電動汽車電機控制器調試系統的設計與實現

朱巨蓮

（武漢軟件工程職業學院 汽車工程學院，武漢 430205）

在電動汽車電機控制器產品的開發過程中，調試工具具有十分重要的作用。功能完善、靈活高效的電機控制器調試系統能夠提高電機控制器調試工作的效率，并有助于加快產品的開發進程。目前，大多數電機控制器產品的調試工具存在，參數體系不夠靈活的缺陷。電機控制器的各種輸入和輸出信號源固定，當現場應用發生變化時，要更改輸入或輸出信號源，只能通過重新修改和下載程序實現，導致電機控制器調試工作的效率降低。為此，在電機控制器調試系統中引入靈活的參數體系和高效的通信協議，以便設計和開發出可以提高電機控制器調試工作效率的調試系統。

1 互聯參數體系

電機控制器所有參數分為只讀參數、連接器參數和可設置參數3 類。只讀參數只能顯示不能修改，常用于顯示系統輸出值，如控制器狀態、電機電流和轉速、故障等。連接器參數是固定值或電機控制器根據當前狀態生成的值，不能修改，只能用于設置互聯參數。其中，開關量連接器參數前綴為B，單字數字量連接器參數前綴為K?？稍O置參數可以根據需要進行修改，常用于設置系統輸入值，如控制器目標轉矩給定、故障檢測閾值等?？稍O置參數又分為兩種：一種是功能參數，可以設置為允許范圍內的某個值；另一種是互聯參數，可以通過連接器參數進行設置。開關量互聯參數的后綴為B，單字數字量互聯參數的后綴為K。

連接器參數和互聯參數為電機控制器提供了一種靈活聯系輸入和輸出信號的參數設置方法，可以根據實際應用需求隨時更改信號輸入和輸出的端口。連接器參數和互聯參數的應用示例，如圖1 所示。電機控制器的啟停命令參數P4001.B 是一個開關量互聯參數，可以根據實際應用需求將其設置為不同來源的連接器參數，如位常量0（B0000）、位常量1（B0001）、鍵盤啟停信號（B0002）、整車通信啟停信號（B0004）等。同時，啟停命令的值也是一個開關量連接器參數B0008，可以供其他開關量互聯參數使用。電機控制器目標轉矩標幺值給定參數P4296.K 是一個數字量互聯參數，可以根據實際應用需求將其設置為各種不同來源的連接器參數，如單字常量100%（K0502）、單字常量-200%（K0508）、鍵盤轉矩給定（K0528）、整車通信轉矩給定（K0524）等。目標轉矩標幺值也是一個數字量連接器參數K0640，可以供其他數字量互聯參數使用。

圖1 連接器參數和互聯參數的應用

2 CAN 通信協議設計

控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線由于結構簡單、應用靈活、具有良好的實際應用性能成為主流車載總線，在工業控制領域應用廣泛。CAN 總線為多主系統，通信速率最高達到1 Mb·s-1，通過標識符區分優先級，采用短幀報文，抗干擾能力強。同時，采用循環冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗，數據傳輸可靠，錯誤節點可以自動關閉，主動脫離總線，不影響總線上其他正常工作的節點[1]。根據電機控制器調試系統的應用需求，結合互聯參數體系的優勢及CAN 總線的特點，合理設計調試系統的CAN 通信協議。該協議易于實現，數據傳輸效率高，具有可靠性且易于擴展。

2.1 通信方式

電機控制器調試系統采用主從通信方式。主設備（上位機）通過CAN 總線與一個或多個從設備（下位機）相連，CAN 網絡中的每個從設備都有不同的地址。如果主設備要與CAN 網絡中的某個從設備進行通信，必須先發送包含該從設備地址的連接命令，與其建立有效連接，才能開始通信。

2.2 傳輸模式

電機控制器調試系統的主要通信任務包括快速讀取和設置電機控制器的單個參數值、上傳和下載電機控制器多個連續參數或全部參數、在線周期監測電機控制器參數的變化情況。為了實現以上通信任務，定義兩種主從設備之間的數據傳輸模式。

2.2.1 應答傳輸模式

在應答傳輸模式下，每次都由主設備先發送一條命令報文，然后從設備進行應答，發送一條回復報文。這種傳輸模式主從設備之間采用一問一答方式，數據傳輸的可靠性高。當從設備在執行命令過程中出現錯誤時，可以將錯誤信息通過回復報文中的錯誤碼上報給主設備。應答傳輸模式適用于少量或者可靠性要求高的數據傳輸，可以用于讀取和設置、上傳和下載電機控制器參數，但是不適用于在線連續監測[2]。

2.2.2 無應答（周期）傳輸模式

在無應答傳輸模式下，主設備首先發送相關的周期傳輸設置命令報文，設置從設備周期傳輸的數據數量、采樣周期、觸發條件等。從設備收到設置命令后，按照設置要求主動發送數據報文到主設備，直到主設備需要停止無應答傳輸時，再次發送停止周期傳輸命令的報文，從設備收到后立即停止發送數據報文。無應答傳輸模式適用于在線周期監測電機控制器參數的變化情況。

2.3 CAN 通信協議

電機控制器調試系統的CAN 通信協議是在符合CAN2.0A 或CAN2.0B 規范的CAN 報文幀基礎上進行的二次定義，主要規定CAN 報文幀數據域中的8 個字節數據的格式和含義。主設備發送的第1 個字節是命令碼，第2 個字節是報文編號，主要用于主從設備之間的同步應答，主設備每發送一次報文，編號自動加一。從設備發送的第1 個字節是錯誤代碼，主要用于向主設備上報錯誤信息和異常狀態。第2 個字節是報文編號，從設備回復的報文編號必須與主設備發送的一致。CAN 報文中其他字節對于不同的命令可以定義不同的含義。

電機控制器調試系統的CAN 通信只需使用兩個CAN 報文身份標識號（Identity Document，ID），就可以使主設備和從設備發送CAN 報文。兩個CAN 報文ID 的具體值可以自行定義，一般采用優先級較低的CAN 報文ID，以免影響CAN 總線上其他CAN 報文的傳輸[3-4]。

3 調試系統設計

電機控制器調試系統的設計和開發主要包括調試系統的硬件設計、上位機調試軟件的設計以及下位機電機控制器CAN 通信協議棧的程序開發。

3.1 調試系統的硬件組成

電機控制器調試系統的硬件構成如圖2 所示。主設備（上位機）主要包括個人計算機（Personal Computer，PC）機和調試軟件，其中PC 機的通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口通過USB-CAN 轉換器連接到CAN 總線，再將CAN 總線數據轉換為USB 數據，供調試軟件讀取和處理。從設備（下位機）主要是電機控制器電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），采用高性能數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）處理器TMS320F28335，其內部集成了CAN控制器，只需通過CAN 收發芯片即可連接到CAN總線。

圖2 調試系統硬件

3.2 調試系統的軟件設計

電機控制器調試系統的軟件分為上位機調試軟件和下位機調試軟件，并通過CAN 通信實現上下位機之間的數據傳輸[5]。上位機調試軟件主要包括CAN協議處理模塊、CAN 通信驅動模塊、參數表文件解析模塊、數據監測模塊（包括監測數據曲線顯示部分）和數據存儲模塊等，負責發送命令報文以及接收和解析下位機回復的報文，開發工具選用Microsoft Visual Studio 2010。下位機調試軟件相對簡單，主要包括CAN 協議處理模塊、CAN 通信驅動模塊和數據采集模塊，負責接收、解析、回復上位機的命令報文，并主動發送周期監測數據報文。

4 應用效果

電動汽車電機控制器調試軟件的主界面，如圖3所示。雙擊互聯參數即可彈出連接器選擇框，根據需要選擇合適的連接器即可。經測試，電機控制器調試系統長期連續運行正常。

圖3 電機控制器調試軟件主界面

5 結語

在電動汽車電機控制器調試系統中引入靈活的參數體系和高效的通信協議，能夠設計和開發出提高電機控制器調試工作效率的調試系統。該調試系統具有良好的人機交互界面，可以靈活配置輸入和輸出信號源，具有快速讀取和修改參數、可靠上傳和下載全部參數、在線周期監測參數變化情況等功能。經過長時間的測試和應用，證明該調試系統傳輸穩定、準確，使用方便、靈活，能夠滿足電機控制器現場和開發的調試需求。