基于大學(xué)生方程式賽車整車控制器的開發(fā)

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 張 奎 吳其林 張愛武 黃嘯林 李遵義

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基于大學(xué)生方程式賽車整車控制器的開發(fā)

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 張 奎 吳其林 張愛武 黃嘯林 李遵義

【摘要】良好的車輛的操縱穩(wěn)定性是參賽賽車能夠在大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）中取得順利的關(guān)鍵，因此針對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的賽車整車控制器的開發(fā)就尤為重要。區(qū)別于傳統(tǒng)的乘用車的整車控制器，大學(xué)生方程式賽車的整車控制器的功用主要是滿足車輛的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性，對(duì)其他性能則相對(duì)忽略。因此大學(xué)生方程式賽車的整車控制器相對(duì)較簡單，其中方程式電動(dòng)賽車的整車控制器要求滿足能接收電子油門信號(hào)，與電機(jī)控制器和電池之間進(jìn)行CAN通訊，并進(jìn)行相應(yīng)的控制，能滿足制動(dòng)可靠性，車輛行駛穩(wěn)定性，控制的準(zhǔn)確性即可。

【關(guān)鍵詞】方程式賽車；控制器；CAN通訊；穩(wěn)定性

引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽[1]。

目前我國在方程式賽車上的整車控制器開發(fā)上與國外還有較大差距，像國外以斯圖加特大學(xué)為代表的一類大學(xué)，由于這類大學(xué)的電車用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此他們開發(fā)的整車控制器不僅僅單純的控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出，還要做到電子差速，對(duì)整車控制器的穩(wěn)定性有更高的要求，而且其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。就國內(nèi)看來目前僅有上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)等幾所名校在開發(fā)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的整車控制器，其他的主要有兩種形式，一種是比較簡單直接的通過電子油門直接控制電池放電電流，進(jìn)而控制電機(jī)控制器從而輸出轉(zhuǎn)矩使賽車移動(dòng)；另一種是同時(shí)可以與電池、電機(jī)控制器進(jìn)行通訊進(jìn)而根據(jù)駕駛員意圖控制轉(zhuǎn)矩輸出的整車控制器，這種控制器相對(duì)來說控制水平更加穩(wěn)定，整車控制器需要具有運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，反應(yīng)靈敏等要求，其結(jié)構(gòu)相對(duì)來說復(fù)雜，是保證整車各部件正常工作的必要條件。鑒于此，開發(fā)可以滿足方程式賽車規(guī)則的整車控制器也尤為必要。

本文主要介紹具有激活電池管理系統(tǒng)（BMS）、接收分析電子油門的信號(hào)，與電池管理系統(tǒng)（BMS）和電機(jī)控制器進(jìn)行通訊，同時(shí)判斷制動(dòng)信號(hào)和油門信號(hào)再控制輸出轉(zhuǎn)矩輸出等功能的一款滿足方程式賽車規(guī)則的整車控制器。

1 總體設(shè)計(jì)方案

圖1 穩(wěn)壓模塊

整車控制器由主芯片，穩(wěn)壓模塊，獨(dú)立CAN控制模塊，CAN收發(fā)模塊，輸出控制模塊等部分組成。由方程式賽車小電池組降壓供電。整車控制器布置于方程式賽車前環(huán)附近，這樣布置即可以減少電池及電機(jī)控制器之間大電流放電產(chǎn)生的電磁干擾，又靠近角度傳感器和LCD，布線相對(duì)簡單。其工作過程可分為啟動(dòng)和控制運(yùn)行兩個(gè)階段，其工作原理是當(dāng)整車控制器接收到啟動(dòng)按鈕的信號(hào)，便開始鳴笛并同時(shí)激活電池管理系統(tǒng)（BMS），整車控制器隨時(shí)接收來自電子油門和制動(dòng)器的信號(hào)并加以分析判斷來輸出轉(zhuǎn)矩。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)壓模塊

由于方程式賽車需要以小電池作為啟動(dòng)電源，一般小電池電壓選在12V，但是整車控制器的工作電壓為5V，這就需要進(jìn)行降壓處理，同時(shí)為了使整車控制器更加穩(wěn)定的工作也需要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓和濾波電路。本文介紹的穩(wěn)壓電路分兩級(jí)采用了三端穩(wěn)壓管78M09BDT和78M05BDT，并配有單向電容器，電容器加以濾波。由于78M09BDT更耐高壓，經(jīng)過78M09BDT穩(wěn)壓后，78M05BDT可以處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。其中5V穩(wěn)壓電路如圖1所示，圖1中12V的電壓來自電車的安全回路，通電時(shí)經(jīng)過單向電容C1和電容C2濾掉一部分干擾諧波，經(jīng)過78M09BDT后電壓降為9V,同樣經(jīng)過后面的兩個(gè)電容C3和C4又濾掉一部分干擾諧波，再經(jīng)過78M05BDT之后電壓即降為5V,此時(shí)再經(jīng)電容C5濾波即可得到相對(duì)穩(wěn)定的5V直流電輸出。

2.2 主芯片模塊

本文采用的主芯片模塊是ATmega16L-8AC，ATmega16L-8AC是一款8位嵌入式微控制器，帶有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，其工作電壓為2.7V-5.5V，運(yùn)算速度為8MHZ，可以滿足賽車使用要求，其I/O口數(shù)雖然為32，但是可以通過擴(kuò)展來滿足要求。由于ATmega16其內(nèi)部沒有自帶CAN控制器，所以要搭配一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器。其中主芯片的電路圖如圖2所示，LCD通訊信號(hào)，兩路來自油門角度傳感器的信號(hào)，BMS 啟動(dòng)信號(hào)，制動(dòng)燈信號(hào)，制動(dòng)可靠性回路信號(hào)都分別接入了主芯片模塊，主芯片通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析判斷從而輸出正確的各路信號(hào)。

圖2 主芯片外接電路

2.3 微控制器模塊

SJA1000是一種I/O設(shè)備基于內(nèi)存編址的微控制器，整個(gè)電路中最重要的芯片之一。其中AD0-AD7為SJA1000進(jìn)行通信的并口，RX0和TX0是CAN的通信口。在整車控制器中，采集油門踏板和制動(dòng)的信號(hào)工作由SJA1000來完成，電子油門的雙路信號(hào)直接輸入到SJA1000的通信并口，采集作為監(jiān)測信號(hào)，對(duì)比制動(dòng)踏板信號(hào)并能夠同時(shí)根據(jù)電池狀態(tài)發(fā)送電機(jī)功率的調(diào)整指令，從而輸出正確的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。SJA1000外接電路如圖3所示。

圖3 SJA1000外接電路

圖4 BMS激活電路示意圖

2.4 激活BMS模塊

根據(jù)方程式汽車大賽的要求，僅閉合安全回路時(shí)，賽車不允許進(jìn)入待駛狀態(tài)，即BMS不可以直接由安全回路激活，因此BMS需要設(shè)立一個(gè)專門的啟動(dòng)按鈕，當(dāng)按下按鈕時(shí)，一個(gè)12V的高電平信號(hào)會(huì)激活BMS。本文介紹設(shè)計(jì)的BMS激活電路如圖4所示，從圖4可以看出，使用場效應(yīng)管將單片機(jī)的5V信號(hào)放大，同時(shí)接電源端采用多個(gè)電阻并聯(lián)的形式以滿足激活BMS時(shí)有足夠的驅(qū)動(dòng)電流。

2.5 制動(dòng)啟動(dòng)

賽車對(duì)于啟動(dòng)部分的設(shè)計(jì)的要求是踩下制動(dòng)的同時(shí)按啟動(dòng)按鈕賽車才能進(jìn)入待駛狀態(tài)，這樣可以避免在按下啟動(dòng)按鈕時(shí)程序出現(xiàn)紊亂電機(jī)突然發(fā)力使賽車沖出去的情況。所以單片機(jī)除了接收制動(dòng)踏板的信號(hào)，還要接收啟動(dòng)按鈕的開關(guān)信號(hào)。因此本文采用的制動(dòng)啟動(dòng)的上拉電阻線路，按鈕的一端接地，另一端接STAR_BUTTON，未按下時(shí)STAR_BUTTON腳為高電平，按下時(shí)按鈕時(shí)被拉到地，為低電平。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

在大學(xué)生方程式汽車大賽中，整車控制器的主要工作是接收電子油門的兩路角度傳感器信號(hào)，通過計(jì)算分析與相應(yīng)的邏輯控制轉(zhuǎn)矩的輸出。整車控制器系統(tǒng)控制流程如圖5所示，當(dāng)安全回路接通時(shí)，系統(tǒng)開始上電，當(dāng)整車控制器檢測到制動(dòng)踏板踩下并按下啟動(dòng)按鈕時(shí)開始程序的初始化，即此時(shí)整車處于待駛狀態(tài)，在賽車運(yùn)行過程中整車控制器需要同時(shí)檢測來自電子油門的兩路信號(hào)和制動(dòng)的一路信號(hào)，如果只檢測到油門信號(hào)則輸出轉(zhuǎn)矩，但只要檢測到制動(dòng)信號(hào)到一定強(qiáng)度便立即中斷轉(zhuǎn)矩的輸出。其中電子油門的兩路角度傳感器信號(hào)偏差不允許超過10%踏板行程，超過時(shí)整車控制器即需要切斷電機(jī)動(dòng)力輸出。接收油門的角度傳感器信號(hào)同時(shí)，整車控制器還需要解析制動(dòng)踏板的位移傳感器信號(hào)。當(dāng)電子油門的行程超過25%，只要踩下制動(dòng)踏板整車控制器即需要中斷動(dòng)力輸出；當(dāng)電子油門的行程在5%以內(nèi)時(shí)，動(dòng)力才可以輸出。此外，整車控制器還需要與電池進(jìn)行通訊，控制電流的輸出，防止電池放電倍率過大燒壞電池以達(dá)到保護(hù)電池和電機(jī)控制器的目的。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

FSAE電動(dòng)賽車是一種專為比賽而設(shè)計(jì)制作的賽車，由于是競賽式比賽，所以控制器的可靠性與穩(wěn)定性是最重要的，其追求的功能不在于多，而在于穩(wěn)定控制以順利完賽。因此其在加速，剎車，操縱性方面都要求有優(yōu)越的操作性和穩(wěn)定性。本文介紹的整車控制器是基于方程式賽車規(guī)則開發(fā)的，該整車控制器在保證賽車良好的加速性和操作穩(wěn)定性的同時(shí)，也能使賽車靈敏度有較大提高。雖然其功能較為簡單，但其目的是以最準(zhǔn)確最可靠的狀態(tài)采集油門和制動(dòng)信號(hào)來控制輸出轉(zhuǎn)矩，是賽車正常工作的必要條件。

參考文獻(xiàn)

[1]2015FSC&FSEC CHINA Rules（Final）20150119

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