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基于CCP協(xié)議的純電動車整車控制器標定研究

2020-05-04 23:08:17·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：汪春華  
　
本文中設計了基于控制器局域網(wǎng)標定協(xié)議（CAN calibration protocol，CCP）的純電動車VCU標定系統(tǒng)，研究了核心控制策略，針對控制策略利用CAN總線快速傳輸數(shù)據(jù)的
本文中設計了基于控制器局域網(wǎng)標定協(xié)議（CAN calibration protocol，CCP）的純電動車VCU標定系統(tǒng)，研究了核心控制策略，針對控制策略利用CAN總線快速傳輸數(shù)據(jù)的特性，對VCU進行有效的監(jiān)控和標定，驗證了VCU的各項性能。
 
1 CCP協(xié)議
1.1 通信方式
CCP是基于CAN的應用層協(xié)議，CAN總線通信速率最高為1 Mbps，且每幀報文可緩存8個字節(jié)數(shù)據(jù)，故通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)實時性好。采用主從通信模式，上位機標定工具作為主設備，可以連接多個控制器從設備。但任意時刻，只允許一個從設備與主設備進行通信，需要斷開與當前控制器的連接，才能建立與其他控制器的通信。基于該CCP協(xié)議可隨機讀取控制器中 RAM和 ROM數(shù)據(jù)，進行FLASH編程來測量和標定數(shù)據(jù)。
1.2 消息對象
使用命令接收對象CRO（command receive object）和數(shù)據(jù)發(fā)送對象 DTO（data transmit object）兩條報文完成信息交互。CRO報文用于上位機向控制器傳輸命令，DTO報文用于控制器反饋給上位機應答數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮誄RO后，會響應DTO報文。根據(jù)ID不同可將DTO分為3類：ID＝255的CRM（command return message）是 VCU反饋給上位機CRO命令的執(zhí)行情況；ID＝254是VCU檢測到內(nèi)部發(fā)生錯誤時，向上位機報告其運行狀態(tài)，并請求暫停當前任務以處理錯誤；ID＝0－253用在DAQ模式（data acquisition command）中，由從設備組織周期性向主設備發(fā)送。
1.3 工作模式
CCP協(xié)議規(guī)定了查詢（Polling）和數(shù)據(jù)獲?。╠ata acquisition，DAQ）命令兩種工作模式。Polling模式是上位機發(fā)送CRO命令，VCU接收該命令后再反饋，兩者之間不斷交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)簡單、占用資源小，但效率較低。DAQ模式不需要請求，VCU自主按照一定周期向CANape上傳數(shù)據(jù)，通信效率高，但過程復雜，且數(shù)據(jù)較多時會占用較大的空間。
2 整車控制器的控制策略
VCU作為整車的核心主控制器，通過采集加速踏板行程等信號并由總線與控制器進行信息交互，來處理接收的信息以判斷整車狀態(tài)，并輸出指令協(xié)調(diào)各控制器，實現(xiàn)整車的加電、斷電、擋位切換、駕駛驅(qū)動、能量回饋和故障處理等功能。
2.1 整車加電、斷電策略
只要出現(xiàn)斷電重新連接電源、鑰匙切換至非OFF擋、通信網(wǎng)絡上檢測到CAN信號任意一種情況，就執(zhí)行低壓加電策略進行自檢。未處于高壓電時，檢測到OFF擋或無網(wǎng)絡管理報文，才允許進入低壓斷電處理。
電池管理系統(tǒng)和VCU共同控制高壓繼電器，以滿足高壓負載的加電、斷電需求，同時通過高壓連接互鎖確認高壓插件的可靠連接。低壓加電成功的前提下，檢測到ON擋、插槍充電請求、DC／DC請求等高壓連接需求后，執(zhí)行高壓加電流程。檢測到鑰匙關(guān)閉、充電完成，執(zhí)行高壓斷電，然后執(zhí)行主動放電，放電結(jié)束后進入休眠狀態(tài)。
2.2 擋位切換策略
當鑰匙處于ON擋時，檢測由擋位執(zhí)行器發(fā)出的硬線信號。若請求擋位和當前目標擋位相同，表明不需要切換擋位；若不同，則根據(jù)制動踏板、車速和擋位等條件進行換擋判斷，解析得到當前擋位信號，并將其發(fā)送至其他控制器。
2.3 駕駛驅(qū)動策略
通過牽引電機逆變器將鋰離子電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并用該交流電操作牽引電機以產(chǎn)生牽引力。綜合考慮加速踏板行程、制動踏板行程、車速（或電機轉(zhuǎn)速）、電池狀態(tài)、電機狀態(tài)、擋位、轉(zhuǎn)矩限制信號，根據(jù)整車設計要求的踏板軟硬屬性要求制定的比例圖計算得出目標轉(zhuǎn)矩命令請求［5］，通過該信號驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，通過模式指令控制電機旋轉(zhuǎn)方向。
若檢測到加速踏板和制動踏板信號同時有效，則制動功能優(yōu)先，僅響應制動請求。若判斷車輛充電連接線為連接狀態(tài)，則禁止車輛驅(qū)動。一旦觸發(fā)高壓斷電流程，無論條件是否滿足，均須快速將轉(zhuǎn)矩降到0。
2.4 能量回饋策略
車輛滑行或減速制動時，根據(jù)擋位、車速、制動踏板、加速踏板、電池、制動防抱死系統(tǒng)狀態(tài)等信息計算目標轉(zhuǎn)矩，并將其發(fā)送至電機控制器。此時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，在保證滑行或制動需求的基礎上，最大程度地將能量回饋給蓄電池，以延長行駛里程。
2.5 故障處理策略
各控制器負責檢測自身故障并上報故障等級，整車故障分為無故障、輕微故障、一般故障、嚴重故障和重大故障。發(fā)生故障時，根據(jù)故障等級協(xié)調(diào)整車故障處理，記錄故障并施行報警顯示、降功率保護和切斷高壓等保護措施。故障消除后，依據(jù)自身定義的故障恢復機制解除故障。
3 標定系統(tǒng)總體設計
為實現(xiàn)標定功能，設計了如圖1所示的標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由下位機VCU、CAN通信工具CAN-case和上位機CANape組成。上位機和下位機都集成了CCP驅(qū)動，故通過通信工具可相互解析。如今，CAN網(wǎng)絡廣泛應用于汽車中，大多數(shù)微控制器都集成了CAN模塊且可參與網(wǎng)絡通信，只要控制器支持CAN通信，通過集成CCP驅(qū)動即可使用該系統(tǒng)對其進行標定，具有較好的擴展性。
 
圖1 標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
CANape是用于測量、標定和診斷電子控制單元的工具［6］，可以使用多種窗口進行圖形化顯示、通信報文的跟蹤分析和數(shù)據(jù)的記錄與管理。A2L文件是工業(yè)標準文件，描述變量在控制器中的存儲地址、存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、限值和轉(zhuǎn)換公式［7］。設計VCU應用程序時，會根據(jù)需要為每個標定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)命名，如電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和制動回饋系數(shù)等。當需要訪問某個變量時，根據(jù)變量名即可在A2L文件中找到該變量的相關(guān)信息，通過指令對其進行讀取和修改。
3.1 硬件部分
VCU硬件平臺主要由單片機、單片機外圍、電源調(diào)理、數(shù)字與模擬輸入調(diào)理、低邊與高邊驅(qū)動和CAN通信模塊組成。選用英飛凌公司的XC2267M芯片作為主控芯片，處理速度快，片上和外設資源豐富，832 KB的FLASH存儲區(qū)和32 KB的RAM存儲區(qū)。內(nèi)部集成了CAN通信模塊，可直接收發(fā)數(shù)據(jù)。中斷節(jié)點多，采樣速率快，滿足系統(tǒng)喚醒需求且性能穩(wěn)定、功耗較低。
3.2 軟件部分
為高效管理復雜的軟件系統(tǒng)，采用模塊化方案設計了CCP驅(qū)動、CAN驅(qū)動和FLASH驅(qū)動程序，通過調(diào)用 I／O、時鐘、定時器、串口通信、ADC、看門狗和外圍芯片等基礎驅(qū)動程序訪問硬件實現(xiàn)各功能，提高程序的復用率和可移植性。
3.2.1 CCP驅(qū)動
CCP驅(qū)動由頭文件ccp.h、源文件ccp.c和配置文件ccpar.h 3部分組成，通過調(diào)用CAN驅(qū)動程序收、發(fā)報文實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。ccp.h文件中包含了28條命令的宏定義，定義了相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，聲明了驅(qū)動的所有函數(shù)。ccp.c文件包含了DAQ處理模塊和命令處理模塊程序。首先進行初始化，解釋并執(zhí)行CRO命令，然后確認前一個DTO發(fā)送成功，再發(fā)送下一個DTO命令。DAQ模式下根據(jù)事件通道發(fā)送DAQ-DTO消息。ccpar.h是配置文件，通過更改配置實現(xiàn)不同的功能。定義ECU地址、CRO和DTO的ID標識符，匹配DAQ通信模式信息，配置可選命令等。
3.2.2 CAN驅(qū)動
CAN通信程序包括接收報文和發(fā)送報文兩部分。在主程序中發(fā)送CAN報文，采用中斷方式接收報文，可降低系統(tǒng)功耗。由于初始化時已經(jīng)設置了報文的ID等內(nèi)容，所以發(fā)送報文時，只需要按照通信協(xié)議，編輯準備發(fā)送報文的數(shù)據(jù)內(nèi)容，主程序以一定周期循環(huán)發(fā)送報文。由于設置了接收中斷，在中斷服務函數(shù)中接收報文，一旦相應的消息對象發(fā)生中斷，則從接收FIFO（緩沖區(qū)）獲取報文。
3.2.3 FLASH驅(qū)動
將數(shù)據(jù)寫入FLASH前，需要先給它解鎖，先擦除存儲區(qū)域，確定擦除完畢后即可寫入數(shù)據(jù)。為防止系統(tǒng)掉電后丟失標定參數(shù)信息，應將其存放在FLASH或ROM中，起始地址為0xE01000，VCU加電并初始化后，會將標定參數(shù)的初始值復制到RAM中。在標定工具中用來存放標定參數(shù)的RAM稱為Calibration RAM，起始地址為0xCBD000。標定工具修改該段RAM中的參數(shù)值，完成全部標定后，再將更新后的參數(shù)值統(tǒng)一復制回FLASH或ROM。標定區(qū)域地址映射程序如下：
 
4 實車標定
4.1 控制參數(shù)標定過程
使用CAN通信工具連接VCU與上位機，運行CANape軟件，新建項目工程文件。選擇CCP協(xié)議作為通信協(xié)議，配置網(wǎng)絡通道和波特率，導入VCU編譯生成的map文件，并根據(jù)該文件創(chuàng)建并編輯A2L文件。設置與VCU內(nèi)部軟件相同的主、從設備和ECU地址，然后測試主、從設備的連接情況。
在Trace窗口中監(jiān)控的通信報文如圖2所示。ID是43的報文為CRO報文，第0、1、2字節(jié)分別為測試命令05、命令計數(shù)值02和ECU地址00，其他字節(jié)無實際意義。ID是44的報文為DTO報文，第0、1、2字節(jié)分別為VCU反饋CRO命令的執(zhí)行情況FF、命令返回值00（代表無錯誤）和命令計數(shù)值02，其他字節(jié)無實際意義。圖2中的通信報文表明測試連接成功，已建立通信。
 
圖2 主、從設備測試連接的通信報文
根據(jù)VCU程序保護情況確定是否勾選Seed＆key和選擇相應的dll文件，定義需要測量或標定的變量，并將其與VCU內(nèi)部變量進行關(guān)聯(lián)。完成上述配置后，開始進行測量和標定。通過CANape軟件讀取RAM內(nèi)存儲的控制參數(shù)，按照需求進行修改，利用CAN總線傳送修改后的參數(shù)，最后將其存儲至FLASH中。
4.2 實車控制參數(shù)的標定
標定過程中，首先在不同模式下分別調(diào)整驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或回饋轉(zhuǎn)矩等單一控制參數(shù)，然后根據(jù)實際運行情況并行處理多個轉(zhuǎn)矩參數(shù)。對于轉(zhuǎn)矩限值等參數(shù)處理，則需要綜合考慮不同工況下的運行狀態(tài)，以提高標定的準確性。同時記錄、存儲實時數(shù)據(jù)，標定完成后，可使用存儲的數(shù)據(jù)進行離線分析。
4.2.1 驅(qū)動模式整車目標轉(zhuǎn)矩的標定
電機轉(zhuǎn)速 加速踏板行程-電機轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3所示。不同電機轉(zhuǎn)速和加速踏板行程下，根據(jù)該曲線可得到需求轉(zhuǎn)矩。再根據(jù)理論最大、最小限值和整車功率等條件進行修正，最后再取平均值得到目標轉(zhuǎn)矩。通過修改數(shù)據(jù)表對該曲線進行標定，優(yōu)化整車需求轉(zhuǎn)矩。更換電機時無需修改程序，直接通過標定更新該曲線即可。
 
圖3 電機轉(zhuǎn)速 加速踏板行程-電機轉(zhuǎn)矩特性曲線
加速特性測試曲線如圖4所示。擋位為N擋時，加速踏板信號有效，轉(zhuǎn)矩為0。擋位切換至D擋后，制動踏板無效時，隨著加速踏板行程的增大，電機轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩增大。轉(zhuǎn)矩達到最大值后，電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，直至當加速踏板釋放時又開始下降，轉(zhuǎn)矩逐漸減小。
 
圖4 加速特性測試曲線
4.2.2 滑行回饋、制動回饋模式下轉(zhuǎn)矩的標定
滑行和制動模式下的轉(zhuǎn)速 回饋轉(zhuǎn)矩特性曲線分別如圖5（a）和圖5（b）所示。不同電機轉(zhuǎn)速下，根據(jù)該曲線即可得到回饋轉(zhuǎn)矩。通過對該曲線進行標定，最大限度地回收能量。
 
圖5 轉(zhuǎn)速 回饋轉(zhuǎn)矩特性曲線
制動能量回饋測試曲線如圖6（a）所示。制動踏板有效時，轉(zhuǎn)矩迅速降至負值，進入制動能量回饋模式，電機轉(zhuǎn)速下降。滑行能量回饋測試曲線如圖6（b）所示，加速踏板行程下降至0時，進入滑行回饋模式，轉(zhuǎn)矩迅速降為負值，電機轉(zhuǎn)速下降，待轉(zhuǎn)速降至較小值后，轉(zhuǎn)矩緩慢上升恢復至0。整車駕駛驅(qū)動控制策略能準確響應駕駛員意圖，并在滑行和制動過程中回收能量。
4.2.3 不同工況的轉(zhuǎn)矩平滑處理
根據(jù)不同駕駛工況，分別對轉(zhuǎn)矩進行平滑處理，不同電機轉(zhuǎn)速下電機轉(zhuǎn)矩的最大、最小限值分別如圖7（a）和圖7（b）所示，通過標定滿足VCU的動力性、舒適性和經(jīng)濟性要求。
5 結(jié)論
 
圖6 滑行、制動能量回饋測試曲線
 
圖7 轉(zhuǎn)速-限值轉(zhuǎn)矩特性曲線
設計了VCU的控制策略，針對控制策略使用CANape軟件對VCU的轉(zhuǎn)矩等控制參數(shù)進行測量和標定，對不同工況的轉(zhuǎn)矩進行了平滑處理。經(jīng)過反復實車調(diào)試，VCU可較好地實現(xiàn)預期控制策略，運行穩(wěn)定、可靠，達到了性能要求?；贑CP協(xié)議的標定系統(tǒng)可實現(xiàn)對變量的快速準確監(jiān)控、基于地址的數(shù)據(jù)標定、FLASH編程和程序刷寫操作，能夠滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求，且具有較好的擴展性，縮短了VCU的開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。
 
 
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