基于AUTOSAR的電機驅動控制系統開發

1、前言

純電動汽車和混合動力汽車是新能源汽車產業發展的重要方向，同時，泛亞“電動化、智能化、網聯化、數字化”戰略的提出，使得未來車載汽車電子電氣架構系統的開發越來越復雜。汽車開放系統架構 AUTOSAR 代表的層次化、模塊化、平臺化技術則是汽車電子軟件開發的重要趨勢。在電動汽車的三大電控系統中（電機控制、電池管理、整車控制），電機控制作為核心之一，其軟件架構的研究設計對于汽車電控系統的開發有重要意義。本報告以電動汽車用驅動電機作為研究對象，以 AUTOSAR 開發架構為基礎，對電機驅動控制系統軟件架構設計與開發進行探究，并在此基礎上對電機過調制控制算法以及旋變軟解碼技術進行詳細研究。

2、電動汽車的電機控制軟件基于 AUTOSAR開發的意義

在電動汽車的三大電控單元中，電機驅動控制作為其中的核心，其性能高低對汽車動力性和操縱性有直接的影響。和傳統電機調速系統和伺服電機系統相比較，車用驅動電機系統的開發除了高功率密度、寬調速范圍等性能需求外，對于安全性和可靠性也有著更高的要求。提高車用電機控制軟件的可復用性，增強系統軟件的可配置性，改善系統軟件的可靠性與穩定性對于車用電機控制系統開發有著重要意義。

3、旋變解碼研究

對于電機矢量控制而言，往往需要獲取電機的轉子位置角度，角度的測量常用的方法有磁性編碼器、光電碼盤、電渦流傳感器和旋轉變壓器等。其中，磁編碼器是基于磁阻效應或霍爾效應的軸角傳感器，輸出信號是基于轉子位置的正余弦函數，其結構簡單魯棒性強，不受潮濕環境影響，但受高溫和氣隙限制；光電碼盤體積小，分辨率高，抗電磁干擾能力強，但轉速受限，最高可測轉速在 3000rpm 左右；電渦流傳感器靈敏度高，響應速度快，受環境影響較小，但其精度有限；旋轉變壓器可靠性高，不同環境適應能力強，不受溫度和振動等因素影響，因此廣泛應用于電梯、雷達、機載儀器等伺服系統和工業自動化領域。

旋轉變壓器輸出一組包含轉子位置信息的正余弦信號，需要對此信號進行適當的處理，才能得到相應的轉子位置。對于旋轉變壓器輸出模擬信號的處理可以由專用的集成電路將其轉換為數字信號，即 RDC電路，又稱為旋變解碼芯片，目前常見的有美國 AD公司的 AD2S（AD2S1210）系列芯片以及日本多摩川公司的 AU6802系列芯片，它們可以產生激勵信號發送給旋變的激勵繞組，然后將返回繞組的模擬信號處理得到轉子位置信號，以編碼器或 SPI 等形式輸出。除此之外，還有一種方法是利用 DSP和外圍調理電路產生激勵信號并對旋變輸出的信號進行調制、濾波等處理以及角度辨識算法得到轉子位置信號。采用 DSP 對角度信號處理省去了專用的解碼芯片，極大地降低了開發成本。

常見的角度辨識算法有反三角函數法、標定查表法、基于鎖相環的角度跟蹤觀測器法。其中，反三角函數法實現簡單，但引入了一個除法，一個反正切運算，占用資源較多，而且不能利用整個輸出信號的波形；標定查表法需要利用傳感器對旋變信號標定，將旋變輸出信號對應的角度值存儲起來，以供查表使用；基于鎖相環的角度跟蹤觀測器法包含二階角度觀測器和三階角度觀測器，二階角度觀測器法具有一定的濾波作用，提高抗干擾能力，能夠同時估算出電機的轉子位置和轉速值。當轉速變化（升降速）時，二階觀測器解算出的轉子位置角會有穩態誤差，采用三階角度觀測器具有更好的瞬態檢測性能，常用于電機啟動加速時的轉子位置觀測。

4、基于 AUTOSAR 的電機驅動控制系統開發

本節主要研究AUTOSAR 標準對電機控制系統軟件進行軟件分層，包括應用層、基礎軟件層和實時運行環境。其中，應用層通過MATLAB/Simulink 搭建電機控制模型并生成軟件代碼，基礎軟件層通過調用英飛凌底層驅動軟件包編程實現外設功能模塊驅動，實時運行環境通過自定義接口函數實現不同軟件層之間的數據交流和服務調用。

傳統的電機控制，尤其在自動化領域，軟件開發分層不明顯，軟件和硬件之間的嵌套關系耦合嚴重，這就使得軟件在開發過程中一旦遇到問題和缺陷，難以確定問題產生的原因在于硬件驅動程序還是軟件算法設計，影響軟件開發效率，提高開發成本，同樣也會使軟件存在潛在的風險。AUTOSAR 是以軟件分層和模塊劃分的方式實現軟硬件分離的汽車開放式架構標準，將系統軟件架構劃分為應用軟件層（APP）、基礎軟件層（BSW）和實時運行環境層（RTE）。如下圖所示：

在電機控制系統中，與電機控制功能相關的電機控制算法、電機狀態檢測、安全監控等功能可作為應用程序與 AUTOSAR 架構中的應用軟件層相對應，應用軟件層中又將不同的功能模塊以軟件組件 SWC的形式進行封裝，便于設計者的進一步開發?；A軟件層對應于與電機控制相關的如控制器外設驅動、通信服務和中斷服務等，將控制器硬件功能以模塊化進行封裝，有利于其在不用硬件平臺間的移植。應用軟件層與基礎軟件層之間的數據交流和服務調用則是通過實時運行環境層實現，RTE 相當于虛擬功能總線，使得開發者在設計應用軟件時可以不必考慮底層硬件和通信網絡，專注于功能軟件的設計。下圖為本文對電動汽車驅動電機 ECU 軟件架構的分層設計。下文將在此架構的基礎之上對每層軟件進行詳細設計。

5、應用層軟件設計（ASW）

應用層軟件是電機控制算法及其安全監控等功能的具體實現，需要先確定系統的輸入和輸出數據，系統所包含的軟件組件 SWC 及其系統約束等。本系統的 ECU 即為電機控制器，并且根據相應功能可將其軟件組件劃分為：電機控制算法 SWC、數據解算 SWC、安全監控功能 SWC等軟件組件，如圖 2.3 所示，同時需要確定各軟件組件的數據輸入和輸出以及軟件組件之間的數據交流和服務調用。在應用軟件層 APP 中，軟件組件劃分的目的是通過功能模塊劃分減少耦合，有利于系統軟件的更新與升級。

完成各個軟件組件設計后，需要設計其中的運行實體RE（Runnable Entity），運行實體是軟件組件的最小代碼片段，是軟件組件功能的具體實現。其中，數據解算軟件組件 SWC中，輸入數據包括從基礎軟件層獲得的電流采樣、轉子位置傳感器信號等，需要通過電流計算、轉速和轉子位置解算的運行實體 RE 得到相應的電機相電流、轉速和轉子位置等信號。

電機控制算法SWC包含電機控制策略，本文采用的電機控制算法為磁場矢量定向控制FOC（Field Oriented Control，FOC），控制框圖如圖 2.4 所示，將此框圖進行功能劃分不同層次，分別與應用層 APP、基礎軟件層 BSW 和實時運行環境層 RTE 的分層架構相對應?？梢钥闯?，分層架構的劃分實現了電機控制軟硬件的分離，使得軟件開發者可以專注于系統軟件設計而無需考慮硬件相關問題。安全監控 SWC 則是針對電機過流保護、過溫保護、轉子位置監測等運行實體的設計。后續若需要進行功能的添加和升級只需要對相應的軟件組件和運行實體進行添加和修改即可，從而可以避免由于軟件之間交叉耦合帶來的復雜性問題。

應用軟件層的設計是利用 Matlab/Simulink 環境建模，按照所設計的軟件組件及其運行實體搭建模型，利用 Simulink/Configuration Parameters-Code Generation 進行相應配置生成軟件代碼，然后可在 Tasking 編譯器中將相應的代碼文件添加到系統工程中。

6、基礎軟件層設計(BSW)

基礎軟件層向應用層軟件提供基礎設施服務，包括外設驅動服務、內存管理服務、通信服務等，是連接應用層與微控制器之間的橋梁。本系統為驅動電機控制系統，其基礎軟件層結構框圖如圖 2.5 所示，包含外設驅動、服務和通信等。其中，外設驅動是將微控制器的各個功能外設進行封裝，供開發者調用，如與電機控制相關的 PWM 驅動、ADC 驅動、CAN 驅動、IO驅動等；服務包括存儲服務以及與系統服務相關的看門狗、定時器等；另外還包含與數據通信相關的通信協議的設計等。

本文以英飛凌 AURIX 系列三核單片機 TC297 為硬件開發平臺，基于英飛凌底層驅動軟件對系統基礎軟件層進行相關開發與設計。其中，AURIX 系列芯片是英飛凌推出的滿足汽車行業標準（如 AUTOSAR 標準、ISO26262）的高性能 32 位微控制器，集成三個 CPU 內核，主頻 300MHz，可應用于汽車發動機控制、電動/混合動力汽車、底盤、制動系統、電動助力轉向系統和先進輔助駕駛系統等各類場合。本文選用的 TC297 單片機具有豐富的外設資源和強大的數據處理能力，完全可以滿足車用電機控制需求。

系統與電機控制相關的控制器外設模塊包括 CCU6、GTM、ADC、GPIO、ASCLIN等，主要用于實現 PWM 驅動、AD 采樣、IO 信號輸入輸出、通信等功能。其中，CCU6是一個具有特定應用模式的16位高分辨率捕獲和比較單元，主要用于AC驅動控制。特殊操作模式支持使用霍爾傳感器或反電動勢檢測的無刷DC電機。

此外，支持多相電機的塊整流和控制機制。它也支持同步啟動幾個定時器，這是包含多個CCU6模塊的設備的一個重要特性。

永磁同步電機的控制需要六路 PWM波來驅動三相逆變器，則可以利用定時器 CCU6 的多路定時器T12輸出模塊生成三相六路中心對稱的 PWM 波。另外，為滿足三相電流的同步采樣，還需一個定時器作為同步觸發信號 Trigger 來觸發 AD 采樣，這樣CCU6 模塊一共需要T12、T13兩個定時器。

VADC 模數轉換模塊包含 8 個獨立的轉換單元，每個轉換單元含有 8 個輸入采樣通道，AD采樣轉換時間小于 1μs。在電機控制中，三相電流需進行同步采樣，而 VADC 模塊的同步轉換功能可支持多達四個采樣通道的同步轉換。因此，可利用 VADC 的轉換單元進行同步采樣轉換，以實現電機相電流的同步采樣。同時，AD 采樣頻率也要與 PWM 頻率一致，采用硬件觸發 AD采樣可以降低軟件開銷，減輕 CPU 負載率，則可利用上文 T13設計中預留的 Trigger作為觸發信號觸發 AD 采樣。

底層驅動軟件為 TC297 各個外設功能模塊的寄存器配置以結構體和功能函數的形式進行封裝，從一個定時器到三相驅動 PWM 波的產生，都可以通過手動編寫寄存器實現，把相關 PWM輸出的寄存器配置以結構體和功能函數的形式進行封裝，供開發者調用，通過調用 CCU6 模塊PWM 配置的結構體和函數，并將相關參數賦值，如頻率、死區時間、互補通道對數等，即可完成對電機控制所需的 PWM 波配置。在進行 AD 電流采樣配置時，利用 VADC 模塊初始化函數可實現對 AD 采樣的轉換單元和采樣通道的初始化配置，包括與電流采樣相關的同步轉換通道的設置以及 AD 采樣結果中斷的設置。

我們將旋轉變壓器的解碼工作封裝成一個CDD模塊，主要處理旋變解碼芯片的反饋數據結算工作。

7、基運行時環境設計(RTE)

在完成了應用層軟件和基礎軟件層的設計之后，需在實時運行環境層定義相關接口函數，實現應用層軟件組件之間以及應用層與基礎軟件層之間數據的傳輸與調用。首先需要明確應用層軟件的輸入輸出數據以及定義相應的數據類型，各個軟件組件的輸入輸出相關數據均列出，在 Matlab/Simulink 搭建模型后，生成的程序代碼則將輸入輸出數據以結構體形式封裝；基礎軟件層中的輸入輸出數據則是在底層軟件中相關結構體進行定義。完成各軟件層數據定義后，在中斷服務程序中將相應輸入輸出數據進行賦值即可實現應用層與基礎軟件層之間的數據傳輸。

其中，應用層軟件通過在 Matlab/Simulink 中搭建各個運行實體模型并完成相關仿真測試，進行代碼生成，基礎軟件層利用底層驅動軟件驅動進行設計實現對各個外設驅動初始化，并且包含對通信協議和中斷服務等進行相應配置；數據通信和服務調用通過在實時運行環境層定義相關接口函數實現。通過上述方法完成基于 AUTOSAR 電機控制軟件的具體設計實現。最后，將各層軟件導入 Tasking 開發環境中，并在編譯器中對所有程序進行集成編譯、鏈接生成可執行文件，將生成的可執行文件添加到調試軟件 勞特巴赫/UDE 中對軟件進行調試、分析，根據分析結果可對軟件進一步優化。