純電動裝載機整車控制器設計

胡瓏渝 紀少波 魏敬宏 張珂 張志鵬 姜穎

摘要： 分析純電動裝載機功能需求，明確整車控制器應具備的硬件功能，并根據各傳感器和執行器確定各硬件模塊的通道數量，完成整車控制器硬件設計?；贐ootloader實現生成代碼下載;基于局域網總線標定協議開發上位機標定軟件，通過解析A2L文件對程序中的參數進行觀測和標定。對應用整車控制器的純電動裝載機進行實車V型鏟裝作業試驗驗證。結果表明：相同時間內，純電動裝載機的效率較柴油裝載機提高8.7%；相同工況下，純電動裝載機作業成本約為柴油裝載機的35%。

關鍵詞： 純電動裝載機；整車控制器；硬件設計；Simulink

中圖分類號：TH243 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0087-07

引用格式： ?胡瓏渝，紀少波，魏敬宏，等. 純電動裝載機整車控制器設計［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：87-93.

HU Longyu， JI Shaobo， WEI Jinghong，et al. Design of vehicle controller for pure electric loader［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：87-93.

0 引言

面對日益嚴峻的能源危機、大氣污染、溫室效應等問題，各國積極開發可再生能源[1]。目前大部分工程機械使用柴油發動機作為動力源，排放的尾氣是溫室氣體的主要來源之一，柴油機的噪聲也對環境產生不利影響[2]，因此，工程機械也開始向電動化工程機械轉型。裝載機是一種使用頻率較高的工程機械，傳統柴油裝載機工作時需頻繁起停，使用過程中存在油耗高、污染嚴重、噪聲大及駕駛體驗差等問題[3]，因此，有必要進行純電動裝載機研究。

國外對電動裝載機的研究起步較早。1969年，勒圖爾勒推出了第一臺電動裝載機L-700，L-700利用發動機驅動交流發電機發電，通過直流電機驅動行駛和工作系統，實現了整車的電傳動[4]。1999年，勒圖爾勒推出的L-1350用開關磁阻電機直接驅動車輪，加快了整車驅動響應速度并增大了輸出轉矩[5]。沃爾沃于2008年推出了一款混合動力裝載機，提高了能源使用效率[6]。2011年，約翰迪爾推出了644K混合動力裝載機，采用柴油發動機驅動電機發電，再驅動行駛和工作系統電機[7]。國內，2014年中首重工研發了一款適用于水利工程及農業生產工作環境的小型電動裝載機[8];2016年中財機械推出世界首臺純電動重型裝載機，較傳統柴油裝載機更經濟環保[9]。

目前，對于電動裝載機控制策略的研究集中在混合動力裝載機，主要內容包括能量管理策略、驅動控制策略、故障診斷與處理策略等。純電動裝載機的研究起步晚，控制策略方面的研究也相對較少。本文中針對純電動裝載機整車控制器軟硬件開發開展研究：分析純電動裝載機構型，確定控制器的功能需求；設計控制器硬件，設計硬件與Simulink的接口驅動模塊和上位機軟件，并對整車性能進行綜合測試。

1 整車控制器軟硬件設計

1.1 控制器功能需求分析

圖1 ?試驗用純電動裝載機構型

試驗用純電動裝載機主要部件包括動力電池、工作電機、行走電機、液壓泵及變速泵等裝置，如圖1所示。工作電機驅動液壓泵，為工作裝置油缸、轉向油缸和制動器提供液壓壓力；行走電機驅動車輛行駛系統；采用前、后雙主減速器布置方案，并選用兩擋變速器。

整車控制器 （vehicle control unit，VCU）應具備以下功能：1）整車電氣模式管理，根據硬線信號和控制器局域網總線（controller area network，CAN）信號合理控制整車高低壓上下電；2）整車故障診斷與處理，監測車輛狀態，判斷整車故障等級并及時采取安全措施，保證駕駛員和車輛安全；3）行走系統控制，通過硬線信號和CAN信號實現車輛行走、換擋、能量回收、駐坡等功能；4）工作系統控制，根據先導信號控制工作電機轉速和液壓系統電磁閥動作，使裝載機正常進行鏟裝作業；5）遠程監控，與車聯網系統（telematics box，TBOX）進行信息交互，將車輛當前運行狀態傳送至后臺進行監控；接收后臺指令，對整車行走和工作系統進行動力限制。

VCU功能框圖如圖2所示。VCU通過獲取車上各種傳感器信號、開關信號和接收的其他部件CAN信號，綜合判斷駕駛員意圖和車輛狀態，確定各控制參數，通過硬線輸出信號實現對電磁閥、繼電器等部件的控制，并通過CAN總線向電機控制器（motor control unit，MCU）、電池管理系統（battery management system，BMS）等下發指令，實現車輛正常工作。

根據整車功能和控制器功能需求，明確控制器硬件需具備的功能模塊。試驗用純電動裝載機控制器連接的傳感器和執行器的類型如表1所示。

根據表1可知：除CAN通信電路外，控制器還需具備模擬信號采集、數字信號采集、頻率量采集、H橋驅動、低邊驅動及高邊驅動等電路。根據傳感器、執行器類型和通道數量以及整車控制器的其他功能，考慮一定的接口冗余，制定了整車控制器硬件的接口模塊，如圖3所示。

1.2 控制器硬件設計

1.2.1 單片機及外圍電路

根據試驗用純電動裝載機實際接口數量和整車控制器運算能力需求，選用MPC5744P微處理器，該芯片采用基于PowerPC架構的雙內核，總線頻率最高可達200 MHz。芯片配有2.5 Mibyte的flash和384 Kibyte的靜態隨機存取存儲器，96 Kibyte的帶電可擦可編程只讀存儲器，具備4路串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）通信、3路CAN模塊、24通道脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）模塊及64通道模擬數字信號（analog to digital，AD）采集。單片機及其周圍電路如圖4所示。該單片機采用40 MHz的晶振，通過電容C31、C32構成外部晶振電路，經過鎖相環寄存器配置使總線頻率達到200 MHz。

1.2.2 電壓測量電路

電壓測量電路如圖5所示，圖中Q7為金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， ?MOSFET），簡稱MOS管。該電路可根據采集信號電壓范圍切換采集模式，若采集電壓范圍為0～5 V，則由單片機拉低Q7引腳1電平， Q7斷開，電壓信號正常接入單片機AD采集通道；若采集的電壓大于5 V，則單片機將Q7引腳1電平拉高，Q7導通，則接入單片機AD采集通道的電壓由電阻R75和R76分壓得到，單片機根據電阻和分壓后的電壓可計算測量電壓。

1.2.3 模擬信號采集電路

試驗車型有多種類型傳感器，其中使用PT1000溫度傳感器測量溫度，該傳感器輸出與溫度相關的電阻信號[10]。通過測量液壓系統的比例電磁閥的控制電流，計算電磁閥的開度，實現對比例電磁閥的控制。VCU直接采集壓力傳感器等輸出電壓信號，并進行處理。由于需采集的模擬信號不同，設計了模擬信號采集電路，如圖6所示。

該電路通過AI_CH1_CTRL0 （簡稱CTRL0）和AI_CH1_CTRL1 （簡稱CTRL1）分別控制MOS管Q3和Q4，可切換采集模式。當CTRL0上拉且CTRL1下拉時，該電路采集電壓信號；當CTRL0下拉時，Q3導通，R22和R33串聯組成上拉電阻，此時電路可采集熱電阻傳感器信號；當CTRL1上拉時，Q4導通，該電路可用于電流采集，R32為采樣電阻。

1.2.4 H橋驅動電路

試驗用裝載機冷卻系統中的循環水泵電機由VCU驅動，H橋驅動電路采用橋式電機驅動芯片L9958，L9958具有較大范圍的工作電壓，最高工作頻率為30 kHz，最大輸出電流為8.6 A，同時該芯片具有短路和過溫故障診斷功能，可通過SPI設置熱警示溫度閾值?；贚9958芯片的H橋驅動電路如圖7所示。該電路通過使能引腳EN和DI控制芯片進入工作狀態，通過單片機輸出的PWM信號實現電機轉速調節，通過單片機控制芯片引腳（directory，DIR）實現電機轉向調節。

1.2.5 整車控制器

開發的VCU硬件實物圖如圖8所示。使用鋁殼對控制器進行封裝，隔離控制器與外部環境，避免液體和粉塵對電路造成破壞；提高控制器散熱能力，避免控制器出現溫度過高情況；屏蔽電磁干擾，降低外部電磁場對控制器的影響。選用PIN121接插件將控制器內部電路與整車各相關電氣部件進行連接。

1.3 基于模型設計的概述

基于模型設計（model-based design，MBD）是一種使用可視化方法設計復雜控制系統程序的新型開發方法，適用于汽車電子、工業控制、嵌入式軟件設計等領域[11]。

與傳統開發流程相比，MBD開發方法具有很多優勢：1）采用圖形化設計，可視化程度高，目標明確，邏輯清晰，便于查找錯誤和進行維護；2）在各開發階段具備相對獨立的技術手段，可及時進行測試，盡量避免在開發初期引入問題；3）代碼自動生成，MBD開發工具由圖形化程序生成代碼，避免了手寫代碼的繁瑣過程，提高開發效率的同時也降低了引入錯誤的可能性；4）大部分文檔由MBD開發工具自動生成，極大節省了開發時間，提高了開發效率。

Simulink可提供完善的建模和仿真環境，是進行MBD開發的核心工具。目前MBD開發方式有2種處理思路：1）利用Simulink中集成的算法模塊搭建控制算法模型，在自動生成控制代碼后，與底層驅動代碼進行聯合編譯，再燒寫至目標控制器；2）開發驅動芯片對應的Simulink接口驅動模塊，該接口模塊與底層驅動代碼關聯，對所搭建控制算法模型中的輸入和輸出接口進行替換，在生成代碼過程中可直接生成應用于目標驅動芯片的程序。第2種方式可以避免程序二次編譯，有效提高程序開發效率，因此采用該方式進行程序設計。

1.4 接口驅動模塊

按照模塊來源，自主開發的純電動裝載機VCU控制算法模型可分為2個部分：1）Simulink模塊庫常用模塊，包括基本邏輯運算模塊和Stateflow等，在進行自動代碼生成時可以直接編譯為C代碼；2）與開發的控制器硬件相連接的接口驅動模塊，這部分驅動模塊調用單片機底層驅動程序，由使用人員自主編寫并加入庫中，與Simulink標準庫中模塊共同使用，進行代碼生成時可直接編譯為應用于控制器的程序文件。接口驅動模塊的建立過程可大致分為S函數編寫、目標語言編譯器（target language compiler， TLC）文件編寫、Simulink模塊封裝和Simulink驅動庫導入4個部分。

1.4.1 S函數編寫

S函數將Simulink中的設置參數傳遞至目標語言編譯器TLC。采用C語言編寫S函數，MATLAB提供S函數模板，用戶只需在模板內自定義函數名稱，S函數適用Simulink版本，回調函數頭文件、變量，以及C MEX形式的S函數頭文件等，若回調函數含輸入和輸出，還需在對應位置定義數據類型和數據維度。S函數編寫完成后，使用MATLAB內部的build函數，將S函數編譯為mexw32/mexw64格式的動態鏈接庫。

1.4.2 TLC文件編寫

TLC將模型描述文件翻譯為目標代碼。模型描述文件是由Simulink編譯得到的.rtw文件，該文件是文本文件，描述了各個模塊參數、接口等信息，是Simulink模型到控制器目標代碼之間的中間量。目標代碼生成過程如圖9所示。

1.4.3 Simulink模塊封裝

使用S-Function模塊調用已編寫好的S函數，并對其進行Mask封裝處理。設置封裝模塊的輸入、輸出變量及其數據類型；在模塊界面上加入模塊內部參數可編輯文本框，方便及時對模塊內部參數進行修改；添加模塊功能描述，直接將描述信息體現在模塊界面上；加入模塊使用說明，指明模塊輸入、輸出信號類型和模塊復用功能的選擇方法。

1.4.4 Simulink驅動庫導入

對Simulink模塊進行封裝后，還需將編寫好的模塊加入到Simulink驅動庫中，自定義接口驅動模塊的使用方式與基礎庫中模塊一致。最終建立的自定義接口驅動模塊庫包括AD采集、開關量采集、CAN通信、H橋驅動、低邊驅動、高邊驅動等功能。在進行代碼生成時TLC文件將Simulink產生的.rtw文件編譯為可運行于目標控制器的代碼。

1.5 上位機軟件

控制算法模型在Simulink中進行編譯后，通過Bootloader將自動生成的代碼燒寫到目標控制器內運行。為提高開發效率，利用基于CAN總線的標定協議 （CAN calibration protocol，CCP）開發了數據觀測和標定軟件[12]。

1.5.1 程序下載軟件

Bootloader是固化于控制器中的一段加載引導程序，不可更改和刪除，控制器通電后首先執行這段程序。Bootloader是硬件與軟件的交互接口，與應用程序分別處于2個存儲區域，二者不會同時運行。本文中設計的控制算法模型經過編譯后生成s19格式的可執行文件， s19文件包含出錯校驗功能，可以保障傳輸的正確性；程序更新采用了CAN總線通信方式，程序下載軟件將應用程序生成的s19文件直接利用Bootloader進行下載，可以顯示擦除、刷寫、校驗等進度，并可對程序文件、數據文件、配置文件等進行選擇性下載。

1.5.2 標定軟件

基于CCP協議開發了VCU標定軟件，實現數據觀測和標定功能。本文中主設備為PC上位機，從設備為需進行標定的VCU。在自動生成代碼過程中，同時生成了A2L文件，A2L文件定義了標定過程中上位機和VCU之間通信所需的信息，包含控制器配置參數、單片機內部變量地址等。使用標定軟件對A2L文件進行解析，獲取控制器中變量地址，根據地址獲取變量值實現觀測功能，根據變量地址對變量進行修改實現標定功能?？刂扑惴Ｐ椭匦戮幾g時，需在標定軟件中更新A2L文件。該軟件支持多種數據類型變量的在線實時標定。為方便對數據進行觀測，開發了多種形式的監控界面，包括波形圖、儀表圖、數值列表等顯示方式，并支持標定數據及監測數據的錄制。

2 VCU性能試驗

為了對自主開發的控制器功能進行驗證，設計了VCU的控制策略，并應用在純電動輪式裝載機上進行實車驗證。輪式裝載機鏟裝作業有L、T、I和V型，其中V型鏟裝作業方式適應范圍廣，因此采用V型鏟裝作業進行經濟性驗證。選擇額定載質量相同的純電動裝載機和柴油裝載機進行1 h V型鏟裝作業試驗，分別計算二者耗電量和耗油量，對比二者經濟性。試驗時控制每次鏟裝物料質量基本一致，純電動裝載機和柴油裝載機進行V型鏟裝作業的經濟性指標對比如表2所示。

由表2可知：在相同時間的V型鏟裝作業中，純電動裝載機完成循環次數多于柴油裝載機，純電動裝載機的鏟裝效率比柴油裝載機提高了8.7%；在相同作業工況下，純電動裝載機的使用成本約為柴油裝載機的35%。

3 結論

1）開發了滿足純電動裝載機控制需求的VCU，設計了各功能模塊的底層驅動軟件，開發了基于CCP協議的上位機標定軟件。

2）通過實車試驗對開發的控制器的性能進行驗證，結果表明：安裝自主開發VCU的純電動裝載機工作效率較相同規格柴油裝載機提高8.7%，使用成本約為后者的35%，開發的VCU能夠滿足純電動裝載機的使用要求。

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Design of vehicle controller for pure electric loader

HU Longyu， JI Shaobo*， WEI Jinghong， ZHANG Ke，

ZHANG Zhipeng， JIANG Ying

School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

Abstract： The functional requirements of the pure electric loader are analyzed and the hardware functions of the vehicle controller are confirmed. The hardware circuit of the vehicle controller is designed according to the types of sensors and actuators. The generated code can be downloaded to the controller based on Bootloader. The host computer calibration software is developed according to the CCP protocol. The monitored and calibrated parameters can be operated in the calibration software by the A2L file. The developed controller is installed on a pure electric loader which is compared with a same specifications of diesel loader. The test result shows that the efficiency of the pure electric loader is enhanced 8.7% with the cost reduced，35% compared with the using cost of diesel loader in the V-shaped shovel loading operation.

Keywords： pure electric loader; vehicle control unit; hardware design；Simulink

（責任編輯：郎偉鋒）