基于STM32纯电动教练车整车控制器设计

基于STM32纯电动教练车整车控制器设计

马汇海，张雨生，孟彦京，吴辉

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021）

摘要：改装电动教练车基本采用电动汽车专用的电机控制器控制车辆，因控制方法和控制器设计导致不能实现对离合器的操纵判断，在实际驾驶体验上与燃油教练车差距较大。为了解决这一问题，设计了一种电动教练车专用的整车控制器。主要介绍了控制器的设计方案，给出了各个主要部分的设计电路，通过分析车辆运行特征和电机机械特性制定控制策略，使电动教练车实现“怠速”和离合操作不当引起的电机“熄火”。经实车测试，结果表明，该整车控制器设计合理，能够对电动教练车进行可靠、稳定地控制并满足科目二训练要求。

关键词：纯电动教练车；整车控制器；驾驶训练；控制策略中图分类号：U469.72

文献标识码：A

DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd18658

DesignofVehicleControlUnitforPureElectricTrainingVehicleBasedonSTM32（CollegeofElectricalandInformationEngineering，ShaanxiUniversityofScience&Technology，

Xi’an710021，Shaanxi，China）

MAHuihai，ZHANGYusheng，MENGYanjing，WUHui

controllersaredesignedforelectricvehicle，causedbycontrolmethodandcontrollerdesigntheoperationjudgmentoftheclutchcannotberealizedwhichisdifferentfromthefueltrainingvehicleindrivingexperience.Tosolvethisproblem，aspecialvehiclecontrolunitforelectrictrainingvehiclewasdesigned.Thedesignschemeofthecontroller

Abstract:Themodifiedelectrictrainingvehicleisbasicallycontrolledbyusingthemotorcontroller，these

andthemainpartsofthecircuitwereintroduced.Byanalyzingvehicleoperationcharacteristicsandmotor

mechanicalcharacteristics，acontrolstrategywasestablishedtomakethemotoridlingandflameoutcausedbyclutchreasonable，theelectrictrainingvehiclecanbereliableandstablecontrol，andmeetthedemandofsubject2training.

Keywords:pureelectrictrainingvehicle；vehiclecontrolunit；drivingtraining；controlstrategy

erroroperation.Finally，therealvehicletestswerecarriedon，theresultsshowthatthevehiclecontrolunitdesignis

随着汽车保有量快速增长，驾培行业得到了快速发展。由于教练车用途的特殊性，传统燃油教练车基本处于低速、高怠速行驶状态，且车辆需要频繁地启动和制动，导致发动机燃油燃烧不充分，能量利用率低、油耗高、废气排放量大，不符合国家节能减排政策。为了解决训练场地废气污染问题，节约能源和降低训练成本，可将电动汽车技术用于教练车，发展电驱动教练车。目前，国内有一小部分驾培机构采用纯电动教练车进行驾驶技能训练［1］。但是，这些投入使用的电动教练车基本是直接采用现有的电动汽车专用电机控制器控制车辆，由于电机的机械特性和控

基金项目：陕西省重点研发计划项目（2017GY-047）

作者简介：马汇海（1972-），男，硕士，副教授，Email：mahhi@163.com

制方案，在操控和驾驶体验上与燃油教练车相比差距较大，车辆不会因离合器操作不当而“熄火”，而对离合器的操控是驾驶学习中最重要的一部分。因此，学员通过电动教练车进行训练，在实际驾驶技术方面并没有得到很大提升。也有部分研究单位在电机控制器的基础上进行改进或增加相应的辅助电路来模拟燃油教练车的运行特性，这样设计出来产品虽然在功能上满足了训练的需求，但是车辆性能和可靠性大大降低，导致设计的电动教练车不能稳定运行，其技术也有待改进与验证。

整车控制器在协调电动汽车各部件工作中

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电气传动2019年第49卷第5期具有重要作用、具有综合管理功能。因此，针对目前电动教练车的不足，设计了一种适用于电动教练车的整车控制器，配合电机控制器完成对车辆的控制，并根据教练车运行特征和电机机械特性制定相应的控制策略，实现车辆“怠速”和离合操作不当引起的电机“熄火”，实现与燃油教练车一样的驾驶体验和训练效果。

本文所研究的电动教练车以桑塔纳LX轿车为平台，仅将发动机更换为7.5kW低压大电流型异步电机，6节12V/105A·h铅酸蓄电池作为动力源，变速箱和其他电子系统不变，电机控制器使用市场上成熟产品。

1整车控制器需求分析

整车控制器是实现电动教练车控制功能的主要部件，它获取车上传感器参数，捕捉驾驶员意图，驱动车辆；监控车上部件的运行情况，实时对车辆状态进行调整［2］。

在纯电动教练车上，整车控制器主要完成以下任务：1）车辆驾驶：采集钥匙开关、踏板开度、手刹信号等，获取驾驶意图，实现驱动车辆；2）车辆监测：检测电池组电压、电机转速和相电流，对车辆进行监控和保护；3）数据显示与报警：显示系统参数和车辆信息，并具有声光报警功能；4）数据记录与调试：加入EEPROM，用于记录充放电和车辆运行时相关数据，通过RS485与上位机通信，进行车辆调试；5）模拟燃油教练车工作方式。

2整车控制器硬件设计

整车控制器核心控制芯片采用高性能、低成本、低功耗的32位Cortex-M3内核意法半导体微控制器STM32F103RCT6，内部有256kbFlash和48kbSRAM，最高主频72MHz，具有SPI，UART，IIC，CAN，USB接口和8个定时器，支持SWD和JTAG调试。综合考虑控制器体积、显示内容，采用LCD1602进行显示，EEPROM采用AT24C16，通讯采用SP3485作为收发器。下面详细介绍重要电路模块设计。2.1

模拟量输入信号调理电路

信号采集精度是整个控制系统的基础，直接影响系统的性能，这部分需设计较好的滤波电路，2.1.1提高系统的采样精度和抗干扰性。

为了不改变驾驶习惯，加速踏板调理电路在保留原加速踏板的80

马汇海，等：基于STM32纯电动教练车整车控制器设计

基础上，将油门拉线与电子踏板连接。采用非接触式电子踏板，电子踏板根据驾驶员操作，来获取加速踏板踩踏的深度。加速踏板调理电路如图1所示，踏板开度与输出电压成线性关系，踏板输出电压信号为0～5V，经电阻分压后为0～3V，达到STM32引脚输入电压范围，对应转速给定信号800～1600r/min。C42用来滤除干扰信号，为了滤除采样信号中高频干扰，再引入一阶RC低通滤波环节。为了提高采样电路的输入阻抗，提高采样精度，增加电压跟随器。最后为了保护ADC接口，增加限幅电路，D15为3.3V稳压二极管。

图1

加速踏板调理电路

Fig.1

Acceleratorpedalconditioningcircuit

2.1.2当车辆出现冲击负载、电流采样和调理电路爬坡出现电机堵转或

者急加速和急刹车时都会导致过电流，需要通过检测相电流对电机实施过流保护［3］。采用HA2020型霍耳电流传感器，原边额定输入电流200A，测量范围0～±300A，副边额定输出电流100mA，电源电压±12～±15V。电流采样和调理电路如图2所示。

图2

电流采样和调理电路

Fig.2

Currentsamplingandconditioningcircuit

电流传感器输出电流信号经采样电阻、精密全波整流电路、电压跟随器、RC低通滤波和双向限幅电路后输入到STM32的ADC接口。实测怠速时电机A相电流50A左右，加速、爬坡电流峰值200A左右，考虑1.5倍安全裕量，采样电阻选择20Ω功率电阻。直流母线侧电流采样电路与图2.1.32基本一致，只是没有精密全波整流环节。

为防止蓄电池过度使用导致寿命下降，电池电压采样和调理电路当电池组电压低于一定值后，控制电机停止运行。电

马汇海，等：基于STM32纯电动教练车整车控制器设计压采样和调理电路如图3所示，D13起电源反接保护作用，后级电路与上述作用相同。

图3电压采样和调理电路

2.2开关量输入信号调理电路

Fig.3Voltagesamplingandconditioningcircuit

控制器需要处理的开关量信号有钥匙和手刹开关，当钥匙开关转到ON档时接通辅助电源输出12V；同样，当手刹松开后，手刹开关接通辅助电源输出12V。开关量输入信号调理电路如图4所示。

图4

开关量输入信号调理电路

Fig.4Conditioningcircuitofswitchinputsignal

由于开关信号切换间隔较大，干扰造成的高低电平误判可能性非常小，故直接对12V开关信号采用电阻分压，滤波后通过识别高电平对开关信号进行检测，D6，D7为3.3V稳压二极管。2.3

电源电路

电源是控制器的重要组成部分，直接关系到控制器的正常工作，电动教练车内部是一个复杂的电子环境，电源系统要面对车辆冷启动、感性负载关断时产生的浪涌电压干扰、大负载开启时的电压跌落及电磁干扰等［4］。12V车载辅助电源由72V电源经DC/DC模块转换得到，同时在控制系统中还需要±12V，5V，3.3V电源。电源电路如图5所示。图5中，F1为自恢复保险丝，起过流保护作用；D17为电源反接保护；D18为TVS管P6KE15A，吸收尖峰脉冲，保护后级电路；L4，L5，C36，C37构成差模滤波器，抑制电源输入差模干扰；L2为共模电感，配合C37，C38滤除共模干扰；C39进一步对电源进行滤波；-12V电源由+12V经过K7812-1000电源模块得到；±12V为霍耳电流传感器和运算放大器进行供电；5V电源由+12V经过LM2596S-5.0得到，为TLC5615供电；5V电源又经AMS1117-3.3转换为3.3V，为主控芯片供电。电源部分设计采用手册推荐电路。

电气传动2019年第49卷第5期

图5电源电路

Fig.5

Powersupplycircuit

2.4

脉冲量输入信号调理电路

脉冲信号为电机转速信号，由电机内置编码

器产生。由于车内环境复杂多变，存在一定的电磁干扰，所以设计调理电路包括光耦隔离和施密特触发器整形，如图6所示。高速光耦HCPL-060L起隔离、抑制干扰脉冲和电平转换作用；74HC14为反相施密特触发器，将不规则的脉冲

信号整形成标准方波信号后送入主控芯片的TIM模块。

图6脉冲量输入信号调理电路

2.5D/AFig.6转换电路

Conditioningcircuitofpulseinputsignal

传统教练车加速踏板直接与发动机节气门相连，控制踏板开度来控制发动机进气量，控制发动机运转。整车控制器通过检测电子踏板开度对应的电压值，数值处理后经D/A转换为电机控制器提供控制电压，实现电机调速。D/A转换电路如图7所示，D/A转换采用串行10位的TLC5615，当基准电压接5V时，可输出0～5V电压，对应电机运行频率0～50Hz。L1，R17起隔离作用。

图7D/A转换电路

Fig.7

D/Aconversioncircuit

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电气传动2019年第49卷第5期3控制策略及软件设计

在程序设计中，考虑车辆在运行过程中的可靠性和信号处理的快速性，把实时性较低的程序放在主程序中执行，把实时性较高的程序放在中断服务程序中执行。

由于原车变速箱不变，所以只需考虑车辆加速、“怠速”和“熄火”程序设计。因教练车频繁起步和“怠速”运行，加速控制策略采用硬性踏板，满足中高负荷操作感觉［5-6］。电机控制器采用转速控制方式，“怠速”采用速度闭环控制，“怠速”给定转速不断与电机实时转速相比较，PI调节补偿给定转速，使电机达到稳定运行。

主程序流程如图8所示。当钥匙开关处于ACC档时，控制器通电，系统初始化后进入主循环，等待中断到来，此过程系统不断检测钥匙开关、手刹状态、电池电压。当钥匙开关处于ON档、电池电压正常时允许车辆启动，手刹拉起不允许车辆启动，防止启动时因手刹制动负载过大导致电机过电流。为了提高动力电池使用效率和寿命，在运行过程中不断检测电池电压，并根据电压范围点亮相应指示灯，当电压低于65V时控制器开始报警，提醒充电；低于60V电机停止运行。同时，车辆加速瞬间蓄电池大电流放电，电压波动大导致瞬间下降到设定值，系统应能判断出这种情况，允许车辆继续运行。

图8

主程序流程图

Fig.8Flowchartofthemainprogram

虽然改制教练车保留离合器，用来控制电机和传动系统接合，但是在没有加入“熄火控制”程序前，还是会和普通电动汽车一样，电机的机械特性导致车辆不会“熄火”。电动教练车起步时即使迅速松开离合器，车辆也只是有一瞬间冲击82

马汇海，等：基于STM32纯电动教练车整车控制器设计

后平稳起步［1］。这是与燃油教练车最大的区别，也是程序设计的重点。

根据电机学原理分析，离合器抬离时，电机和传动系统结合，此时电机由空载运行状态直接变成带载运行，电机会因负载的加大导致其转速下降，定子电流增大，使转子获得更大电磁转矩与负载转矩平衡。若此时离合器抬离较快，转速和定子电流变化会很明显，所以可根据二者的变化来对离合器的操纵进行判断，本设计采用转速判断。

图9为定时器10ms中断程序流程图，中断执行前先判断电机运行标志位，标志位为0则不允许电机运行。在电机运转前加入斜坡升压软启动，减小启动冲击电流，使电机转速、转矩逐渐达到“怠速”运行所需要的数值。通过给电机控制器恒定电压信号实现“怠速”运行。通过检测电机转速差实现对离合器的操纵判断，分别对前后10次转速进行比较，当有5次转速差大于一定值，电机停机实现“熄火”。同时在加速运行时不断检测电机相电流，做到当电机堵转、急加速时，电机停机保护，防止电机控制器过电流故障。

图9

10ms定时中断流程图

Fig.9

Theflowchartof10mstimerinterrupt

4实车测试及数据分析

为了测试所设计的整车控制器是否满足要求，在改制后的桑塔纳教练车上进行实验。由于

车辆运行时受到的阻力不同，电机转矩、转速是变化的，因此实验中记录直流侧电流和电机转速，并通过RS485将数据传到电脑，利用Matlab软件将数据绘制成曲线。实验中设置电机怠速为800r/min，实测空档位时直流侧电流8A左右。4.1

车辆启动实验

图10为车辆启动实验测试波形图。在第2s

马汇海，等：基于STM32纯电动教练车整车控制器设计时车辆开始启动，随着电机转速上升，直流侧电流也在上升，电流最大值达到17A，最后维持在8A左右，转速先超调后经过调节保持在800r/min，超调量为3.75%。即车辆启动6s后达到“怠速”状态。

图10车辆启动测试波形图

4.2起步实验

Fig.10Testwaveformsofvehiclestarting

图11为起步成功测试波形图。2s时教练车开始起步，起步过程中直流侧电流上升到25A，电机转速由800r/min下降到760r/min。起步完成后直流侧电流维持在13A，转速也回到设定值800r/min，教练车起步时间大约为3s。

图11

起步成功测试波形图

Fig.11

Testwaveformsofvehiclesuccessfulstarting

图12为起步失败测试波形图。教练车在第6s时开始起步，因为离合踏板抬的太快，行驶阻力突增导致电机转速下降、直流侧电流突增；第7s时系统判断转速差变化太大控制电机停机，转速线性下降，实现操作不当引起“熄火”。

图12起步失败测试波形图4.3倒库实验

Fig.12Testwaveformsofvehiclefailurestarting

图13为倒库测试波形图。7s时教练车开始进行倒库，直流侧电流迅速上升，最大可到22A，由于倒车过程中需要不断调整方向，故直流侧电流是变化的，转速基本上在设定值附近脉动；65s时教练车已经进入倒车位，在65～78s这一段时间属于换挡的过程，直流侧电流维持在8A左右，电机转

电气传动2019年第49卷第5期

速维持在800r/min；78s时，教练车开始驶出倒车位，因需要起步，故直流侧电流迅速上升，电机转速也有所下降，经过6s完成了车辆起步；又由于教练车在驶出倒车位时需要调节方向盘，这一阶段的电流是在17A附近变化的，转速也是脉动的；在108～125s，教练车行驶路线为直线，故电流在13A附近变化，转速基本维持在800r/min；125～130s，车辆停止行驶但电机仍然工作，电流在8A附近变化，电机转速基本维持为800r/min，即完成了一次倒库训练。

图13

倒库测试波形图Fig.13

Testwaveformsofreverseparking

5结论

根据驾驶训练需求设计了基于STM32纯电动教练车整车控制器，进行了实车测试，验证了其稳定性和可靠性，能够根据驾驶意图和车辆状态稳定地控制车辆运行，实现了与燃油教练车相媲美

的“熄火”及“怠速”功能，能够满足科目二的训练要求。同时，通过更改控制参数，设计的整车控制器可适应于任何电动教练车和电机控制器，这对电动教练车的推广和节能减排具有重要意义。

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收稿日期：2018-01-04修改稿日期：2018-03-11

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