文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
隨著清潔能源需求的增加,,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其在汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越重要,。燃料電池按電化學(xué)原理直接將等溫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。由于不受熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制,,目前各類(lèi)燃料電池實(shí)際的能量轉(zhuǎn)化率均可達(dá)40%~60%;燃料電池環(huán)境友好,、工作安靜,、噪聲很低。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由空氣系統(tǒng),、氫氣系統(tǒng),、水熱管理系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)和電堆等幾部分組成,,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
1 分布式燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)
針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的上述要求,清華大學(xué)和大連化學(xué)物理研究所合作,,研制了分布式燃料電池控制系統(tǒng),。整個(gè)系統(tǒng)以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器為核心,包括了2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)立控制子系統(tǒng),每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)包括電堆控制器節(jié)點(diǎn),、增濕控制器節(jié)點(diǎn),、風(fēng)機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)以及4個(gè)單片電壓測(cè)量節(jié)點(diǎn)等。加上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主控制器,,整個(gè)控制系統(tǒng)共包括15個(gè)控制器節(jié)點(diǎn),。這些控制器以主控制器為核心,形成了整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)間觸發(fā)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(TTCAN)通信協(xié)議,。
2 基于ARM+MPC561雙單片機(jī)的主控制器設(shè)計(jì)
2.1 控制器硬件框架
控制器的硬件框架如圖2所示,。該控制器采用MPC56x和AT91SAM9261S單片機(jī)雙核處理器的模式,其中底層IO驅(qū)動(dòng)采用MPC56x單片機(jī)[1],,而控制算法采用ARM9單片機(jī)[2],。采用ARM9單片機(jī)進(jìn)行控制算法的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)ARM的主頻高、運(yùn)算速度快,,最高主頻可以達(dá)到190 MHz,,運(yùn)算速度可達(dá)210 MIPS,大大高于MPC56x的56 MHz,;
(2)可以配套的內(nèi)存大,,擁有豐富的內(nèi)存擴(kuò)展接口,不但能實(shí)現(xiàn)與MPC56x相同的SRAM擴(kuò)展,,還擁有專(zhuān)門(mén)的SDRAM管理模塊,,能進(jìn)行SDRAM擴(kuò)展,其容量可以輕易達(dá)到100 MB以上,;
(3)外設(shè)接口豐富,,USB2.0全速主機(jī)雙端口及設(shè)備端口,可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸,,保證上傳和下載數(shù)據(jù)的高效和可靠,;
(4)價(jià)格低廉,AT91SAM9261S零售價(jià)只需63元,,小批量?jī)r(jià)格僅為6美元,,而MPC561零售價(jià)格高達(dá)40美元,在價(jià)格上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,。
MPC56x的優(yōu)點(diǎn)是:帶有豐富的外圍周邊模塊,,例如TPU3、QADC,、QSM,、CAN、MIOS和SPI接口等,,能夠直接接口底層的各種信號(hào),。因此將MPC56x和ARM結(jié)合起來(lái),,可以保證控制器既具有強(qiáng)大的控制算法(浮點(diǎn)運(yùn)算能力),又有強(qiáng)大的底層實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)能力,。
2.2 基于ARM的控制算法開(kāi)發(fā)方法
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的控制算法框架如圖3所示,。整個(gè)上層控制算法可以分解為2層:輸入輸出信號(hào)接口和控制算法邏輯本身。其中輸入輸出信號(hào)接口(底層驅(qū)動(dòng)信號(hào))在MPC56x中運(yùn)行,,而控制算法邏輯直接在ARM中運(yùn)行,,兩者通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)信息交互。
上層控制算法可直接利用MATLAB/SIMULINK中的Real Time Workshop工具箱進(jìn)行開(kāi)發(fā),。MATLAB是Mathwork公司開(kāi)發(fā),、支持ARM9算法仿真調(diào)試及自動(dòng)代碼生成的算法開(kāi)發(fā)工具,是學(xué)術(shù)界/工業(yè)界廣泛認(rèn)可使用的工程算法開(kāi)發(fā)平臺(tái),。其下的Simulink組件具有強(qiáng)大的算法仿真調(diào)試功能,;Stateflow模塊提供直觀可靠的邏輯分析/狀態(tài)機(jī);Real-time Workshop模塊支持自動(dòng)代碼生成[3],,能將仿真測(cè)試后的框圖模型自動(dòng)生成支持ARM9數(shù)字核心的C代碼,。
2.3 控制器測(cè)試
對(duì)于AT91SAM9261S+MPC561的雙數(shù)字核心燃料電池主控制器,現(xiàn)階段在實(shí)驗(yàn)室中利用Vector公司的CAN Case網(wǎng)絡(luò)通信硬件工具以及CANalyzer軟件模擬整車(chē)TTCAN網(wǎng)絡(luò)和燃料電池控制系統(tǒng)的底層控制器,,并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)雙數(shù)字核心燃料電池主控制器進(jìn)行仿真測(cè)試,,控制器測(cè)試照片如圖4所示。
通過(guò)實(shí)際測(cè)試,,驗(yàn)證了采用MPC+ARM的雙數(shù)字核心架構(gòu)的燃料電池主控制器在運(yùn)行同樣的控制算法時(shí),,要比采用單個(gè)MPC561數(shù)字核心的控制器快得多。在MPC和ARM之間的CAN通信方面不存在任何問(wèn)題,,可以應(yīng)用于實(shí)車(chē)運(yùn)行中,。這種疊加式的控制器的優(yōu)點(diǎn)是在當(dāng)算法比較復(fù)雜時(shí),可以直接采用雙核控制器,;而控制算法比較簡(jiǎn)單時(shí),,采用單個(gè)MPC56x就可以滿足控制系統(tǒng)的要求。
(1)為了滿足復(fù)雜的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)或者新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的控制算法,,本論文提出了采用ARM9加MPC56x單片機(jī)的雙核控制器設(shè)計(jì)的思路,。由計(jì)算性能更好的ARM9負(fù)責(zé)控制算法,而驅(qū)動(dòng)能量較好的MPC56x負(fù)責(zé)輸入輸出驅(qū)動(dòng),。
(2)ARM9的控制算法可以實(shí)現(xiàn)在MATLAB/SIMULINK中的圖形化編程,,然后利用控制代碼自動(dòng)生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)上層控制算法的高效開(kāi)發(fā),。
(3)在本例中,,由于ARM9和MPC56x的數(shù)字核心的安裝接口完全一致,因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜程度決定是只用一個(gè)數(shù)字核心MPC56x,,還是ARM9+MPC56x的雙數(shù)核心,。其為教學(xué)和科研提供了一個(gè)模塊化的科研平臺(tái),,為兼容各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜控制算法的應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。
參考文獻(xiàn)
[1] Freescale. MPC561 Reference Manual.2005,,8.
[2] Atmel.AT91SAM9261S Preliminary.2007,,9.
[3] Mathworks.Matlab R2007a Help.2007,1.