基于多MCU的电动车智能控制系统的设计与实现

湖南工程学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称：基于多MCU的电动车智能控制系统的设计与实现主持人：魏世君学院：机械工程学院指导教师：朱云、黄麓升填报日期：2015年11月湖南工程学院制一、基本信息项目名称基于多MCU的电动车智能控制系统的设计与实现项目类型1、自然科学类学术论文□2、人文社会科学类学术论文或社会调查报告□3、发明制作类□4、其它□主持人姓名魏世君性别男入学时间2013年9月学号201302180122专业班级汽车服务工程1301班学校住址湖南省湘潭市福星东路88号联系电话[phone]指导老师姓名性别学院职称（或学历）研究专长主要科研成果朱云男机械学院助教智能电动车黄麓升男机械学院高级实验师汽车电子主要参加者姓名性别年级系部专业项目分工袁娇女大三机械学院汽车服务工程主控制器王钎女大三机械学院汽车服务工程驱动切换控制单元张海鹏男大三机械学院机械电子工程驱动控制单元刘毅伟男大三机械学院汽车服务工程遥控通信单元预期成果形式（可多选）A、专著□B、论文（集）□C、研究报告□D、工具书□E、科技发明□F、电脑软件□G、其它□预计完成时间2016年11月1日二、项目论证2.1项目背景及研究意义随着世界汽车产业的迅速发展，人们对交通工具的需求日益增加导致石油能源消耗迅速，电动汽车作为一种轻捷环保的载运工具，越来越受大众民众所爱戴。相比于燃油汽车，电动汽车的驱动力来源于电机，不是依靠燃油发动机提供机械驱动力，而是通过利用将从电源获取的电能转化为电机运转的机械能，电机的驱动控制不仅相应快且精度高，而与传统电动汽车相比，四轮轮式独立驱动电动汽车对电机驱动控制的要求更高，四轮独立化的控制方式使得车辆动力分配需要依靠先进的控制策略得以实现，因此，电机控制器的性能将直接影响到电动汽车的动力性能和车辆稳定性。电动汽车特别是电动摩托车的发展推动了电动车控制器的发展，尤其是对无刷直流电机的驱动与控制，市场上以单MCU开发的电动车控制器越来越多，但电动汽车因其多样化的功能需求与复杂的控制算法，在实现各模块功能时可能会因存储空间及单片机资源有限而不能满足要求，这对汽车的安全保障来讲是不允许的，多MCU模块化的控制体系不仅能够满足电动汽车的控制功能需求，提供丰富的系统资源，还能保障系统运行过程中的高可靠性，具有重要的实际应用价值。2.2国内外研究状况伴随着日益严重的环境污染和能源危机,以汽车为主要代表的传统交通工具的可持续发展性面临了新的挑战。随着汽车工业的飞速发展，称之为绿色环保汽车的电动汽车，因其具有零排放污染、节约石油资源等优点，越来越受到重视，人们普遍认为它将成为21世纪的重要交通工具，也是解决能源、环境等问题的有效途径。20世纪80年代，随着人们对大气污染和温室效应的关注，对电动汽车的研究热情进入了空前高涨期，世界各国的政府、学术界、工业界、研究机构和各大汽车企业纷纷加入这个潮流加大了对研发电动汽车的投资力度，从而加快电动车的商品化步伐。在电动汽车逐渐发展的过程中，按电动汽车的动力源可分为了三类，即纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车；按电动汽车的驱动方式分为两轮驱动和四轮驱动，目前汽车厂商所生产的大部分电动汽车是后两轮或前两轮驱动方式，都是以电机经过机械传动系驱动车轮运转，而基于能量传递效率、车体空间限制和车体性能等考虑，加上轮毂电机的应用，许多电动汽车也摆脱了传动系而是直接利用内置于车轮内的无刷直流电机进行驱动，这样就可以巧妙地实现四轮独立驱动电动汽车的驱动构架，四轮独立驱动电动汽车近年来也已经成为了国内外研究的热点。但由于四轮独立驱动模式下对每个轮毂电机的驱动具有更高的控制要求，需要高级控制策略和软件算法的支撑其复杂的数学模型，需要攻克的技术难点多，这种新型的电动车还未能实现商业化和产业化。有关四轮独立驱动技术的成果还比较少，大多研究还是针对单轮驱动或双轮驱动技术以及轮毂电机的研制，轮毂电机是一种外转子内定子的无刷直流电动机，无刷直流电机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，其优良的转矩控制特性使得其在运动控制领域占据主导地位，并且随着电力电子技术的迅速发展，对无刷直流电机的控制效果也越来越好。但我国对无刷直流电动机的研究起步较晚，北京在1987年举办了联邦德国金属加工设备博览会，当时在会上SIMENS和BOSCH两家公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮，经过多年的努力国内现也已有无刷直流电动机的系列产品并已投入实际生产。与之相应的无刷直流电机控制器也随着控制技术的不断成熟得到了越来越广泛的关注与研究，针对电动汽车开发设计的控制器主要有三种形式：用集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统和以微控制器技术为核心的数字控制统。相信随着技术的积累和成熟，四轮独立驱动电动汽车的商业化应用将为时不远。中国对电动汽车的发展非常重视，我国在“十五”国家863计划中把电动汽车提高到了一个全新的战略高度，投入巨资设立了电动汽车重大专项来鼓励和促进电动汽车技术的发展。该专项提出了“三个关键技术”的目标分别为为：电机驱动系统、能源管理系统、动力蓄电池。随着国家十五计划“863”电动汽车重大科技专项的正式启动，全国各地也掀起了一股研制和开发电动汽车的热潮。同济大学研制的“春晖”系列燃料电池概念车采用了4个直流无刷轮毂电机独立驱动的电动轮模块。其专利《四轮电子差速转向控制系统》公开了一种四轮电子差速转向控制系统，该系统采集各种车辆传感器和车载部件的信号，并进行计算得出每个车轮的目标转速，然后调整相应车轮转速。近几年，越来越多的企业、高校及研究所列入电动汽车项目研发和生产的行列，促进了电动汽车的市场化和产业化。现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。电动车整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车的电机驱动控制系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。电动汽车控制系统应该是兼顾蓄电池及电机的实际使用情况进行综合设计，应充分考虑蓄电池、控制器、电机三者之间的关系，将它们作为一个综合的系统来设计，从而开发出理想的电动汽车控制器。与电动汽车相关的关键技术除了电机驱动及控制技术外，还有很多其他方面的技术包括电池技术、电动汽车整车技术和能量管理技术。目前，世界上许多国家在研究开发电动汽车，主要还是解决电池和控制器的问题,电机驱动及控制系统作为电动汽车驱动系统的核心部分，它的性能直接影响电动汽车的性能指标。在控制器的选择上，有多种多样，以前的模拟控制方式到模拟数字一体化的方式，可以说各有各的优势和缺点。随着科技的不断进步，人们开始了在单片机（MCU）上的研究，利用单片机做控制器来控制PWM的脉冲宽度以达到控制电机转速和转向的目的。更加自动化的方向迈进。因此，研究设计一套基于多MCU的电动车智能控制系统也是比较符合该时代电动汽车技术前进的步伐。2.3研究内容及方法鉴于四轮轮式独立驱动电动汽车的研究现状，结合试验车实验平台和电动汽车功能需求的分析，研究设计一套可适用于四轮轮式独立驱动电动汽车的高性能智能化电动车控制器具有重要的实际应用价值。本文以四轮轮式独立驱动电动汽车为研究对象，针对此试验车目前功能上的需求和性能上的要求，开发一套基于多MCU的电动汽车智能控制系统，该控制系统主要包含以下几个子单元模块：电动汽车轮毂电机驱动控制单元、速度反馈单元、驱动状态切换控制单元、遥控通信单元以及一些辅助单元模块等。本项目将围绕试验电动汽车控制系统的设计进行如下几方面的研究工作：（1）基于多MCU电动汽车智能控制系统的设计与开发基于多MCU理念，设计一套适用于四轮轮式独立驱动电动汽车的智能控制器，该控制器包括电机驱动单元，可实现对轮毂电机调速、制动以及驱动方式的切换，并实现对无刷直流电机(BLDC)速度、转矩的提取；显示系统的设计与开发，实现人机交互的控制模式和实时驱动状态显示；遥控转向系统的搭建及遥控驾驶功能的实现；隔离保护措施等。通过分析比较为各个单元使用的主控MCU选型，然后建立完整的设计方案，完成上述所有模块单元的硬件电路的制作与调试，保证各个功能单元间的协调通信，并预留扩展端口可与用户新增设的功能单元连接，保证系统的兼容性与可开发性。（2）控制器子单元的应用与测试在完成各个功能单元的设计制作后，将研制出的控制器安装在四轮轮式驱动电动实验车上进行实验测试，验证该智能控制器各个子单元在试验车上的运行性能是否满足功能要求，得出设计结论。三、项目完成的条件和保障项目主持人和主要成员曾参与或组织完成过哪些科研项目，成果水平的社会评价；完成本项目的研究能力、时间保证和条件保障（资料设备、科研手段等）。完成本项目必须掌握汽车理论，汽车电子，电动汽车技术，电工，材料等方面的科学知识，而本组同学都是汽车服务工程以及机械电子工程专业的学生，其曾学过汽车理论，材料力学，理论力学，机械设计，汽车新技术，亦曾修习过电工电子技术，修习过自动化控制，机器人技术，对计算机软件编程也有过涉猎，所以其研究所需理论知识足以满足该产品所需。又因为该组成员为大三学生，班级平时课比较少，完全有丰富的课余时间来进行研究，因为其控制电路以及电路板的设计只需要电脑即可，而其核心之一电路板的制作可以在学校实验室完成，其所用的芯片与电子元器件，可以购买市面上现有的，所以完成本产品完全不成问题。同时，其产品的应用与实验可以借助指导老师已完成的四轮独立驱动电动汽车试验车完成。四、经费预算序号经费开支科目经费预算金额（元）1资料费1002材料费8003文印费1004机时费5其他6合计1000五、预期研究成果主要阶段性成果序号研究阶段（起止时间）阶段成果名称成果形式承担者12015.11-2015.12总体方案设计与论证图纸魏世君22016.1-2016.4主控制器的设计主控制器袁娇、王钎32016.5-2016.7驱动控制单元的设计驱动控制器张海鹏42016.8-2016.10通信单元、辅助单元通信模块刘毅伟52016.10-2016.11总体测试系统成型魏世君六、指导教师意见签名：年月日七、学院审核意见负责人签章：年月日八、专家评审意见是否同意立项：签名：年月日九、校大学生研究性学习和创新性实验计划领导小组审批意见负责人签章：年月日