基于DSP的混合動力公交車整車控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于DSP的混合動力公交車整車控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)串聯(lián)式/混合動力/總成控制器/DSP1 引言具有高精度、高速度、高可靠性的混合動力電動汽車整車控制器(HCU,hybrid electric vehicle control unit)是實(shí)現(xiàn)HEV整車控制的基礎(chǔ)1。微控制器(MCU,micro-controller unit)作為電控單元(ECU)的核心,其功能日趨復(fù)雜化,嵌入式、高精度的高速M(fèi)CU已成為汽車動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2。TMS320LF2407A是TI公司生產(chǎn)的一種定點(diǎn)DSP芯片,由于其靈活性高、精度高、可靠性和可重復(fù)性好、電磁干擾影響小等特點(diǎn),我們在串聯(lián)式混合動力公交車的整車控制器的設(shè)計(jì)上

2、采用了這款處理芯片34。2 串聯(lián)式HEV及其控制系統(tǒng) 串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖如圖1,發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,其電能通過電動機(jī)控制器直接輸送到電動機(jī)來驅(qū)動汽車。發(fā)動機(jī)功率是以汽車某一速度下穩(wěn)定運(yùn)行工況所需的功率選定的,當(dāng)汽車運(yùn)行工況變化,電動機(jī)所需的驅(qū)動功率與發(fā)動機(jī)輸出功率不一致時,由控制器控制發(fā)電機(jī)向電池充電(吸收多余的電能),或使電池向電動機(jī)放電(協(xié)助發(fā)電機(jī)供電),電池充電和放電電流的大小由控制器根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動功率的變化情況進(jìn)行控制。3 整車控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1 DSP介紹及芯片的選擇DSP(Digital Signal Processing),稱為數(shù)字信號處理技術(shù),是將一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微

3、處理器應(yīng)用于各種信號處理上,并通過各種信號處理算法,滿足系統(tǒng)的控制要求的技術(shù)。TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A是一種定點(diǎn)DSP芯片,它采用增強(qiáng)的C2xx內(nèi)核結(jié)構(gòu),代碼與24x系列的芯片兼容。其主要的特點(diǎn)有:(1) 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;(2) 30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns,從而提高了控制器的實(shí)時控制能力;(3) CPU是時鐘頻率可達(dá)40MHz;(4) 有三種通信接口,通信方式非常靈活;(5) 豐富的片上資源等等。由于TMS320LF2407A的性能優(yōu)異,我們就在整車控制器的設(shè)計(jì)上采用了這款處理芯片。3.2 DSP控制

4、器硬件基本系統(tǒng)構(gòu)成動力總成控制器的硬件實(shí)現(xiàn)是各個部分模塊的結(jié)合,通過電路的組合可以將DSP主芯片和其他功能原件有機(jī)的組合起來,圖2顯示了各模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系以及各自實(shí)現(xiàn)的功能。以下將DCU的主要模塊進(jìn)行介紹:3.2.1 電源模塊電動車控制系統(tǒng)的電源來源于車輛提供的24V直流電,但系統(tǒng)對電源的需求還包括各種外設(shè)、傳感器、以及DSP本身需要的數(shù)字電源盒模擬電源,其中包括+5V,+3.3V和15V。為了滿足上述要求,我們采用了三個DC/DC模塊將輸入的+24V電源轉(zhuǎn)換,而為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),傳感器所需的電源也是從控制器輸出的。其原理模塊圖如圖3所示:3.2.2 復(fù)位和時鐘模塊微處理器的復(fù)位一般包括三種

5、情況,上電復(fù)位、信號復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位。為了保證DSP系統(tǒng)的正常工作,我們采用IMP811為電壓監(jiān)視的復(fù)位電路。該芯片可以保證,當(dāng)系統(tǒng)上電,芯片給出復(fù)位信號直到電源電壓到達(dá)3.3V并達(dá)到一定的延時,從而保證系統(tǒng)可靠的復(fù)位使系統(tǒng)啟動時不至于跑飛;當(dāng)系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定,電源電壓下降但低于3.08V并保持140ms時,重新復(fù)位DSP以保證程序的穩(wěn)定;需要手動復(fù)位時可直接按壓RESET按鈕?？刂葡到y(tǒng)的時鐘決定了DSP的你工作速度,由于高頻信號會產(chǎn)生大量的射頻干擾,通過使用適當(dāng)頻率的晶振可以在系統(tǒng)工作速度和輸出輻射之間找到最優(yōu)點(diǎn)。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定,我們采用了20M的有源晶振原件,晶振部分設(shè)計(jì)也比較簡單,只

6、要將1腳空置,2腳接地,4腳加3.3V電源,就可以在3腳去的穩(wěn)定的振蕩波形。3.2.3 A/D和D/A接口處理電路LF2407內(nèi)部提供了16路的10位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊,由于該模塊電壓測量范圍為0-+3.3V,而通過電壓和電流傳感器傳出的模擬電壓信號的電壓范圍是+10-10V。所以我們采用外擴(kuò)A/D模塊的方法進(jìn)行模擬量采樣。對于D/A模塊,我們使用的是寬電壓輸出芯片DAC7724,如圖5所示,這是一款4輸出D/A芯片,12位數(shù)字精度?？梢詫敵龅牟裼蜋C(jī)油門等模擬信號進(jìn)行精確控制。另外,DAC7724的電壓建立時間為10us,輸出電壓的速度可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求。由于D/A芯片輸出模擬電壓的攜

7、帶負(fù)荷能力有限,我們在D/A的輸出端使用了運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓跟隨,這樣可以讓模擬控制信號在信號傳輸途中的衰減降到最低。3.3 EMC設(shè)計(jì)在汽車電子環(huán)境中,HCU會面臨來自多方面的干擾,包括電源噪聲、各種功率執(zhí)行器產(chǎn)生的瞬變脈沖電壓、電磁波信號發(fā)射等,這對系統(tǒng)的可靠性會產(chǎn)生非常不利的影響。為了提高控制系統(tǒng)的工作可靠性和耐久性,就必須在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)的措施以提高其抗干擾能力。電磁兼容性已成為汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越得到重視的一個問題。HCU硬件系統(tǒng)對電磁兼容性做了全面考慮,在不同的設(shè)計(jì)階段采取了相應(yīng)的抗干擾措施。(1) 設(shè)計(jì)安全可靠的電源管理模塊智能電源芯片的使用,以及防反接、穩(wěn)壓、

8、電容濾波及解耦等措施可有效抑制外界電磁干擾,提高電源可靠性。(2) 進(jìn)行信號調(diào)理通過RC濾波、電容濾波、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓等電路,對進(jìn)出HCU的I/O信號進(jìn)行濾波及穩(wěn)壓調(diào)理,濾除信號噪聲。(3) 集成電路芯片電源解耦對集成電路,在芯片的電源和地引腳之間并接大容量 電容和小電容非電解電容,以去除輸入電源耦合噪聲,減小干擾。(4) 合理的PCB布局和模塊隔離模擬電路、數(shù)字電路以及大功率驅(qū)動電路等電路模塊互相獨(dú)立并隔離,避免相互干擾;HCU的PCB設(shè)計(jì)采用6層制板工藝,留有獨(dú)立的電源平面和地平面;并根據(jù)不同的電源和地類型將電源平面和地平面進(jìn)行分割,采用多點(diǎn)接地。采用以上措施后,HCU硬件單元獲得了良好的抗干

9、擾性能。4 整車控制器的軟件設(shè)計(jì)本車的軟件以前后臺的軟件方式運(yùn)行。在前臺運(yùn)行系統(tǒng)的主循環(huán),主要包括控制策略的軟件實(shí)現(xiàn)和各子模塊的軟件控制;后臺是各中斷處理程序和基于物理層的控制。相互間提供良好的接口,這樣可以使軟件易于修改。4.1 發(fā)動機(jī)啟動工況的控制控制算法計(jì)算出當(dāng)前情況下應(yīng)該啟動發(fā)動機(jī),主程序進(jìn)入發(fā)動機(jī)啟動控制子程序。在啟動前,通過CAN總線監(jiān)控發(fā)動機(jī)的溫度,在確認(rèn)其在正常范圍時,給出啟動信號。程序設(shè)置了發(fā)動機(jī)可以連續(xù)啟動三次,啟動時間分別為5s,10s和15s。如果三次都沒有啟動成功,就給出故障代碼并報(bào)警,圖6給出了程序框圖。4.2 物理層子模塊設(shè)計(jì)4.2.1 A/D模塊程序設(shè)計(jì)A/D模

10、塊采用了通道選擇器加單通道A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式,它的編程和使用DSP內(nèi)部A/D模塊是不同的,因此我將它做一個簡單的介紹。每次A/D模塊可以對四個通道都進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換,但是可以通過設(shè)置函數(shù)參數(shù),屏蔽沒有使用的參數(shù),通道選好后腰延時,對AD574進(jìn)行一次寫操作,通過這個方式可以啟動AD轉(zhuǎn)換。然后檢測AD574芯片的STS管腳,該管腳置高電平時,說明轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成,這時就可以從AD574中讀取數(shù)據(jù)了。4.2.2 軟件抗干擾模塊設(shè)計(jì) 軟件的抗干擾技術(shù)有很多優(yōu)勢,如靈活性強(qiáng),程序和抗干擾算法可以隨情況變化等,所以得到了廣泛的應(yīng)用。在DSP混合動力車輛動力總成的設(shè)計(jì)上主要采用了這些措施:（1）對信號采用數(shù)字信號濾波;（2）軟件陷阱;（3）程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。LF2407中設(shè)置了一個看門狗定時器,通過程序可以設(shè)置它的復(fù)位速度,當(dāng)看門狗計(jì)數(shù)器溢出前程序沒有給出看門狗復(fù)位的密匙,系統(tǒng)將被復(fù)位到程序的入口狀態(tài)并從頭開始執(zhí)行。對于40MHz的系統(tǒng)頻率,其復(fù)位間隔時間最長可到0.2s,保證了程序從子模塊中退出并調(diào)用定時器復(fù)位的時間。5 結(jié)束