（动力机械及工程专业论文）微型电动车控制器及其标定——μcosⅡ移植、代码自动生成以及ccp应用.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济持续高速发展，轿车将成为我国居民消费的主要商品之 一，我国汽车工业也将面临一个快速发展的机遇，然而汽车发展所带来的对石 油资源需求的激增和对环保的负面影响也日益引起人们的注意，汽车工业将进 入一个崭新的以清洁和可再生能源为动力的新阶段。汽车也将从内燃机汽车发 展到包括纯电动汽车( b e y ) 、混合电动汽车( h e v ) 以及燃料电池汽车( f c v ) 的 电动汽车时代，电动汽车将成为2 1 世纪最重要的地面交通工具。 随着控制对象的多样化和对控制系统实时性要求的不断提高，1 6 位单片机 以其丰富的资源和高速的响应越来越多的被用作汽车e c u 。本文以同济大学汽车 学院自主研发的“春晖 系列电动车为研究对象，讲述了基于英飞凌微控制器 x c l 6 4 c s 的微型电动车控制器的开发过程。 ( 1 ) 通过对被控制对象的研究确定所需的单片机资源，并设计相应的外围 电路。p c b 的制作要充分考虑到散热，电磁兼容等因素。 ( 2 ) 根据控制器所要实现的功能进行软件设计本文同时还介绍了如何利 用m a t l a b r t w 实时代码工作空间将控制器的s i m u l i n k 仿真模型自动生成为针 对英飞凌x c l 6 4 c s 微控制器的嵌入式c 代码。通过开发x e l 6 4 c s 微控制器外设 驱动模块库，解决了r t w 对英飞凌1 6 位微控制器x c l 6 4 c s 支持不足的问题。 ( 3 ) 汽车电子控制单元的开发中，一项重要的工作是对控制规律参数进行 调解，也就是所谓“控制单元的标定。本文介绍了c c p ( c a nc a l i b r a t i o n p r o t o c 0 1 ) 标定协议，通过c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 网络实现标定计算机 与被标定的控制单元之间的通信，实现对控制单元数据的调节以及数据的上传 和下载。 关键词：电动汽车，j i a t l a b r t w ，代码自动生成，标定，c c p 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , c a rw i l lb eo n eo ft h em a i n c o n s u m e rg o o d sf o ro u rr e s i d e n t s a n do u rc o u n t r y sa u t o m o t i v ei n d u s t r yw i l lb e c o n f r o n t e dw i t hag o o do p p o r t u n i t yt og r o wf a s t b u ti ta l s or e s u l t si nr e q u i r e m e n tf o r m u c hm o r co i lr e s o u r c ea n dn e g a t i v ee f f e c to ne n v i r o n m e n t ，w h i c hc a l la r e n f i o nt o p e o p l eg r a d u a l l y s oa p p a r e n t l yt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi ss t e p p i n gi n t oan e we r a t h a tt a k e st h ec l e a ra n dr e g e n e r a t e de n e r g ya st h ep o w e r t h et r a d i t i o n a le n g i n e v e h i c l ew i hb er e p l a c e db yb a r e r ye l e c t r i cv e h i c l e ( b e v ) ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) a n d f u e lc e l lv e h i c l e ( f c v ) p r e s e n t l yw i t hd i v e r s i f i c a t i o no ft h ec o n t r o lo b j e c t sa n ds e v e r e rr e q u e s tf o r r e a l - t i m es y s t e m ，1 6 - b i t sm c u i su s e df o ra u t o m o t i v ee c um o r ef r e q u e n t l yb c c a u s c o fi t sa b u n d a n tr e s o u r c e sa n dr a p i dr e s p o n s e t a k i n g “c h u n h u i ”a sr e s e a r c ho b j e c t , t h i sp a p e ri sa b o u tt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fv e h i d ec o n t r o l l e rf o re l e c t r i cv e h i c l e b a s e do ni n f i n e o n ，sm c ux c l 6 4 c s f i r s t l y , c o n f i r mt h en e c e s s a r yr e s o u r c e st h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o l l e d o b j e c t t h e nd e s i g nt h er e l a t i v ep e r i p h e r a lc i r c u i t s t h ef a c t o r so fh e a t i n g , e m ca n d s oo nm u s tb et a k e ni nc o n s i d e r a t i o nw h e nm a k i n gp c b s e c o n d l y , d e s i g nt h es o f t w a r ea c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n st h a tt h ec o n t r o l l e rn e e d s t or e a l i z e b e s i d e s ，t h e r ei sa l s oi n t r o d u c t i o na b o u th o wt o g e n e r a t e c o d e a u t o m a t i c a l l y f r o mt h es i m u l i n km o d u l ef o re m b e d d e dc o n t r o l s y s t e m w i t h m a t l a b r t wi nt h i sp a p e r b yd e v e l o p i n gl i b r a r yo fd r i v i n gm o d u l e sf o rx c l 6 4 c s ， w er e s o l v et h ep r o b l e mt h a tr t wd o e s n ts u p p o r t1 6 - b i t sm c ux c l 6 4 c se f f i c i e n t l y f i n a l l y , d u r i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n ge c u ，a l li m p o r t a n tj o bi st oa d j u s tt h e c o n t r o lp a r a m e t e r s ，w h a ti sc a l l e d “c a l i b r a t i o n ”c c p ( c a nc a l i b r a t i o np r o t o c 0 1 ) i s d i s c u s s e di n t h i sp a p e r w h i c hc a nr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n d e c u t h u sw ec a nc a l i b r a t et h ep a r a m e t e r sb yd o w n l o a da n du p l o a do ft h ed a t a k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，m a t l a b r t w , c o d eg e n e r a t i o n ，c a l i b r a t i o n ， 摘要 h i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：籼；净 劢0 7 年t 弓只2 0 e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学口论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年月日 名珥一 躲竺糍多 作 年 嫣笙做7 位 b 三 绪论 第1 章绪论 目前全球性的石油危机和r 益恶化的环境污染是2 1 世纪人类面临的重要问 题，而在我国这一问题显得更加严重。显然，进一步使用传统内燃机技术发展 汽车工业将会给我国的能源和环境造成巨大的压力。 因此，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，研制开发电动汽车己成 为大势所趋。我国政府十分重视电动车的发展，8 6 3 电动汽车项目被列为“十 五计划期间我国十二个重大科技专项之一。 燃料电池微型电动车作为一种小型的电动车有着广阔的市场前景，适合作 为各种大型场馆使用的场馆车，可以用于2 0 0 8 北京奥运会和2 0 1 0 上海世博会 的场馆用车。燃料电池微型电动车经过改进完善，更可以作为将来城市内短距 离使用的普及型交通工具。 1 1 电动汽车的发展现状 汽车自1 8 8 6 年诞生至今，已成为当今世界经济的支柱产业。为适应节能和 环保要求的不断提高，2 0 世纪7 0 年代以来，各科技先进国家都在进行电动汽车 的开发和应用，可以预计，2 1 世纪新型的交通工具电动汽车，将以高效、 节能、低噪声、零排放的优点，展现在世人面前。 作为全球最大的汽车制造商，美国通用汽车公司，1 9 9 6 年1 2 月推出全新电 动车e v - 1 ，在动力性、安全性和舒适性方面都达到和接近汽油机轿车的水平。 日本丰阳汽车公司币在和通用汽车公司合作开发混合动力汽车及燃料电池汽 车，并向戴姆勒一克莱斯勒、大众等汽车公司提供先进的技术。丰田公司生产的 部分汽车采用发动机和电动机组合而成的动力系统，是世界上最早批量生产的 混合动力车，1 9 9 7 年1 2 月在日本上市，现已售出3 万多辆，已开始在欧美上市。 纯电动的“e - c o m 是可供2 人乘坐的公用车，一次充电可行驶1 0 0 公里，实现 了零排放和低噪音。 我国正加快发展拥有自己知识产权的电动汽车，电动汽车技术落后先进国 家8 年左右，经过多年的探索与努力，我国电动汽车的电池、电机、电控三大 关键技术相继取得突破。业内专家认为，我国电动汽车技术群体性突破的时机 绪论 已经到来，电动汽车将迅速大规模进入市场。 1 2 电动汽车的特点 从广义上讲，电动汽车使用的能源范围要比传统汽车大，它不仅可使用矿 物燃料，也可以利用火力、水利、太阳能发电，还可以对汽车在制动时的惯性 能量进行回收。 传统内燃机动力汽车使用汽油、柴油为燃料，从原油提炼到运输、分配等 环节，大概要消耗掉3 0 的原油具有的能量，而内燃机的有效效率一般为3 0 ， 车辆的机械传动效率为7 5 ，加上内燃机在低负荷及部分负荷条件下混合气体雾 化质量差、燃烧不充分等因素的影响，平均能量利用率只有1 5 左右。而电动汽 车经过火力发电厂发电、输配电、充电、电机等设备使用能量的损失，最终大 约可获得2 0 的原始燃料的有用能量。如果使用水利能源、太阳能、核能等发电， 则利用率会更高一些。如果采用将化学能转变为电能的燃料电池，则电池能量 利用率可达5 0 。、 从传统车辆能量的分配和消耗去分析电动汽车的节能情况。在城市行驶的 汽车受交通管制的限制，经常要经过停车到启动再到行驶的过程，停车时发动 机处于等待状态，要消耗较多的能量，约1 9 ，发动机本身、传动系统及附件的 能量消耗分别占5 8 ，6 和2 ，因此从外界输入到车辆发动机1 0 0 的燃料能量， 最终只有1 5 用于驱动车轮。改用电机驱动后的汽车其能量分配和消耗就会有所 不同。汽车在城市行驶，在交通路口停车等待通行时，由于采用电机驱动可以 不消耗能量，在减速及制动时可回收一部分运动能量用于发电对电池充电，从 传统车辆能量分配及损耗分析，可节省能量达2 4 ，当然，采用电机驱动后， 车辆自重的增加会导致额外的能量损失，用于克服加大的滚动阻力及迎风阻力， 但综合之前的因素还是会节能的。另外，电动汽车可以利用夜间电网处于低谷 时充电，可以提高电网的效率。 由此可见，电动汽车相对传统的内燃机车来说能源的使用更加多样化，而 且对能源的利用率更高。 电动汽车的另一个特点是零排放车辆，这对于改善城市空气质量，保护城 市人民的生存坏境具有重大意义。纯电动汽车如采用矿物燃料生产的电力，发 电厂可建在远郊或人烟稀少的地区，集中控制和处理一氧化碳等等有害排放物 2 绪论 则更容易，也更有效。采用混合动力时，因为内燃动力不是经常使用，排量也 较小，因此排放到大气中的有害物质比传统汽车要小。 目前，由于技术上的限制，动力电池的容量、能量密度及功率密度都不高， 无法与传统燃料相比，因此，电动汽车尚是一种车载能量不富裕的车辆，要想 办法充分利用车载能源，才能使电动汽车有更好的节能效果并取得良好的性能。 1 3 电动汽车对电子控制系统的要求 如今，人们对汽车的需求不仅仅只限于性能优越，在安全、舒适、方便等 方面也有了更为苛刻的要求。同时，激烈的市场竞争也导致生产厂商越来越努 力地寻求新的技术来满足消费者的需求，在传统的机械装置在汽车领域的应用 已相当成熟( 有些甚至已达到其物理极限) 的背景下，进一步地发展存在投入或 成本等方面的局限，而电子技术则可较好的解决某些问题。 因此，现在汽车上新技术增长点几乎无不与电子技术和信息技术相关。电 动汽车与传统汽车之间相比，除价格因素外，制约电动汽车发展的另一障碍是 车载能源的能量密度，具体表现为电动汽车仍然是能量不充裕的车辆，因此， 如何从能量管理的角度去提高电能的利用率不仅需要从整车设计角度加以考 虑，还要通过优化控制策略来实现。基于控制机理来提高效率有两种途径：一是 通过电机与车辆传动系统、车辆的行驶工况的优化匹配，调整电机的工作点， 使电机运行在高效区；二是利用车辆在制动时的动能，将一部分制动能量转换 成电能并储存于电池中，即制动能量回收。其中能量回收是在安全行驶的自i 提 下进行的，同时还要考虑驾驶的平顺性以及回馈效率。在行驶过程中，特别是 城市工况下行驶，车辆经常处于从启动到行驶到制动再到启动的复杂变换，大 部分的驱动能量会在单纯的机械式制动方式下消耗，如果此时将电动汽车的驱 动电机作为发电机，就给车辆在制动期间的能量回收提供了基本手段。当然单 纯依靠电制动来实现制动可回收更多的能量，但在车辆的主动安全方面会出现 比较大的安全隐患问题。在主控制器设计开发过程中，是采取电制动+ 机械制动 的综合制动方式，电制动是用来实现部分制动能量回馈，机械制动则是保证车 辆的基本制动性能要求。 绪论 1 4 论文主要研究内容 本论文的研究对象是“春晖微型电动车，课题的主要内容是研制出整车控 制器，其目的是节约能源、扩大传统汽车的能源使用范围以及改善城市空气质 量、解决传统汽车的尾气排放问题。开发过程中，利用模块化设计思想，将计 算机技术、通信技术、嵌入式系统设计理论、仿真技术、试验技术等不同学科 领域的内容融合。为此，对课题的总体要求进行分析，将研究内容分为以下几 个方面的工作。 1 ) 主控制器的软硬件设计 主控制器的硬件系统是实施整车控制的载体，本课题采用英飞凌1 6 位单片 机x c l 6 4 c s 为核心，对它的设计原则是由整车电气和其它控制系统接口来决定 其控制器的接口，设计需求尽可能用核心芯片完成( 减少外围器件数量) ，并且 还要对实用性和可开发性等因素进行综合考虑。尽管主控制器的硬件具备了实 现整车控制的硬件条件，但如何设计整车的动力系统以及如何对车辆上其它控 制系统和车辆仪表进行集中的控制管理，是由控制软件来实现的。软件丌发所 包含的内容是多方面的，至少需从软件开发平台的选择与构建、控制策略的形 成、控制流程结构的搭建以及提高系统可靠性等方面去考虑，才能达到实时、 有效控制的目的。 2 ) c a n 总线应用层协议的制定 c a n 作为一种新型的串行总线控制器局域网己广泛应用于汽车电子产品上， 本项目采用也c a n 总线作为车用现场总线，使车辆上不同控制系统f b j 形成网络 拓扑关系。因此，在硬件方面要求车辆上不同控制系统都具有c a n 通讯接口， 在软件方面首先需制定应用层协议，它是根据电动车整车要求、不同控制器的 功能范围以及相互联系等，规定它们之间相互可以接受的一组约定和规则，这 里包括通讯速率、设备级别、标识码的分配、通讯内容和数据格式等。 3 ) m a tl a b r t w 代码自动生成的研究 m a t l a b 中的r e a l - t i m ew o r k s h o p 可以从s i m u l i n k 模型自动生成c 代码。 用s f u n c t i o n 定制功能模块，辅以相应的t l c 文件可以实现对单片机的支持。 本课题在这方面作了一定的研究。 4 ) c c p 协议的实现 标定对电控系统来说，是个不可或缺的工作，控制系统中用到大量的参数， 4 绪论 都需要通过标定程序进行调整和优化并对一些关键参数进行实时监控。目前， 国际上通用基于c a n 总线，满足c c p 通讯协议的软件进行标定。本课题只做了 满足这一协议的底层软件的开发，上层调试工具采用v e c t o r 公司提供的c a n a p e 工具。 5 第2 章主控制器的设计及实现 第2 章主控制器的设计及实现 2 1 主控制器的主要功能 就整车控制对主控制器功能划分以及主控制器对目标对象的控制要求而 言，主控制器需实现如下功能： 1 ) 车辆驱动控制 驱动电机是实现车辆行驶基本要求，而电机是否运行则是由主控制器根据 驾驶需求、车辆状态、动力电池状态以及道路环境等因素进行综合分析处理后， 向电机控制器发出控制指令，由电机控制器来保障电机的驱动，进而使车辆行 驶。 2 ) 制动能量回馈控制 当车辆有制动需求时，主控制器要根据踏板信息( 制动踏板和加速踏板) 、 车辆行驶状态、动力电池状态以及能量回馈系统的信息，向电机控制系统发出 制动控制指令。 3 ) 通讯管理 主控制器除了要进行驱动、制动方面的管理控制外，还要作为整个控制系 统的核心，负责组织各子系统间的信息传输、网络监控、节点管理等。 2 2 高性能1 6 位微控制器x c l 6 4 c s 简介 x c l 6 4 c s 是英飞凌公司推出的第三代高速1 6 位微控制器，基于英飞凌高性能 1 6 位内核c 1 6 6 v 2 架构，采用5 级指令流水线，能够并行处理5 条指令，因此绝大 多数指令能够在1 个c p u 时钟周期内执行完毕。非常适合应用在对实时性要求 很高的车载电传动系统中。经过严格的e m c 测试，x c l 6 4 c s 可以适应车内苛刻的 电磁环境。z 8 1 2 2 1x c l6 4 c s 主要模块 6 第2 章主控制器的设计及实现 x c l 6 4 c s 提供了功能强大的片内外设满足车载电传动系统对外围接口的要 求，包括： ( 1 ) 2 个1 6 通道比较捕获单元( c a p c o m l 、c a p c o m 2 ) ：可以实现高速脉冲 捕捉，多通道p w m 调制信号输出等功能。 ( 2 ) 比较捕获单元6 ( c a p c o m 6 ) ：专为交流电机控制设计的多通道比较捕 获接口，可以灵活的实现3 相逆变器的驱动，针对无刷直流电机带传感器控制 专门设计了块换相模式( b l o c kc o m m u t a t i o n ) ，无需软件干预自动根据霍尔位 置传感器驱动逆变器进行换相，最大限度降低软件开销。 ( 3 ) 1 个1 6 通道1 0 位a d 转换器( 转换时间可调) ：实现高速模拟数字 转换，转换时间在晶振2 0 m h z 并允许牺牲一定转换精度时最高可以达到5 1 u s 。 此外a d 转换器的通道注入模式( c h a n n e li n j e c t i o nm o d e ) 使a d 转换器的 触发机制变得更加灵活，有效降低了软件开销和c p u 负载。 ( 4 ) 1 个双c a n 总线控制器( t w i nc a n ，实现c a n 2 o b 协议) ：包含两个全 c a n ( f u l lc a n ) 节点，这两个c a n 节点既可以独立工作也可以通过控制器的网关 功能交换数据帧( d a t af r a m e ) 和请求帧( r e m o t ef r a m e ) ，两个c a n 节点的这 种灵活的连接方式和f i f o 队列构架使得因c a n 总线通讯引起的c p u 负载被降到 最小。 ( 5 ) j t a g 接口：方便用户对微控制器在线仿真和对片内闪存( f l a s h ) 编 程。 ( 6 ) 2 个多功能通用定时器单元( g p t l 、g p t 2 ) ：除常规定时器功能外，还 支持增量式光电编码器接口和数字锁相环等扩展功能。 ( 7 ) 2 个异步串行通讯接口( a s c o 、a s c i ) ：支持全双工和半双工异步通讯。 此外2 个8 字节接收发送f i f o 队列极大的提高了异步串行接口的通讯效率。 ( 8 ) 实现s p i 协议的高速同步串行通讯接口( s s c ) ：可以实现与其他带有 s p i 总线接口设备的快速通讯，支持全双工与半双工方式，传输速率在晶振2 0 m h z 时最高可达l o m b i t s 。 ( 9 ) 可为系统提供安全保证的看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) ，在程序 关键代码段中插入喂狗指令，一旦程序跑飞，看门狗会因得不到喂狗信号而触 发为控制器复位，使系统恢复正常工作状态。 2 2 2d s p 数据处理( m a c 单元) 7 第2 章主控制器的设计及实现 当今，绝大部分的数字化产品都需要快速实时的完成数字信号的处理任务， 因此，越来越多的高性能电子产品开始仰仗d s p ( 数字信号处理器) 的应用。而 各种数字信号处理过程中的一系列重要运算如相关、卷积滤波及频谱分析等， 都以大量的乘法运算为基础，因而一个高速的乘法单元或乘累加单元对提高d s p 的信号处理能力有着非常重要的意义。 x c l 6 4 c s 除了通用的单片机指令外，还集成了m a c ( 乘累加) 单元，执行新 型c o x x x 指令。m a c 单元提供单指令周期，非流水线操作的3 2 位加减法、左移、 右移、1 6 位乘法以及乘累) j n 累减。m a c 单元主要由以下几部分组成，如图2 1 所示： 有符号无符号1 6 位与1 6 位乘法器，结果带符号； 级联单元； 用于小数计算的换算器( 左移一位移位器) 4 0 位加法减法器 4 0 位有符号累加器 数据限制器 累加移位器 重复计数器 图2 1m a c 单元功能框图 第2 章主控制器的设计及实现 2 3 控制器硬件设计 控制器硬件设计采用核心板的方式，把x c l 6 4 c s 的应用电路板分成2 层结 构，上层为基本工作系统，只是将所有引脚拉出，而下层的底板则可以根据需 要任意扩展，这种形式使用起来比较灵活，有利于芯片的回收利用。 核心板主要包括外部晶振电路，复位电路，串口以及电源。 第一代控制器用于“春晖”二号试制，主要外围电路即底板包括8 路模拟 量输入，6 路p w m 输出，4 路脉冲捕捉，8 路开关量输入，8 路开关量输出，2 路 c a n 以及基准电压和串口。而到“春晖”三号试制时，动力控制系统有所改变， 电机驱动器的指令接收由原先的模拟信号采集改为c a n 总线的方式。另外车速 信号的测试和计算也由电机驱动器完成，因而在设计第二代控制器时将脉冲捕 捉以及p w m 输出省去。 由于输入的信号都是频率比较低的，所以在输入上做了一些低通滤波和保 护。a d c 的模拟量输入用运算放大器做了一个电压跟随器，以增大输入阻抗，降 低信号扰动，同时为了保证基准电压的稳定，用t l 4 3 1 提供5 v 的基准电压。开 关量输入时要通过7 4 h c l 4 反向器，输出则采用带锁存的7 4 h c 3 7 3 。c a n 节点选 用p h i l i p s 的8 2 0 c 2 5 0 作为c a n 总线的驱动收发器，另外还加了光隔及o c d c 可供选用。r s 2 3 2 用m a x 2 3 2 做电平转换。 根据电磁兼容的有关理论，控制器线路板采用了如下布局方式： 按照电路的工作频率、电平大小、数字电路模拟电路划分，将不同性 质的电路分别布置在线路板的不同区域，使干扰电路与敏感电路远离； 当线路板上同时有模拟电路和数字电路时，为了避免相互间产生干扰， 往往将两者分开布嚣； 辐射较强的电路( 高速数字脉冲电路、时钟电路、振荡器电路等) 尽量远 离接口电路。 控制器线路板上的元器件布局基本遵循如下原则： 按照电路原理的输入、输出关系及信号的走向对元器件进行布置； 将线路板上的数字部分与模拟部分分开布置； 电路原理图上完全对称的两部分电路在线路板上也尽量采用完全对称 的布局； 集成芯片的外围电路尽量布置在相应集成芯片的附近位置。 9 第2 章主控制器的设计及实现 2 4 控制器软件实现 2 4 1 软件开发环境 2 4 1 1 编译嚣 目前单片机开发晟常用的编译器有k e i l 和t a s k i n g 等，本次设计采用的是k e i l 编译器， 对英飞凌1 6 位微控制器有着良好的支持。 2 4 1 2d a v e 的使用 d a v e 是d i 画t a l a p p l i c a l l o n e n g l n e e z 的简称，它是英飞凌公司开发的面向所有英飞凌单 片机的底层驱动代码生成工具。 d a v e 的主要功能是对英一t 凌单片机的各模块进行初始化，同时也能实行中断控制井 可自动生成c 代码。另外d a v e 还结台了日前最常的编译器像k e i l , t a s k i n g 等，能够直接 提供一个完整的软件接口。 使用d a v e 不仅可以大大缩短开发时间，同时也增强了t 程开发的一致性，省去了不 必要的重复劳动。即便是本文后面提到的用m a t l a b r t w 实现代码自动生成，也可以将 d a v e 生成的c 代码用于r t w 底层驱动模块库的开发。d a v e 的主界面如图2 2 所示。 玎茁目墨监鼎。# 。 8 。x i mv ， i 回 o q2 p0 图2 2 d a v e 软件界面 第2 章主控制器的设计及实现 2 4 1 3m a t l a b r t w 的应月j m a t l a b r t w 具有自动生成算法代码的功能，笔者之前已经成功实现过底层驱动和算 法代码的联合卜载，然而这种方法依然需要在算法和底层驱动之间通过变量传递进行手动 连接，违背了代码自动实现技术的初衷，因此本论文还研究了如何在实时代码：t ：作空间中 开发底层驱动模块，具体内容将在后面的章节中讨论。 2 4 2 控制策略 2 4 2 1 “春晖三号 简介 由四个轮毂电机直接驱动、线控转向的“春晖三号微型车，是在国家8 6 3 电动汽车重大专项的支持下，由同济大学汽车学院研发的最新成果。该车配备了 动力蓄电池与小功率燃料电池构成电一电混合动力系统，应用了线控转向技术， 采用3 2 位嵌入式系统和同济大学基础软件工程中心自主开发的“和欣”操作系 统的液晶显示仪表，装备了由计算机控制独立驱动的电动轮模块，采用了刚性良 好的通用化扁平双层框架型底架结构和可脱卸式玻璃钢车身。具有整车结构简 单、传动高效、环保节能零排放的特点。已申报专利l o 项，拥有自主知识产权。 “春晖三号 系统技术适用于各种用途的新型电动场馆车开发，如：体育 场馆车、大型展馆、大中型超市、公共广场、商业观光步行街、大型度假村、高 尔夫球场车、机场工具车、大型企业内勤用车、公园和居住小区交通车等场合。 “春晖”三号的动力电源，以动力蓄电池为主动力源，小型燃料电池为辅助 动力源的电一电混合动力系统，如图2 3 所示。 当车辆行驶时，小型燃料电池可辅助向系统供电，以节约主动力源蓄电池 电能，延长续驶里程；停车时，可由车载小型燃料电池发电向蓄电池充电；小 型燃料电池的功率应满足当动力蓄电池不足时，仍能使车辆以一定的速度行驶 返程。多加氢气将有效延长续驶里程。这样的动力配置方案，既可弥补纯动力 蓄电池电动汽车续驶里程短的缺点，又不存在大功率燃料电池成本高的问题。 图2 7 蓄电池和燃料电池组的电一电混合系统 第2 章主控制器的设计及实现 该电动车的基本参数如下： 外形尺寸：长3 3 0 0 m m ，宽1 5 0 0 m m ，高1 6 5 0 m m 一轴距：2 0 0 0 m m 轮距：1 2 5 0 m m 整备质量：5 5 0 k g 一载重量：4 人3 0 0 k g 最小转弯半径：4 0 0 0 m m 最大爬坡度： 2 0 一最高车速：5 0 k m h 一车架结构型式：扁平双层框架型结构 一车身型式：与车架分离的可脱卸式玻璃钢车身 前后悬架型式：双横臂独立悬架一扭杆弹簧 驱动电机：4 8 v 直流无刷轮毂电机，额定功率8 0 0 w ，额定转矩2 5n m 一最大功率2 6k w ，最大转矩1 5 5 n m ，最大转速5 1 0 r m i n ，4 个驱动电机 的额定总功率：3 2 k w 动力蓄电池：锂离子电池4 8 v x l o o a h 燃料电池系统：6 0 v ，额定功率7 5 0 w ，最大功率1 0 0 0 w 可配备9 - 3 0 升高压储氢瓶，充氢压力 3 0 m p a _ 转向系统：齿轮齿条转向器、线控转向系统 2 4 2 2 主控制器控制策略开发 电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于传统汽车的最大的不 同点。从项目对整车控制系统制定的总体技术方案和要求出发，其控制系统结 构如图2 4 所示，它是由主控制器、电机及电机驱动控制器、电源及电源管理 系统、d c d c 及车辆仪表等构成。在关系构成上按其功能分为动力电源、控制电 源、控制信号、c a n 网络，其中动力电源是用来表明连接电力驱动相关连接关系， 控制电源是为各控制系统提供工作电源的，它受钥匙开关的控制，控制信号用 来描述各控制系统为满足各自的目的对外进行采集或控制的逻辑关系，c a n 网络 是在不同控制系统间搭建的用于传递信息的链路。电机控制系统根据主控制器 的控制指令进行电机的转矩控制，实现了将动力电池的电能转化为驱动车轮旋 转的机械能的过程。 1 2 第2 章土控制器的设计及实现 幽24 多能量管理系统整体布置幽 从使用的角度来看待整车控制系统，驾驶员所能控制的是钥匙开关、加速 踏板、制动踏板、档位，那么钥匙开关作用是为控制系统提供工作电源及工作 状态，主控制器则是将这些信息及c a n 两络上其他控制系统的节点数据、车辆 传感器、车辆运行状况进行采集处理，将处理结果以控制消息的方式通过c a n 总线发布，其他控制系统据此进行相应的操作处理。同时主控制器又将必要信 息通过车辆仪表显示出来，这样主控制器就实现整车的控制和管理。本次设计 的主要控制策略包括t ( 1 ) 根据从电子油门获得的信号计算对应的电机驱动指令，通过c a n 总线 传递给电机驱动器； ( 2 ) 监测蓄电池的电压及电流，当电压降低到警戒线以下时减小驱动指令 防止电池过渡放电； ( 3 ) 通过i o 口保持同能量管理单元之间的联系； ( 4 ) 通过串口向仪表盘传输行驶参数； ( 5 ) 能量回馈控制镱略； ( 6 ) 实现c a n 应用层协议。 2 4 3 能回馕 能量回饿是指将车辆的动能依靠发电机存储在电动车的储能装置中重新加 以回收利用。合理的利用电制动，不仅能为汽车提供辅助制动功能，提高整车 制动性能，而且能够通过回收制动能量来节约能源，延长电动车辆的一次充电 续驶里程，所以可以说在现有的情况下再生制动的研究是一项非常有意义的工 玉 第2 章主控制器的设计及实现 作。 能量回馈包括车辆制动能量回馈与车辆滑行能量回馈两种。此时，驱动电机 按发电机运行，将车辆行驶动能转化为电能。电动汽车的能量回馈控制由整车控 制与电机控制交互作用而实现，本论文对能量回馈作了初步的尝试。 电动汽车能量回馈的整车控制方式见表2 1 。 表2 1 电动汽车能量同馈控制方式 方式描述根据油门踏板行程、车速复合作用的控制方式 传感器输入信号 油门踏板位置信号、车速信号 影响参数蓄电池s o c 水平、电压、电机状态等 适用工况车辆减速或下坡 硬件要求电子油门传感器 控制方法根据油门信号的变化以及车速判断能量网馈总需求 结合样车的实际情况，笔者设计了在原车制动系的基础上，利用油门信号 与车速信号复合作用的控制方式，如图2 5 所示。 电机驱动器 车速信弓 图2 5 能晕同馈控制方式 经过实车测试，当车速为3 0 k m h 时，回馈电流可以达到3 0 a 。 2 4 4o a n 总线应用层协议 c a n 应用层协议的目标是实现四轮驱动电动汽车网络的互通互连，使控制系 统能正常工作。 各零部件控制单元只与整车控制器( v m s ) 之间进行周期性通信，采用 1 4 第2 章土控制器的设计及实现 5 0 0 k b p s 的通信速率，各零部件e c u 之间不进行相互通信。 整车控制器( v m s ) 初始运行后，每隔5 m s 发送其数据帧，各部件收到v m s 发来的v m s s t a t u s 帧后， 马上发送其自身数据给v m s ，在一个周期里只发送一次( 在收到v m s 数据后的 5 m s 内) 。当汽车零部件发生故障时，各相关控制器应具备故障数据记录功能， 对于相关故障，应以事件触发的方式在线通知整车控制器，并通过v m s 发送到 显示模块进行故障指示。关于网络通信报文协议参见附录。 2 5 “春晖三号嘉乐试验 1 “春晖 三号嘉乐样车试制成功后，由上海机动车检测中心进行相关 项目的试验。 2 依据标准 6 b t1 2 5 4 0 - 9 0 汽车最小转弯直径测定方法 g b t1 2 6 7 4 9 0 汽车质量( 重量) 参数测定方法 g b t1 2 5 9 3 - 9 0 汽车爬陡坡试验方法 g b t1 2 5 4 4 - 9 0 汽车最高车速试验方法 g b t1 8 3 8 5 - 2 0 0 1电动汽车动力性能试验方法 g b t1 8 3 8 6 - 2 0 0 1电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法 3 样品相关参数表 样车名称电动汽车生产日期 2 0 0 5 1 0 最高车速4 5 k m h里程表读数 2 2 8 k m 轮胎型号 1 5 5r 1 28 3 8 1 n 轮胎气压前：2 2 0 k p a ；后2 2 0 k p a 4 试验项目 最小转弯直径测定 质量参数 整车动力性( 最高车速、爬坡度) 一次充电续驶里程 5 试验时问、地点：2 0 0 6 年1 月5 、1 1 日，上海机动车检测中心、同济 大学 6 试验结果 第2 章主控制器的设计及实现 最小转弯直径( m ) 孙7 9 质量参数整备质量前轴( 左右)3 5 6 ( 1 8 6 1 7 0 ) 后轴( 左右)3 8 4 ( 1 8 6 1 9 8 ) 满载质量前轴( 左右)4 6 5 ( 2 4 7 2 1 8 ) 后轴( 左右)6 2 9 ( 3 0 4 3 2 5 ) 最高车速( k m h ) 4 8 8整各质量+ 爬坡度 2 0 1 8 0 k g 一次充电续驶里程( k m ) 6 0 2 图26 和图27 为样车试验照片 图26 爬坡试验 第2 章土控制器的设计及实现 幽27 母高午速试验仪嚣 第3 章实时嵌入式操作系统uc o s i i 在x c l 6 4 c s 上的移植应用 第3 章实时嵌入式操作系统1 j lc o s - i i 在x c l6 4 c s 上的移植 应用 3 1 | ic o s - i i 简介 uc o s - i i 是由美国人j e a nj l a b r o s s 先生所编写的源码公丌的实时嵌入 式操作系统，主要特点如下： 源代码公开。源代码全部公开，可以从有关出版物上找到详尽的源代码 讲解和注释。这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个 不同的硬件平台上。 可移植性。uc o s - i i 绝大部分源码是用a n s i c 写的，可移植性较强。 而与微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的，己经压到最低限 度，使得uc o s - i i 便于移植到其他微处理器上。pc o s i i 移植的条 件是，该微处理器有堆栈指针，有c p u 内部寄存器入栈、出栈指令，另 外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编或者该c 语言可以扩展、可连接 汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序中实现。uc o s i i 可 以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位甚至6 4 位微处理器、微控制器、数字 信号处理器d s p 上运行。 可固化。uc o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着只要开发者 有固化手段( c 编译、连接、下载和固化) ，uc o s i i 就可以嵌入到开 发者的产品中成为产品的一部分。 可裁减。可以只使用uc o s - i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就 是说某产品可以只使用很少几个uc o s i i 调用，这样可以减少产品中 的uc o s i i 所需要的存储器空问。这种可裁减性是靠条件编译实现的， 只要在用户的应用程序中定义哪些uc o s - i i 的功能是应用程序需要的 就可以了( 用* * d e f i n ec o n s t a n t s 语句) 。 占先式。uc o s i i 完全是占先式的实时内核，这意味着uc o s i i 总 是运行就绪条件中优先级最高的任务。大多数商业内核也是占先式的， 第3 章实时嵌入式操作系统uc o s i i 在x c l 6 4 c s 上的移植应用 uc o s - i i 在性能上和它们类似。 多任务。i tc o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，目前的版本保留8 个 给系统，所以应用程序最多可以有5 6 个任务，赋予每个任务的优先级 必须是不相同的，这意味着，uc o s - i i 不支持时时间片轮转调度法 ( r o u n d r o b i ns c h e d u li n g ) 。该调度法适用于调度优先级平等的任务。 任务栈。每个任务都有自己单独的栈，i tc o s i i 允许每个任务有不同 的栈空间，以便压低应用程序对r a m 的需求。使用uc o s i i 的栈空间 校验函数，可以确定每个任务到底需要多少栈空间。 系统服务。uc o s - i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号 量、大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 中断管理。中断可以使j 下在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任 务被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中 断嵌套层数可达2 5 5 层。 稳定性与可靠性。uc o s - i i 是基于uc o s 的，i tc o s 自1 9 9 2 年以来 已经有很多成功的商业应用。uc o s - i i 与uc o s 的内核是一样的，只 不过提供了更多的功能。 3 2pc o s ii 的内核原理m 1 3 2 1 任务 任务的状念： 任务，也称作线程，是程序的某一部分