現(xiàn)代電動車輛中的電控技術(shù)

摘要：現(xiàn)代電動車輛中電控技術(shù)應(yīng)用廣泛，各類設(shè)備運行參數(shù)共享成為整車系統(tǒng)的特點。（CAN）總線的數(shù)據(jù)交換速度高、抗噪性強，成為車輛內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的首選。介紹了集成CAN控制器的高性能微處理器P8xC592的功能和特點及其在電動車輔助三相逆變電源中的應(yīng)用。

   關(guān)鍵詞：CAN總線 P8xC592微處理器 三相逆變電源
        電動車由于儲能設(shè)備容量有限，在運行過程中對電能流向管理十分嚴格。精確的電能管理可以延長車輛運行里程，減少電池充電頻率，從而節(jié)約運行成本。車載能量管理系統(tǒng)需要隨時監(jiān)控電池電壓、電機輸出功率以及其它設(shè)備的用電情況。同時，電動車電子控制系統(tǒng)的動態(tài)信息必須具有實時性，各子系統(tǒng)需要將車輛的公共數(shù)據(jù)實時共享，如電機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)換、油門踏板位置等。但不同控制單元的控制周期不同，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、各控制命令優(yōu)先級也不同，因此需要一種具有優(yōu)先權(quán)競爭模式的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，并且本身具有極高的通信速率。此外，作為一種載人交通工具，電動汽車必須具有極高的運行穩(wěn)定性，整車通訊系統(tǒng)必須具有很強的容錯能力和快速處理能力。
         德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)出一種CAN（Controller Area Network）現(xiàn)場總線通訊結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在常規(guī)燃油汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE。同時，CAN總線也被認為是電動車最佳通訊結(jié)構(gòu)，我國“863計劃”關(guān)于電動汽車的說明中已經(jīng)明確提出，新申報的電動車開發(fā)項目必須采用CAN總線通訊模式。
CAN總線結(jié)構(gòu)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。圖1為一個典型的電動汽車CAN總線結(jié)構(gòu)示意圖，包括整車動力部分的主電機控制器、電池組管理系統(tǒng)、人機界面顯示系統(tǒng)等多個設(shè)備，這些子系統(tǒng)之間通過CAN進行數(shù)據(jù)通訊和命令傳輸。每個節(jié)點設(shè)備都能夠在脫離CAN總線的情況下獨立完成自身系統(tǒng)的運行，從而滿足車輛運行安全性的需要。同時，CAN總線也不會因為某個設(shè)備的脫離而出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)崩潰的現(xiàn)象。
        本文介紹的電動車用三相逆變電源屬于圖1中的車載輔助逆變電源。稱為“輔助電源”是因為它的負載為電動車上的一些輔助交流電機，如汽車轉(zhuǎn)向助力油泵、剎車氣泵、冷卻水循環(huán)中的水泵以及空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機等。對該三相逆變電源的工作要求是：正常運行情況時獨立維持輔助電機的穩(wěn)定運行，能夠根據(jù)上位機的指令適當(dāng)調(diào)整工作狀態(tài)；在負載發(fā)生故障（如電機短路）時迅速關(guān)系輸出、安全關(guān)機，同時能夠通過CAN總線向上位機和其它節(jié)點報告自身故障，引發(fā)車輛各系統(tǒng)的相關(guān)操作（例如：位于儀表臺上的人機界面顯示系統(tǒng)將立即顯示警告信息，報告車輛故障部位，并提示駕駛員減速；而整車能量管理系統(tǒng)則發(fā)出命令關(guān)閉輔助逆變電源的輸入，并將接收到的錯誤代碼和當(dāng)前運行參數(shù)進行保存，便于維修人員進行故障診斷）。
        由此看出，雖然選擇一個通用變頻器進行改裝可以實現(xiàn)車用三相逆變電源的基本功能，但是要做成支持CAN總線各種功能的智能化節(jié)點必須從底層進行開發(fā)，直接選擇支持CAN總線接口的控制芯片，在控制程序中集成CAN通訊功能，適應(yīng)整車通訊的要求。
1 P8xC592芯片介紹
        在電動車用輔助逆變電源的設(shè)計中，控制電路不僅要支持CAN總線通訊，還要對負載電壓、電流等模擬量進行檢測，進行各種邏輯判斷，并驅(qū)動其它芯片完成三相逆變功能。因此簡單選擇一個單獨的CAN控制器是不夠的，最方便的選擇是使用帶有在片CAN功能的控制器。[!--empirenews.page--]
P8xC592是由PHILIPS公司開發(fā)生產(chǎn)的8位微處理器，主要包括：
·一個80C51中央處理單元（CPU）
·兩個標準的16位定時/計數(shù)器
·包括四個捕獲和三個比較寄存器的16位定時器/計數(shù)器
·具有8路模擬量輸入的10位A/D變換器

    ·兩路分辨率為8位的脈沖寬度調(diào)制輸出
·具有兩級優(yōu)先權(quán)的15個中斷源
·五組8位I/O端口和一組與A/D變換器模擬量輸入共用的8位輸入口
·與內(nèi)部RAM進行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器
·具有總線故障管理功能的1Mbps CAN控制器
·與標準80C51兼容的全雙工UART
         P8xC592共有68個管腳，其中包括6個8位I/O口，P0～P3與80C51相同，但P1可以用作一些特殊功能，包括4個捕獲輸入端、外部計數(shù)器輸入端、外部計數(shù)器復(fù)位輸入端和CAN接口的CTX0和CTX1輸出端。并行I/O口P4的功能與P1、P2和P3相同。P5口是不是有輸出功能的并行輸入口，主要用作A/D變換器的模擬量輸入端。
        P8xC592內(nèi)含CAN控制器，包括為實現(xiàn)高性能串行網(wǎng)絡(luò)通信所必需的所有硬件，從而能夠控制通信流順利通過CAN協(xié)議的局域網(wǎng)。為了避免出現(xiàn)混亂，芯片中增加的CAN控制器對于CPU是作為能夠雙方獨立工作的存儲器映像外圍設(shè)備出現(xiàn)的，即可以把P8xC592簡單設(shè)想為兩個獨立工作器件的集成體。如果關(guān)閉CAN控制器部分的功能，該芯片可以僅作為帶有模擬量A/D轉(zhuǎn)換的普通8位單片機使用。
           啟用CAN控制器的功能，主要借助四個特殊功能寄存器（SPR）實現(xiàn)，CPU對CAN控制器的控制及其訪問都通過它們完成，接口結(jié)構(gòu)如圖2所示。這四個特殊功能寄存器分別為：（1）地址寄存器（CANADR），CPU通過CANADR讀/寫CAN控制器的驗收碼寄存器；（2）數(shù)據(jù)寄存器（CANDAT），CANDAT對應(yīng)由CANADR指向的CAN控制器內(nèi)部寄存器；（3）控制寄存器（CANCON），它具有兩個功能，讀CANCON意味著訪問CAN控制器的中斷寄存器，寫CANCON意味著訪問命令寄存器；（4）狀態(tài)寄存器（CANSTA），具有兩個功能，讀CANSTA是訪問CAN控制器的狀態(tài)寄存器，寫CANSTA是為后續(xù)的DMA傳輸設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM的地址。此外，DMA邏輯允許CAN控制器與CPU在片主RAM之間的高速數(shù)據(jù)交換。
在芯片初始化階段，CPU通過向CANCON和CANSTA寫入內(nèi)容，完成CAN控制器的功能初始化。在實際通訊過程中，CPU則利用四個寄存器使CAN控制器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。
2 逆變電源系統(tǒng)硬件構(gòu)成
   電動車用輔助三相逆變電源從結(jié)構(gòu)上可以分為三個部分：（1）DC/DC多路電源——自動適應(yīng)直流輸入端的大范圍電壓浮動，為系統(tǒng)的其它電路提供彼此隔離且電壓穩(wěn)定的低壓電源；（2）主控制板——檢測各路輸出的電壓、電流，根據(jù)運行情況智能調(diào)整逆變電路的輸出，通過CAN總線參與整車數(shù)據(jù)通訊；（3）主功率逆變電路——由高度集成的三相逆變模塊IPM組成，完成主電路的逆變功能。
系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中未標出給系統(tǒng)各器件供電的DC/DC多路電源。
        DC/DC多路電源采用開關(guān)電源的標準設(shè)計，配合具有不同變的多抽頭高頻變壓器，對外輸出5V、12V、20V等多路隔離直流電。同時考慮到電動車電池組電壓的波動范圍相對較大（充滿時為400V，使用過程中可能降低到280V），在設(shè)計中選擇了適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)，取得較好的輸入電壓適應(yīng)能力。
控制板是整個系統(tǒng)的核心，采用P8xC592單片機系統(tǒng)中無片內(nèi)ROM的P80C592、脈寬調(diào)制專用芯片SA8282、CAN總線收發(fā)器82C250以及主電路電壓、電流數(shù)據(jù)采集模塊等。
        控制板通過SA8282專用芯片向三相逆變模塊IPM提供6路PWM信號。SA8282芯片由MITEL公司開發(fā)生產(chǎn)，其特點是控制簡單、頻率精度高、運行可靠性高，它支持標準8位MOTEL復(fù)用數(shù)據(jù)總線，可以方便地和單片機交換數(shù)據(jù)。單片機只需對芯片內(nèi)部的5個數(shù)據(jù)寄存器賦值，就可以完成對PWM波形輸出的初始化和實時控制。SA8282芯片為標準28腳雙列直插式封裝，管腳RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB輸出三相可獨立控制的TTL驅(qū)動信號，可對應(yīng)驅(qū)動三相逆變橋上的六路IGBT。
將SA8282專用芯片與IPM連接后，P80C592只需要在啟動時對其進行初始化，三相輸出達到預(yù)定值后，SA8282即可以獨立驅(qū)動IPM模塊。只有在調(diào)整PWM輸出時，P80C592才需要對SA8282進行控制。同時，SA8282芯片的SET TRIP管腳能夠響應(yīng)IPM發(fā)出的故障信號，迅速關(guān)斷所有PWM波形輸出，對逆變電路進行快速保護，并通過TRIP狀態(tài)輸出管理通知P80C592單片機，確保系統(tǒng)安全。
         分布于主電路直流輸入端和三相輸出端的數(shù)據(jù)采集模塊可對各路電壓、電流進行采集，經(jīng)P80C592進行A/D變換后保存到數(shù)據(jù)存儲器中，便于CPU判斷系統(tǒng)輸入/輸出是否正常，并進行相應(yīng)操作。[!--empirenews.page--]
        CAN總線收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，最初為汽車高速通信設(shè)計，具許多針對車輛應(yīng)用設(shè)計的結(jié)構(gòu)。其特點包括：有效減小汽車環(huán)境瞬間干擾對信號的影響，具有保護總線能力；防護電池與地之間發(fā)生短路；支持低電流待機方式等，因此十分適合電動車輔助逆變電源的需要。將82C250與P80C592的CAN接口輸入、輸出端相連，便構(gòu)成了輔助逆變電源對外通訊的接口，如圖4所示。
3 逆變電源系統(tǒng)軟件設(shè)計
        輔助三相逆變電源的控制軟件通過8051匯編語言編制，在完成其控制功能外，力求程序的合理與簡化，以適應(yīng)電動汽車對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求，控制流程如圖5所示。
系統(tǒng)上電運行后，單片機P80C952首先對SA8282芯片初始化寄存器進行數(shù)據(jù)初始化，然后根據(jù)負載電機的特點執(zhí)行軟啟動程序。當(dāng)三相輸出電壓達到預(yù)定值時，三相逆變電源即進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。此后控制程序?qū)⒀h(huán)檢測各線路的電壓、電流情況，根據(jù)情況修改SA8282控制寄存器參數(shù)，調(diào)整PWM輸出，從而改變?nèi)噍敵?。例如，電動車運行一段時間后，電池組電壓下降，導(dǎo)致逆變電源的三相輸出電壓低于設(shè)定值，P80C592檢測到該現(xiàn)象后，通過SA8282提高電壓輸出幅值，確保電源輸出的穩(wěn)定。
        同時，控制程序還將定期檢測數(shù)據(jù)存儲器中的控制參數(shù)。若整車控制系統(tǒng)通過CAN通訊修改了逆變電源的運行參數(shù)，P80C592將根據(jù)新的運行參數(shù)調(diào)整輸出。
控制程序中的三個中斷程序分別為：數(shù)據(jù)采集程序、CAN總線通訊程序和故障處理程序。
數(shù)據(jù)采集程序通過芯片內(nèi)部計數(shù)器定時觸發(fā)，對逆變電源的輸入、輸出線路進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲器，交給CPU進行運行狀況判斷。
        CAN總線通訊程序包含若干子程序，其基本程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)通訊程序觸發(fā)后，P80C592的CAN控制器提據(jù)命令字執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。當(dāng)上位機請求數(shù)據(jù)時，將逆變電源的各項運行參數(shù)傳輸給整車系統(tǒng)；當(dāng)上位機查詢節(jié)點狀態(tài)時，將當(dāng)前CAN節(jié)點狀態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)磅出去；當(dāng)上位機要求修改運行參數(shù)時，將接收的數(shù)據(jù)參數(shù)存入數(shù)據(jù)存儲器。
        故障處理程序具有最高的中斷優(yōu)先權(quán)，即將P80C592的外部中斷0（INT0）管腳與SA8282芯片的TRIP管腳相連。當(dāng)逆變電路發(fā)生故障時，IPM會發(fā)出故障信號給SA8282芯片，由后者在第一時間關(guān)斷PWM輸出，并向P80C592發(fā)出中斷信號，觸發(fā)故障處理程序。故障處理程序首先將SA8282關(guān)閉；然后通過CAN總線通知上位機有故障發(fā)生，并將故障代碼和當(dāng)前系統(tǒng)運行參數(shù)寫入報文同時發(fā)送；最后控制單片機將整個系統(tǒng)關(guān)閉，實現(xiàn)安全關(guān)機。
        CAN通信網(wǎng)絡(luò)的引入為電動車的全局優(yōu)化控制提供了條件，車輛的每個子系統(tǒng)都因此成為整車控制中的智能節(jié)點。采用集成CAN控制器的P8xC592單片機作為控制核心，結(jié)合SA8282專用PWM波形發(fā)生芯片設(shè)計出的電動車用輔助三相逆變電源，不僅安全穩(wěn)定性高，還能夠充分參與整車的數(shù)據(jù)交換和控制。對于采用不同CAN總線協(xié)議的電動車輛，只需適當(dāng)修改控制程序中有關(guān)CAN通訊的部分程序段，就可以順利接入整車系統(tǒng)，使該逆變電源具有更強的通用性。