纯电动车整车控制器设计

摘 要摘 要纯电动汽车将是未来汽车发展的主导方向，它会运用到电机驱动技术、车辆工程、电池技术、控制技术等领域中核心的技术。在环境保护日益严峻的态势和石油资源将要枯竭的紧迫需求之下，研究和发展电动汽车在全世界已经达成了共识，也是目前相关领域中的研究热点。全球很多大型汽车公司都投资了大量金钱来研究和开发纯电动汽车中的核心部件，也就是说整车控制器等，目前，部分品牌的纯电动汽车已经研发出来了。对于电动汽车的项目，我国也是将其作为“863” 项目和“十二五”的主要内容。整车控制技术不仅是电动汽车关键的技术之一，同时在电动汽车的领域中，也是我国独立自主研究开发能力的一种表现，本文就是围绕电动汽车的核心部件，整车控制器的研发开展工作。本文将在全面分析纯电动汽车整车控制的基础上，从技术要求、信号分析、芯片选型等方面提出控制器设计方案，并据此完成各个模块的控制器硬件电路设计。关键字：整车控制器，纯电动汽车，硬件设计IIAbstractAbstract Pure electric vehicles will be the dominant direction of future automotive development, it will be applied to the core technology in the field of drive technology, engineering, battery technology, control technology. Environmental protection is increasingly grim situation and oil resources will be depleted under the urgent need for research and development of electric vehicles has been reached a consensus in the world, is currently the research focus in the relevant fields. Many large car companies are investing a lot of money to research and development of the core components in the pure electric vehicles, which means that the vehicle controller, and some brands of pure electric vehicles have been developed. Projects for electric vehicles, China is as a project of 863 and 12 main content.Vehicle control technology is not only one of the key technology of electric vehicles in the field of electric vehicles, but also Chinas independent research and development capabilities of a manifestation of the core components of this article is to focus on electric vehicles, vehicle controller R & D work .This paper will be on the basis of a comprehensive analytical control of electric vehicle, from the technical requirements, signal analysis, chip selection, and other aspects of the controller design, and completion of each module of the controller hardware circuit design accordingly.Key words: the vehicle controller, Pure electric vehicle, hardware design目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1 本课题研究的目的和意义11.2 电动汽车的现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状31.3 发展电动汽车目前存在的主要问题4第二章 纯电动车整车控制的相关介绍52.1 电动车控制系统52.2 整车控制器的功能需求分析62.3 整车控制器的信号分析7第三章 整车控制器的硬件设计103.1 整车控制器微控制单元的选型103.2 CAN通信部分硬件设计113.3 开关量输入部分123.4 模拟量部分133.5 最小系统设计143.5.1 供电电路143.5.2 时钟电路153.5.3 复位电路16第四章 整车控制器的软件设计194.1 主程序软件设计204.2 驱动软件设计224.3 通信管理程序设计244.4 制动回馈子程序244.5 仪表驱动控制器程序设计26结 论28参考文献29致 谢31附 录 控制主图32IV第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 研究本课题的背景与意义 对于现代工业技术最重大的成就之一，就有内燃机车辆，尤其是汽车的发展。它满足了许多人们日常生活流动性的许多需求，为现代社会的发展，已经做出了非常重大的贡献，帮助了人类社会从原生态到高度发展的工业社会的主要进程发展。但是，对于现在全世界汽车的大量应用，它在为我们人类社会带来快捷语舒适的同时，也已经产生并正在继续引发严重的环境问题，还给人类生存带来了严重的问题。当前人们首要关注的问题就有，大气污染，其中汽车尾气是大气污染的主要来源，全球变暖，以及全球的石油资源快速减少。基本上现在全部汽车提供给驱动力所需要的能量，都是通过依靠燃烧碳氢化合物类燃料。但是在燃料汽车中燃烧碳氢化合物类燃料，肯定不是理想化的，因为它们除了会生成水和二氧化碳之外，燃烧还会生成有害气体，它其中就含有一定量的一氧化碳、没有完全燃烧的碳氢化合物与氧化氮化合物，很多不良的生成物都会毒害人类的健康。而且尾气中大量排放的二氧化碳，是引发“温室效应”的重要原因。大量二氧化碳的累积，会是大气温度升温，破坏我们的生存环境。现在排放二氧化碳的主要来源就是运输工具，汽车正好又是我们现在经常用的运输工具。石油的液态燃料是运输工具中主要的燃料来源。石油是活性物质分解的生成物，是在地底下开采出来的矿物燃料。有研究显示，最少要经过200万年的时间才能生成石油，从这我们就能看出燃料形成为地球资源之所以有限的原因了，因此累积的成品油和新储油地的发现就完全取决了全球石油资源可维持石油供应的年数。根据历史的数据显示，石油消耗量近几年表现出高速的增长率，并且发现新储油地的进程很缓慢。假如石油消耗量和发现新储油地的进程还是现在的发展趋势，那么全球的石油资源约仅可能应用到2038年，甚至于更短。而现在石油的主要使用者主要就是运输部门。所以说我们传统交通工具燃油汽车的可持续的发展，现在面临着的形势是日趋严峻，现在汽车工业的发展方向，因为这些因素，那势必就是零排放的、综合利用能源、低噪声的方向。而目前人类汽车工业想要解决能源可持续发展和环保等相关问题的主要途径就是发展电动汽车。在20世纪，在20项最宏伟工程技术的成就，电动汽车就是其中前2项技术融合的，就是“汽车”和“电气化”融合的产物，它的研制和构想是要比燃油车早的。所以，全新系统工程的研究成果就是电动汽车。它不仅只是运输车辆这么简单，而且电气设备还是最新的。将电气、汽车工程、化学工程、和电子工程领域中，全新技术的成就运用到电动车的研制中去，是它将要所面临重要的问题。那么我们就要努力找到适用到电动汽车设计的独特方法，达到电动汽车最优化利用能量的目的。近来年对电动汽车的研发与制造，外国与我国都有了一定的进展，但是突破其中的一些关键技术，还是有需要全世界进一步的研制。而纯电动汽车整车控制器是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，它对汽车的故障诊断和处理，是否正常行驶，回收再生能量，监视电动汽车的状态，网络管理等功能都有着关键性的作用。整车控制器作为纯电动汽车控制系统的关键部件之一，它是衡量整车控制系统功能等级和性能的重要部件，并且纯电动汽车控制系统控制效果优劣是受性能是好是坏的影响。不管汽车其他总成性能怎么样的完好，如果整车控制器出现了问题，那么汽车将无法实现能量回收，无法高速行驶，甚至很有可能会出现事故。因此在纯电动汽车整车控制系统中一个不能缺少的工作任务就是研制出功能齐全与性能优越的整车控制器，同样这也就是在本文中将要研究并解决的重要问题。1.2 电动汽车的现状1.2.1 国外发展的现状从过去20年来，可以把西方工业国对电动汽车的研究和发展作为解决环境问题和能源问题的有效手段。美国政府组织动员了全国的研究机构来研究电动汽车，在20世纪90年代，福特的汽车公司，美国通用的汽车公司，克莱斯勒的汽车公司一起共同协议的先进电池联合体成立，为开发高性能的电池，这电池是最新电动汽车需要的。新型高效节能的车辆，为维持现有的汽车性能和价格，美国已经推出了很多重要的计划。德国政府和九个主要的公司签署了一项谅解备忘录，与九大公司结成联盟，以创造一个清洁能源的城市（柏林）。英国，意大利和其他欧洲国家都在开展电动汽车的研发。当然日本政府也是特别重视电动汽车的研究和发展。日本东京电力公司电力公司在1998年与日本电池公司联合，开发了“ZA”牌电动车，电动车用高科技，它具有当时EV世界的最高水平。丰田汽车公司于1996年研制成功的燃料电池汽车的样车生产，先于其他汽车制造商，第一次在1997年开始大规模生产混合燃料电池汽车，成为了环保技术领域和世界电动汽车的产业化领头羊。上述各国政府大力支持的大型汽车集团，通过发展环保和节能法规，采取投资，税收优惠，政府消费政策的补贴，旨在抢占电动车产业的制高点。代表着现代电动汽车先进水平的福特汽车公司，通用汽车公司，本田电动车公司是这种竞争的产品。1.2.2 国内发展现状随着我国经济的高速发展，环境保护与交通能源的问题是我国现在将要面临非常重大的挑战。电动汽车行业的发展，自从20世纪70年代末以来，我国就已经开始非常重视了。“八五”的时候，国家科技将要攻破难关的计划列入了电动汽车的研发，重点开展研究电动汽车的关键技术；“九五”的时候，国家非常重大的科技研究产业项目把它正式列入其中；“十五”的时候，科技部设立电动汽车的重大专门项目以支持电动汽车的研究。作为国内汽车科技项目的一个探索，“三纵三横”研究开发布局被专项提了出来。在我国国家政府组织的尽力支持之下，我国取得了非常大的技术突破，包括在燃料电池汽车、纯电动车、和混合动力汽车动力系统的集成技术、动力总成的关键零件技术、和整车集成的技术方面，此外，新兴能源汽车自主知识产权的技术标准和专利战略平台已打好了良好和坚实的基础。由同济大学、上汽等投资一起组建了上海燃料电池动力系统公司，它已经开发的第三代“超越”系列燃料电池汽车的动力系统平台和示范车，北京清能华通公司已开发出燃料电池城市客车，我国燃料电池轿车和客车技术指标接近国际先进水平，天津清源开发了3种纯电动轿车，并通过纯电动汽车动力锂离子电池的正面碰撞试验。从国内和国外电动汽车的发展现状可以看出，纯电动汽车，虽然有低噪音的突出优势，实现零排放，能源的应用，但其技术和经济性能指标尚未达到实用化要求，但仍有许多需要进一步研究，测试和开发关键技术。这里值得注意的是，中国的汽车产业落后于发达国家，但与其他国家相比，电动汽车技术的差距就不是那么明显。可以预见，大力推进电动汽车技术的发展在21世纪的全球研究和提出，在电动汽车的产业化和进入市场的商业运作的实际即将到来。1.3 发展电动汽车目前存在的主要问题电动汽车的主要问题是高初始成本和里程不理想。为了解决这个里的程问题，现在正在开发先进的电池，如镍氢电池，锌空气燃料电池，锂离子电池，磷酸铁铝电池。普通铅酸电池的能量和能量密度比油低得多，因此目前采用先进的电池，对电动汽车的发展来说是在一个加速发展的时期。同时，混合动力电动汽车的商业化的迅速发展，因为混合动力电动汽车使用辅助能源，发动机及其辅助设施，并以结构复杂和高成本为代价，从根本上，改善了电动汽车的续驶里程及其性能。为了降低电动车的成本，人们现在努力改善电源转换器，电机，电子控制器，能量管理系统，充电器，电池和其他辅助设施，电动汽车各个子系统等等，当然，也在对电动车整车控制器进行综合和优化设计。- 4 -第二章 纯电动车整车控制的基本功能第二章 纯电动车整车控制的基本功能2.1 电动车控制系统纯电动汽车控制系统示意图如图2-1所示，电动车控制系统分为整车控制系统、电力驱动子系统、主能源系统、和辅助控制子系统。辅助系统整车控制器电机 控制器电机变速箱主减速器主能源系统动力电池组图2-1纯电动汽车控制系统首先，通过地面的充电设备给电动车动力蓄电池组充上电，当充电完成以后，驾驶员就能启动钥匙的开关了，这时，动力蓄电池组就给照明、信号、仪表等低压的电器上电，这些是通过直流整流变换器来完成的。动力蓄电池组同时也供电给前进力、制动转向变换器，当在接受到控制信号的指令后，带动电动助力转向泵、电动真空泵等工作。纯电动车整车的控制器控制着动力蓄电池组是，供电给动力电机的控制器，然后动力电机控制器，再通过逆变将直流电转换成三相交流电，也就是动力电机真正需要的，然后通过动力电机的运转，是再让差速器、传动轴、变速箱与后桥等驱动使车辆正常行驶。对于车辆的后退和前进来说，是控制电机的反转与正转来达到目的。在车辆启动时，驾驶员首先要将仪表板上的倒退或前进开关，置“向后”或者“向前”位，然后再脚踩下加速踏板。在加速踏板已经离开起始位置后，位置改变了的加速踏板，会使驱动转矩的给定值也随着变化。在加速踏板踩到最大的时候，也就是说驱动转矩的给定值达到了最大，这是的纯电动车加速度是最大的。当动力电机控制器，接收到驱动转矩的给定值信号和方向信号之后，动力电机就会被控制，进入运转的状态下，而且动力电机转向就会得到确定，转向这是根据方向信号确定的，并且会根据驱动转矩的给定值信号，确定下动力电机输出的转矩大小。当在驱动状态信号消失时，就是加速踏板回到起始位置时，同时，驱动转矩给定值，则返回到零值，这时，动力电机被动力电机控制器控制停止输出转矩。纯电车制动分为两种情况，其中，一种是紧急制动的情况，在这时，机械制动系统制动应该是被使用的。而另一种是，在非紧急制动情况，在这时，电机的再生制动和机械制动系统应该结合在一起联合制动，制动强度较小的情况下，主要是再生制动，辅以机械制动；制动强度在中高等强度下的时候，主要是机械制动，辅以再生制动。动力电机控制器接收到制动状态信号、方向信号、和制动转矩给定值信号后，控制动力电机，就会进入制动状态下，再根据制动转矩给定值的信号，来确定，动力电机输出制动转矩大小，然后回馈制动开始，动力蓄电池这时会被充电。制动状态信号消失时，就是制动踏板，回到起始位置后，同时，制动转矩给定值，则回到0值了，动力电机控制器，控制动力电机就会停止制动输出转矩。车辆减速制动，发电工况为动力电机运行状况，这时，就会将有电能，是由部分动能转化成，然后，向动力蓄电池充电，那么电动汽车续驶里程就会增加。2.2 整车控制器的功能需求分析整车控制器是电动汽车的智能核心，各个系统的信号都将汇集与整车控制器，从而发布整车控制命令。整车控制器是一数字电路与模拟电路共存、多输入、多输出的复杂嵌入式系统，其具体功能要求为： 1控制器要接收到驾驶员操作驾驶的指令，并且能够很好的处理，还要能向发送控制指令到所需要的部件控制器，让纯电动车按驾驶员的期望行驶；2控制器能够和动力蓄电池组、DC/DC、电机等进行正确即使的通讯，还能通过CAN总线，和模拟量关键的信息，进行可靠的状态采集输入与即使输出控制指令量；3能接收并处理好每个零部件的信息，再根据能源管理模块提供出当前能源状况的正确信息。4系统故障的准确判断并存储下来，能动态的检测出系统信息，出现的故障能记录下；5对纯电动车整车具有一定的保护功能，对故障的不同类别，可以进行分级的保护，在紧急的情况下，可以切断母线的高压系统，或者即使的关掉发电机；6协调管理好纯电动车上其他的电器设备；2.3 整车控制器的信号分析系统分析纯电动汽车控制系统后，得出与控制器相关的信号如下整车控制器的输入分为整车模拟量输入，整车开关量输入。整车控制器的输出通过CAN总线输出给各个控制器。整车模拟量检测输入包括的信号为：加速踏板输入信号，制动踏板输入信号，制动器主缸压力输入，车速传感器输入。 整车开关量检测输入信号包括：前进信号，倒车信号，爬坡挡指示信号，巡航指示信号，车门开关信号。各系统控制系统的输入输出量描述如表2-1所示:。表2-1 控制系统的输入输出描述控制单元输出信息输入信息整车控制单元电机所要提供的转速、转矩电机的正反转命令再生制动指令变速器的挡位指令模拟量加速踏板开度、制动踏板开度、制动主缸压力、车速传感器 开关量钥匙开关、充电开关、方向信号、挡位信号CAN通讯量电机的状态、电池的状态电机控制单元电机的转速、转矩、温度电枢的电流、电压、报警信号等 整车控制单元给电机的输入状态和指令能源管理系统电池的电压、温度、充放电电流、功率强度、SOC值、SOH值、报警信息等通电及关闭命令车载显示系统自身状态接收总线上的所有信息在系统的分析纯电动汽车的基础上，结合以上对控制器信号的分析，可设计整车控制器原理结构图，如图2-2所示。加速踏板信号制动踏板信号制动主缸压力车速传感器充电开关方向信号挡位信号 模拟量调整模拟量调整 开关量调整 光电隔离 MCU CAN总线收发电机控制器能源管理统车载显示变速器输出电源模板晶振钥匙开关图2-2整车控制器原理结构图- 32 -第三章 整车控制器的硬件设计第三章 整车控制器的硬件设计3.1 整车控制器微控制单元的选型控制单元的硬件芯片是整车控制器的核心，整车控制器整车数据是先采集、再处理、最后逻辑运算，这些都是由硬件芯片完成。主控芯片的选择是需要根据整车将要实现的功能和整车的节点数来确定的，嵌入式系统在电动车上一个的典型应用就是整车控制器。考虑到现阶段产品主要功能的要求与换代升级。为此，控制单元硬件设计总的原则是：功能应该略大于设计的要求。 具体而言，选型的方法可概括为：1在功能满足情况下，选择16位机。它相比32位机具有更高的性价比，产品的升级无需再硬件上做过大改动；2尽量不扩展外部程序存储器，所以应选择具有存储空间要足够大的芯片，以减少硬件外扩带来的成本；3芯片应尽量选用汽车级产品，可靠性高；综合以上原则及实际情况，本文最终选用飞思卡尔半导体公司生产的，Motorola的新一代HCS12系列16位微控制器MC9S12DP512，现在只需要45元就能买到的。相比较来说，若选同公司的MC9S08DZ60，而它的价格尽管相对便宜点，只要26元，但是它只有64个引脚，会加上比较多的外围电路；若选德州仪器公司的TMS320F2812则有176个引脚，价格是74元，就有些引脚用不到了，而且价格要贵一点。MC9S12DP512的主要特点：内部里面有16位的CPU (SATRT12 CPU)，片上有集成的512K字节FLASH EEPROM、4K字节EEPROM、14K字节RAM、SCI接口2路、SPI接口3路、有一个8通道增强型IC/OC捕捉定时器、2个8通道十位的A/D转换器、一路8通道的PWM输出、符合CAN2.0规程的5个CAN模块、29余个数字I/O口等等。整体来说是，整车控制器对纯电动车的控制芯片功能要求能够满足。根据整车控制器的功能设计要求，结合实际参与控制的对象以及选用控制芯片的特点，它采用功能划分和模块化的思想设计。MC9S12DP512内部有5路满足CAN通道，只需利用其中的两路经过CAN驱动芯片，就能够输出与接收高速CAN总线与低速CAN总线信号，它们是由独立的5V电源供电。输出信号大致分成两种类型：其中一种是，通过光电隔离的输出信号，具有50500mA驱动能力，另一种是，通过输出驱动芯片MC33385等继电器接点控制信号，它们可用于接触器、驱动仪表盘等外部设备。开关量或光隔输入调理，是用于接受外部逻辑量控制信息，其中，根据控制的需要可分成高低电平2种驱动形式。模拟量输入调理，是用来采集加速踏板信号等的。3.2 电源与CAN通信部分硬件设计整个系统由直流电池供电，由于电池为24V直流输出，单片机控制系统及其外围设备的电源供电由5V系统，因此需稳定直流电压转换单元。系统设计的过程中，选择MC33989电源转换装置，该芯片具有CAN接口，4个唤醒输入端口，和看门狗复位端口，系统断电，过电流保护是可以实现的。该芯片有两个电源整流器，提供给MCU和外围设备电源。智能半导体器件，可以提供必要的系统电压，它具有噪音低，200毫安整流器用于外围设备的电源。此外，还有一控制外部导通的晶体管装置，专门用于供电给外围设备的，以此来满足所需应用程序特定限制功耗的控制装置，但也会根据第二个电源切断所选外围的设备供应，以达到降低功耗的目的。MC33989支持位速率达1Mb/s的高速CAN，与最高速率为4.0MHz的CPU接口，因此，使用高速CAN(500Kb/s)驱动器的MC33989。在低速CAN驱动程序，使用MC33388，它支持最高速率为125Kb/s的低速CAN，可用CAN模块和I/O端口与CPU直接连接。具体电路的结构如图3-1所示。图3-1 电源与CAN驱动图3.3 开关量输入部分开关量输入信号包括钥匙开关位置、挡位开关和制动开关等，因为这些信号的有效时对应着的电平并不统一，因此开关量输入接口选用的是开关检测的接口芯片MC33884。MC33884与MCU直接连接，是经过SPI协议，它们连接之后，可将每个端口的开关量状态反馈至MCU，以便MCU有效处理。MC33884可编程开关输入检测端口有4个、6个固定对低电平或者地有效的开关输入检测端口、2个固定对高电平与电源有效的开关输入检测端口。在开关状态发生变化时就能产生中断输出，当出现错误时就能产生输出复位，系统即自动的进入到睡眠模式。开关量的输入部分电路如图3-2所示。图3-2关开输入调整电路3.4 模拟量部分纯电动车的整车控制器模拟量主要有制动踏板的开度信号、加速踏板的开度信号等。在实际的情况中，模拟量变化频率是比较小的，但常受到纯电动车其他许多部件的电磁干扰，使得信号失真。如图3-3所示，为了滤除掺杂在模拟信号中高频的交流信号，本文就用RC低通滤波的电路，C1可以用来抗电磁的干扰，电阻R1、R2可以用作信号的上拉和下拉作用，R3、R4可以用来分压原始的信号，使得输出的信号分在系统可以接受的范围中。3.5 最小系统设计虽然微控制器将CPU等，集成在电路芯片内，但是仍需一些支持的外围电路，外围电路提供电、时钟、复位等，MCU与这些外围的电路，共同构成了的核心部分，也称为单片机最小系统。下面简单的介绍下，最小系统的设计，其中主要包括有供电电路模块、时钟电路模块和复位电路模块。图3-3 模拟信号采集电路3.5.1 供电电路纯电动车上的电源工作环境是非常恶劣的，而且电磁干扰源较多，电压变动范围大，还混杂有大量的尖峰脉冲和很多干扰信号。因此低质量的电源，很有可能使电子元件不能正常的工作，也可能形成对电子控制单元的错误动作，因而高质量的供电电路模块是整个系统正常稳定运行的保证。纯电动汽车电池的电压+24 V 是要DC / DC变换成+5 V电压，用于MCU的供电，主要是通过 ECU的电源管理模块实现的，而MC9S12DP512芯片内，集成的电压调整器模块，会产生给内部单片机所需其它的电压。由图3-4所示电感L1和电容C1滤波电路的构成，可以克服的MCU电源波动的不利影响，去耦电容是电容值较小的电容C2与C3，以去除微控制器上高频率的运行噪音，减少高频干扰，并提高了系统的电磁兼容性。图3-4 供电电路中的滤波及去耦电容3.5.2 时钟电路时钟电路对单片机的运行至关重要，各部分都以时钟频率为基准有条不紊地工作。MC9S12DP512核心的频率最高可达50MHz，总线的频率最高可以达25MHz。 MC9S12DP512有两种方式来获得时钟频率。一个连接到外部晶体和内部振荡器电路引脚的XTAL（输入）和EXTAL（输出），形成系统时钟，片上锁相回路，以确保系统时钟可靠性。另一种方法是使用一个外部振荡器产生时钟信号，直接通过EXTAL引脚输入。若该系统采用第一种方法，可连接16MHz外部晶振，到微控制器外部晶振的输入接口EXTAL与XTAL，而该芯片就可以通过锁相环和内部压控振荡器，共同把主频提到25MHz，作为单片机内总线时钟。如图3-5显示了无源晶振的外部接口电路，当外部电容值22PF时，工作在1MHz以上质量较好晶体，是可以取得良好效果的。图3-5 时钟电路如图3-6所示滤波电路是PLL模块的，VDDPLL引脚是单片机内提供的2.5V电压。Rs、Cp与Cs的值是和REFDV寄存器、晶振、SYNR寄存器相关的。压控振荡器的电压控制端，给锁相环电路的编程，以数字的方式锁定住VCO控制端的电压，实际上就是XFC端口。若电阻与电容取值得不当，或不加滤波器，就会造成VCO控制端电压的抖动，以至于整个系统无法正常工作。图3-6 锁相环的滤波电路3.5.3 复位电路单片机程序的执行是从复位开始的。复位后，芯片各寄存器及端口值都恢复到默认值，程序计数器自动进入默认起始地址开始运行。复位可使MCU内部寄存器、中断寄存器、I/O端口、控制状态位、时钟等都强制初始化。为了保证其可靠复位，VCC、振荡器等已经达到了稳定状态后，还须保持低电平的4064个时钟周期。MC9S12DP512有四种复位方式：1上电复位上电复位仅用于初始化内部MCU电路。在上电过程中，复位电路即被触发，当该复位进行4064个时钟周期，当外部的电压减小到0V之前，系统不会再出现复位动作，所以它不是很适合做掉电检测的。2外部复位外部复位是外部加上复位电路来对系统的强制复位。可选专用的复位芯片实现，也可以手动的复位电路，它对系统进行任何时候强制的复位，一般用在对系统的调试过程。传统常用复位电路经常由电容、二极管等元件构成，使得准确不够，性能也是不稳定的。专门复位芯片是不需要外接其它的元件，只是需要将相应的引脚，接到单片机复位端阵脚导通即可。当系统电压，低于系统可靠的工作电压时，芯片就会使系统处于复位的状态，直到电源的电压，高于可靠的工作电压时。它通常可以用来做掉电监测的。3看门狗定时器复位看门狗定时器复位，主要用来检测程序执行是否有错，也是可以用来作为软件复位的。在软件执行过程中，应该让监视定时器不会产生溢出，溢出就会复位并且产生中断。4时钟监测复位时钟监测复位功能通常由电容延时、内部电阻控制，如果在延时时间内未出现时钟跳变时，那么时钟监视定时器即出现复位。一般基于可靠性考虑，芯片都加有电源检测电路和外部复位电路。本课题设计采用了如图3-7所示的复位电路。图3-7 复位电路本电路中，使用了一款低电压复位芯片MC34064，它只用微控制器复位系统。该芯片集成了较强的复位功能，可以直接用于监控汽车系统微控制器的5V电源，同时低电流功耗下，保证电压是低于1.0V的，而复位输出的电流超10mA，保护电源波动，MC34064可在一定的电压范围之内，使复位端保持在低电平。第四章 整车控制器的软件设计第四章 整车控制器的软件设计根据控制器的功能要求将主控制器的软件开发模块化，形成如图4-1所示软件流程的结构框架。可以将整车控制器的控制软件分成为底层驱动、控制与处理2个层次。1底层驱动底层驱动，是实现控制核心，它是为整车控制器和外部数据交换的基础。进入主程序之前，必须先初始化所使用的端口，这取决于类型的实际需要，合理配置端口，设置相应的中断向量，设置CAN模块（工作方法，波特率参数，接受屏蔽寄存器，接受代码寄存器，筛选方法，中断允许寄存器，等等）需要进入的主程序筹备工作。2控制与处理控制和处理模块，是在主程序中进行常规处理上展开的，这一部分是给电动车控制器上电后，首先需要进行初始化，然后确定键开关，以确定车辆那时是什么样的状态，处理从CAN网络其他子系统的信息，再将处理结果，由中断服务程序，发布到相应的消息对象中。整车控制器软件底层驱动中断服务通讯中断车速测量中断定时中断初始化驱动控制与处理逻辑控制工作状态控制驱动与制动控制信息处理信息接收与发送数据处理图4-1 整车控制器软件结构框图除了合理的硬件设计外，设计可靠性好的软件也是占很重要的作用。如果软件一旦失效，那将可有可能造成灾难性后果。整车控制器的可靠性是直接影响着整车的控制单元的可靠性，和汽车行驶的安全性。而且软件设计的合理是能够很大程度减少开发的时间，提高效率，提高控制器电磁兼容和可靠性。4.1 主程序软件设计纯电动汽车在运行过程中，控制软件，以确定机动车辆的运行模式，进入工作。速度，油门踏板位置，制动踏板的位置，电池状态，电机状态，温度等信号是软件控制操作的基础，以这来开展驱动力矩的计算，继电器控制，能源管理，仪器仪表等，如图4 -2所示纯电动汽车整车控制器软件流程图。软件在结构设计上，利用MC9S12DP512硬件中断能力，先进的多任务机制，系统的所有功能，根据实时性要求的水平，分配给主程序和中断服务程序。 实时要求不高的任务，运行主程序，包括汽车运行能量管理，通信管理，驱动力矩的计算，故障诊断。实时要求不低的任务，从相应的中断程序执行，主要包括CAN消息定时，脉冲捕捉，数据采集，故障存储，通信接口等底层硬件驱动功能。高层次的功能模块和底层功能模块，以RAM交换信息。CAN定时发送，数据采集，串行通信，CAN通信，和系统的高层次管理等许多任务，根据其执行频率独立运行。这种多任务的结构，对于程序的调试和维护，变得更加容易。过程中存在的离散模块形式，每个模块功能独立，相互影响小，方便独立调试，并很容易找到问题所在。扩展程序更方便，不改变原有结构，仅仅通过增加可扩展部分。 MC9S12DP512支持高层次的编程语言，高层次的功能模块使用C语言编程。汇编语言编程则主要是底层功能模块采用的。开始初始化采集输入信号（开关量和模拟量）CAN信号接收和处理故障诊断及处理工况判断停车停车充电启动自检预充电驱动制动故障运行驱动力矩计 算制动回馈制 动向CAN总线发送信息仪表显示串行通信软件狗设置图4-2 整车控制器主程序软件流程图4.2 驱动软件设计由于电机不存在启动和怠速的问题，所以主要考虑的是车辆的驱动力矩的设计。驱动程序，主要要考虑两个方面：一个是电量充足的条件下，稳定控制，是在车辆加速和高速稳定的条件下，另一个条件是电池电量不足时，驱动转矩限制和保护电池，防止电池切断，导致突然停车。在主程序中，根据踏板的特征参数，寻求加速系数，这是可以通过查表求得的，然后再按照电机的转速，查表得到电机驱动力矩，作为驱动扭矩的需求，根据电池和车辆的能源状况，如电工部分使用吗？来修复的驱动扭矩的需求，最后，实际输出扭矩，定时10ms频率发送到的电机控制器，这是通过CAN总线进行的。电动车倒车驱动策略和前进驱动策略，基本上是相同的，有所不同的是，电机驱动的特性MAP和踏板参数MAP，这是考虑到倒车的安全性，和低速电机驱动的特点。用来确定电动车是在天气正常下行驶，或在恶劣条件下驾驶，汽车操作面板上设计了一个模式开关，当然，这取决于司机的选择。这是一个简单的开关信号输入，通过I / O端口。在这两种模式下，车辆的加速性能。在能源短缺的情况下，以避免突然切对开停车场的设计是关键。在设计过程中，一方面不同的充电电池状态，就会有不同的最大驱动力的限制，另一方面，将通过监测电池的电流，不断校正驱动扭矩。当电动车的故障时，低速行驶到维修站，是一个必要考虑的因素。驱动程序流程图见图4-3所示。是是否否驱动力矩计算从CAN总线接受信息计算踏板位置和加速度踏板是否会零计算电机额定力矩是否过载倒拖回馈制动子程序调用电机过载管理程序根据踏板特性计算司机需求力矩电池功率输出能力修正SOC修正电流限制整车能量管理修正返回图4-3 驱动控制流程图4.3 通信管理程序设计软件设计一个非常重要的一部分，就是通讯程序。所需的上位和下位机发送和接收操作，都是属于双向通信的，所以需要发展通信协议。通信方式的具体手段如下，对于司机的操作信信，ECU以不变的频率循环发送，而运行参数，和控制参数则以帧的方式给上位机，上位机又以同样固定的频率，向ECU发送调试的参数。基于CAN总线机制的通信程序，考虑到电机的干扰，和高速CAN总线通信，因此没有中断处理，同样可以达到循环方式的需求。主程序调用CAN接受和发送的程序，根据数据帧的ID，里面的数据被主程序读取数据，并加以解决。考虑CAN通信的可靠性，该方案并没有具体的数据纠错。通信程序流程图如图4-4所示。开始开始停滞缓冲区停滞缓冲区写发送帧ID向缓冲区写数据写数据字节长度激活缓冲区激活缓冲区结束结束读取数据图4-4 通信程序流程图4.4 制动回馈子程序制动是以实现良好的能量回馈，对于电动汽车来说是具有非常重要的意义，而且必须合理调整电动汽车的机械制动液压力，考虑到将要做出的变化，在原车上改动是很难的，因为还涉及到了安全方面的问题，因此制动能量回馈要从软件控制上实现了。两个常开开关传感器安装在制动踏板上，一个用来指示能量回馈的迹象，而另外一个用来指示能量回馈的深度。当断开的两个开关信号时，制动踏板是不动作的，当开关信号关闭时，制动踏板是移动了一定程度的，这是通过在I / O端口输入低电平，来帮助软件判断。从功能的角度来看，制动能量回馈分为两个部分：一个是汽车滑行制动能量回馈的过程，这个时候制动踏板并不采取行动，加速踏板回零，以模拟惯性制动能量反馈发动机的回转力，目的是达到原车的滑动效果，所以这部分能量回馈是比较轻微的，另一部分在这个过程中的制动能量回馈，因为机械制动力量是不可调的，所以电制动力补偿是非常有限的，反之，制动的感觉就会是很不好的。锂电池对电压等级是非常敏感的，那么在制动过程中，电机就会给电池充电，电机电压迅速增加，且极不稳定的，对电池产生比较大的影响，所以对制动的电功率做出限制是很有必要的，设置最大反馈电流的电池状态，以确保电池不会过度充电，电机制动效率在不同的速度，是非常不同的，在低速时，几乎不能备份充电，而在高速，即使电流是很小的，当前制动功率也将是很大的，所以在不同的电机转速，不同的制动反馈策略。制动程序流程图见图4-5所示。制动回馈子程序踏板回零制动开关1？SOC90%接受电池最大充电电流信息根据转速给出制动力制动力修正发送扭矩结束是是是否否否图4-5 制动回馈子程序4.5 仪表驱动控制器程序设计纯电动车整车控制器采集车速、母线电流、SOC、电压信息等后，对这些信息进行一定的处理，根据标定的信息转换方波信号，其信号是输出频率可调或者占空比可调的。然后显示在驱动仪表上，每隔0.5秒更新一次整车控制器输出的信号。开始500毫秒定时到了是否处理车速、SOC、电流、电压信号输出处理后信息结束图4-6 仪表驱动控制器设计结 论结 论本文以纯电动车整车控制器为开发对象，在国内外研究的基础上，重点进行了纯电动车整车控制器的硬件设计等研究。主要完成了对整车控制器总体设计，设计了整车控制器的硬件电路和控制流程。并主要完成了以下几个方面的研究工作：1提出了电动车对电子控制系统的要求。介绍了整车控制器的基本功能。根据基本功能提出了整车控制器的总体设计。2根据电动汽车对电子控制系统的要求，选择了MC9S12DP512芯片作为整车控制器的中央控制单元。描述了该芯片的最小系统。采用模块化设计思想，设计了模拟量调整电路，开关量调整电路，CAN总线驱动电路等外围电路。3设计了整车控制器的工作流程，其中分为总控制流程，驱动流程，再生制动流程，中断控制流程等。跟据题目的要求，本设计已经基本完成了纯电动车整车控制器的设计。在设计过程中，通过系统的总体方案论证以及各个组成部分的方案论证，充实了自己的专业知识，加强了知识体系与专业课程之间的联系。在课题设计的过程中，遇到了许多困难，但通过查阅资料与自我分析，最终使问题得以解决。在设计的整个过程中，我深刻体会到共同协作与团队精神的重要性，经过这段时间的努力学习和工作，我感触颇深的是解决问题的方法与技巧。在这段时间内，我遇到了许许多多的问题，但是我没有逃避，认真寻找问题的解决办法，最后获得了解决，因此我觉得对待问题一定要多方法，多角度来处理和解决。通过这段时间的毕业设计工作，我不但增强了实践能力和探索精神，而且懂得了理论联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。参考文献参考文献1 杨慧田CAN总线协议分析中国仪器仪表，2002(4)2 王桂荣CAN总线和基于CAN总线的高层协议计算机测量与控制，2003 (5)3 童卫东CAN总线技术在汽车中的应用研究南京:东南大学，20054 张劲博纯电动客车整车控制器研究吉林:吉林大学，20085 姜海斌纯电动车整车控制策略及控制器的研究上海:上海交通大学，2010(1)6 陈清泉，孙逢春，祝嘉光现代电动汽车技术北京：北京理工大学出版社，20027 万钢中国电动汽车的现状和发展中国环保产业，2003，55(2)：30328 王绍銧，夏群生，李建秋汽车电子学北京:清华大学出版社，20058 9 Helen EisenfeldElectric-Drive Vehicle Report 2006New York Power Authority，200610 孙重祥，曾志斌电动汽车的基本知识实用汽车技术，2006(2)：78 12 胡名一胡伟国内外电动汽车发展状况汽车情报，2003 (35)：162613 control system in electric vehicleUnited States Paternts，1998514 尹勇，李林凌 Multisim电路仿真入门与进阶北京：科学出版社，200515 孙逢春德国和法国电动汽车的发展和现状科技潮，2004(8)：383916 王成元，夏加宽，杨俊友，孙宜标电机现代控制技术北京：机械工业出版社，200617 杨华，孙振东，刘玉光纯电动汽车关键技术研究北京汽车，200718 张林电动汽车的再生制动控制策路研究及仿真北京汽车，200619 唐鹏，孙骏电动汽车驱动系统再生制动特性分析与仿真移动电源与车辆，200620 周大森，吴斌，张博彦等辅助混合动力电动汽车的技术研究