第六章-电动汽车整车控制器ppt课件.pptx
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- 第六 电动汽车 整车 控制器 ppt 课件
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1、1.整车控制系统硬件设计2.整车控制系统软件设计 陈曦第六章 电动汽车整车控制器16.1电动汽车整车控制器硬件 采用了分层控制的方法来对驾驶员的意图和各个动力系统零部件进行信号采集和控制,如图 3-1 所示。其中整车控制器是整车控制的核心,负责协调各个控制器来驱动整车,并且具有如下的系统硬件(含独立运行的底层驱动程序)基本功能:26.1 电动汽车整车控制器系统需求分析图36.1 电动汽车整车控制器 1. 整车各控制器(HCU整车控制单元、BPCM电池控制器、DMCM电机控制器、EMS发动机管理系统)的唤醒; 2. 上电初始化:HCU 自检,HCU 初始化,仪表灯,高压接通; 3. 驾驶员指令与
2、传感器信号处理; 4. 停车维护充电控制; 5. 驱动力控制、车辆运行工况(起步、加速、巡航、减速、驻车、停车、倒车) 控制; 6. 最高车速限制; 7. 对 EMS、DMCM、DCDC、BPCM 发出控制指令;46.1 电动汽车整车控制器 8. 发动机启动模式控制; 9. 指令控制 ADM; 10. 接收 BPCM 的有关动力蓄电池组状态信号(电流、电压、温度等); 11. 接收 DMCM 的有关电机、逆变器总成的运行参数和状态信息; 12. 硬件故障自诊断与处理; 13. 硬件失效控制; 14. 开机和停机过程控制、干扰和复位处理; 15. 将有关信息送至仪表板; 16. CAN 通讯方式
3、; 17. 监测和标定; 18. 与故障诊断仪的通信;56.2 整车控制器硬件开发技术要点了实现上述整车控制器 HCU 的功能,必须依赖系统硬件的设计。因此,HCU硬件开发过程中需首先考虑的事项有:1) 开发系统支持的编程语言;2) 开发系统使用的开发平台;3) 开发系统的功能;4) 友好的集成开发环境;5) 确定控制单元输入/输出管脚的数量和性质;6) 选择各种芯片和元器件,应特别慎重地选择控制单元的 CPU 芯片。硬件系统的搭建,包括以下内容:A. 辅助电路设计B. I/O 电路的设计、调试和标定C. 通讯电路的设计和调试D. CPU 电控单元的设计和调试 E. 底层汇编程序的编制和调试6
4、6.3整车控制器单片机系统为了实现 CAN 总线通讯和为 HCU 系统留足够的富裕扩展能力,在原有工作基础上,重新对目前在汽车电子产品上的 ECU 进行了评估。目前,世界汽车电子产品用的主流单片机有 Motorola 系列、siemens 系列、Philips系列,其中美国产品大多采用了 Motorola 系列单片机。飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor,原摩托罗拉半导体部)是全球领先的半导体供应商,主要为汽车、网络、无线通信、工业控制和消费电子市场设计制造嵌入式半导体。飞思卡尔是众多市场领域中的领导者,2004 市场主导地位:第一大汽车半导体制造商(Gartner)
5、,第一大通信处理器制造商(Gartner),第二大通用微控制器制造商(Gartner)。7实例:Freescale16 位单片机 MC9S12DP512原理图86.4 主要模块电路 1 输入信号处理 输入信号可分为两种类型:数字信号(包括开关信号和脉冲信号)和模拟信号 CPU 的输入输出图96.4 主要模块电路 所有开关输入信号都必须经调理电路处理,以保证 CPU 的安全。调理电路的 容余度比较大,不论是 12V/24V 电源直接拉高的信号,还是标准的 5V 拉高的信号, 都能直接识别,并且都具有很好的抗干扰能力,基本满足车用的 EMC 测试要求。 同样模拟输入信号也必须经二阶有源低通滤波器等
6、调理电路处理,0-16V 之间 的输入信号均能自动转换为 0-5V 的 AD 信号,并且能充分地利用 A/D 的量程特性。 其中,油门信号、刹车制动信号等都是非常重要的信号,硬件设计中同时采集它们 的二路互补信号,并由底层处理程序来确认其可靠性21。 脉冲信号主要是检测整车车速和发动机转速。106.4 主要模块电路 2 控制输出电路 在 HCU 中 CAN 总线承担了主要数据和命令的交换任务,控制输出电路中设计 若干开关量输出信号,来满足整车上下电和 CAN 通讯发生某种故障时采取应急处 理的需求。开关量输出基本上都采用 OC 门电路,具备线控功能,并且都设置了自 拉高电路,以实现硬件电路的自
7、诊断。拉高电压可以是 12V 电源电压,也可以是标 准的 5V 拉高电压。拉高过程都具有很好的抗干扰度,满足常规的 EMC 测试。116.4 主要模块电路 3 电源模块 电源电路是车载控制器设计中比较困难的设计之一,也是影响能否通过电磁兼 容测试的关键部件。为使混合动力 HCU 具有较好的适应性、通用性,我们采用了 两级电源控制,第一级采用开关电源模块,以保证电源的供电电压在 832VDC 的 范围内都有一致的输出电压,从而使第二级低压差电源能够有一个非常稳定的输出 电压2。这样既保证了控制器的工作稳定性和抗干扰性,又能在低功耗的前提下, 具有很宽的电压输入126.4 主要模块电路4 上下电和
8、安全保护模块21HCU还承担着整车低压电源的控制,如果钥匙不在起动或关闭状态并且低压电源超过8V,则接通低压电源,整车所有控制器上电。车辆运行过程中通过ADM实时监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路的接通过程,在发现异常状况后能立即通过状态线输出相应的动作。点火开关断电后,底层程序应能继续执行,以便停车充电或保存数据、系统设置和故障代码等有用信息。只有满足适当的条件时,才能通过软件使 POW_CTRL1切断所有的低压供电电源。硬件上外加一个主电源继电器控制电路。充电唤醒、点火开关、POW_CTRL1中任何一个信号有效时都能使外部继电器闭合,从而给各控制器供电。显然,由软件控制的 POW_
9、CTRL1 能够使控制系统实现延迟断电。136.4 主要模块电路146.5 在各类电动汽车中,无论动力系统配置采用并联、串联、还是混联,在分层控制的概念构架下,其控制的流程都没有明显的差别。在广泛采用先进的 CAN 等通讯技术的动力系统中,整车控制器的差异性已经越来越小,因此我们在 HCU 的硬件设计时,充分考虑了其系统动态配置的裕度,以便适应多种车辆的整车控制需求,也就是说,只要换用不同的底层控制与驱动,就可以适合不同的需求。同时,系统中各个控制输入和输出都可以做不同的可编程设定,来满足整车控制的实际需求。15 在电路的可靠性设计中,首先考虑了 EMC 要求;其次进行了热稳定性能测试, 在夏
10、季高温条件下,能无故障连续工作;此外,特殊的看门狗电路设计,不但可使 CPU 出现故障时快速复位,恢复整车的工作状态,而且还可以在 CPU 等电路烧损 时,通过硬件电路将油门信号直接送到发动机控制器,确保车辆的正常行驶。 16 6.6 PCB 设计PCB 设计 根据功能分析绘制电路原理图,需要建立元件库中不存在的元器件模型,并根 据价格、性能和市场行情确定选用的芯片封装,建立库中没有的元器件封装,建立 最小系统。由原理图生成 PCB 其中最主要的两环是元器件在印刷电路板上的位置布 局和布线。PCB 的设计是一个长时间的过程,它的可靠性至关重要,需要综合考虑 线径、芯片性能、电磁兼容、电磁干扰等
11、众多方面。176.6 整车控制器PCB板示例186.7 整车控制系统的抗干扰设计系统的可靠性是由多种因素决定的,其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。特别是对于本系统,如果抗干扰性处理不好,将会引起诸多不良后果。例 如会使所测数据精度不够,会使数据值不稳定,会使系统电压偏移,不能正常工作,会使系统软件无法运行等等,严重的还会损坏元件。通过对实际工作中电磁干扰的干扰源、干扰传播途径和被干扰对象的响应等电磁干扰三要素的分析,见下图 ,根据 HCU 的工作特点,在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的技术方案。采用传统抑制干扰的技术和简单而巧妙的“回避与疏导”技术
12、处理,并把电磁兼容性设计和可靠性设计、维修性设计与产品的基本功能结构设计同时进行,并行开展,以此降低了成本费用和节省了开发时间。196.7 整车控制器系统的抗干扰设计206.7.1HCU的主要干扰源 一般,干扰进入系统主要有三种途径:一是空间干扰场干扰,通过电磁波辐 射窜入系统;二是过程通道干扰,这类干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道 及与主机的其它相互通道进入系统;三是供电系统干扰,见图 3-7 所示。一般情况 下,空间干扰在强度上远小于其他两个渠道窜入的干扰,而且空间干扰可用良好的 屏蔽与正确地接地,高频波加以解决,故重点防止供电系统与过程通道的干扰。216.7.1HCU的主要干扰源2
13、26.7.2 硬件电路抗干扰措施 硬件电路的抗干扰措施,主要是指在原理设计过程中的所采取的抗干扰措施和 在设计电路板的时候所采取的抗干扰措施。本课题共介绍了8 种解决电磁干扰的对策,从电路原理设计、系统集成、元器件筛选与匹配、PCB 设计与制作、系统 热干扰设计等方面综合考虑,制作的 HCU 在振动测试环境、充放电机试验环境下 工作正常,曾在电磁干扰源足以引起台式 PC 计算机工作失常的条件下 HCU 依然工 作正常。236.7.2 硬件电路抗干扰措施接地微机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地和模拟地等,在微机实时控制系统中,接地是抑制干扰的重要方法,如能将接地和屏蔽正确结合
14、起来使用是可以解决大部分干扰问题。单点接地与多点接地选择。通常在低频电路中,信号的工作频率小于 1 MHz 时,它的布线和元器件的电感影响较小,而接地电路形成的环流对于干扰影响较大,因而屏蔽线采用一点接地。采用了嵌入式单片机后,我们考虑到信号频率都比较低,我们采用了一点接地的方式。数字、模拟电路分开,电路板上即有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连,要尽量加大线性电路的接地面积。接地线应尽量加粗,若接地用线条很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使微机的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线条加粗,使它能通过三倍于印刷电路板上的允许
15、电流。接地线构成闭环路,只用数字电路组成的印刷电路板接地时,根据经验,将接地回路做成闭环路能明显提高抗噪声能力。246.7.2 硬件电路抗干扰措施电源线布置电源线的布置除了要根据电流的大小,尽量加粗导体宽度外,采取使电源线、地线走向与数据传递的方向一致,将有助于增强抗噪声能力。去藕电容配置在印刷电路板的各个关键部件配置去藕电容应视为印刷电路板设计的一项常规做法,电源输入端跨接 10100 F 的电解电容器。原则上每个集成电路芯片都尽可能安置一个 0.01 F 的陶瓷电容器,这种器件的高频阻抗特别小,在 500 KHz 20 MHz 范围内阻抗小于 1,而且漏电流很小。电容引线不能太长,特别是高
16、频旁路电容不能带引线。在器件布置方面,与其它逻辑电路一样,把相互有关的器件尽量放得靠近些,能获得较好的抗噪声效果,如时钟发生器、晶振和 CPU 的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。单片机复位端子“RESET”在强干扰现场会出现尖峰电压干扰,可能会改变部分寄存器状态,因此可以在“RESET”端配置 0.01 F 去藕电容。CMOS 芯片的输入阻抗很高,易受感应,故在使用时,对其不用端接地或接电源正。 256.7.3 软件抗干扰设计微机应用系统在工业现场使用时,大量的干扰源虽不能造成硬件系统的损坏,但常常使微机不能正常工作,致使控制失灵,造成重大事故,微机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决,因
17、此,软件抗干扰问题的研究愈来愈引起人们的重视。干扰对测控系统造成的后果数据采集误差加大:干扰侵入微机系统的前向通道,叠加在信号上,致使数据采集误差加大,特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时,此现象更加严重。控制状态失灵:一般控制状态的输出多半是通过微机系统的后向通道,由于控制信号输出较大,不是直接受到干扰。但是,在微机控制系统中,控制系统输出常常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中,由于干扰的侵入,都会造成条件状态偏差、失误,致使输出控制误差加大,甚至控制失常。266.7.3 软件抗干扰设计数据接收端变化:单片机系统中,由于 RAM 是可以读写的,因此,就有可
18、能在干扰的侵害下,RAM 中数据发生窜改。在单片机系统中,程序及表格、常数皆存放在 Flash 中,虽然避免了程序指令及表格、常数受干扰破坏,但片内 RAM 以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受外来干扰而变化。根据干扰窜入通道,受干扰的数据性质不同,系统所损坏的状态不同,有的造成数值误差,有的使控制失灵,有的改变程序状态,有的改变某些部件的工作状态。程序运行失常:在微机受到强干扰后,造成程序计数器 PC 值的改变,破坏了程序的正常运行。而 PC 值被干扰后的数据是随机的,因此引起程序混乱,在 PC 值的错误引导下,程序将执行一系列毫无意义的指令,最后常常进入一个“死循环”中,使输出严重混
19、乱或系统失去控制。276.7.3 软件抗干扰设计 软件抗干扰的前提条件: 采用软件抗干扰的最根本的前提条件是:系统中抗干扰软件不会因为干扰而损坏,在单片机应用系统中,由于程序及一些重要常数都存储在 ROM 中,这就为软件抗干扰创造了良好的前提条件。因此,软件抗干扰的设置前提条件概括为:(1)在干扰作用下,微机系统硬件部分不会受到任何损坏,或易损坏部分设置有监测状态可供查询。(2)程序区不会受干扰侵害。(3)RAM 区中的重要数据不被破坏, 或虽被破坏但可以重新建立。通过重新建立的数据,系统的重新运行不会出现不可允许的状态。286.7.3 软件抗干扰设计数据采集误差的软件对策:对于实时数据采集系
20、统,为了消除传感器通道中的干扰信号,在硬件措施上常采取有源或无源 RLC 网络,构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样,运用 CPU的运算、控制功能也可以实现频率滤波,完成模拟滤波器类似的功能,这就是数字滤波。在一般数据采集系统中,人们常采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。主要有以下几种:(1)算术平均值法。对一点数据连续采样多次,计算其平均值,以其平均值作为该点采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。(2)比较舍取法。当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时,为了剔除个别错误数据,可采用比较舍取法,就对每个采用点连续采样多次,根据所采数据的变化规律,确定舍取办法
21、来剔除偏差数据。(3)中值法。根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况,对一个采用点连续采集多个信号,并对这些采样值进行比较,取中值作为该点的采样结果。(4)一阶递推数字滤波法。这种方法是利用软件完成 RC 低通滤波的算法,实现软件方法代替硬件 RC 滤波器。296.7.3 软件抗干扰设计 控制状态失常的软件对策 在形状量控制系统中,如果干扰进入系统,会影响各种控制条件,造成控制输出失误,或直接影响输出信号造成控制失误。为了确保系统安全可以采取下述措施: (1) 软件冗余。对于条件控制系统,对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环地采样,处理控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗偶
22、然因 素干扰作用89。(2)充分利用 MC9S12DP512 单片机的输出状态寄存单元,当干扰侵入输出通道成输出状态破坏时,系统能及时查询寄存单元的输出状态信息,及时纠正输出状态。(3)设置自检程序。在计算机内的特定部位或某些内存单元设状态标志, 在开机后,运行中不断循环测试,以保证系统中信息存储、传输、运算的高可行性306.7.3 软件抗干扰设计系统受到干扰侵害,致使 PC 值改变,造成程序运行失常,导致:(1)程序飞出。PC 值指向操作数,将操作数作为指令码执行;PC 值超出应用程序区,将非程序区中的随机数作为指纹码运行,不管何种情况,都造成程序的盲目运行,最后偶然巧合进入死循环。(2)数
23、据区及工作寄存器中的数据破坏。程序的盲目运行,随机数作为指令运行的结果不可避免地就会盲目执行一些寄存器读写命令而造成内部数据的破坏。对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态后及时导致系统恢复原始状态。主要可以采取以下策略:(1)设置监视跟踪定时器。使用定时中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间,而在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作,这样,只要程序正常运行,定时器不会出现定时中断,而当程序失常,不能刷新定时器时间常数而导致定时中断,利用定时中断服务程序将系统复位。(2)设置软件陷阱。当 PC 失控,造成程序“乱发”而不断进入非程序区,只要在非
24、程序区设置拦截措施,使程序进入陷阱,然后强使程序进入初始状态。316.8 整车控制器软件设计 软件抗干扰设计整车控制器软件由上层控制策略和底层驱动程序组成,用 C 语言在 CodeWarriorV4.5 环境下编写。上层控制策略主要负责根据车辆状态和驾驶员意图实 时控制能量流向和分配比例;下层软件主要负责单片机初始化设置、CAN 总线信号 的实时收发和其他输入、输出信号的实时处理与诊断。底层与上层的接口通过若干 变量来实现。326.8 整车控制器软件设计336.8 .1 整车控制器软件设计 CAN 通讯 CAN 通讯主要包括以下部分: CAN 定时发送程序:判定是否有空的发送缓冲区,没有则等待
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