基于双CAN总线的混合动力机动平台控制系统的制作方法

本发明涉及混合动力技术领域，特别涉及一种基于双can总线的混合动力机动平台分级化网络化控制系统。

背景技术：

混合动力车辆由两种以上储能器作为驱动能源，是一种新能源车辆。受电池技术发展的限制，混合动力驱动系统已成为新能源车辆的重要发展方向。混合动力车辆充分利用内燃机和电机驱动各自优点，具有高效率、低排放、动力足的特点。

现有的混合动力控制系统以分布式为主，分布式控制系统主要包括综合控制单元、发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统、驱动电机控制单元和驾驶员显控终端等子系统。现有分布式混合动力控制系统通常采用了单can总线网络结构，综合控制单元接收驾驶员操作指令，通过can总线向各子系统控制单元发送控制指令，各子系统执行控制指令，并通过can总线将状态信息反馈给整车控制器，同时整车控制器通过can总线将信号传输给驾驶员显控终端。状态显示信号和控制信号通过单一can传输，传输速率相同，传输信号多，难以同时满足车辆状态显示信息容量大和各分布控制系统快速实时控制的目的。

本发明中，低速can用于综合控制单元与驾驶员显控终端、发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统相连，满足传输平台状态信息用于显示和非实时控制系统要求，高速can用于综合控制单元与驱动电机控制单元相连，实现了对机动平台对后功率链的行驶实时控制，有效保证机动平台在越野路况下的动力性和机动性。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于双can总线的混合动力机动平台控制系统，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于双can总线的混合动力机动平台控制系统，包括：综合控制单元、发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统、驱动电机控制单元、驾驶员显控终端、发动机、发电机、电动机和动力电池；

综合控制单元通过can总线分别连接发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统、驱动电机控制单元和驾驶员显控终端；

综合控制单元、发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统和驱动电机控制单元以dsp为核心，构建can总线通信网络，实现信息交互。

发动机控制单元通过步进电机控制发动机油门开度从而控制发动机转速，发电机控制单元通过控制发电机的励磁电流控制发电机输出电压，动力电池组管理系统负责动力电池监测电池soc等状态信息，驱动电机控制单元控制开关磁阻电动机驱动平台，发动机与发电机机械连接，发电机经整流桥输出的直流电直接与动力电池、电动机直流母线相连接；

综合控制单元收集驾驶员的各种操作信息，根据驾驶员的操作和车辆当前的状态解析出驾驶员的意图。并根据发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统、驱动电机控制单元和驾驶员显控终端的反馈数据和当前车辆的运行状态进行协调，实现能量的分配管理及车辆驱动。

发动机控制单元用于接收综合控制单元发送的发动机-发电机组分配功率，根据发动机当前转速查表得到该转速下的最佳功率，两者比较后通过对转速的调节，使发动机工作在优化图谱附近。

发电机控制单元用于调节发电机输出电压，实现对动力电池的充放电控制和能量管理。

动力电池组管理系统用于控制动力电池及反馈数据。

驱动电机控制单元用于开关磁阻驱动电动机的控制。

驾驶员显控终端用于显示车辆模式和车辆状态。

进一步地，发动机控制单元接收can总线数据中的发动机-发电机组分配功率，采集发动机实际转速和母线电流信号，查出当前转速对应的最佳功率，综合计算步进电机脉冲，并把新的转速信号值与上一采样周期计算的脉冲数比较，大于该值则正转，反之则反转。为了防止调节过快引起发动机振荡，对每次调节步长进行了限制。

进一步地，发电机控制单元采集接收can通信接口传送的母线电压udc、电池电流ib和能量管理控制策略确定的动力电池分配功率pbattery_req，利用udc和ib计算出电池的实际功率，将其与综合控制单元发送的pbattery_req比较，经pid计算后，输出发电机的激磁电流，控制发电机输出电压(即母线电压)的大小，实现对动力电池充放电的控制与平台能量分配的管理。

发电机控制单元还设计了电池过流保护程序。发电机控制单元设置电池最大允许充电电流ib_0，接收母线电流值后，将其与ib_0相比较，如果高于该值，则使励磁电流变小，从而降低发电机输出电压，减少输出电流，达到保护电池的目的。

发电机控制单元还设计了母线电压限值流程。当检测到母线电压高于电池最高工作电压ub_max时(ub_max＝270v)，通过pid控制发电机输出电压保持为ub_max。

进一步地，驱动电机控制单元为了实现对开关磁阻电机的优化控制，根据电机转速的不同，采用了不同的控制模式：在低速运行时，固定开通角θon、关断角θoff，采用电流斩波控制；中速时采用电压pwm控制；高速运行时，改变开通角θon、关断角θoff，采用角度位置控制。

驱动电机控制单元采集电机转速信号，接收综合控制单元程序发送的母线电压、电流和电机的参考转矩，计算电机的平均转矩，给出参考电流值。根据电机速度的不同采用不同的控制算法：当电机转速低于800rpm时，采用电流斩波控制，当电机转速满足800rpm＜nm1＜1600rpm时，采用电压pwm控制，否则采用角度位置控制。

进一步地，综合控制单元需要采集操纵信号、以及接收发动机转速、车速、母线电压、电流、动力电池充放电电流的状态参数，经过解析和计算后，由控制策略确定发动机-发电机组和动力电池的功率分配信号，电动机的转矩或转速信号，并将控制信号通过can总线传送给各子系统控制单元，协调各子系统的工作，使平台按驾驶员意图运行。

此外，综合控制单元还负责协调控制电池的上电、控制igbt保护电路以及直流滤波电容预充电路的通断等。

进一步地，为了保护电池，综合控制单元设计了母线过压判断和电池过充过放检测流程。在母线过压判断流程中，当母线瞬态电压高于最高允许电压umax时(umax＝370v)，输出igbt导通信号，接入泄放电阻re。当母线电压低于umax但高于最高故障工作电压ub_max时，启动定时器，如果计时超过限定时间，输出igbt导通信号，否则igbt信号为截止。在电池过充过放检测流程中，当检测到电池soc过高时(soc＞80％)，调节母线电压，使其低于电池电压，防止电池过充，当电池soc过低时(soc＜20％)，提高发动机功率和母线电压，对动力电池进行充电，防止电池过放。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

实现了对机动平台前功率链的能量分配控制和对后功率链的行驶控制，有效保证机动平台在越野路况下的动力性和机动性，并有效提高了机动平台的燃油效率。

附图说明

图1是本发明实施例混合动力机动平台控制系统结构框图；

图2是本发明实施例混合动力机动平台控制系统网络结构图；

图3是本发明实施例发动机控制单元框图；

图4是本发明实施例发动机控制流程图；

图5是本发明实施例发电机控制单元框图；

图6是本发明实施例发电机控制单元流程图；

图7是本发明实施例驱动电机控制单元结构图；

图8是本发明实施例驱动电机控制单元流程图；

图9是本发明实施例综合控制单元结构图；

图10是本发明实施例综合控制单元辅助电路图；

图11是本发明实施例综合控制单元流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

1.混合动力机动平台基本情况

小型混合动力机动平台控制系统主要包括综合控制单元、发动机控制单元、发电机控制单元、动力电池组管理系统、驱动电机控制单元和驾驶员显控终端等子系统，各子系统控制单元以dsp为核心，并构建can总线通信网络，实现各子系统的信息交互。其中，综合控制单元为整车控制系统的核心控制单元，它根据各子系统控制单元的反馈数据和当前车辆的运行状态协调各子系统，实现能量的分配管理及车辆驱动。其他控制单元根据综合控制单元发送的信息对相应部件进行控制。平台控制系统结构图如图1所示。

2.混合动力机动平台综合控制总体方案

混合动力机动平台采取分布式网络化控制，实现控制系统的拓扑分离和功能分离，拓扑分离使得物理结构上各电控部件分布在车辆不同位置，减少相互之间的电磁干扰，功能分离使得各电控部件功能相对独立，减少相互影响并且提高容错能力。

图2为平台控制系统示意图，由三级网络组成，实现分级网络化总线管理和控制。其中低层为执行层，由部件控制器和其执行单元组成，其任务是正确执行中间层发送的信息，执行对各个部件的直接控制，并且有一定的自适应和极限保护功能；中间层是协调层，其核心是综合控制单元，它一方面根据驾驶员的各种操作和车辆当前的状态解析出驾驶员的意图；另一方面根据执行层的当前状态，作出最优协调控制，协调层对通信速率与可靠性要求非常高，因此采用高速can总线；上层是组织层，通过can总线与显控终端进行通信，实现电传动状态信息的显示，方便驾驶员对车辆的操作。

各子系统控制单元及综合控制单元全部采用数字控制，在设计过程中考虑到通用性、实用性和功能可扩展性等因素，所有子系统均以dsp2808为最小核心电路为基础，辅以相应的外围电路构成。在器件选型方面，考虑到子系统功能差异、设计的通用性和系统互连的一致性，所有子系统控制单元均采用同类主控器件。

2.发动机控制单元设计与实现

发动机控制单元的主要功能是接收综合控制单元发送的发动机-发电机组分配功率，根据发动机当前转速查表得到该转速下的最佳功率，两者比较后通过步进电机带动齿杆控制发动机油门开度实现对转速的调节，使发动机工作在优化图谱附近。发动机转速的采集利用霍尔传感器实现，发动机转轴每旋转一周，霍尔传感器发出6个脉冲，脉冲经过光耦隔离以及运算放大器放大后送到dsp，将其对应的最佳功率和综合控制单元给出的分配功率比较，经过pid运算，给出步进电机的控制脉冲和方向，控制油门开度大小，最终实现对发动机转速和输出功率的控制。由于发动机本身是大惯性系统，转速变化比较慢，为了提高系统响应速度，控制过程中引进负载电流的变化率做前馈。发动机控制单元框图如图3所示。

发动机油门的控制流程如图4所示，接收can总线数据中的发动机-发电机组分配功率，采集发动机实际转速和母线电流信号，查出当前转速对应的最佳功率，综合计算步进电机脉冲，并把新的转速信号值与上一采样周期计算的脉冲数比较，大于该值则正转，反之则反转。为了防止调节过快引起发动机振荡，对每次调节步长进行了限制。

3.发电机控制单元的设计与实现

发电机控制单元的主要功能是调节发电机输出电压，实现对电池的充放电控制和平台的能量管理。对输出电压的调节基于控制单元内部的稳压设计，具体做法为：在dsp中设定基准电压，采集发电机经整流后的输出电压与基准电压比较，产生脉宽调制波(pwm)，pwm波经过功率放大后驱动主功率管工作于开关状态，通过调节功率管的导通与关断时间，控制励磁电流的大小，保持调节点输出电压稳定。改变基准信号，发电机输出电压值也将发生改变。

控制单元本身具有保护功能，主要体现在当检测到励磁电流或母线电压过高时，保护电路控制主功率驱动电压为低，使功率管处于截止状态，发电机无励磁。控制单元本身具有保护功能，发电机控制单元框图如图5所示。

发电机控制单元采集接收can通信接口传送的母线电压udc、电池电流ib和能量管理控制策略确定的动力电池分配功率pbattery_req，利用udc和ib计算出电池的实际功率，将其与综合控制单元发送的pbattery_req比较，经pid计算后，输出发电机的激磁电流，控制发电机输出电压(即母线电压)的大小，进而实现对动力电池充放电的控制与平台能量分配的管理。

在电池充电状态下，为了防止过大的充电电流对动力电池的损坏，设计了电池过流保护程序。发电机控制单元设置电池最大允许充电电流ib_0，接收母线电流值后，将其与ib_0相比较，如果高于该值，则使励磁电流变小，从而降低发电机输出电压，减少输出电流，达到保护电池的目的。

另外，过高的母线电压也会对电池及用电设备造成破坏，因此，设计了母线电压限值流程。当检测到母线电压高于电池最高工作电压ub_max时(ub_max＝270v)，通过pid控制发电机输出电压保持为ub_max。发电机控制单元流程图如图6所示。

4.驱动电机控制单元的设计与实现

驱动电机控制单元主要实现开关磁阻驱动电机的控制。为了实现对开关磁阻电机的优化控制，根据电机转速的不同，采用了不同的控制模式：在低速运行时，固定开通角θon、关断角θoff，采用电流斩波控制；中速时采用电压pwm控制；高速运行时，改变开通角θon、关断角θoff，采用角度位置控制。

驱动电机控制单元采集电机转速信号，接收综合控制单元程序发送的母线电压、电流和电机的参考转矩，计算电机的平均转矩，给出参考电流值。根据电机速度的不同采用不同的控制算法：当电机转速低于800rpm时，采用电流斩波控制，当电机转速满足800rpm＜nm1＜1600rpm时，采用电压pwm控制，否则采用角度位置控制。电机控制单元流程如图8所示。

5.综合控制单元的设计与实现

为了实现对平台各子系统的协调控制，综合控制单元需要采集油门踏板、制动踏板、方向盘转向角等操纵信号、以及接收发动机转速、车速、母线电压、电流、动力电池充放电电流等平台状态参数，经过解析和计算后，由控制策略确定发动机-发电机组和动力电池的功率分配信号，两侧电机的转矩或转速信号等，并将控制信号通过can总线传送给各子系统控制单元，协调各子系统的工作，使平台按驾驶员意图运行。考虑到开关磁阻电机工作时干扰较大，在总线信号传输时单独使用cana传输电机转速、转矩的给定值，使用canb与其他控制单元进行数据交换。综合控制单元结构框图如图9所示。

此外，综合控制单元还负责协调控制电池的上电、igbt保护电路以及预充电路的通断等。由于母线上并联有大电容，如果动力电池直接接入，可能会产生较大的电流冲击，过大的充电电流会使继电器触头产生火花，从而造成触头融化烧蚀。为了防止电流冲击对继电器的破坏作用，设计了预充电路，如图10所示。借助r1的分压作用，减小电容充电电流。动力电池上电时，首先闭合k1，当电容充电达到要求范围时预充结束，闭合k2将电池安全挂接到母线上。当车辆制动能量回馈时可能会引起母线电压升高，因此设计了igbt保护电路，在母线电压过高时将泄放电阻接入，避免过高的电压对功率变换装置造成损害。

系统启动时首先执行参数初始化，并等待发动机启动，当发动机启动后，闭合k1，计算母线与电池电压差，当电压差达到要求区间时，闭合k2，控制电池安全上电，混合动力模式准备就绪。之后，按流程对整个平台进行协调控制，内容主要包括发动机-发电机组和动力电池的能量分配管理控制、平台行驶控制两大部分内容，即所谓的前功率链和后功率链控制。

在前功率链控制中，采集油门、制动、动力电池soc信号，按照模糊逻辑规则计算出发动机-发电机组和动力电池组分配功率，并分别传送给发动机控制单元和发电机控制单元。在后功率链的控制中，采集油门、制动、方向盘信号，确定外侧电机及其需求功率，采集外侧电机转速、转矩信号，将其乘积和需求功率比较，经过pid运算，给出外侧电机需求转矩；采集内侧电机转速信号，计算内侧电机需求转速，经自抗扰算法给出内侧电机需求转矩，将两侧电机需求转矩传送驱动电机控制单元。

另外，为了保护电池，设计了母线过压判断和电池过充过放检测流程。在母线过压判断流程中，当母线瞬态电压高于最高允许电压umax时(umax＝370v)，输出igbt导通信号，接入泄放电阻re。当母线电压低于umax但高于最高故障工作电压ub_max时，启动定时器，如果计时超过限定时间，输出igbt导通信号，否则igbt信号为截止。在电池过充过放检测流程中，当检测到电池soc过高时(soc＞80％)，调节母线电压，使其低于电池电压，防止电池过充，当电池soc过低时(soc＜20％)，提高发动机功率和母线电压，对动力电池进行充电，防止电池过放。综合控制单元具体流程如图11所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

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