基于AUTOSAR的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)

純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，同時(shí)，泛亞“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化”戰(zhàn)略的提出，使得未來(lái)車載汽車電子電氣架構(gòu)系統(tǒng)的開發(fā)越來(lái)越復(fù)雜。汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) AUTOSAR 代表的層次化、模塊化、平臺(tái)化技術(shù)則是汽車電子軟件開發(fā)的重要趨勢(shì)。在電動(dòng)汽車的三大電控系統(tǒng)中（電機(jī)控制、電池管理、整車控制），電機(jī)控制作為核心之一，其軟件架構(gòu)的研究設(shè)計(jì)對(duì)于汽車電控系統(tǒng)的開發(fā)有重要意義。本報(bào)告以電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為研究對(duì)象，以 AUTOSAR 開發(fā)架構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行探究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)過(guò)調(diào)制控制算法以及旋變軟解碼技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。

對(duì)于電機(jī)矢量控制而言，往往需要獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度，角度的測(cè)量常用的方法有磁性編碼器、光電碼盤、電渦流傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。其中，磁編碼器是基于磁阻效應(yīng)或霍爾效應(yīng)的軸角傳感器，輸出信號(hào)是基于轉(zhuǎn)子位置的正余弦函數(shù)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單魯棒性強(qiáng)，不受潮濕環(huán)境影響，但受高溫和氣隙限制；光電碼盤體積小，分辨率高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)速受限，最高可測(cè)轉(zhuǎn)速在 3000rpm 左右；電渦流傳感器靈敏度高，響應(yīng)速度快，受環(huán)境影響較小，但其精度有限；旋轉(zhuǎn)變壓器可靠性高，不同環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受溫度和振動(dòng)等因素影響，因此廣泛應(yīng)用于電梯、雷達(dá)、機(jī)載儀器等伺服系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出一組包含轉(zhuǎn)子位置信息的正余弦信號(hào)，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚拍艿玫较鄳?yīng)的轉(zhuǎn)子位置。對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出模擬信號(hào)的處理可以由專用的集成電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即 RDC電路，又稱為旋變解碼芯片，目前常見的有美國(guó) AD公司的 AD2S（AD2S1210）系列芯片以及日本多摩川公司的 AU6802系列芯片，它們可以產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)發(fā)送給旋變的激勵(lì)繞組，然后將返回繞組的模擬信號(hào)處理得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，以編碼器或 SPI 等形式輸出。除此之外，還有一種方法是利用 DSP和外圍調(diào)理電路產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)并對(duì)旋變輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、濾波等處理以及角度辨識(shí)算法得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。采用 DSP 對(duì)角度信號(hào)處理省去了專用的解碼芯片，極大地降低了開發(fā)成本。

常見的角度辨識(shí)算法有反三角函數(shù)法、標(biāo)定查表法、基于鎖相環(huán)的角度跟蹤觀測(cè)器法。其中，反三角函數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但引入了一個(gè)除法，一個(gè)反正切運(yùn)算，占用資源較多，而且不能利用整個(gè)輸出信號(hào)的波形；標(biāo)定查表法需要利用傳感器對(duì)旋變信號(hào)標(biāo)定，將旋變輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的角度值存儲(chǔ)起來(lái)，以供查表使用；基于鎖相環(huán)的角度跟蹤觀測(cè)器法包含二階角度觀測(cè)器和三階角度觀測(cè)器，二階角度觀測(cè)器法具有一定的濾波作用，提高抗干擾能力，能夠同時(shí)估算出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速值。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化（升降速）時(shí)，二階觀測(cè)器解算出的轉(zhuǎn)子位置角會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差，采用三階角度觀測(cè)器具有更好的瞬態(tài)檢測(cè)性能，常用于電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)。

傳統(tǒng)的電機(jī)控制，尤其在自動(dòng)化領(lǐng)域，軟件開發(fā)分層不明顯，軟件和硬件之間的嵌套關(guān)系耦合嚴(yán)重，這就使得軟件在開發(fā)過(guò)程中一旦遇到問(wèn)題和缺陷，難以確定問(wèn)題產(chǎn)生的原因在于硬件驅(qū)動(dòng)程序還是軟件算法設(shè)計(jì)，影響軟件開發(fā)效率，提高開發(fā)成本，同樣也會(huì)使軟件存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。AUTOSAR 是以軟件分層和模塊劃分的方式實(shí)現(xiàn)軟硬件分離的汽車開放式架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)軟件架構(gòu)劃分為應(yīng)用軟件層（APP）、基礎(chǔ)軟件層（BSW）和實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境層（RTE）。如下圖所示：

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，與電機(jī)控制功能相關(guān)的電機(jī)控制算法、電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)、安全監(jiān)控等功能可作為應(yīng)用程序與 AUTOSAR 架構(gòu)中的應(yīng)用軟件層相對(duì)應(yīng)，應(yīng)用軟件層中又將不同的功能模塊以軟件組件 SWC的形式進(jìn)行封裝，便于設(shè)計(jì)者的進(jìn)一步開發(fā)。基礎(chǔ)軟件層對(duì)應(yīng)于與電機(jī)控制相關(guān)的如控制器外設(shè)驅(qū)動(dòng)、通信服務(wù)和中斷服務(wù)等，將控制器硬件功能以模塊化進(jìn)行封裝，有利于其在不用硬件平臺(tái)間的移植。應(yīng)用軟件層與基礎(chǔ)軟件層之間的數(shù)據(jù)交流和服務(wù)調(diào)用則是通過(guò)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境層實(shí)現(xiàn)，RTE 相當(dāng)于虛擬功能總線，使得開發(fā)者在設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件時(shí)可以不必考慮底層硬件和通信網(wǎng)絡(luò)，專注于功能軟件的設(shè)計(jì)。下圖為本文對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī) ECU 軟件架構(gòu)的分層設(shè)計(jì)。下文將在此架構(gòu)的基礎(chǔ)之上對(duì)每層軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

電機(jī)控制算法SWC包含電機(jī)控制策略，本文采用的電機(jī)控制算法為磁場(chǎng)矢量定向控制FOC（Field Oriented Control，F(xiàn)OC），控制框圖如圖 2.4 所示，將此框圖進(jìn)行功能劃分不同層次，分別與應(yīng)用層 APP、基礎(chǔ)軟件層 BSW 和實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境層 RTE 的分層架構(gòu)相對(duì)應(yīng)。可以看出，分層架構(gòu)的劃分實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制軟硬件的分離，使得軟件開發(fā)者可以專注于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)而無(wú)需考慮硬件相關(guān)問(wèn)題。安全監(jiān)控 SWC 則是針對(duì)電機(jī)過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)等運(yùn)行實(shí)體的設(shè)計(jì)。后續(xù)若需要進(jìn)行功能的添加和升級(jí)只需要對(duì)相應(yīng)的軟件組件和運(yùn)行實(shí)體進(jìn)行添加和修改即可，從而可以避免由于軟件之間交叉耦合帶來(lái)的復(fù)雜性問(wèn)題。

應(yīng)用軟件層的設(shè)計(jì)是利用 Matlab/Simulink 環(huán)境建模，按照所設(shè)計(jì)的軟件組件及其運(yùn)行實(shí)體搭建模型，利用 Simulink/Configuration Parameters-Code Generation 進(jìn)行相應(yīng)配置生成軟件代碼，然后可在 Tasking 編譯器中將相應(yīng)的代碼文件添加到系統(tǒng)工程中。

基礎(chǔ)軟件層向應(yīng)用層軟件提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，包括外設(shè)驅(qū)動(dòng)服務(wù)、內(nèi)存管理服務(wù)、通信服務(wù)等，是連接應(yīng)用層與微控制器之間的橋梁。本系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)，其基礎(chǔ)軟件層結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.5 所示，包含外設(shè)驅(qū)動(dòng)、服務(wù)和通信等。其中，外設(shè)驅(qū)動(dòng)是將微控制器的各個(gè)功能外設(shè)進(jìn)行封裝，供開發(fā)者調(diào)用，如與電機(jī)控制相關(guān)的 PWM 驅(qū)動(dòng)、ADC 驅(qū)動(dòng)、CAN 驅(qū)動(dòng)、IO驅(qū)動(dòng)等；服務(wù)包括存儲(chǔ)服務(wù)以及與系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)的看門狗、定時(shí)器等；另外還包含與數(shù)據(jù)通信相關(guān)的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)等。

系統(tǒng)與電機(jī)控制相關(guān)的控制器外設(shè)模塊包括 CCU6、GTM、ADC、GPIO、ASCLIN等，主要用于實(shí)現(xiàn) PWM 驅(qū)動(dòng)、AD 采樣、IO 信號(hào)輸入輸出、通信等功能。其中，CCU6是一個(gè)具有特定應(yīng)用模式的16位高分辨率捕獲和比較單元，主要用于AC驅(qū)動(dòng)控制。特殊操作模式支持使用霍爾傳感器或反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的無(wú)刷DC電機(jī)。

此外，支持多相電機(jī)的塊整流和控制機(jī)制。它也支持同步啟動(dòng)幾個(gè)定時(shí)器，這是包含多個(gè)CCU6模塊的設(shè)備的一個(gè)重要特性。

永磁同步電機(jī)的控制需要六路 PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)三相逆變器，則可以利用定時(shí)器 CCU6 的多路定時(shí)器T12輸出模塊生成三相六路中心對(duì)稱的 PWM 波。另外，為滿足三相電流的同步采樣，還需一個(gè)定時(shí)器作為同步觸發(fā)信號(hào) Trigger 來(lái)觸發(fā) AD 采樣，這樣CCU6 模塊一共需要T12、T13兩個(gè)定時(shí)器。

VADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含 8 個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)轉(zhuǎn)換單元含有 8 個(gè)輸入采樣通道，AD采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 1μs。在電機(jī)控制中，三相電流需進(jìn)行同步采樣，而 VADC 模塊的同步轉(zhuǎn)換功能可支持多達(dá)四個(gè)采樣通道的同步轉(zhuǎn)換。因此，可利用 VADC 的轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行同步采樣轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的同步采樣。同時(shí)，AD 采樣頻率也要與 PWM 頻率一致，采用硬件觸發(fā) AD采樣可以降低軟件開銷，減輕 CPU 負(fù)載率，則可利用上文 T13設(shè)計(jì)中預(yù)留的 Trigger作為觸發(fā)信號(hào)觸發(fā) AD 采樣。

底層驅(qū)動(dòng)軟件為 TC297 各個(gè)外設(shè)功能模塊的寄存器配置以結(jié)構(gòu)體和功能函數(shù)的形式進(jìn)行封裝，從一個(gè)定時(shí)器到三相驅(qū)動(dòng) PWM 波的產(chǎn)生，都可以通過(guò)手動(dòng)編寫寄存器實(shí)現(xiàn)，把相關(guān) PWM輸出的寄存器配置以結(jié)構(gòu)體和功能函數(shù)的形式進(jìn)行封裝，供開發(fā)者調(diào)用，通過(guò)調(diào)用 CCU6 模塊PWM 配置的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)賦值，如頻率、死區(qū)時(shí)間、互補(bǔ)通道對(duì)數(shù)等，即可完成對(duì)電機(jī)控制所需的 PWM 波配置。在進(jìn)行 AD 電流采樣配置時(shí)，利用 VADC 模塊初始化函數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì) AD 采樣的轉(zhuǎn)換單元和采樣通道的初始化配置，包括與電流采樣相關(guān)的同步轉(zhuǎn)換通道的設(shè)置以及 AD 采樣結(jié)果中斷的設(shè)置。

我們將旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼工作封裝成一個(gè)CDD模塊，主要處理旋變解碼芯片的反饋數(shù)據(jù)結(jié)算工作。