一種汽車電子控制系統的設計

王秋梅

(煙臺汽車工程職業學院 車輛工程系， 煙臺 264000)

0 引言

隨著汽車生產市場競爭日漸激烈，消費者對汽車的性能及成本要求更高。在新型汽車電動助力轉向系統中控制器是研究的重點，為滿足實際需求轉向系統需具備極高的安全性和實用性，這就對系統的軟硬件功能及控制策略等提出更高的要求。傳統的控制系統主要由開發人員手工編寫軟件實現，增加了調試難度，控制精度較低，汽車電子控制系統能夠在節約成本、降低油耗的基礎上對高、低速時不同的轉向力感進行更好的調節和控制[1]。

1 自動代碼生成環境配置

當前的汽車電控方法都存在一定的不足，例如：為獲取穩定范圍通過汽車側偏角控制和橫擺角速度間的相平面，進而對車輛進行控制，車輛內部因素和外界環境因素易對此種方法產生較大的干擾，導致控制偏差較大；制定車輛側滑速度的預測策略，通過車輛動力學波動情況定位車輛穩態輸出，此種方法需運行的車輛具備較高的穩定性，控制精度不高；依據輪胎和汽車動力性試驗的控制方案，汽車的控制質量的增強通過直接橫擺力矩實現，此種方法控制過程的復雜程度較高，控制效率低。

本文對汽車電子控制系統進行設計時使用了MPC5634M單片機系列(飛思卡爾公司)的處理芯片，為實現控制系統軟件代碼生成環境的開發，需先對該芯片的自動代碼生成環境及不同功能的驅動模塊進行開發，開發人員在Matlab平臺中修改系統的底層TLC文件時可使用平臺的Embedded Coder功能塊提供的服務，實現用戶自定義代碼的直接生成。由于Matlab中沒有同該芯片對應的驅動模塊，通過S-Function函數設計單片機的驅動模塊，具體使用Inlined S-Function完成編寫，在自動生成代碼情況下，該函數產生相關的代碼和注釋需面向該模塊編寫的TLC文件，TLC文件與各S-Function模塊對應配置，將模塊的底層驅動代碼寫入TLC文件內。自動代碼生成過程中為保證設計的S-Function模塊符合系統需求，將C-MEX S-Function 內的代碼用TLC文件內的代碼替換，在自定義底層C代碼獲取的基礎上(依據用戶需求)，通過編譯器將其下載到目標硬件中，底層文件編寫示意圖如圖1所示[2]。

2 系統設計

2.1 硬件電路設計

汽車電子控制系統控制策略的運行需以系統硬件電路為載體，系統硬件電路由控制電路板和驅動電路板構成，系統硬件電路的工作原理為：外部信號(包括方向盤扭矩、車速、電機電流和電壓及發動機等信號)通過汽車電子控制系統進行提取及濾波后，轉變為數字信號輸入單片機中按照相應的控制方法進行運算，并完成控制信號的輸出，在此基礎上通過驅動電路的使用實現對電機的合理控制。系統硬件結構圖的基本結構如圖2所示[3]。

圖1 文件編寫示意圖

圖2 汽車電子控制系統硬件結構圖

2.2 信號采集電路的設計

控制核心部分使用的MPC5634M單片機(飛思卡爾公司生產)集成了FLASH和RAM存儲空間，供電在4 V以上，主頻為70 MHz，控制板上的外部10 V供電模塊可由其調整為4 V。汽車電子控制系統電流信號的采集主要通過電阻方法實現，采集到電阻樣本后，將其加入到電機電路中，電阻樣本中的電壓經過RC濾波器和限壓二極管處理后，系統在工作過程中，通過信號放大器完成電阻樣本降壓獲取產生的真實電流數據情況。電壓信號在單片機的A/D采集模塊中通過分壓/限壓二極管和π型濾波器完成相應處理后，進而使控制系統完成電機電壓值和母線電壓值的采集，再采用變增益PI控制策略實現控制分析的過程[4]。

2.3 驅動控制電路的設計

電路的預驅動器選用的是 MC33883，其中的H橋驅動電路包括4個MOSFET，減小了電路板的面積，同時使成本得以顯著降低，驅動運轉能力較大，能夠兼容5～60 V范圍內的電壓，PWM 輸出值可達到120 kHz，具體的驅動控制電路如圖3所示。

3 汽車電子控制系統軟件實現

依據控制系統的自動代碼生成環境，為最大尺度提升控制系統軟件代碼的開發效率，采用了μC/OS-Ⅱ實時操作系統的軟件架構，先在 MPC5634M 芯片上完成μC/OS-Ⅱ操作系統的移植，從而有效融合Matlab自動代碼生成環境。在完成軟件開發環境設計的基礎上，采用模糊控制器根據變增益PID 控制策略完成控制系統中 PI 參數的調整[5]。

3.1 變增益PI控制模塊

在汽車電子控制系統中，關鍵控制算法即為助力電機電流對目標電流的跟隨控制算法，助力電機目標電流通過變增益PI控制方法的使用即可完成定位監測，變增益PI控制模塊中電流差值同P，I參數的關系通過Matlab模糊編輯器實現關系曲線的獲取，在模型中通過查表完成對P，I參數的實時調控。變增益PI控制模塊具體如圖4所示。

圖3 驅動電路

圖4 變增益PI控制模塊

3.2 控制系統控制邏輯設計

利用塑造的Simulink自動代碼生成環境，完成控制系統軟件模型的設計。將控制系統在μC/OS-Ⅱ操作系統中分為兩部分：控制任務和通信任務，控制任務是汽車電子控制實現的主要手段，其主要功能模塊包括信號采集、目標電流分析、電流定位、數據處理等，分別對控制任務和通信任務的運行周期進行設置，控制任務的為3 ms，通信任務的運行時間為8 ms，上位機通過CAN總線的反饋獲取系統內的信號周期性，從而實現及時監測總體汽車電子控制參數，具體的控制系統模型如圖5所示[6]。

圖5 汽車電子控制系統模型

通過信號線完成任務間的信號溝通，由Set Task Time控制任務運行時間，由Activate Task設置任務的使用權重及名稱，由Protected RT完成信號傳輸的同步。汽車電子控制系統中，其關鍵邏輯模塊包含在Control Logic模塊中。

4 系統測試及結果分析

4.1 自動代碼有效性檢測

為了對在汽車電子控制系統中應用自動代碼生成技術的有效性進行驗證，通過對比實驗：即比較本文設計的系統程序同手動移植的系統控制程序代碼數量的優劣，結果表明相比手動編寫方法，本文設計的控制系統算法調試難度較小，軟件開發效率較高，顯著提高了系統開發效率。

具體結果如表1所示。

表1 兩種軟件開發對比

為了在開發過程中對系統的控制策略進行驗證，本文完成了控制系統簡易試驗臺的設置，主要由轉向盤、蓄電池、助力電機與控制器構成，實時監控系統的參數情況。

4.2 結果分析

(1)電流階躍實驗結果

設定目標的電流值，電機助力轉向系統在固定好實驗裝置的方向盤后開啟，電流跟隨效果在固定PI參數條件下如圖6所示。

圖6 電流在固定PI參數下的跟隨效果

在0.5 s處電流的波動較大，此時難以通過高 P值定位電流，該方法用了約0.16 s完成目標電流的定位；用本文設計的PI控制策略完成實驗，實驗結果如圖7所示。

圖7 電流跟隨效果

電流值用時0.05 s到達目標電流，且相比之下電流節約了0.3 A左右，隨后電流值趨于平穩。說明本文方法可提高控制系統的動態響應效果。

(2)慢速轉向實驗

為對PI控制對電流穩定性的影響進行檢測，本文通過慢速轉向實驗完成，獲取緩慢轉動方向盤時的實時電流值，對比結果如圖8所示。

本文PI控制策略方法檢測出的曲線如圖9所示。

實驗結果表明相比固定PI參數情況下的電流跟隨效果，本文方法下實際電流值對目標的跟隨度較好，轉向平滑，且表現出更高的穩定性不良好。最終證明本文PI控制策略法具備良好的性能及效果，本文設計的控制系統在實際控制過程中的應用價值較高。

圖8 固定PI參數電流跟隨效果

圖9 本文方法下電流跟隨效果

5 總結

為提高汽車電子控制系統的自動化程度，本文主要對自動代碼生成技術在汽車電子控制系統中的應用進行了研究，據此設計并實現了汽車電子控制系統，自動代碼生成環境的開發主要通過Matlab平臺實現，并對汽車電子控制器(以 MPC5634M芯片為控制中心)硬件電路進行設計，介紹了電路中各模塊的設計原理。通過在Matlab下的自動代碼生成環境中嵌入實時操作系統(μC/OS-Ⅱ)，完成汽車電子控制系統軟件模型的開發，檢測結果表明，該系統的軟件代碼開發效率好高，在實際控制過程中表現出了較高的穩定性和阻力效果。