基于CAN總線(xiàn)的SRM驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)控制系統的設計

1、引言：

目前，由于環(huán)境污染和能源危機問(wèn)題日益嚴重，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展開(kāi)始得到各國的高度重視，成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主流方向。

電動(dòng)汽車(chē)主要具有三大關(guān)鍵技術(shù):驅動(dòng)控制系統、電池電源、整車(chē)電子控制系統.整車(chē)電子控制系統必須滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)的設計理念,使之既節能又簡(jiǎn)單可靠。在目前電池技術(shù)水平下，解決兩大關(guān)鍵技術(shù),有助于電動(dòng)汽車(chē)在中國首先市場(chǎng)化,其經(jīng)濟意義不言而喻. 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統結構復雜多樣，部件類(lèi)型繁多。先進(jìn)高效的控制體系結構，可以使電動(dòng)汽車(chē)各動(dòng)力系統之間的數據交換滿(mǎn)足簡(jiǎn)單迅速、可靠性高、抗干擾能力強、實(shí)時(shí)性好、系統錯誤檢測和隔離能力強等要求。

本文設計了一種基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)電子控制系統，該系統應用于開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)上，可以極大地減少車(chē)內傳感器的數目，明顯提高車(chē)的整體性能。

2、開(kāi)關(guān)磁阻電機應用于電動(dòng)汽車(chē)上的性能特點(diǎn)和控制方法：

開(kāi)關(guān)磁阻電機是一種具有悠久歷史的電機，它誕生于160多年前，經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，特別是近20年的研究和改進(jìn)，開(kāi)關(guān)磁阻電機的性能不斷提高，目前已能在較大的功率范圍內使其性能優(yōu)于其它形式的電機，并且開(kāi)關(guān)磁阻電機的性能特點(diǎn)特別適合應用于純電動(dòng)汽車(chē)。

2.1、開(kāi)關(guān)磁阻電機的性能特點(diǎn)：

(1)結構簡(jiǎn)單,效率高;

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機結構比感應電動(dòng)機更簡(jiǎn)單可靠，特別適用于高速、低速轉矩大，電流小的系統，且效率高，特別是轉子無(wú)繞組，適合于頻繁正反轉及沖擊負載等工況條件。

(2)控制電路簡(jiǎn)單可靠;

驅動(dòng)功率電路采用的功率開(kāi)關(guān)元件較少，電路較簡(jiǎn)單。功率元件與電動(dòng)機繞組相串聯(lián)，不易發(fā)生直通短路。

(3)調速范圍大,轉矩和制動(dòng)特性好;

利用較簡(jiǎn)單的控制電路能夠實(shí)現較寬的調速范圍，還具有低速大轉矩和制動(dòng)能量反饋等特性。

因此開(kāi)關(guān)磁組電機驅動(dòng)系統特別適合應用于電動(dòng)汽車(chē)。

2.2、開(kāi)關(guān)磁阻電機應用于電動(dòng)汽車(chē)上的控制方法:

(1)車(chē)的啟動(dòng)停止;

開(kāi)關(guān)磁阻電機控制器可以實(shí)現對電機啟動(dòng)、停止、加速、減速、正轉、反轉等控制。當應用于電動(dòng)車(chē)時(shí)，車(chē)的啟動(dòng)和停止可以通過(guò)啟動(dòng)鑰匙系統來(lái)實(shí)現。

(2)車(chē)的加速減速;

加速減速通過(guò)腳踏油門(mén)，調節油門(mén)輸出電壓來(lái)控制VI給定來(lái)調速。

(3)車(chē)的前進(jìn)倒車(chē);

前進(jìn)、倒車(chē)可由檔位搖桿來(lái)控制。

(4)車(chē)的急剎車(chē);

急剎車(chē)可以通過(guò)剎車(chē)踏板啟動(dòng)再生制動(dòng)系統。所以，開(kāi)關(guān)磁阻電機可以很方便地控制電動(dòng)車(chē)的基本操作，這樣可以大大簡(jiǎn)化控制系統總線(xiàn)上極為關(guān)鍵的電機控制單元。

3、CAN總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)：

CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)，是德國B(niǎo)osch公司為解決現代汽車(chē)眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇。CAN總線(xiàn)具有可靠、靈活、實(shí)時(shí)性強的優(yōu)點(diǎn)。

　　(1) CAN總線(xiàn)采用多主結構，網(wǎng)絡(luò )上的任一節點(diǎn)可在任意時(shí)刻向其他節點(diǎn)發(fā)送信息，通訊方式靈活。

　　(2) 網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)根據對總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級的不同，最快可在134μs內得到響應。

　　(3) 采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，可以大大節省總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間，網(wǎng)絡(luò )在擁擠的情況下也不會(huì )癱瘓。

　　(4) CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠可達10km(速度5kbps)，通信速率最高可達1Mbps(此時(shí)通信距離最長(cháng)為40m)。
　　(5) 采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。

　　(6) CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。

　　(7) 通訊介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

4、系統方案設計：

4．1、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)配置和信號類(lèi)型：

4．1．1、電動(dòng)車(chē)內主要CAN節點(diǎn)及各節點(diǎn)CAN總線(xiàn)主要收發(fā)信號如下：

(1)電池管理系統節點(diǎn)：電池荷電狀態(tài)（SOC）、電池充放電狀態(tài)、電池故障。

(2)液晶顯示節點(diǎn)：電池荷電狀態(tài)（SOC）、車(chē)速、電機轉速、前進(jìn)倒車(chē)狀態(tài)、門(mén)窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)、燈光開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電機溫度、車(chē)內溫度、再生制動(dòng)狀態(tài)、電池充放電狀態(tài)、電池故障、空調開(kāi)關(guān)狀態(tài)、鑰匙信號。

(3)電機控制節點(diǎn)：電機轉速、前進(jìn)倒車(chē)狀態(tài)、電機啟動(dòng)停止、電機溫度、再生制動(dòng)狀態(tài)。

(4)聯(lián)合裝配節點(diǎn)：車(chē)內溫度、車(chē)速、門(mén)窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)、燈光開(kāi)關(guān)狀態(tài)、空調開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

(5)人機對話(huà)節點(diǎn)：控制門(mén)窗開(kāi)關(guān)、控制燈光開(kāi)關(guān)、液晶顯示開(kāi)關(guān)、空調開(kāi)關(guān)。

(6)運行控制節點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)鑰匙信號、腳踏油門(mén)、剎車(chē)踏板、前進(jìn)倒車(chē)檔位搖桿。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/351527.htm
4．1．2、電動(dòng)汽車(chē)電控單元接收及發(fā)送的數據類(lèi)型：

本方案中，電動(dòng)汽車(chē)每個(gè)電控單元的接收和發(fā)送的數據類(lèi)型如表(1)所示，其中T表示發(fā)送，R表示接收。

表(1) 電動(dòng)汽車(chē)電控單元接收及發(fā)送的數據類(lèi)型

4．2、網(wǎng)絡(luò )構架：

本電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)電子控制系統由兩條總線(xiàn)構成，即高速CAN總線(xiàn)和低速總線(xiàn)。高速CAN總線(xiàn)和低速總線(xiàn)是兩個(gè)獨立的總線(xiàn)系統。為了便于汽車(chē)所有功能的管理，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，不同總線(xiàn)間的數據通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現數據的共享。這樣兩個(gè)總線(xiàn)分別獨立運行，只有需要在兩種總線(xiàn)間交換的數據才通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同類(lèi)型的信息分開(kāi)，減輕了各網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)上的負擔。

高速CAN總線(xiàn)主要連接電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)系統，可以實(shí)現對電機、電池、轉向、制動(dòng)等關(guān)鍵系統的快速控制。低速總線(xiàn)主要用于連接車(chē)身系統，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)作為子網(wǎng)接入高速CAN總線(xiàn)，組成一個(gè)統一的多元網(wǎng)絡(luò )。

本系統的網(wǎng)絡(luò )構架如圖(1)所示。

圖(1) 網(wǎng)絡(luò )構架

4．3、電池管理節點(diǎn)介紹：

電池管理系統一直是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它最基本的作用是監視電池的工作狀態(tài)，通過(guò)對電池電壓、電流和溫度這些參數的測量，預測電池的SOC和相應的剩余行駛里程，管理電池的工作狀況。電池管理系統框圖如圖(2)所示：

圖(2) 電池管理系統框圖

4．4、液晶顯示節點(diǎn)介紹：

本設計采用液晶顯示，它可以比模擬儀表顯示更多的信息量，更有利于信息的集中管理，方便了駕駛員的操作。它所顯示的信息主要包括：電池狀態(tài)信息、電機狀態(tài)信息、整車(chē)運行狀態(tài)信息、車(chē)內設施狀態(tài)信息、以及啟動(dòng)鑰匙信息。它的主要信號如圖表(2)所示：

表(2) 液晶顯示節點(diǎn)主要信號

5、結束語(yǔ)：

現代汽車(chē)上的電子裝置越來(lái)越多，一輛高檔汽車(chē)的電氣節點(diǎn)數已達上千個(gè)，如果采用傳統的方法進(jìn)行布線(xiàn)，連線(xiàn)的數量將非常驚人而且有極大的故障隱患。而基于CAN總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統可以實(shí)現車(chē)內各個(gè)節點(diǎn)信息的共享，極大地改善車(chē)內布局，提高車(chē)的整體性能。

目前在國內已開(kāi)發(fā)出混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)電子控制系統，但它市基于混合動(dòng)力汽車(chē)的，在控制節點(diǎn)和儀表顯示上與本文開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)汽車(chē)有較大差別.本文設計的整車(chē)電子控制系統直接應用于純電動(dòng)汽車(chē),采用數字液晶顯示，可達到節能、簡(jiǎn)單、可靠的更高要求。從目前世界各國的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)電子控制系統來(lái)看,其電機控制節點(diǎn)歐美多采用交流感應電機,日本多用直流電動(dòng)機,儀表顯示節點(diǎn)多采用模擬儀表。本文設計的整車(chē)電控系統應用于開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)上，采用數字液晶顯示，彌補了這一領(lǐng)域的研究。