摘 要

随着汽车技术的发展，电动汽车强大的动力性和节能减排的优点都被广泛认可，越来越多的汽车运动都开始采用电动赛车，这也包括世界各国高校都积极参与的大学生方程式赛车。作为一台电动汽车，除了早已掌握的底盘技术以外，更重要的部分就是控制车辆核心的整车控制器。

论文的重点阐述了电动方程式赛车的整车控制器（VCU）的硬件设计以及软件设计。软件方面主要介绍了信号的采集和处理、电机的控制策略以及整车电气系统故障诊断。其中将具体表述在信号处理、CAN通讯网络以及控制过程三个部分。在硬件方面主要介绍单片机最小系统电路、CAN通讯电路、AD驱动电路、继电器驱动电路的设计以及PCB板的制作。

最后，通过制作硬件PCB板，将软件写入系统中，并接入电动方程式赛车中，整车控制器可以通电正常运作。上电测试后，控制策略中的功能均完整实现，加速踏板响应良好，能控制电机及时输出所需动力；制动踏板踩下车辆断电处理。测试电动方程式赛车稳定安全运行。

关键词：电动方程式赛车；整车控制器；控制策略；CAN总线；模数转换

Abstract

With the development of automotive technology, the advantages of electric vehicles and the advantages of energy-saving emission reduction are widely recognized, more and more motor sports have begun to use electric racing cars, which also including the world's universities that are actively involved in Formula Students. In addition to the schools with high-level chassis technology, the most important part is to control the vehicle's vehicle controller.

The paper focuses on the hardware design and software design of the vehicle control unit (VCU) of the electric formula car. The software part mainly introduces the signal acquisition and processing, the motor control strategy and the vehicle electrical system fault diagnosis, which will be described in three parts like the signal processing, CAN communication network and control process. In the hardware part, it mainly introduces the main microcomputer system with the smallest circuit, CAN communication circuit, AD drive circuit, the relay drive circuit design and PCB board production.

Finally, through the production of hardware PCB board, the software will be written into the system, and access to electric formula racing car. The vehicle controller can be powered on the normal operation. After the power test, the control strategy is fully realized, and the accelerator pedal response works well. The control of the motor output power responds in time. Brake pedal easily cut off the vehicle power output. The testing electric formula racing car runs in stable and safe condition.

Key Words：electric formula racing car; vehicle control unit; control strategy; CAN communication network; analog-digital conversion

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容与技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术路线 3

第2章 整车控制器系统功能需求分析 4

2.1 整车控制器系统功能需求分析 4

2.1.1 电机控制需求 4

2.1.2 CAN总线传输信号需求 4

2.1.3 车辆行驶过程控制需求 4

2.1.4 故障诊断需求 5

2.1.5 输入输出接口需求 5

2.2 本章小结 5

第3章 整车控制器硬件系统设计 6

3.1最小系统电路设计 6

3.1.1最小系统电路原理 6

3.1.2复位电路设计 7

3.2 电源模块设计 7

3.3 CAN收发模块设计 8

3.4 踏板信号采集模块 9

3.5 本章小结 10

第4章 整车控制器的控制策略 11

4.1 控制策略简介 11

4.2 电机待机态向电机待行驶态转换 11

4.2.1 电机执行预充电 11

4.2.2 电机预充电状态转变为待行驶状态 11

4.3 电机从待行驶状态转为使能状态 14

4.3.1 赛车行驶过程控制 15

4.3.2 模拟量与数字量转换 16

4.3.3行驶过程控制 18

4.3.4 制动过程 19

4.4 总体控制策略描述 20

4.5 本章小结 21

第5章 整车控制器的故障分析与处理 22

5.1 踏板信号故障处理 22

5.2 绝缘故障处理 22

5.3 电池故障检测 22

5.3.1 电压过低故障 23

5.3.2 电池单体温度过高或电池单体电压过高 23

5.3.3 电池组电压差值过大 23

5.4 电机故障检测 24

5.5 本章小结 25

第6章 总结与展望 26

6.1 总结 26

6.2 展望 26

参考文献 28

致谢 29

附录 30

整车控制器软件代码 30

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

纯电动方程式赛车以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能，以电机实时扭矩输出的特性来实现良好的动力性能输出，达到赛车竞速的目的。在大学生电动方程式大赛中，底盘设计已经有了很夯实的基础，而将近几年刚刚开始广泛应用的电动汽车技术投入到大学生为主体的赛事中，电机的控制、电池的搭配和管理等都是待解决的难题。如何将车手的控制实时准确地传达给电机，在提供良好的动力输出的同时保证车辆本身的安全和稳定都是要很好解决的问题。

1.1.2 研究意义

大学生电动方程式大赛采用纯电动方程式赛车，其组成与传统内燃机驱动赛车在底盘方面基本相同，其动力系统由电池组、电机、控制系统组成。电动方程式赛车的整车控制器通过CAN网络将电池组、电池管理系统、电机控制器、踏板等部分进行连接，其主要的功能即通过踏板传递油门和制动踏板的信号，通过整车控制器的控制逻辑，给电池组和电机控制器发出执行信号，达到控制的目的。

电动方程式赛车的整车控制器设计目的在于设计一款适用于大学生电动方程式大赛赛车的整车控制器，保证赛车的安全，保证控制核心的稳定，同时实现对电动赛车性能的改善和提升，协调踏板、电池组、电机控制器及电机之间工作，并且能实现部分行车数据采集处理以及故障判断。