基于MPC5644A的燃料电池控制器设计

袁罡

摘 要： 采用了飞思卡尔公司的MPC5644A单片机作为燃料电池控制器的控制核心，通过设计燃料电池控制器的专用外围模块组成一个完整的控制系统，此控制系统的主控制板包括电源、采集、通讯、调节等模块。在此控制系统的基础上，通过一种模糊预测算法进行电堆控制，该设计具有一定创新型，对燃料电池控制器的设计具有很好的指导意义。

关键词： MPC5644A；控制器；模糊预测；电堆控制

自从工业革命以来，现代社会对化石能源的需求剧增，而化石燃料的使用不可避免的造成大量二氧化碳等温室气体排放，直接导致“全球气候变暖”这种影响世界整体的环境问题。因此，发展新型清洁替代能源和提高能源的利用率将成为新世纪能源发展中的主要议题之一。在现阶段，质子交换膜燃料电池成为新型清洁能源重要的发展方向[1-5]。本文主要设计的是基于MPC5644A芯片的燃料电池控制器部分。MPC5644A是32位的Power Architecture微控制器，适用于汽车的一些敏感部件的控制，可在恶劣的环境下持续工作，它拥有高达150MHZ的工作频率，32通道eTPU2（第二代eTPU）和24个统一eMIOS通道以及多达40通道ADC使电堆控制变得异常方便。

本设计以MPC5644A为核心的控制电路，运用通讯模块、采集模块、调节模块等组成统一的且综合性强的控制系统，为燃料电池

控制器研究者的进一步研究提供一个较好的平台[6]。

1系统方案与设计

本设计主要有以下几个模块：MPC5644A最小系统、脉冲信号处理模块、模拟信号处理模块、开关信号处理模块、容错处理、反馈与通讯等。

1.1主控芯片

MPC5644A 最小系统模块分为5部分，主要包括MPC5644A时钟电路与模拟部分供电配置、芯片电源部分去耦电路、复位电路、启动配置电路和其他电源配置电路，采用外接8M无源晶振。

该芯片有大量的电源和地引脚，故增加了相应的去耦电容，去耦电容采用大小相间排布，其中 PCB 设计中小电容尽可能靠近管脚。为减少数模信号之间的干扰作用，AD部分的参考电压需要加入一些磁珠进行隔离。

该复位部分采用ADM6315专用的电压检测芯片，ADM6315性能可靠，适合多数电压监控使用，可用来监控低至1.8%的电源电压压降。

MPC5644A与大多数芯片不同，它是通过外部硬件输入引脚的配置和一段称为启动引导辅助存储器 BAM 的代码，共同确认硬件复位之后到程序执行之前的运行与初始配置。

1.2信号处理模块

（1）AD采集电路

本设计中，模拟信号ADCx（x=0～23，表示有24路AD采集电路）输入，连接到MCU的PAD0x（x=0～23）。它们之间采用HCNR201线性光耦结合运算放大器LM214，能有效地把外部信号传送到内部MCU的AD管脚，并消除外部的电磁干扰，其中PESD5VOSIBA器件是属于瞬态电压抑制器（TVS）的电磁保护器件。

（2）IO输入电路

燃料电池控制器总共设计多路输入IO信号，IOIN2为外部IO输入信号，经过ADUM1410隔离器件，进入MCU的端口引脚。另外可从图中看出，外部电路和内部电路的电源是不同的，外部电路使用VCC电源，而内部电路使用MVDD_5.0，起到完全隔离作用，阻止了外部干扰信号的进入。其中器件ADUM1410是ADI公司推出的基于iCouple磁耦隔离技术的四通道数字隔离器，它采用了高速的CMOS工艺和芯片级的高压器技术，在性能、功能、体积等各方面有光电隔离无法比拟的优势。

1.3通讯模块

本设计中通讯模块主要利用MPC5644A中兩路具有64个消息缓冲器的FlexCAN来实现，ADUM1201和TJA1050芯片的组合搭建，是典型的CAN总线接口电路，也是燃料电池控制器能否正常工作的关键电路。其中EM201是共模电感用于防止电磁干扰信号，ESD201是CAN总线的ESD（electro-static discharge，静电释放）保护二极管，R201是CAN总线的终端电阻，防止总线上的信号反射。

ADUM1201是ADI公司采用其iCouple磁耦隔离技术的双通道隔离的电平转换器，采用高速的CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能功耗等方面有很大优势，TJA1510是CAN总线协议控制器和物理总线之间的接口[7-11]。

2PCB板设计

本设计中PCB图通过Altium Designer软件进行绘制，包括焊盘的绘制、建立封装、器件布局、规则设置、布线、DRC检测和出光绘。图为PCB主板布局图[12-13]。

3软件部分设计

燃料电池控制器的软件设计按照功能分为以下几个部分即：初始化模块、A/D采样模块、控制策略模块、通信模块如下图所示

3.1时钟设置

PLL锁相环有四种运行模式，分别为旁路模式、基于外部晶振的正常模式、基于外部参考时钟的标准模式和双控制器模式。在正常模式情况下，PLL从晶振电路接收输入的时钟信号，并且对该信号进行倍频，从而产生相应的输出时钟信号，外部晶振要求限定的范围为4MHz到40MHz。

3.2复位确定

复位包括上电复位、PLL失锁复位、看门狗时间溢出复位、软件系统复位、复位引脚输入复位和机器状态检查错误复位。在这些复位的条件中，每种都有一个单独的复位状态位。

3.3 数字I/O引脚的配置

MPC5644A的I/O引脚丰富，大部分的端口都具有数字I/O的功能，每一个引脚都具 有以下单独的寄存器：SIU_PCRx、SIU_GPDOx、SIU_GPDIx。通过写入数据输出寄存器的最低位与读入数据输入寄存器的最低位可以设置这些引脚的逻辑电平。

3.4 片内外设的初始化

芯片复位后所有的片内外设都会被激活， 可通过关闭一些不需要的模块来降低功耗。 除了ETPU、SCI、Flash和NPC这些外设模块需要特殊处理外，其它模块的使能位都是 MCR寄存器的MDIS位，该位默认为0，需要 禁用某个模块，只需要对该模块相应的MDIS 位置位即可。

4PEMFC温度模糊预测控制系统仿真

一般的常规控制首先都要对被控系统建立精确的数学模型。但是在很多现实情况下被控系统的精确数学模型都比较难以建立， 比如质子交换膜燃料电池就属于一个比较复杂的系统，对于类似的这种被控系统往往不能用清晰的物理公式或化学反应式来进行解释，这一类系统会受到很多的因素的影响，并且这些因素之间又存在相互的联系，使其模型非常的复杂化。模糊控制理论与技术就是基于这种情况而产生的。由于PEMFC温度控制系统的复杂性，采用模糊控制理论对温度系统进行模糊建模可以避开PEMFC的物理或化学规律，是一种有效的建模方法。

预测控制通常是指模型预测控制（MPC-model predictive control）。预测控制系统的结构主要是由参考轨迹、预测模型、滚动优化和在线校正这几个部分组成。其基本原理如下所述。

基于模型的预测：预测未来有限步（有限时域）的模型输出；

反馈校正：用检测到的输出误差即时修正模型预测输出；

滚动优化：将校正后的预测输出与参考信号进行比较，在各种约束条件下（如对控制量、输出等），计算控制量，使未来有限时域的预测输出误差最小。

本课题采用一种基于模糊控制模型的预测控制算法，有效的对燃料电池构建模型进行温度控制，以适应本系统复杂的工作环境，取得良好的综合控制效果，增强系统的稳定性。

Y（K）=[y（k-1），y（k-2），y（k-3）]，U（K）=[u（k-1），u（k-2），u（k-3）]T，将模糊模型转化为模糊状态模型如下：

R1： if y（k-1） is B1 and u（t-3） is A1，then Y（K+1）=C1Y（K）+D1U（K）

R2： if y（k-1）is B2 and u（t-3） is A2，then Y（K+1）=C2Y（K）+D2U（K）

R3： if y（k-1）is B3 and u（t-3） is A3，then Y（K+1）=C3Y（K）+D3U（K）

选取控制时域Nu=3，预测时域N=5选择多步线性化方法，控制器参数选择为优化矩阵R=diag[0.1，0.1，0.1]，Q=diag[1，1，1]，

模糊预测控制与传统的PID控制的控制效果进行比较，模糊预测控制响应更快，控制效果更好。

5 结束语

本设计与实际应用相结合，利用高性能 的MPC5644A芯片，辅以各种传感器来组成燃料电池电堆的控制系统。在此燃料电池电堆控制系统的基础上，通过高可靠性的设计与模糊预测控制算法调试，实现了对燃料电池电堆的智能控制。

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