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1、基于DSP的混合动力公交车整车控制器系统设计串联式/混合动力/总成控制器/DSP1 引言具有高精度、高速度、高可靠性的混合动力电动汽车整车控制器(HCU,hybridelectricvehiclecontrol unit)是实现HEV整车控制的基础[1]。微控制器(MCU,micro-controllerunit)作为电控单元(ECU)的核心,其功能日趋复杂化,嵌入式、高精度的高速MCU已成为汽车动力系统的发展趋势[2]。TMS320LF2407A是TI公司生产的一种定点DSP芯片,由于其灵活性高、精度高、可靠性和可重复性好、电磁干扰影响小等特点,我们
2、在串联式混合动力公交车的整车控制器的设计上采用了这款处理芯片[3][4]。2 串联式HEV及其控制系统 串联式驱动系统的示意图如图1,发动机带动发电机发电,其电能通过电动机控制器直接输送到电动机来驱动汽车。发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的,当汽车运行工况变化,电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时,由控制器控制发电机向电池充电(吸收多余的电能),或使电池向电动机放电(协助发电机供电),电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。3 整车控制器的硬件设计3.1 DSP介绍及芯片的选择DSP(Digi
3、talSignalProcessing),称为数字信号处理技术,是将一种具有特殊结构的微处理器应用于各种信号处理上,并通过各种信号处理算法,满足系统的控制要求的技术。TI公司生产的TMS320LF2407A是一种定点DSP芯片,它采用增强的C2xx内核结构,代码与24x系列的芯片兼容。其主要的特点有:(1) 采用高性能静态CMOS技术,使供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗;(2) 30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns,从而提高了控制器的实时控制能力;(3) CPU是时钟频率可达40MHz;(4) 有三种通信接口,通信方式非常灵活;(5
4、) 丰富的片上资源等等。由于TMS320LF2407A的性能优异,我们就在整车控制器的设计上采用了这款处理芯片。3.2 DSP控制器硬件基本系统构成动力总成控制器的硬件实现是各个部分模块的结合,通过电路的组合可以将DSP主芯片和其他功能原件有机的组合起来,图2显示了各模块之间的拓扑关系以及各自实现的功能。以下将DCU的主要模块进行介绍:3.2.1 电源模块电动车控制系统的电源来源于车辆提供的24V直流电,但系统对电源的需求还包括各种外设、传感器、以及DSP本身需要的数字电源盒模拟电源,其中包括+5V,+3.3V和±15V。为了满足上述要求,我们采用了三
5、个DC/DC模块将输入的+24V电源转换,而为了简化系统设计,传感器所需的电源也是从控制器输出的。其原理模块图如图3所示:3.2.2 复位和时钟模块微处理器的复位一般包括三种情况,上电复位、信号复位和系统运行监视复位。为了保证DSP系统的正常工作,我们采用IMP811为电压监视的复位电路。该芯片可以保证,当系统上电,芯片给出复位信号直到电源电压到达3.3V并达到一定的延时,从而保证系统可靠的复位使系统启动时不至于跑飞;当系统电压不稳定,电源电压下降但低于3.08V并保持140ms时,重新复位DSP以保证程序的稳定;需要手动复位时可直接按压RESET按钮
6、。控制系统的时钟决定了DSP的你工作速度,由于高频信号会产生大量的射频干扰,通过使用适当频率的晶振可以在系统工作速度和输出辐射之间找到最优点。为了系统的稳定,我们采用了20M的有源晶振原件,晶振部分设计也比较简单,只要将1脚空置,2脚接地,4脚加3.3V电源,就可以在3脚去的稳定的振荡波形。3.2.3 A/D和D/A接口处理电路LF2407内部提供了16路的10位精度A/D转换模块,由于该模块电压测量范围为0-+3.3V,而通过电压和电流传感器传出的模拟电压信号的电压范围是+10-10V。所以我们采用外扩A/D模块的方法进行模拟量采样。对于D/A模块,
7、我们使用的是宽电压输出芯片DAC7724,如图5所示,这是一款4输出D/A芯片,12位数字精度。可以对输出的柴油机油门等模拟信号进行精确控制。另外,DAC7724的电压建立时间为10us,输出电压的速度可以满足系统的实时性要求。由于D/A芯片输出模拟电压的携带负荷能力有限,我们在D/A的输出端使用了运算放大器进行电压跟随,这样可以让模拟控制信号在信号传输途中的衰减降到最低。3.3 EMC设计在汽车电子环境中,HCU会面临来自多方面的干扰,包括电源噪声、各种功率执行器产生的瞬变脉冲电压、电磁波信号发射等,这对系统的可靠性会产生非常不利的影响。为了提高控制
8、系统的工作可靠性和耐久性,就必须在硬件系统设计阶段采取相应的措施以提高其抗干扰能力。电磁兼容性
