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发表于 2020-4-9 09:04:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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集成式电子驻车控制器设计

刘强 胡艳 向继全 蔡敬敏
重庆金美通信有限责任公司 重庆市 400030
【中国汽车材料网】摘 要: 为保障电动汽车停车时可靠驻车,设计了一种集电机、减速执行机构和控制电路为一体的电子驻车控制器,介绍了控制器机械机构组成、电控设计方案和软件控制流程。其中电控方案包含MCU单片机及电机驱动模块、电源电压转换模块、CAN通信模块和磁性位置检测模块。
关键词: 电动车;集成式;电子驻车控制器

目前新能源汽车市场上主要存在混合动力汽车HEV、插电式混动PHEV、纯电动车EV及燃料电池汽车FCV等车型,从汽车安全角度出发,新能源汽车停车时都应该具备驻车控制器。随着汽车电子技术的发展,驻车控制器逐渐从传统的手动式向电子式演变。电子驻车控制器GCU(又称P档控制器)是纯电动汽车用于驻车时控制电机作用于汽车减速器的锁止机构,保证停车的安全可靠。电子驻车控制机构可分为分体式和集成式,分体式即电子驻车控制器与其执行机构及电机安装在不同位置;集成式即控制器与其执行机构及电机三合一都安装在汽车减速器表面。


2 控制器结构方案

集成式电子驻车控制器结构主要由三部分组成:直流电机、电子控制器和减速执行机构组成,如图1所示。

减速执行机构端面输出扭矩大小和转动响应时间要结合电动车减速器内部锁止机构要求而确定。为广泛适应乘用和商用电动汽车需求,本控制器设计输出扭矩大于10N·m,转动响应时间小于500ms,电机通过蜗杆蜗轮减速直接驱动减速器锁止机构动作,实现驻车或解锁功能。因控制器仅在停车或启动时工作,平均动作次数少,每次工作时间短,所以电机选取汽车级直流有刷电机即可。电机选用德昌700型,额定电压12VDC,参考最大功率95W时转速2600RPM。减速机构蜗杆蜗轮设计常规减速比60。

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图1 控制器结构组成

(1)控制器终端输出扭矩:

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其中:P电机功率单位KW,T电机电机输出扭矩单位N·m,n电机输出转速单位RPM,T减速机蜗轮蜗杆减速机构输出扭矩单位N·m,α减速比60,η传动效率0.5~0.9,此处取0.5。由公式(3)可知,蜗轮蜗杆减速机构输出扭矩为公式(4)。

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(2)控制器响应时间:

对于响应时间要求小于t:500ms,控制器设计驻车或解锁时涡轮旋转:60-80°,此处取70°,由最大功率时转速2600RPM,可知:

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控制器终端旋转一圈时间t1,单位S:

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3 控制器电控方案

集成式电子驻车控制器通过接收整车控制系统VCU指令,驱动驻车电机正转或反转,通过磁性位置角度传感器采集蜗轮旋转角度,从而间接判断电机执行机构行进位置。该控制器具备电机驱动、电机位置检测、CAN通讯、故障诊断、外围电路短路保护等功能。该控制器方案设计示意图如图2所示,主要由MCU单片机、电源模块、电机驱动、位置检测及CAN通信模块。


3.1 MCU单片机和电机驱动模块
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图2 驻车控制器电控方案框图

集成式电子驻车控制器选用汽车级单片机NXP公司的S32K118系列芯片作为核心处理器,该芯片采用稳定可靠的Arm Cortex -M0+内核,具备256kB FLASH、25kB RAM、2K EEPROM、1路CAN、8路PWM、3路SPI、12路10位AD等基本外设资源,具有信号处理能力强和高可靠性的优点,广泛应用于汽车电子控制器领域。

控制器采用ST意法半导体H桥直流电机芯片VNH5019控制驻车电机正反转,芯片内部集成4个NMOS管,具备电流检测及过压过热短路保护等功能,具有成本低、可靠性高等优点。


3.2 电源电压转换模块

电源电压转换模块主要功能是把车载电源12V电压转换为板内5V电压,为单片机及CAN芯片提供电源。电源芯片可采用德州仪器TI公司TPS7A6150,具备低电压差线性转换能力,具有电源使能管脚(高电平有效),控制芯片是否输出5V电源。电源芯片EN使能管脚控制来源有:IGN点火信号和单片机GPIO输出信号,两个信号经双通二极管BAV70连接到EN管脚。


3.3 CAN通信模块

CAN(Controller Area Network) 控制器局域网为串行通信协议,能有效支持安全要求较高的分布实时控制。控制器中MCU单片机内集成CAN控制器,可通过CAN总线与整车控制器VCU进行通信,波特率适应动力CAN要求采用500Kbps。控制器选择NXP公司TJA1050作为CAN收发器,CAN通信电平作为差分信号,使用共模电感大幅减小共模干扰(可根据实际情况选贴),同时配合电容滤波和TVS的浪涌泄放,保证CAN通信的可靠性。


3.4 位置检测模块

控制器工作过程中需要采集蜗轮旋转角度位置与系统初值进行比较,从而判断驻车或解锁是否正常。控制器选用迈来芯melexis公司磁性位置角度传感器ML90363检测安装在蜗轮上的磁铁强度的水平分量(Bx、By)。该传感器可凭借其表面的集磁片(IMC),以一种非接触方式感测所施加磁通密度的 3个空间分量(即Bx、By和Bz),如图3所示。该水平分量的旋转在宽范围(高达360内整转)内感测,并由片上 DSP(数字信号处理)处理,最终报告轴端磁体的绝对角位置。所有内部原始(Bx、By、Bz)和调理信号均可以通过SPI通道传送。

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图3 磁性位置传感器示意图

4 控制策略

控制器MCU软件开发采用分层架构,参照AUTOSAR体系开发。为避免产生误驻车故障,系统工作要满足一定输入条件。驻车锁止时要求:车速低于2km/h,档位杆在P档,踩下刹车。解锁时要求:GCU收到整车控制器CAN总线解锁命令,控制器处于锁止状态。控制器工作流程如图4所示。

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图4 工作流程

5 结语

随着国家政策扶持和能源综合管理需要,电动汽车产量势必逐步提升,为保障汽车及人身安全,电动汽车都应配备驻车控制器,集成式电子驻车控制器采用电机、执行机构和控制电路三合一,便于客户采购及装配,降低客户设计开发周期。



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