基于FSAE電動賽車的整車電氣系統構建

2015-02-04 16:13:57辛全彬

電子技術與軟件工程 2014年22期

辛全彬

在一輛動力電動賽車中，安全可靠的整車電氣系統是賽車高性能的保障。構建符合賽事規則的包括電機控制器、電池管理系統、絕緣監控裝置、制動可靠性裝置等功能模塊在內的電氣系統成為重點。針對該問題，提出了由整車控制器輔助下的安全回路的電氣拓撲結構整體設計方案。基于stm32單片機的整車控制器和Can總線通信網絡及安全回路構建更優的整合整車各類傳感器及可靠性模塊信息，為賽車電氣設計人員提供新的可參考的設計方案。

【關鍵詞】FSAE 電動賽車 STM32 安全回路 Can總線整車控制器

Formula SAE（FSAE）是一項面向大學生的綜合性工程教育賽事，中國自2010年引入該賽事，并于2013年增加電車組。要求學生設計制造一輛單人純電動方程式賽車，并對電氣及機械提出相關規則要求。對電氣部分設計者而言，安全可靠和高性能成為主要考慮因素。圍繞電機控制器和電池管理系統為通信控制核心的整車電氣系統要求解決包括急停，絕緣監控，制動可靠，傳感器信息采集（包括踏板，溫度，速度等）一系列問題。本文提出基于安全回路和STM32的整車控制器的整車電氣系統可行性設計方案，并實際驗證。本文分整車控制器和安全回路兩部分介紹該設計方案。

1 整車控制器

整車控制器實為賽車動力系統控制核心，其完成功能包括：1、踏板信號采集2、Can總線信息處理3、整車傳感器信息采集4、儀表和無線通信5、實時數據存儲。

基于以上的任務選用基于Cortex-M3內核的STM32F103單片機，搭配外圍處理電路，構成整車控制器。

配合電氣盒和接插件，最后達到模塊化設計效果。圖一接頭從左到右接頭依次為輪速傳感器接頭，儀表顯示，方向盤轉角，減速箱溫度和水泵調速，油門踏板1，油門踏板2，無線模塊，制動踏板，背面有整車控制接頭。

1.1 踏板信號采集方案

通過自主設計踏板結構，搭配角度傳感器獲得油門和制動信號。

旋轉編碼器可靠性更好，使用壽命更長，數字總線式的絕對編碼器又具有靈敏度高抗干擾能力強的優點。SSI總線較為常見，基于差分式信號經由MAX490解碼，極大減輕處理器負擔，提高通信速度。實際測試獲取角度信息頻率>5kHz。

常見的模擬量旋轉編碼式傳感器通過屏蔽線有效接地，并聯電容濾波，處理器配置DMA模式，軟件多次測量、大小排序、去極值、取平均幾種方式共用，實際驗證可有效解決大功率同步電機工作的電磁干擾。

1.2 Can總線（基于J1939協議）方案

Can總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，基于J1939協議的Can總線被大多數車用器件兼容。

整車控制器微處理器STM32集成Can（2.0B）模塊，可替代基于TJA1040模塊的通用性方案，搭配CTM1051A通用Can隔離收發器同時解決電氣隔離和電平轉換問題。通過設置微處理器屏蔽模塊，屏蔽電機控制器和電池管理系統內部通信，減輕處理器負擔，提高通信效率。且電路構成簡單可靠配備多級緩存。

1.3 整車傳感器信息采集

整車傳感器主要包括齒輪傳感器，方向盤角度傳感器，變速箱溫度傳感器，姿態傳感器等。

齒輪傳感器選用霍爾式，但需保證在安裝精度。方向盤傳感器選擇電位器式，經由AD模塊采集處理并存儲。溫度傳感器模塊（非線性），通過多次實際測量獲取多組數據，通過曲線模擬獲得3階多項式以擬合實際對應關系，可獲足夠精度。

1.4 儀表顯示和無線通信

為了方便車手了解賽車實時信息，儀表采用獨立CPU的智能PS-LCD，可獨立自主二次開發顯示界面，但刷新頻率較低。

通過界面設計軟件Designer在線仿真界面設計。通過RS233協議與整車控制器通信，實時顯示當前賽車狀態，包括速度，電壓，電量，故障等。

無線模塊選用基于ZigBee通信協議的1.6公里的無線模塊，配合基于Labview軟件開發的上位機軟件，完成實時監控。

1.5 實時數據存儲

由于賽車運行時傳感器信息量較大，無線模塊傳輸信息通信速率無法滿足需求，無法實現大量數據的實時存儲，通過文件管理芯片CH376S實現U盤或SD卡的實時信息讀寫。其內置了FAT32文件系統的管理固件，支持SPI接口。

通過該模塊實現了大量數據的實時存儲，經過測試，該模塊的數據塊寫入速度高于1Mb/s，綜合有效速率達100Kb/s，且穩定性良好。

2 安全回路的設計

安全回路為連接各可靠性模塊及保護開關等的電氣回路，在整車電氣系統中占有重要位置。包括：兩個主開關，3個急停開關，制動超程開關，絕緣可靠性裝置（IMD），慣性開關，制動可靠性裝置，電池管理系統（AMS）等。以上除了開關外其余模塊直接控制繼電器開關串聯在安全回路中，任何一個模塊被激活均直接斷開安全回路，進而斷開電池箱內的直流接觸器，確保賽車無動力輸出。整車控制電源（12V）經由為控制系統開關和驅動系統開關為系統供電。在該過程中，組成安全回路的絕緣監控和制動可靠性裝置成為難點。絕緣監控臨界值應規則要求需要達到500Ω/V，該裝置需在到達響應值后獨立斷開安全回路。Bender A-ISOMETER ? iso-F1 IR155-3203 或 -3204均符合規則要求，測試中用外接電阻模擬故障，5次測試中均成功斷開回路。

制動可靠性裝置用于避免制動時有動力輸出，通過霍爾式電流傳感器和接近開關，獨立采集制動踏板角度和電機電流，當二者同時達到閾值時，模塊動作斷開安全回路。

3 結論

經過對該方案的具體實施，成功完成了符合規則的電動方程式賽車的電氣系統構建，在實際1h的連續跑動測試過程中：

（1）無意外斷開安全回路狀況。

（2）U盤存儲、儀表、無線模塊均正常工作。

（3）跑動結束后的絕緣、制動可靠性測試通過。

各個模塊均得到了驗證，其可靠性和穩定性均有所保證，方案的可行性得到驗證。但仍存在整車布線雜亂的情況，有待優化模塊機械安裝位置。

參考文獻

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