基于ARM9和MPC56x的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器

隨著清潔能源需求的增加，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及其在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越重要。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，還擁有專門的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，小批量價(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)的競爭力。

????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，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)行開發(fā)。MATLAB是Mathwork公司開發(fā)、支持ARM9算法仿真調(diào)試及自動(dòng)代碼生成的算法開發(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)行仿真測試，控制器測試照片如圖4所示。

??? 通過實(shí)際測試，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題，可以應(yīng)用于實(shí)車運(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)。