STM32F407大学生方程式赛车电气驱动系统与电子控制系统设计
毕业论文关键词 STM32F407 CAN 总线 整车控制器 电气布线
Title College students formula of electric drive system With the electronic control system design Abstract Under the background Formula Students Electric China，this study, referring to the competition rules，automobile and electrical knowledge, aims to design a stable and efficient electric drive system and electronic control system for the electric racing car，so that the electric car has great dynamic performance，handling performance and durable performance. At first，this paper gives an introduction to the Formula Students Electric China and the overall design requirement. Secondly, the vehicle controller design consists of selection of STM32F407 that belongs to ARM series as the main control chip, building the communication network system through CAN bus，using the KEIL to write the program together with some debugging work. Then, the vehicle electric drive system is designed according to circuit safety. When the electric framework has been down, this study makes use of CATIA to complete electrical components modeling and vehicle three-dimensional electrical wiring. Finally, this study checked the wiring harness interference of static and dynamic state and optimized the overall design. Keywords STM32F407 CAN Bus Racing car Main Controller Electrical Routing
目 次
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 . 1
1.2 国内外研究现状及发展动态 . 2
1.3 本课题的主要研究内容及预期效果 . 3
2 总体设计方案 4
2.1 大赛规则要求 . 4
2.2 预期的性能要求 . 5
2.3 整车控制器的设计要求 . 6
2.4 整车驱动系统设计要求 . 7
2.5 本章小结 . 7
3 整车控制器的设计 8
3.1 控制器硬件选型 . 8
3.2 控制程序的流程图设计和程序编写 . 8
3.4 保护电路的设计 . 18
3.5 程序调试 . 19
3.6 本章小结 . 20
4 整车电气系统的设计 21
4.1 整车电路框架的设计 . 21
4.2 整车布线设计 . 23
4.3 本章小结 . 27
5 分析和讨论 28
5.1 整车控制器的分析和讨论 . 28
5.2 电器驱动系统的分析和讨论 . 29
总 结 30
致 谢 31
1 绪论 大学生方程式汽车大赛（Formula Student）是由美国起源，逐步扩展到世界范围的工程类竞技大赛。大赛以学生为主体，要求学生团队自主设计并制造一辆功能性良好的赛车，锻炼本科生实践与创新能力并为汽车产业培养接班人[1]。近年来，除传统汽油发动机比赛外，各国也纷纷开展纯电动赛车（Formula Student Electric）的赛事，以激励各高校车队对新能源汽车的研究，推动新能源汽车相关技术的发展。本课题将以大学生方程式电动赛车为主体，利用规范合理的设计方法以及汽车理论和电气知识，设计一套安全高效的整车电子控制系统及电气驱动系统。 1.1 课题研究背景 1.1.1 大学生方程式电动车比赛介绍 大学生方程式汽车大赛（Formula SAE，简称 FSAE）是由SAE（Society of Automobile Engineering，美国汽车工程学会）主办的一项以学生为主体的汽车类实践设计竞赛，起始于1978 年[2]。比赛虽然以学生为主体，但比赛用车的性能及制造技术都紧跟乘用车的发展。在新能源汽车的快速发展下，比赛范围也由燃油车拓展到新能源汽车。第一届混合动力方程式比赛（Formula Hybrid）于 2007年在美国塞耶工程学院举行，之后在2010年，德国举办了第一届大学生方程式汽车大赛电车赛，首届比赛中仅有 15支队伍参加，而在第四届参赛车队数量迅速增至90支[3]。现在，电动赛车已经成为与燃油车并列的比赛项目，其性能已经超过燃油车并具有更好的发展空间。 在我国，第一辆电动赛车由北京理工大学研发制造，并在 2011 年 10 月油车赛场上第一次亮相，赢得广泛关注。中国的首届 FSAE 电车赛也将于 2013 赛季正式在上海 F1 国际赛车场举行，此次比赛吸引了大量国内外车队，最终确定 30支比赛队伍。电车赛为 FSAE注入了新的活力，并促进新能源车辆的普及和发展。 1.1.2 电动赛车的发展趋势 继大学生方程式比赛推出电车赛后，在 2014 年 9 月 13 日，第一届国际电动方程式赛车锦标赛（Formula E）在北京正式开赛，共有十支国家代表队伍参加比赛，其中包括中国国家队。比赛统一使用“Spark-Renault SRT_01E”纯电动赛车，仅用锂电池供电并具有最先进的无线充电技术。由雷诺、迈凯轮和威廉姆斯等老牌 F1 车队分别为这辆新概念赛车提供传动、电机和电池系统。Formula E以电机的啸叫代替发动机的咆哮，推进绿色可持续发展的理念，真正实现了“纯绿色”赛事。Formula E 旨在推广绿色清洁的交通工具，促进新能源汽车为主体的电池、充电技术、电子控制和电动机等方面的发展，提供一个展示新能源汽车的平台。这同样也是大学生方程式电动车大赛所追寻的。 1.2 国内外研究现状及发展动态 国外的大学生方程式电动汽车大赛开展已有十年，赛车的设计和制造技术已经趋于系统化和成熟化。在去年苏黎世联邦理工学院和卢塞恩大学共同打造的电动赛车 Grimsel 已经实现了零到百公里加速 1.785 秒，并且在他们的新赛车中不断突破，在今年已经突破到1.58秒。这是一个让一级方程式赛车都难以望其项背的加速度，能够达到这个速度最关键的就是电机驱动。电动机具低速高扭的特性，这在起步的时候能提供比发动机更大的输出扭矩，同时相比发动机需要通过进气、喷油和点火时间来控制输出扭矩，电动机直接由电力驱动，能精确、及时地控制输出扭矩，这使得牵引力控制能够更加极限的利用轮胎抓地力，使电动赛车具有更好的动力性和安全性[4]。这种驱动系统不仅极大改善了车辆的动力性能，并通过分配各轮毂电机扭矩实现转向差速和牵引力控制，从而有效提高车辆的操纵稳定性。在电子控制系统方面，Grimsel 使用ARM Cortex M4 微控制器作为ECU，系统包括功率管理模块，安全模块，控制模块等。国外电动车普遍采用分布式驱动，这不仅能够充分发挥每一个轮胎的抓地力，同时还可以通过独立控制四轮电机的输出扭矩改变车辆的横摆力矩，改善车辆的转弯特性。 相比之下，中国大学生方程式电动赛车正处于起步状态。在2014年第五届中国大学生方程式汽车大赛，有 20支纯电动赛车队参赛，其中包括来至德国斯图加特大学的纯电动赛车队。斯图加特 Gteen team 电动车队是一支来自德国的世界强队，一直在世界比赛中保持前三名的好成绩。北京理工大学的 “银鲨”战车以国内车队第一名的成绩取得了电动组的亚军，但与冠军斯图加特大学 Gteen team 的差距仍然很大。 在国内的19只车队中，除同济大学外都为单电机驱动，相对于斯图加特大学四轮轮边电机独立驱动，动力和转弯性能都处于劣势。同济大学采用了双电机独立驱动方式，如图 1.2所示，采用两个峰值功率 45kW 的电机通过半轴传动分别驱动两个后轮，最大加速度达到11m/s。在2015的比赛中部分学校将开始尝试多电机驱动，同济大学仍采用双电机后轮驱动，上海交通大学和盐城工学院等将使用四轮轮毂电机的驱动方式。在驱动技术上寻求新的突破的同时，越来越多的学校开始自己设计并制作整车控制系统和电池管理系统。在这种不断进步和创新的竞赛氛围中，赛车的整体性能也在向世界强队靠拢。 1.3 本课题的主要研究内容及预期效果 本课题旨在设计一套能够应用于电动赛车，发挥赛车性能，保障赛车安全的电子控制与电气驱动系统。主要的研究内容如下： （1）介绍国内外纯电动赛车现状，对中国大学生方程式赛车电车规则进行深入研究； （2）明确设计要求，根据赛车性能制定电气部分的总设计方案； （3）设计整车控制器，选择主控芯片，设计控制算法，编写控制程序，调试代码并优化设计； （4）选择合适的电气组件，搭建以安全回路为主的整车电气框架； （5） 对电气组件的建模和总装，依据电气框架进行整车三文电气布线， 检查干涉并优化分析。 通过以上研究，明确大学生方程式电动赛车的设计要求和发展方向，提出电气方向总设计方案；设计出与之配套的整车控制器，包含控制芯片和模块的选型，控制程序及硬件保护电路；搭建安全可靠的整车电气回路，完成电气组件的选型和建模，为以后的制作提供三文布线方案。