)行過程中，整車控制器向電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)發(fā)送控制指令控制電機(jī)按要求運(yùn)行，或者接收它們的狀態(tài)信息，獲取車輛狀態(tài)參數(shù)[6-7]。具體數(shù)據(jù)接收處理流程圖如圖10所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用硬件在環(huán)仿真仿真技術(shù)能對(duì)控制器的性能進(jìn)行研究[8]。根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件和軟件，對(duì)其進(jìn)行CAN通信試驗(yàn)和模擬信號(hào)采集試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。

圖10 CAN報(bào)文的接收處理

圖11 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

首先，試驗(yàn)了整車控制器與電機(jī)控制器之間的CAN總線通信，圖12為CAN模塊發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)間間隔20ms。試驗(yàn)證明整車控制器能實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，同時(shí)對(duì)接受的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過液晶可具體顯示其數(shù)值。

其次，利用采集加速踏板信號(hào)來檢測(cè)AD功能模塊工作情況，踏板開度與對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖13所示。結(jié)果表明，隨著踏板開度的變化，采集信號(hào)的AD值幾乎成線性變化，符合要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)電動(dòng)物流車的整車控制器進(jìn)行了硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)，最后通過模擬平臺(tái)對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)可行。

圖12 整車控制器CAN總線通信的波形

圖13 加速踏板對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換值