基于MPC5644A的燃料電池控制器設計

袁罡

摘 要： 采用了飛思卡爾公司的MPC5644A單片機作為燃料電池控制器的控制核心，通過設計燃料電池控制器的專用外圍模塊組成一個完整的控制系統，此控制系統的主控制板包括電源、采集、通訊、調節等模塊。在此控制系統的基礎上，通過一種模糊預測算法進行電堆控制，該設計具有一定創新型，對燃料電池控制器的設計具有很好的指導意義。

關鍵詞： MPC5644A；控制器；模糊預測；電堆控制

自從工業革命以來，現代社會對化石能源的需求劇增，而化石燃料的使用不可避免的造成大量二氧化碳等溫室氣體排放，直接導致“全球氣候變暖”這種影響世界整體的環境問題。因此，發展新型清潔替代能源和提高能源的利用率將成為新世紀能源發展中的主要議題之一。在現階段，質子交換膜燃料電池成為新型清潔能源重要的發展方向[1-5]。本文主要設計的是基于MPC5644A芯片的燃料電池控制器部分。MPC5644A是32位的Power Architecture微控制器，適用于汽車的一些敏感部件的控制，可在惡劣的環境下持續工作，它擁有高達150MHZ的工作頻率，32通道eTPU2（第二代eTPU）和24個統一eMIOS通道以及多達40通道ADC使電堆控制變得異常方便。

本設計以MPC5644A為核心的控制電路，運用通訊模塊、采集模塊、調節模塊等組成統一的且綜合性強的控制系統，為燃料電池

控制器研究者的進一步研究提供一個較好的平臺[6]。

1系統方案與設計

本設計主要有以下幾個模塊：MPC5644A最小系統、脈沖信號處理模塊、模擬信號處理模塊、開關信號處理模塊、容錯處理、反饋與通訊等。

1.1主控芯片

MPC5644A 最小系統模塊分為5部分，主要包括MPC5644A時鐘電路與模擬部分供電配置、芯片電源部分去耦電路、復位電路、啟動配置電路和其他電源配置電路，采用外接8M無源晶振。

該芯片有大量的電源和地引腳，故增加了相應的去耦電容，去耦電容采用大小相間排布，其中 PCB 設計中小電容盡可能靠近管腳。為減少數模信號之間的干擾作用，AD部分的參考電壓需要加入一些磁珠進行隔離。

該復位部分采用ADM6315專用的電壓檢測芯片，ADM6315性能可靠，適合多數電壓監控使用，可用來監控低至1.8%的電源電壓壓降。

MPC5644A與大多數芯片不同，它是通過外部硬件輸入引腳的配置和一段稱為啟動引導輔助存儲器 BAM 的代碼，共同確認硬件復位之后到程序執行之前的運行與初始配置。

1.2信號處理模塊

（1）AD采集電路

本設計中，模擬信號ADCx（x=0～23，表示有24路AD采集電路）輸入，連接到MCU的PAD0x（x=0～23）。它們之間采用HCNR201線性光耦結合運算放大器LM214，能有效地把外部信號傳送到內部MCU的AD管腳，并消除外部的電磁干擾，其中PESD5VOSIBA器件是屬于瞬態電壓抑制器（TVS）的電磁保護器件。

（2）IO輸入電路

燃料電池控制器總共設計多路輸入IO信號，IOIN2為外部IO輸入信號，經過ADUM1410隔離器件，進入MCU的端口引腳。另外可從圖中看出，外部電路和內部電路的電源是不同的，外部電路使用VCC電源，而內部電路使用MVDD_5.0，起到完全隔離作用，阻止了外部干擾信號的進入。其中器件ADUM1410是ADI公司推出的基于iCouple磁耦隔離技術的四通道數字隔離器，它采用了高速的CMOS工藝和芯片級的高壓器技術，在性能、功能、體積等各方面有光電隔離無法比擬的優勢。

1.3通訊模塊

本設計中通訊模塊主要利用MPC5644A中兩路具有64個消息緩沖器的FlexCAN來實現，ADUM1201和TJA1050芯片的組合搭建，是典型的CAN總線接口電路，也是燃料電池控制器能否正常工作的關鍵電路。其中EM201是共模電感用于防止電磁干擾信號，ESD201是CAN總線的ESD（electro-static discharge，靜電釋放）保護二極管，R201是CAN總線的終端電阻，防止總線上的信號反射。

ADUM1201是ADI公司采用其iCouple磁耦隔離技術的雙通道隔離的電平轉換器，采用高速的CMOS工藝和芯片級的變壓器技術，在性能功耗等方面有很大優勢，TJA1510是CAN總線協議控制器和物理總線之間的接口[7-11]。

2PCB板設計

本設計中PCB圖通過Altium Designer軟件進行繪制，包括焊盤的繪制、建立封裝、器件布局、規則設置、布線、DRC檢測和出光繪。圖為PCB主板布局圖[12-13]。

3軟件部分設計

燃料電池控制器的軟件設計按照功能分為以下幾個部分即：初始化模塊、A/D采樣模塊、控制策略模塊、通信模塊如下圖所示

3.1時鐘設置

PLL鎖相環有四種運行模式，分別為旁路模式、基于外部晶振的正常模式、基于外部參考時鐘的標準模式和雙控制器模式。在正常模式情況下，PLL從晶振電路接收輸入的時鐘信號，并且對該信號進行倍頻，從而產生相應的輸出時鐘信號，外部晶振要求限定的范圍為4MHz到40MHz。

3.2復位確定

復位包括上電復位、PLL失鎖復位、看門狗時間溢出復位、軟件系統復位、復位引腳輸入復位和機器狀態檢查錯誤復位。在這些復位的條件中，每種都有一個單獨的復位狀態位。

3.3 數字I/O引腳的配置

MPC5644A的I/O引腳豐富，大部分的端口都具有數字I/O的功能，每一個引腳都具 有以下單獨的寄存器：SIU_PCRx、SIU_GPDOx、SIU_GPDIx。通過寫入數據輸出寄存器的最低位與讀入數據輸入寄存器的最低位可以設置這些引腳的邏輯電平。

3.4 片內外設的初始化

芯片復位后所有的片內外設都會被激活， 可通過關閉一些不需要的模塊來降低功耗。 除了ETPU、SCI、Flash和NPC這些外設模塊需要特殊處理外，其它模塊的使能位都是 MCR寄存器的MDIS位，該位默認為0，需要 禁用某個模塊，只需要對該模塊相應的MDIS 位置位即可。

4PEMFC溫度模糊預測控制系統仿真

一般的常規控制首先都要對被控系統建立精確的數學模型。但是在很多現實情況下被控系統的精確數學模型都比較難以建立， 比如質子交換膜燃料電池就屬于一個比較復雜的系統，對于類似的這種被控系統往往不能用清晰的物理公式或化學反應式來進行解釋，這一類系統會受到很多的因素的影響，并且這些因素之間又存在相互的聯系，使其模型非常的復雜化。模糊控制理論與技術就是基于這種情況而產生的。由于PEMFC溫度控制系統的復雜性，采用模糊控制理論對溫度系統進行模糊建模可以避開PEMFC的物理或化學規律，是一種有效的建模方法。

預測控制通常是指模型預測控制（MPC-model predictive control）。預測控制系統的結構主要是由參考軌跡、預測模型、滾動優化和在線校正這幾個部分組成。其基本原理如下所述。

基于模型的預測：預測未來有限步（有限時域）的模型輸出；

反饋校正：用檢測到的輸出誤差即時修正模型預測輸出；

滾動優化：將校正后的預測輸出與參考信號進行比較，在各種約束條件下（如對控制量、輸出等），計算控制量，使未來有限時域的預測輸出誤差最小。

本課題采用一種基于模糊控制模型的預測控制算法，有效的對燃料電池構建模型進行溫度控制，以適應本系統復雜的工作環境，取得良好的綜合控制效果，增強系統的穩定性。

Y（K）=[y（k-1），y（k-2），y（k-3）]，U（K）=[u（k-1），u（k-2），u（k-3）]T，將模糊模型轉化為模糊狀態模型如下：

R1： if y（k-1） is B1 and u（t-3） is A1，then Y（K+1）=C1Y（K）+D1U（K）

R2： if y（k-1）is B2 and u（t-3） is A2，then Y（K+1）=C2Y（K）+D2U（K）

R3： if y（k-1）is B3 and u（t-3） is A3，then Y（K+1）=C3Y（K）+D3U（K）

選取控制時域Nu=3，預測時域N=5選擇多步線性化方法，控制器參數選擇為優化矩陣R=diag[0.1，0.1，0.1]，Q=diag[1，1，1]，

模糊預測控制與傳統的PID控制的控制效果進行比較，模糊預測控制響應更快，控制效果更好。

5 結束語

本設計與實際應用相結合，利用高性能 的MPC5644A芯片，輔以各種傳感器來組成燃料電池電堆的控制系統。在此燃料電池電堆控制系統的基礎上，通過高可靠性的設計與模糊預測控制算法調試，實現了對燃料電池電堆的智能控制。

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