劉永剛云南機電職業(yè)技術學院

基于CAN總線的電動汽車控制系統(tǒng)的研究

劉永剛
云南機電職業(yè)技術學院

CAN總線是汽車控制系統(tǒng)的標準總線，研究CAN總線通信技術在電動汽車控制系統(tǒng)中的應用有利于提高通信的實時性、靈活性和系統(tǒng)的可靠性。

CAN總線；電動汽車；控制系統(tǒng)

一、前言

隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴重，化石能源也在日益枯竭。憑借環(huán)保節(jié)能的顯著優(yōu)勢，電動汽車的研制成為了國內(nèi)外各大科研機構研究的焦點。CAN總線已成為汽車控制系統(tǒng)的標準總線，用來傳輸控制信號，控制機械傳動裝置的有序運轉(zhuǎn)。本文對電動汽車的控制系統(tǒng)進行了研究，提出了一種基于CAN總線的電動汽車控制方案，實現(xiàn)電動汽車主控制器與電機控制器之間的通信。

二、控制局域網(wǎng)CAN總線工作原理

CAN總線通過串行的方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率可達1Mb/s，其通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)多個主控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。與協(xié)議不同，無論CAN總線的哪一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，控制局域網(wǎng)中的其它節(jié)點都能接收到該節(jié)點發(fā)出的報文，不管該報文是否是發(fā)給本節(jié)點的。報文按照面向內(nèi)容的方案編址，其標識符是每組數(shù)據(jù)的前11位字符，不同節(jié)點發(fā)送的報文有不同的標識符，這些字符也定義了報文的優(yōu)先級，在幾個節(jié)點同時發(fā)出讀數(shù)請求時，用來配置總線的讀取順序。

若控制局域網(wǎng)中的某個節(jié)點要向其它節(jié)點發(fā)送報文，這個節(jié)點的CPU向其CAN芯片傳輸待發(fā)送數(shù)據(jù)及標識符，使CAN芯片處于準備狀態(tài)。根據(jù)總線的指令，當總線響應該節(jié)點的請求時，立即將報文通過總線發(fā)出，同時控制局域網(wǎng)中的其它節(jié)點轉(zhuǎn)為接收報文的狀態(tài)。接收狀態(tài)的節(jié)點判斷其接收的報文是否是發(fā)送給自己的，然后決定是否響應該報文的信息。

報文按照面向內(nèi)容的方案編寫地址，故CAN總線可以很容易的建立并配置高水平的控制系統(tǒng)，這也使維護人員能夠輕易地添加新的節(jié)點，而不必修改CAN總線相關的硬件和軟件。如果添加的新站只負責報文的接收，那么就不必按照其CAN協(xié)議設置獨立的物理目的地址。

三、電動汽車控制系統(tǒng)的整體設計

電動汽車控制系統(tǒng)主要由電源、電機控制器和主控制器組成。72V的電源為整個控制系統(tǒng)提供電力，電池的輸出端與電機的供電線相連接。由于控制系統(tǒng)中的各個芯片的供電電壓均為12V或5V的低電壓，故使用直流/直流的反激式電源將蓄電池的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓。主控制器主要負責采集輸入信號，運行控制程序，通過CAN總線完成與電機控制器之間的通信，由電機控制器控制電機輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

電動其控制系統(tǒng)的整體設計包括硬件設計部分和軟件設計部分。蓄電池向反激式電源提供72V的直流電，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換得到兩路低電壓，其中5V的直流電壓加到主控制器和電機控制器上，12V的直流電壓加到電機驅(qū)動模塊上。模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和輸入輸出接口用來檢測輸入信號，主控制器由CAN總線完成與電機控制器的通信，然后電機控制器輸出控制信號驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。

四、電動汽車控制系統(tǒng)的硬件設計

電源模塊是電動汽車控制系統(tǒng)硬件的重要組成部分，負責將蓄電池72V的高電壓轉(zhuǎn)化為5V和12V的低電壓。由于控制系統(tǒng)需要的電流較大，并且控制芯片和控制器與電源之間存在較大的電壓差，故使用線性降壓芯片不可行，需采用高頻變壓器的電源設計方案?？刂葡到y(tǒng)采用電源型電流芯片，選用儲能能力較強的變壓器和耐壓能力好的驅(qū)動開關管，并使用基準源、線性光耦作為控制系統(tǒng)的反饋部分。在反饋電路中，使用導型運放，將5V輸出分壓后加到基準源上，差模電壓經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化為電流的形式輸出?；鶞试磁c線性光耦連接，線性光耦又與電源芯片連接，從而使電源模塊輸出低電壓?；鶞试磁c二維補償網(wǎng)絡連接，降低了濾波器和輸出電容帶來的誤差，提高了電源的響應速度。

控制模塊是電動汽車控制系統(tǒng)硬件設計的核心。電動汽車的控制系統(tǒng)采用MCU來管理系統(tǒng)的各個組成部分。電動汽車的發(fā)動機開關和轉(zhuǎn)向燈的控制開關采用數(shù)字信號來控制，先經(jīng)過分壓再經(jīng)過濾波就可以連接到微控制器的I/O口，完成數(shù)字信號的檢測。通過檢測脈沖就可以測得車輛的行駛速度。方向盤的轉(zhuǎn)向、油門和剎車踏板的轉(zhuǎn)矩、溫度的檢測通過模擬信號來控制。由于模擬信號的大小不等，故不能直接與微控制器連接，需要將較高的電壓先經(jīng)分壓轉(zhuǎn)為較低的電壓，再經(jīng)過濾波后連接到電壓跟隨器，從而保證輸入模擬信號的準確。基于CAN總線的通信電路部分，選用TI公司的隔離型CAN芯片，用3.3V和5V兩路電壓給CAN芯片供電，并在CAN總線的差分線間連接終端電阻。

五、電動汽車控制系統(tǒng)的軟件設計

通過軟件設計實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的分配和計算的功能。當電動汽車直線行駛時，應該將轉(zhuǎn)矩平均分配到驅(qū)動電機上；當電動汽車轉(zhuǎn)向時，為實現(xiàn)差速控制，應該給驅(qū)動電機分配不同的轉(zhuǎn)矩。主控制器采集車速信號、加速踏板信號和轉(zhuǎn)向信號，在需要轉(zhuǎn)向時通過轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)計算出各驅(qū)動電機所需要分配的轉(zhuǎn)矩。

通過軟件設計實現(xiàn)主控制器和電機控制器之間基于CAN通信協(xié)議的通信功能。使用指針來建立變量和字典之間的一一對應關系，使控制代碼能夠從協(xié)議索引查詢字典。MCU有一定數(shù)量的站，每個站都可以用于報文的發(fā)送和接收。接收過濾器可以使站接收固定標識符的信息。當站接收到符合過濾條件的報文后，將報文存儲到寄存器中，觸發(fā)中斷并由中斷函數(shù)處理。不同形式的報文對應不同的報文發(fā)送函數(shù)，由底層的報文發(fā)送函數(shù)將報文存儲到站中，并完成報文的發(fā)送。

通過軟件設計實現(xiàn)電動汽車主控制器的控制功能，分為信號采樣分析程序、總線通信程序、電機轉(zhuǎn)矩分配程序三部分。給系統(tǒng)供電后，首先完成系統(tǒng)各部分的初始化，初始化完成后執(zhí)行被控制部分的程序。執(zhí)行總線通信程序，搭建整個系統(tǒng)之間的CAN通信網(wǎng)絡，然后進入等待狀態(tài)。在等待期間，MCU不斷掃描控制系統(tǒng)的開關，當有信號輸入時，執(zhí)行電機運行程序，控制執(zhí)行電機按預定的指令運轉(zhuǎn)，同時整個系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。

六、結論與展望

本文首先介紹了CAN總線的工作原理，然后介紹了基于CAN總線的電動汽車控制系統(tǒng)的整體設計、硬件設計和軟件設計，對CAN總線技術在電動汽車領域的推廣應用有一定的促進作用。

[1]梁潔.基于CAN總線的電動汽車通信顯示系統(tǒng)的研制[D].北京交通大學,2007.

[2]周智慶.基于CAN總線電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究[D].重慶大學,2008.

[3]寧濤.基于CAN總線的汽車控制系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學,2013.

劉永剛，云南機電職業(yè)技術學院，講師，碩士，研究方向，機械電子工程。