CN111628686B - 永磁同步电机时序任务调度和空间状态调度协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其结构包括“算法模块”和“逻辑模块”，所述的算法模块包括高速采样、矢量控制算法等；所述的逻辑模块包括一种特殊的任务调度机制，该机制，时序上以不同的优先级和功能集将控制策略划分为不同周期的任务包，同时采用主次时序嵌套调度的方式，对同一时序线路上任务的个数进行有效分流，避免任务重入和堆积；空间上将有限状态机逻辑置于实时性最高的周期任务中，将状态的输出介入时序调度，以更高的优先级驱动不同周期任务中的功能函数。本发明基于纯应用层开发，实现纯电动汽车用永磁同步电机时序任务调度和空间状态调度协同控制。

Description

永磁同步电机时序任务调度和空间状态调度协同控制系统

技术领域

本发明涉及电力传动技术领域，尤其涉及电动汽车的车用主驱永磁同步电机控制方法领域，具体是指一种基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统。

背景技术

随着近些年纯电动汽车在全世界范围内的兴起，永磁同步电机作为主驱电机被广泛应用于纯电动汽车之中。永磁同步电机从工业应用到纯电汽车应用，其控制方法也变得更加复杂和多样化。

永磁同步电机应用于纯电动汽车初期，其控制方法仅仅是在矢量控制基本算法的基础之上，加上协议层、诊断层等一些模式控制的基本逻辑，所有的程序基本上全部置于PWM周期中断之中，也没有复杂的高速控制算法，软件调制更新周期与电机控制器硬件模块的开关周期保持一致。

近几年，国家加大新能源电动汽车的扶持力度，纯电动汽车的市场也逐渐扩大，对于纯电动汽车主驱永磁同步电机的控制也有了更高的要求，扭矩标定的精度、传感器采样的方法和精度、控制高效区的拓展、损耗的降低、扭矩脉动的抑制和补偿等等方面均成为研发人员们的主要突破方向。控制上对传感器采样的要求，使AD转换中断取缔了PWM周期中断；控制高效区的拓展和损耗的降低，也要求全转速范围内的PWM调制频率需要连续的变化；高速甚至超高速的控制，对PWM更新的频率提出了更高的要求。

纯电动汽车车用永磁同步电机控制策略和算法逐渐完善，代码量随之增大。而高速甚至超高速控制中要求PWM调制更新频率足够高，即在高速控制时为满足载波比的要求，AD转换中断时间需要足够短。车用级微控芯片核心数的选型需要考虑成本等诸多因素，在主控芯片核心数硬件限制的前提下，AD转换中断时间短与增加的代码量在工程实现上相悖。显然再将所有的控制策略和算法代码全部置于AD转换中断中是不合适的。

本发明将纯电动汽车车用永磁同步电机控制的基本逻辑策略和算法独立开来，将基于矢量控制PWM调制的纯算法部分和对采样要求最高的电流与角度采样部分以顺序结构置于AD转换中断中，这段纯算法部分需要足够的精简；纯逻辑部分按照执行的优先级和功能集以特殊的任务调度形式，将相关代码置于主循环中。本发明中这种特殊的任务调度是一种基于纯应用层开发的“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制方法。目前整个新能源行业中，纯电动商用车车用永磁同步电机控制相对简单，甚至大多数未用到实时操作系统，纯电动乘用车永磁同步电机的控制中，有些采用嵌入式系统中常见的μC_OS-Ⅱ、有些采用商用RTOS(Real Time Operating System)、有些采用传统汽车常用的OSEK等等，这些实时操作系统，实时性高、任务调度成熟，也多用于嵌入式系统和汽车行业，但是多数并未全部开源，商用化普遍，且需要底层驱动代码配合实现，与底层硬件设备的集成度较高，不便移植。本发明中的任务调度完全基于应用层软件开发，不依赖于底层驱动实现，移植性强，且采用时序调度和空间调度协同控制的方式，可以同时兼顾“‘硬’实时系统要求规定时间内必须完成任务”和““软’实时系统按照优先级完成操作”的实时系统任务调度特征。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足实时性好、操作简便、平台移植性强，不依赖于具体微控芯片集成环境，软件开发成本和市场应用成本低、适用范围较为广泛的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统。

为了实现上述目的，本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统如下：

该基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其主要特点是，所述的系统包括算法模块和逻辑模块，所述的系统在“两个坐标系直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref的给定”处为界限划分为算法模块和逻辑模块；

所述的Main函数初始化单元用于进行外设和变量的初始化，所述的外部中断单元用于进行硬件故障及诊断，所述的Timer0计时中断单元用于为Scheduler任务调度提供精确的计时。

所述的算法模块包括AD转换中断单元，所述的AD转换中断单元用于实现传感器高速采样、计算和滤波，同时对矢量控制主要算法进行运算。

所述的逻辑模块包括主循环单元，所述的主循环单元包含不同功能集的函数，所述的函数按照不同的周期封装成不同的任务包。

较佳地，所述的直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref给定的前端为逻辑模块，在主循环单元中实现，所述的直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref给定的后端为算法模块，在AD转换中断单元中实现。

较佳地，所述的系统将AD转换中断中实时性要求较低的函数分配至主循环中，并根据功能和优先级分配至不同的周期任务中；系统将实时性要求高的函数分配至频率较高的周期性任务，将实时性要求低的函数分配至频率较低的周期性任务。

较佳地，所述的Timer0中断单元和AD转换中断单元的执行判定与Scheduler任务调度并行，Scheduler任务调度中的任务优先级低于Timer0中断单元和AD转换中断单元的执行的任务优先级。

较佳地，所述的主循环单元包含500us任务、1ms任务、2ms任务、10ms任务、20ms任务和50ms任务，10ms任务、20ms任务和50ms任务以子调度的形式安排在2ms任务中，500us任务和1ms任务均分为主副任务执行。

较佳地，所述的系统采用状态转移方式配合时序实现调度，将状态机的状态输出作为其他周期任务内容的驱动。

较佳地，所述的状态机的状态包含初始状态INITIAL、过渡待机状态STANDBY、上电预充状态CHARGE、整车预备状态READY、整车正常运行状态RUNING、控制器主动放电状态DISCHARGE、控制器强电下电状态POWEROFF、故障状态FAULT以及控制器弱电和强电掉电状态NOPOWER。

采用了本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，将控制程序归置为逻辑部分和算法部分，实时性要求和优先级关系明确，为时序任务调度和有限状态机空间调度的实现提供了平台。本发明完全基于应用层软件开发实现，平台移植性强，不依赖于具体微控芯片集成环境，其软件开发成本和市场应用成本低。本发明的时序任务调度形式，明确了不同周期任务间的时间间隔，考虑到对一个数和其倍数取余，余数最小公倍数的关系，有效避免了不同周期的任务在同一时刻到来；采用调度器计数状态值循环比较的方法，可以有效避免同一周期任务的反复进入。本发明从空间调度的角度降低每个周期任务的执行时间，使控制系统繁忙程度得到优化，同时确保规定的时间完成既定任务。

附图说明

图1为本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统的纯电动汽车车用永磁同步电机程序全新架构图。

图2为本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统的算法模块和逻辑模块执行时序关系图。

图3为本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统的基于纯应用层实现的Scheduler流程图。

图4为本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统的“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制结构图。

图5为本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统的空间状态调度和状态转移关系图。

图6为本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统的高速控制时AD转换中断周期最短极限情况下的Scheduler时序关系图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其中包括算法模块和逻辑模块，所述的系统在“两个坐标系直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref的给定”处为界限划分为算法模块和逻辑模块；

所述的Main函数初始化单元用于进行外设和变量的初始化，所述的外部中断单元用于进行硬件故障及诊断，所述的Timer0计时中断单元用于为Scheduler任务调度提供精确的计时。

所述的算法模块包括AD转换中断单元，所述的AD转换中断单元用于实现传感器高速采样、计算和滤波，同时对矢量控制主要算法进行运算。

所述的逻辑模块包括主循环单元，所述的主循环单元包含不同功能集的函数，所述的函数按照不同的周期封装成不同的任务包。

作为本发明的优选实施方式，所述的直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref给定的前端为逻辑模块，在主循环单元中实现，所述的直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref给定的后端为算法模块，在AD转换中断单元中实现。

作为本发明的优选实施方式，所述的系统将AD转换中断中实时性要求较低的函数分配至主循环中，并根据功能和优先级分配至不同的周期任务中；系统将实时性要求高的函数分配至频率较高的周期性任务，将实时性要求低的函数分配至频率较低的周期性任务。

作为本发明的优选实施方式，所述的Timer0中断单元和AD转换中断单元的执行判定与Scheduler任务调度并行，Scheduler任务调度中的任务优先级低于Timer0中断单元和AD转换中断单元的执行的任务优先级。

作为本发明的优选实施方式，所述的主循环单元包含500us任务、1ms任务、2ms任务、10ms任务、20ms任务和50ms任务，10ms任务、20ms任务和50ms任务以子调度的形式安排在2ms任务中，500us任务和1ms任务均分为主副任务执行。

作为本发明的优选实施方式，所述的系统采用状态转移方式配合时序实现调度，将状态机的状态输出作为其他周期任务内容的驱动。

作为本发明的优选实施方式，所述的状态机的状态包含初始状态INITIAL、过渡待机状态STANDBY、上电预充状态CHARGE、整车预备状态READY、整车正常运行状态RUNING、控制器主动放电状态DISCHARGE、控制器强电下电状态POWEROFF、故障状态FAULT以及控制器弱电和强电掉电状态NOPOWER。

本发明的具体实施方式中，提供一种工程实用的纯电动汽车车用永磁同步电机控制的全新架构，该架构采用逻辑和算法完全独立的控制思维；提供一种特殊的任务调度机制，该任务调度机制，在时序上按照不同的优先级和功能集将控制策略划分为不同周期的任务包，同时采用主次时序嵌套调度的方式，对同一时序线路上任务的个数进行有效分流，避免任务重复进入和任务堆积；在空间上将有限状态机逻辑置于实时性最高的周期任务中，按照状态的输出介入时序调度，以更高的优先级驱动不同周期任务中的功能函数；这种“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制方法完全基于纯应用层软件开发实现，不依赖于底层驱动。

完全基于应用层软件开发实现，平台移植性强，不依赖于具体微控芯片集成环境，其软件开发成本和市场应用成本低。

本发明创建全新程序架构，预先整合程序，以“直轴电流id_ref”和“交轴电流iq_ref”的给定为界限，将实时性最高的“传感器高速采样”和“矢量脉宽调制算法”精简后归置为“算法”部分；将实时性与优先级较低的“状态转移”、“模式控制”和“逻辑调度”居多的函数精简后归置为“逻辑”部分。全新的控制架构，程序精简，实时性要求和优先级关系明确，为时序任务调度和有限状态机空间调度的实现提供了平台。

本发明创建了一种特殊的任务调度机制，该任务调度机制，在时序上按照不同的优先级和功能集将控制策略划分为不同周期的任务包，同时采用主次时序嵌套调度的方式，对同一时序线路上任务的个数进行有效分流，避免任务重复进入和任务堆积；在空间上将有限状态机逻辑置于实时性最高的周期任务中，按照状态的输出介入时序调度，以更高的优先级驱动不同周期任务中的功能函数。

“算法”部分的执行时间要求十分严格，“算法执行时间”加上“AD转换时间”必须小于中断周期时间，高速控制时，中断周期最短，该极限情况下，“算法执行时间”既要保证自身算法能够执行完成，不发生中断堆积，又要保证算法执行剩余时间能够执行周期任务，保证任务被多次打断后，总执行时间不超过任务间隔时间，避免任务堆积。

这种特殊的任务调度机制，时序上采用主次时序嵌套的任务调度方式，分流主时间序列任务的数量，扩大不同周期任务之间的时间间隔，使不同周期任务允许执行时间充裕，避免任务堆积，次时间序列的任务数量同样得到降低，也可以达到主时间序列同样的效果；这种时序任务调度形式，明确了不同周期任务间的时间间隔，考虑到对一个数和其倍数取余，余数最小公倍数的关系，有效避免了不同周期的任务在同一时刻到来；调度器从上至下，从高频任务到低频任务完成逻辑轮询，确定了高频任务优先级高于低频任务，同样主时间序列任务优先级高于次时间序列任务；采用调度器计数状态值循环比较的方法，可以有效避免同一周期任务的反复进入；空间上将完全基于应用软件开发的有限状态机置于实时性最高的周期任务中，定周期完成对其他周期任务的状态输出，以高于时序调度优先级的状态指令决定时序调度下的函数执行，这样每个周期任务在每个状态下都不是全负荷运行，从空间调度的角度降低每个周期任务的执行时间，使控制系统繁忙程度得到优化，同时确保规定的时间完成既定任务；这种“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制方法，可以兼顾“‘硬’实时系统要求规定时间内必须完成任务”和“‘软’实时系统按照优先级完成操作”的实时系统任务调度特征。

本发明的具体技术方案如下：

纯电动汽车车用永磁同步电机控制的全新架构的搭建，其难点在于：

(1)需要在程序中，将“逻辑”和“算法”完全摘开。如图1中所示，整个纯电动汽车车用永磁同步电机控制程序主体为：Main函数初始化、外部中断、Timer0计时中断、AD转换中断、主循环五个主要方面。这是基于全新架构工程的基本设定。外设和变量的初始化在Main函数中进行；硬件故障及诊断层的相关实现需要外部中断的支持；Timer0计时中断为Scheduler任务调度提供精确的计时；传感器高频采样的要求，控制高效区的拓展和损耗的降低，以及高速甚至超高速的控制等诸多控制的要求，使用单纯的AD转换中断取缔“PWM周期中断”或“AD中断与PWM中断配合实现”等诸多做法；主循环便是本发明中“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制的主要载体，其中是不同功能集的函数，这些函数又按照不同的周期封装成不同的任务包。

图1中有关程序全新架构设计的五个主要方面均由底层驱动程序实现并进行底层库的封装。本发明讲述的电动汽车用永磁同步电机“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制方法完全基于应用层代码实现，代码依托“AD转换中断”和“主循环”，中间任何一个功能的实现不对底层驱动代码进行更改。“逻辑”和“算法”完全摘开需要一个明确的界限，这个界限即为交流永磁同步电机“直轴电流id_ref”和“交轴电流iq_ref”的给定。

两个坐标系电流给定的前端是：CAN线数据的接受和解析、底层数据的接受和解析、数据定标、母线电压，转速，电机温度和控制器温度等实时性要求相对较低物理量的采集，计算和滤波、不同周期不同等级的故障诊断及处理、程序状态机、各种驱动模式(驱动、发电、0扭矩、主动放电等)和整车模式(驱动、巡航、换挡、驻坡等)的解析与执行、扭矩指令解析和扭矩外特性限制计算、电流查表和电机参数查表、角度补偿、死区补偿、谐波抑制、主动阻尼、前馈解耦、实际扭矩的计算和滤波、CAN线数据打包、调度和发送等等；

“直轴电流id_ref”和“交轴电流iq_ref”给定的后端是：电流和角度等采样频率要求较高的物理量采样和计算、基于电压空间矢量脉宽调制相关算法。前端程序中状态转移、模式控制和逻辑调度居多，后端程序中基本上是纯粹的计算，因此，软件上将前者归置为逻辑部分，在“主循环”中实现，后者归置为算法部分，在“AD转换中断”中实现。

(2)高速控制时，对载波比有较高的要求，AD转换中断是由PWM触发实现的，高速时AD转换中断的频率较高，即周期较短。这便要求AD转换中断中“算法”部分的程序所占用的时间要短，AD转换同样需要占用一定的时间。

如图2所示，“算法执行时间”加上“AD转换时间”必须小于中断周期时间。算法执行完到下一次AD转换执行中断子程序期间的空隙去执行主循环，主循环中是Scheduler调度，主循环如果处于空闲，此时便没有任何周期的任务；主循环如果处于繁忙，便需要执行周期性任务。周期性任务时间如果过短，且小于算法执行间隙，下次AD转换中断算法执行之前便可完成周期性任务；周期性任务时间如果较长，执行周期任务时会被AD转换中断算法的执行打断，其被打断的次数取决于周期性任务的时长。

从图2中可以看出，无论是AD中的“算法”执行，还是主循环中的“逻辑”执行，对执行时间的要求都非常高；AD转换需要占用时间这一客观原因的存在，要求“算法”执行时间足够短，因此，需要将AD转换中断中相对实时性要求较低的程序挪至主循环中，同样根据功能和优先级分配至不同的周期任务中去，实时性要求高的函数分配至频率较高的周期性任务，反之分配至频率较低的周期性任务。为保证系统繁忙程度，周期性任务的分配同样需要均衡，每个周期性任务所占时间均不能太长，周期性任务既不可出现“算法”执行间隙期间反复进入，又不可出现因被AD转换中断反复打断，本周期任务执行不完，导致与下一个周期任务堆积的现象。两种错误的调度所出现的结果很容易判断，任务重复进入错误，实际周期短于规定的任务周期；任务堆积错误，实际的周期长于规定的任务周期或间断性周期过长。

“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制，其难点在于：

(1)目前，纯电动商用车和乘用车市场上，车用永磁同步电机控制中常用到的μC_OS-Ⅱ、RTOS、OSEK等实时操作系统有关任务调度的实现，均需要硬件底层驱动代码的配合与支持，与硬件的集成度较高。然而激烈的市场竞争下，车用永磁同步电机控制器平台的频繁更换，控制器软件降低成本的诉求已经成为了一种很普遍的现象。因此，需要的实时任务调度系统要有较强的平台移植性。如图3所示，本发明所开发的“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制方法，完全基于应用层软件实现，底层依赖性低。

(2)图3中可以看出，Timer0中断和AD转换中断的执行判定与Scheduler并行，Scheduler中的任务优先级低于Timer0中断和AD转换中断的执行，可以随时被两者打断；主循环中除Scheduler外没有任何其他程序，避免系统被长期占用，导致任务堆积的现象；Scheduler的每次进入都会对计数器本次状态值Counter和上次状态值Counter_old进行等值判断，可以有效避免任务的反复进入错误。

图1中可知，本发明架构中设置了500us任务、1ms任务、2ms任务、10ms任务、20ms任务和50ms任务，500us任务和1ms任务为了有效降低任务占用时长，又将两者分为主副任务执行，而10ms任务、20ms任务和50ms任务以子调度的形式安排在2ms任务中。

因此，软件上可以按照图3中的做法实现，Scheduler外层主体调度分别将计数器Counter对x、2x和4x取余，x根据个人需求设定，余数分别为y、y+2和y+4则代表不同周期任务间隔为两个计数周期，这个间隔是可以根据实际的任务时间长度进行调节的，任务时间过长被AD转换中断打断的概率和次数就会更高，所以为了避免反复打断后本次任务无法在任务间隔时间内完成，导致任务堆积，可以适当将不同周期的任务间隔时间加长至三倍甚至四倍的计数周期。但是这个间隔无法做到无限制地加长，因为这种对x取余的纯软件做法，会涉及到数学上最小公倍数的问题，当主体任务个数较多时所允许不同任务间的时间间隔就会越短，否则会出现不同周期的任务同时到来的现象，这样任务周期发生错误同时还会出现任务堆积。因此本发明中，在时序上采用主次时间序列相配合的调度方式，主时间序列设置500us任务、1ms任务和2ms任务，这样可以保证三个主时间序列任务间隔可以放大至3到4倍的计数周期，确保每个周期任务程序量较大时不发生任务堆积；次时间序列调度的方式即在三个主时间序列任务中增加子Scheduler，子调度的方式仍然是基于纯应用层软件的方式实现，500us任务和1ms任务主要是为了降低任务占用时长设置主副子任务，只需要一个循环交错逻辑即可实现，2ms任务要实现10ms任务、20ms任务和50ms任务的区分，则需要仿照主时间序列调度的做法，将子调度计数器Subcounter2ms分别对5、10和25进行取余，余数为a、a+3和a+5，同样2ms子调度中只有三个主要的任务，因此任务间隔可以随意设置至3到4倍的计数周期，这样子任务执行时间也很充裕。这种时序调度方式实际上安排好了优先级关系，调度器从上至下，从高频任务到低频任务完成逻辑轮询，确定了高频任务优先级高于低频任务，同样主时间序列任务优先级高于次时间序列任务。因此，该调度方式可以兼顾“‘硬’实时系统要求规定时间内必须完成任务”和“‘软’实时系统按照优先级完成操作”的实时系统任务调度特征。

为了使不同周期的任务执行时间上能够得到最大的优化，确保规定的时间完成既定任务。本发明在空间上采用状态转移方式配合时序实现调度，有效降低系统繁忙程度，这种状态转移介入调度的方式同样也是基于纯应用层软件状态机实现的。如图4所示。软件状态机的状态输出作为其他周期任务内容的驱动，在任务调度中，其实时性要求最高，因此必须放置于频率最高的500us主任务中。图5中可以看出，有限状态机程序中主要分为：INITIAL、STANDBY、CHARGE、READY、RUNING、DISCHARGE、POWEROFF、FAULT、NOPOWER九个基本状态。INITIAL为初始状态，其中包括硬件上电检查和传感器自检等功能函数的调用；STANDBY为低压上电完成，等待点火预充的一个过渡待机状态；CHARGE为上电预充；READY为整车预备状态；RUNING为整车正常运行状态，可以实现电机和整车的相关模式驱动；DISCHARGE为控制器主动放电状态；POWEROFF为控制器强电下电状态；FAULT为故障状态；NOPOWER为控制器弱电和强电掉电状态；INITIAL状态至READY状态为控制器上电过程；RUNING和FAULT属于运行过程状态；DISCHARGE、POWEROFF和NOPOWER属于控制器下电过程。结合图4，可以看出并非在所有状态下不同周期的任务都需要全负荷运行，比如控制器上电过程中的传感器自检只在INITIAL状态中完成既定次数的循环检测即可；控制器预充只在CHARGE状态中完成；控制器主动放电只在DISCHARGE状态中完成等等。因此，500us主任务中实现状态转移的同时，进行状态输出，将该状态输出作为其他周期任务的输入，在时序调度的同时，作为更高的优先级指令对任务包中的函数进行选择性执行，这样便可以从空间调度的角度考虑降低不同周期任务的执行时间，完成与时序调度的协同控制。

这里采用纯电动汽车车用永磁同步电机高速控制时的“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制为例，如图6所示。永磁同步电机高速控制时，由于载波比的要求，PWM的调制频率很高，双采样双更新的应用，AD转换中断的频率更是PWM调制频率的双倍，即AD转换中断周期很短，是对中断中算法部分执行时间和周期任务执行时间要求最严格的工况，因此以此种极限情况作为案例更具代表性。实际实验中高速实验也是验证“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制必不可少的一步。

实验选取一款极对数为4，额定功率为40kw，峰值功率为80kw，额定电压为370V的纯电动汽车车用永磁同步电机。

实验设备：40/80kw车用永磁同步电机、370V功率电源、示波器、逻辑分析仪、功率分析仪、扭矩传感器、电力测功机、40/80kw车用电机控制器、12V直流稳压电源、冷却水供应设备等。

以上述实验台架，电力测功机转速环模式将被测电机拖动至10000r/min～15000r/min，高速运行。以此来介绍本专利的具体实施方案。

第一步，启动电力测功机转速环模式，将被测电机拖动至10000r/min～15000r/min，被测电机为4对级，此时的频率为0.66k至1k，根据载波比的要求，一般一个基波周期调制的次数至少为20次，当然实际实验中也存在调制7.5至10次的情况，但是调制效果相对差些，这里按照20次计算，调制的频率需要达到13.2k至20k。程序中采用“双采样双更新”的调制方式，硬件开关频率为10k的同时提升PWM更新频率至20k。

第二步，电力测功机转速环拖动被测电机，同时使能被测电机，被测电机先给定0扭矩模式。将被测电机拖动至10000r/min～15000r/min，程序中变载频、随机PWM和“双采样双更新”同时作用，使此时的PWM更新频率达到20k，即AD转换中断的周期为50us，如图6中所示。实验中经过测试，AD转换中断中算法执行时间为38us，再增加2us左右就会发生中断堆积的现象，通过测试PWM触发点和AD转换中断开始执行点之间的时间间隔为9us，即图2中所示AD转换时间占用9us。这便要求AD转换中断中算法占用时间小于40us，本实验中为38us符合要求。程序中Timer0中断周期为100us，中断中只有调度器Counter的累加程序，所占用时间不超过1us，为确保时序调度计时准确，Timer0中断优先级高于AD转换中断，AD转换中断即使被Timer0中断打断，增加1us的执行时间还是小于40us，因此仍然满足高速控制情况下的极限要求。图6中只展示了主时间序列中的三个周期的任务，分别为：500us任务、1ms任务和2ms任务。500us任务在Timer0中断第五次计数时刻开始执行，为了避免不同周期的任务同一时刻到来造成任务堆积，图6中从三个任务的第一次起始时刻就做出了间隔，间隔周期为两个计数周期200us。图中500us任务、1ms任务和2ms任务的时长分别是30us、20us和10us，算法部分时长为38us，也就是每个周期只留下12us时间(包括AD转换时间)来执行任务，因此500us任务、1ms任务和2ms任务分别被AD转换中断打断3次、2次和1次。根据图2中任务实际执行时间的计算方法可知，图6中500us任务、1ms任务和2ms任务的实际执行时间分别为：144us、96us和48us，实际执行时间均小于两个不同周期任务之间的时间间隔200us，任务没有发生堆积。当每个周期任务时间长度较长时，可以将不同周期任务之间的时间间隔适当放长至3至4倍的计数周期，这样扩大任务间隔时间的前提是主时序任务个数较少，最好保持在2至3个左右，将其他优先级和实时性较低的任务放到次时序调度中去。

上位机控制被控电机完成INITIAL、STANDBY、CHARGE、READY、RUNING、DISCHARGE、POWEROFF、FAULT、NOPOWER九个基本状态的转移，记录每个状态下每个周期任务的执行时间长度，观测每个状态下每个周期任务的周期是否保持一致，避免任务重复进入和任务堆积的现象。RUNING状态下每个周期的任务几乎到达全负荷运行，可在15000r/min的极限情况下测试。

第三步，转速维持在15000r/min时，对被控电机缓慢施加电流，施加至查表所能达到该转速下的扭矩最大值，电流施加的过程中，除了实时观测“直轴电流”与“交轴电流”的响应情况和端电压的计算情况，还需要观测每个周期任务的周期是否正常，即在高速满载控制的极限情况下，避免任务重复进入和任务堆积的现象。

第四步，电力测功机转速维持在15000r/min时，被控电机工作在RUNING状态。对被控电机阶跃施加电流至该转速下查表所能达到的最大电流，被控电机在极限转速下动态阶跃至最大扭矩，在“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制下，观测软件和硬件是否发生故障，电流响应是否良好，端电压是否超限，主次时间序列下的各个周期任务周期是否正常。

完成上述实验验证，基于纯应用层软件开发的“时序任务调度”和“空间状态调度”协同控制方法基本功能实现。

以纯电动汽车车用永磁同步电机“直轴电流id_ref”和“交轴电流iq_ref”的给定为界限，将控制程序归置为逻辑部分和算法部分，这种全新的控制架构，程序精简，实时性要求和优先级关系明确，为时序任务调度和有限状态机空间调度的实现提供了平台。

本发明的“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制方法，完全基于应用层软件开发实现，平台移植性强，不依赖于具体微控芯片集成环境，其软件开发成本和市场应用成本低；

本发明的“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制方法，时序上采用主次时序嵌套的任务调度方式，可以有效实现主时间序列任务数量的分流，扩大不同周期任务之间的时间间隔，使不同周期任务允许执行时间充裕，避免任务堆积，次时间序列的任务数量同样得到降低，也可以达到主时间序列同样的效果；这种时序任务调度形式，明确了不同周期任务间的时间间隔，考虑到对一个数和其倍数取余，余数最小公倍数的关系，有效避免了不同周期的任务在同一时刻到来；调度器从上至下，从高频任务到低频任务完成逻辑轮询，确定了高频任务优先级高于低频任务，同样主时间序列任务优先级高于次时间序列任务；采用调度器计数状态值循环比较的方法，可以有效避免同一周期任务的反复进入；

本发明的“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制方法，空间上将完全基于应用软件开发的有限状态机置于实时性最高的周期任务中，定周期完成对其他周期任务的状态输出，以高于时序调度优先级的状态指令决定时序调度下的函数执行，这样每个周期任务在每个状态下都不是全负荷运行，从空间调度的角度降低每个周期任务的执行时间，使控制系统繁忙程度得到优化，同时确保规定的时间完成既定任务；

本发明的“时序任务调度”和“空间状态调度”的协同控制方法，可以兼顾“‘硬’实时系统要求规定时间内必须完成任务”和“‘软’实时系统按照优先级完成操作”的实时系统任务调度特征。

采用了本发明的基于纯应用层开发的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，将控制程序归置为逻辑部分和算法部分，实时性要求和优先级关系明确，为时序任务调度和有限状态机空间调度的实现提供了平台。本发明完全基于应用层软件开发实现，平台移植性强，不依赖于具体微控芯片集成环境，其软件开发成本和市场应用成本低。本发明的时序任务调度形式，明确了不同周期任务间的时间间隔，考虑到对一个数和其倍数取余，余数最小公倍数的关系，有效避免了不同周期的任务在同一时刻到来；采用调度器计数状态值循环比较的方法，可以有效避免同一周期任务的反复进入。本发明从空间调度的角度降低每个周期任务的执行时间，使控制系统繁忙程度得到优化，同时确保规定的时间完成既定任务。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，所述的系统包括算法模块和逻辑模块，所述的系统在“两个坐标系直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref的给定”处为界限划分为算法模块和逻辑模块；

Main函数初始化单元用于进行外设和变量的初始化，外部中断单元用于进行硬件故障及诊断，Timer0计时中断单元用于为Scheduler任务调度提供精确的计时；

所述的算法模块包括AD转换中断单元，所述的AD转换中断单元用于实现传感器高速采样、计算和滤波，同时对矢量控制主要算法进行运算；

所述的逻辑模块包括主循环单元，所述的主循环单元包含不同功能集的函数，所述的函数按照不同的周期封装成不同的任务包；

所述的系统具有一种任务调度机制，所述的任务调度机制在时序上按照不同的优先级和功能集将控制策略划分为不同周期的任务包，同时采用主次时序嵌套调度的方式，对同一时序线路上任务的个数进行有效分流，避免任务重复进入和任务堆积；在空间上将有限状态机逻辑置于实时性最高的周期任务中，按照状态的输出介入时序调度，以更高的优先级驱动不同周期任务中的功能函数；

这种特殊的任务调度机制，时序上采用主次时序嵌套的任务调度方式，分流主时间序列任务的数量，扩大不同周期任务之间的时间间隔，使不同周期任务允许执行时间充裕，避免任务堆积，次时间序列的任务数量同样得到降低，也可以达到主时间序列同样的效果；这种时序任务调度形式，明确了不同周期任务间的时间间隔，考虑到对一个数和其倍数取余，余数最小公倍数的关系，有效避免了不同周期的任务在同一时刻到来；调度器从上至下，从高频任务到低频任务完成逻辑轮询，确定了高频任务优先级高于低频任务，同样主时间序列任务优先级高于次时间序列任务；采用调度器计数状态值循环比较的方法，可以有效避免同一周期任务的反复进入。

2.根据权利要求1所述的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，所述的直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref给定的前端为逻辑模块，在主循环单元中实现，所述的直轴电流id_ref和交轴电流iq_ref给定的后端为算法模块，在AD转换中断单元中实现。

3.根据权利要求1所述的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，所述的系统将AD转换中断中实时性要求较低的函数分配至主循环中，并根据功能和优先级分配至不同的周期任务中；系统将实时性要求高的函数分配至频率较高的周期性任务，将实时性要求低的函数分配至频率较低的周期性任务。

4.根据权利要求1所述的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，Timer0中断单元和AD转换中断单元的执行判定与Scheduler任务调度并行，Scheduler任务调度中的任务优先级低于Timer0中断单元和AD转换中断单元的执行的任务优先级。

5.根据权利要求1所述的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，所述的主循环单元包含500us任务、1ms任务、2ms任务、10ms任务、20ms任务和50ms任务，10ms任务、20ms任务和50ms任务以子调度的形式安排在2ms任务中，500us任务和1ms任务均分为主副任务执行。

6.根据权利要求1所述的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，所述的系统采用状态转移方式配合时序实现调度，将状态机的状态输出作为其他周期任务内容的驱动。

7.根据权利要求6所述的纯电动汽车用永磁同步电机实现时序任务调度和空间状态调度协同控制的系统，其特征在于，所述的状态机的状态包含初始状态INITIAL、过渡待机状态STANDBY、上电预充状态CHARGE、整车预备状态READY、整车正常运行状态RUNING、控制器主动放电状态DISCHARGE、控制器强电下电状态POWEROFF、故障状态FAULT以及控制器弱电和强电掉电状态NOPOWER。

Images