FSEC賽車整車控制器的軟件層設計*

李曦 蘭媛媛 王琪 閆軍 黃顯發

(1 桂林航天工業學院 汽車工程學院,廣西 桂林 541004;2 桂林航天工業學院 電子信息與自動化學院,廣西 桂林 541004)

隨著中國科技的進步,汽車工業得到了快速的發展。相比于內燃機汽車,新能源汽車在能源消耗率、駕駛舒適性、動力響應速度、后期維護及結構布置方面都具有明顯的優勢,已經成為汽車行業主流發展趨勢。2020年11月2日,國務院辦公廳發布《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》,明確了中國新能源汽車的相關部署[1-2]。產業發展同時需要大量的設計創新人才,中國大學生電動方程式大賽(FSEC)無疑是順勢而生[3]。不管是新能源汽車還是大學生電動方程式賽車最為核心的技術之一是電控技術,而整車控制技術是電控技術中最主要組成部分[4]。

整車控制器是控制系統的核心,承擔了數據交換、駕駛員意圖解釋、安全管理等任務[5]。目前國內外專家和學者對整車控制器的軟硬件設計,仿真與測試等方面展開了大量研究。Jeong Yonghwan[6]提出了一種基于模型預測控制的自主鉸接式電動汽車路徑跟蹤與防側翻集成的整車控制器,并通過仿真驗證該算法可以有效的降低路徑跟蹤誤差和負載轉移率。熊宇舟、劉平等[7]提出了一種全自動代碼模型設計的開發方法,該方法將底層驅動代碼封裝為Simulink模塊,既能夠集成硬件驅動功能,又不需要深入到復雜的寄存器操作,同時通過實驗驗證了該軟件系統的有效性。王德軍、于洪峰等[8]用dSPACE實時仿真系統架構純電動公交車的汽車動力學模型,測試出整車控制器的主要功能,從而避免在實車測試出現問題,節省研發的經費和時間。

目前各車隊常用的整車控制器開發主要有以下兩種模式:第一種是采用較為常見的車載芯片自主設計整車控制器,例如恩智浦公司的 MC9S12XET256 單片機,在降低成本的同時,可以提高系統的可靠性,但開發周期較長,需要同時具備軟件和硬件相關知識。第二種方案是采用快速原型控制器,通過 Simulink自動代碼生成技術將建模與仿真階段所形成的控制算法模型下載到快速原型控制器中并連接實際被控對象進行控制算法的實際驗證,該方法可以縮短開發周期,降低開發成本,學生更容易上手調試和測量[9]。

本文結合FSEC比賽需求分析,最終確定以華?？萍糝apidECU 快速原型控制器為研究載體[10],用MATLAB/Simulink搭建控制算法模型,對其軟件層進行設計,并詳細對高壓系統激活、扭矩輸出、輔件控制功能進行闡述。接著通過全自動代碼生成技術,將生成的代碼下載到快速原型控制器硬件中。最后,在所搭建的硬件在環(HIL)測試系統上通過輸入輸出接口與整車控制器連接,對被測的整車控制器進行功能測試。

1 整車控制器軟件層總體設計

整車控制器的控制模型采用”分模塊”的方法進行搭建,分為輸入、控制、輸出3個子模塊,軟件層總體設計如圖1所示。輸入模塊負責采集整車所有數據,包括踏板信號、開關信號、電池管理系統信號、儀表信號等并通過總線發送給其他節點?？刂颇Ｐ拓撠煂⒉杉降男盘栠M行相關算法和控制策略處理,是整車控制器功能實現最重要的部分。最后傳輸至信號輸出模塊,并和儀表、電池管理系統、電機控制器等進行通信。

圖1 軟件層總體設計

2 整車控制策略及軟件層設計

在整車控制器軟件層中,控制部分是整車控制策略的實現部分,對于方程式賽車主要包括高壓激活進入待駛、踏板可靠性檢查、扭矩輸出控制、車速轉換算法控制、輔件控制等功能,用于對輸入模塊的數據進行綜合計算處理,并對輸出發出相應控制信號。

2.1 高壓激活進入待駛

待駛狀態是指電機能夠對油門踏板做出響應的狀態,高壓激活的目的是使驅動電機連接高壓電池,賽車能夠進入待駛狀態。為防止驅動系統在啟動時跑飛,首先將驅動報文使能關閉,這樣電機控制器無法接受到來自整車控制器的驅動報文,電機無法啟動。根據大賽規則,在驅動系統被激活后,車手需要做出額外的動作使得賽車進入待駛,因此采用的方式為踩下制動踏板的同時按下一個專用按鈕(待駛按鈕),進入待駛狀態后電機方能對加速踏板信號實時做出響應。

圖2 高壓激活進入待駛流程圖

高壓激活進入待駛的流程圖如圖2所示,首先關閉驅動報文發送使能,由駕駛員踩下制動踏板,然后按下高壓激活按鈕,此時電池管理系統檢測到高壓信號后輸出一個高電位給整車控制器,整車控制器檢測到高壓正常之后,駕駛員需要繼續踩下剎車防止整車跑飛,同時按下待駛按鈕,表明進入待駛狀態的意圖,此時整車控制器采集踏板開度并轉化為轉矩負荷系數,以報文格式發送給電機控制器,驅動整車行駛。同時,整車控制器進入循環檢測高壓狀態,一旦高壓信號丟失,立馬關閉驅動報文使能,保證整車的安全性。根據圖2的控制邏輯,在Simulink/Stateflow中搭建模型圖,如圖3所示。Stateflow是一種能夠把有限狀態機作為圖形來實現的工具[11],其優勢在于可將邏輯代碼圖形化,建模過程直觀、簡便[12]。其中圓角矩形STATE0、STATE1、STATE2、STATE3、STATE4代表高壓激活進入待駛過程中設定的五個狀態,Beep_on和Beep_off代表蜂鳴器開啟和關閉的狀態,當滿足一定的事件(例如踩下制動踏板、按下待駛按鈕)時,系統將在設定的狀態中進行切換。

圖3 高壓激活進入待駛模型圖

2.2 扭矩輸出控制

加速踏板的開度是影響電機實際扭矩輸出的主要因素之一。加速踏板開度越大,往往期望力矩越大。扭矩輸出模式主要包括:動力模式、一般模式、經濟模式三種。如圖4所示,非線性上凸的a曲線為動力模式,線性的b曲線為一般模式,非線性下凹的c曲線為經濟模式,控制策略的選擇需要同時考慮電池荷電狀態、整車狀態等綜合因素,從而選擇扭矩輸出模式并制定加速踏板開度和電機轉矩負荷系數的一維關系表[13]。

圖4 轉矩負荷系數和加速踏板開度關系圖

扭矩輸出控制的流程圖如圖5所示,為了安全性,制動信號必須嵌套在最外圍,只要檢測到制動踏板踩下,將加速踏板開度設為0從而控制電機停止轉動。同時加速踏板傳感器設計冗余保護,使用兩個不同靈敏度的傳感器,當加速踏板踩下時,兩個傳感器分別傳回兩個不同的信號值,轉化為0～100的開度值后比較,如果誤差超過10%,則將此次采集到的開度信號歸0;只有當兩個加速踏板傳感器傳回的開度誤差小于10%時,將兩個開度取平均值后查表轉化為電機轉矩負荷系數報文發送給電機控制器。電機控制器根據電機轉矩負荷系數最終計算出實際需要的轉矩值來驅動賽車行駛。該部分在Simulink中的實現過程如圖6所示,利于Switch選擇開關模塊對兩個加速踏板開度進行處理,若誤差超過10%,輸出錯誤信號,并將開度信號歸0;若誤差小于10%,取平均值后進行查表運算,得到電機轉矩負荷系數,并通過輸出模塊傳遞給電機控制器。

圖5 扭矩輸出轉換流程圖

圖6 扭矩輸出轉換模型圖

2.3 輔件控制

對于電動方程式賽車而言,輔件控制主要是針對水泵的控制。水泵作為冷卻系統,主要是給電機控制器和電機進行散熱,從而維持整車關鍵部位的溫度,保障整車系統的正常運行[14]。水泵控制的流程圖如圖7所示,整車控制器通過電機控制器回傳的報文中獲取電機和電機控制器內部溫度,由于電機控制器溫度傳感器采用熱敏電阻,輸出曲線非線性,需要先對其進行線性化后處理。當溫度達到上限溫度時,控制器輸出一個高邊驅動開啟水泵;當溫度低于下限溫度時,控制器輸出一個低邊驅動關閉水泵;當溫度在正常范圍內時,水泵狀態保持不變。溫度切換部分運用Simulink/Stateflow進行實現,如圖8所示,圓角矩形ON和OFF代表開啟和關閉的兩個狀態,當溫度變化時,水泵將在開啟和關閉兩個狀態下切換。

圖7 水泵控制流程圖

圖8 溫度切換模型圖

3 整車控制策略驗證

為確保整車控制策略功能的穩定實現,將搭建的整車控制器模型通過自動代碼技術生成程序語言,刷寫到快速原型控制器中并進行硬件在環(HIL)測試。HIL測試具有節省成本、安全性高、縮短開發周期等優點[15],借助HIL測試對高壓激活進入待駛、扭矩輸出和輔件控制功能進行驗證。HIL測試平臺主要由負責模擬實車環境的機柜、被測對象以及控制實時仿真的上位機等組成,如圖9所示。使用ControlDesk上位機軟件對dSPACE公司的SCALEXIO機柜進行實時仿真控制,機柜模擬實車信號發送給整車控制器,并采集整車控制器控制信號,在上位機中顯示出來。

圖9 HIL仿真調試平臺

3.1 高壓激活進入待駛狀態測試

根據圖3的控制邏輯,在ControlDesk上位機軟件上模擬車輛加速踏板、制動踏板、待駛按鈕、高壓按鈕的操作,并實時監測蜂鳴器狀態和狀態機的輸出。

表1 高壓激活進入待駛測試表

在表1中,制動踏板、加速踏板1代表踩下,0代表松開,“—”代表踩下或松開均可;高壓按鈕、待駛按鈕1代表按下,0代表未按下;蜂鳴器0狀態代表不響,對應圖3的Beep_off狀態,1代表響3秒,對應圖3的Beep_on狀態;狀態機0—4對應圖3的STATE0—4狀態。

測試結果如表1所示,首先整車控制器檢測到低壓信號,開始自檢。整車控制器自檢后進入狀態0;當高壓按鈕被按下,系統進入狀態1,系統上高壓成功同時開始檢測制動踏板信號以及加速踏板信號;當檢測到制動踏板踩下并且加速踏板未被踩下,系統進入到狀態2;當檢測制動踏板踩下且待駛按鈕按下時,系統進入狀態3;松開制動踏板,VCU控制蜂鳴器提醒進入待駛,蜂鳴器響3s后系統進入狀態4,提示系統進入待駛狀態。整車高壓進入待駛的邏輯與設計預期一致,證明該功能有效。

3.2 扭矩控制輸出測試

圖10 扭矩控制輸出測試圖

對于電動方程式賽車而言,電機控制器會根據整車控制器傳輸過來的油門踏板開度計算出需要輸出的轉矩值來驅動賽車正常行駛。為了驗證扭矩輸出功能,通過ControlDesk軟件關聯扭矩和踏板信號,連接整車控制器模型、車輛動力學模型及電機電池模型形成硬件在環。如圖10所示,圖10(a)為電機扭矩輸出電線,圖10(b)為加速踏板開度曲線,圖10(c)為制動踏板開度曲線。從圖中可以看出0～25 s加速踏板開度增加,輸出扭矩也相應的增加;25～50 s加速踏板開度減少,輸出扭矩也相應的減少。當66 s出現制動踏板信號時,輸出扭矩降為0,保證了車輛行駛的安全性。由于加速踏板本身的操作具有抖動性,且物理信號容易受到干擾,因此規定加速踏板開度5%為死區。從結果可以看出,該整車控制器的扭矩控制功能正常,能夠通過加速踏板和制動踏板較好的控制動力傳輸。

3.3 輔件控制測試

通過HIL硬件在環平臺ControlDesk軟件對電機及控制器溫度和水泵標志位進行關聯,可觀察到水泵的實時狀態。根據圖7水泵的控制邏輯,設定正常電機及控制器工作溫度為50～80℃。水泵狀態測試圖如圖11所示,上升階段當溫度高于80℃時,水泵開啟,下降階段溫度低于50℃時,水泵關閉,符合水泵控制邏輯,冷卻系統能夠可靠工作。

圖11 水泵狀態測試圖

4 結論

本文以電動賽車為研究對象,對其進行整車控制策略的開發和軟件層的設計。軟件層采用“分模塊”的設計原則,分為輸入、控制、輸出3個子模塊,層次清晰,便于理解?？刂谱幽K是整車控制策略實現的核心部分,對高壓激活進入待駛、扭矩輸出、輔件控制功能進行了詳細的策略開發和軟件層設計?；贛atlab/Simulink的環境下搭建了整車控制模型,依托快速原型實現了代碼的自動生成, 并通過硬件在環仿真平臺(HIL)進行測試,結果表明各項功能均與預期效果一致,控制系統工作正常,滿足設計要求。