四輪獨立驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)高速CAN網(wǎng)絡(luò )數據分析系統設計

　　摘 要：本文基于Kvaser Leaf Professional系列CAN總線(xiàn)分析工具，設計了針對四輪獨立驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)高速CAN網(wǎng)絡(luò )的數據分析系統。文中介紹了四輪獨立驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)的控制策略及其CAN網(wǎng)絡(luò )的設計，并詳細闡述了CAN數據分析系統的設計。

　　關(guān)鍵詞：Kvaser Leaf Professional工具;四輪獨立驅動(dòng)電動(dòng)車(chē);CAN網(wǎng)絡(luò );CAN數據分析系統

　　伴隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，CAN總線(xiàn)通訊技術(shù)應用越來(lái)越廣泛，它可為純電動(dòng)汽車(chē)上四輪獨立驅動(dòng)控制，以及剎車(chē)防抱死系統(ABS)、電子穩定裝置(ESP)等主動(dòng)安全系統的實(shí)現提供便利。

　　在設計CAN總線(xiàn)通信系統時(shí)，總要面臨著(zhù)CAN數據的診斷與分析問(wèn)題，不能解決該問(wèn)題，便不能完成設計。本文基于Kvaser Leaf Professional HS這一USB_CAN工具，借助于Visual Basic環(huán)境，在PC機上開(kāi)發(fā)出數據分析系統，并在該分析系統與四輪獨立驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)電機控制板之間實(shí)現了CAN通信。通過(guò)對CAN總線(xiàn)數據進(jìn)行診斷分析，能夠更好地完成CAN總線(xiàn)系統的設計。

　　四輪獨立驅動(dòng)

　　電動(dòng)車(chē)控制策略

　　電動(dòng)車(chē)實(shí)物模型中使用的分布式四輪電子差速系統由一個(gè)中央控制器、四個(gè)電動(dòng)輪控制器及CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )三個(gè)部分組成，其在電動(dòng)車(chē)實(shí)物模型上的布局如圖1所示。

　　圖1 分布式四輪電子差速系統在車(chē)身上的布局

　　在該分布式系統中，基于四輪獨立控制的電子差速算法被分為整車(chē)差速算法與轉速控制算法兩個(gè)部分，其中轉速控制算法是針對每個(gè)電動(dòng)輪轉速。中央控制器與四個(gè)電動(dòng)輪控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)連接成一個(gè)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )。

　　在該系統控制過(guò)程中，中央控制器通過(guò)A/D采樣獲得來(lái)自轉向傳感器的車(chē)輛轉向角度信號和來(lái)自手柄轉把中的車(chē)速設定信號，經(jīng)過(guò)整車(chē)差速算法，分別獲得四個(gè)車(chē)輪當前各自應有的轉速，并將這一結果作為當前時(shí)刻對應車(chē)輪的轉速控制設定值，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給相應的電動(dòng)輪控制器。四個(gè)車(chē)輪控制器以從CAN總線(xiàn)收到的轉速設定值作為控制目標，使用電動(dòng)轉速控制算法對各自的電動(dòng)輪進(jìn)行控制，使各個(gè)電動(dòng)輪的實(shí)際轉速實(shí)時(shí)滿(mǎn)足整車(chē)差速算法的要求，進(jìn)而實(shí)現電動(dòng)車(chē)輛的平順轉向。

　　四輪獨立驅動(dòng)

　　電動(dòng)車(chē)CAN控制網(wǎng)絡(luò )

　　通過(guò)CAN總線(xiàn)，本四輪驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)中央控制器將車(chē)輪的速度等設定值傳送給每個(gè)車(chē)輪的控制器，同時(shí)，各電機控制器將實(shí)際轉速等信息通過(guò)CAN總線(xiàn)反饋給中央控制器。CAN網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構如圖2所示。

　　圖2 CAN控制網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中共含有五個(gè)CAN節點(diǎn)：四個(gè)電動(dòng)輪電機控制器a、b、c、d，以及一個(gè)電動(dòng)車(chē)中央控制器e。

　　在設計應用層協(xié)議時(shí)，必須根據實(shí)際應用為總線(xiàn)消息編排一個(gè)合理的總線(xiàn)仲裁優(yōu)先順序，以改善CAN通訊的實(shí)時(shí)性。在本應用場(chǎng)合中，下行數據即中央控制器發(fā)給各電動(dòng)輪電機控制器的控制命令，比上行數據即各電動(dòng)輪電機控制器的反饋信息具有更高的優(yōu)先級。此外，中央控制器發(fā)往四個(gè)車(chē)輪控制器的指令必須同步，才能為后續控制提供可靠的前提。

　　綜合考慮以上因素，本文設計了如表1所示的CAN數據報文ID體系。

　　電機控制器a、b、c、d分別控制電動(dòng)車(chē)左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。中央控制器發(fā)出的CAN消息數據域結構如圖3所示。

　　圖3 中央控制器CAN消息數據域結構

　　中央控制器發(fā)出的ID為0x010和0x020的CAN數據，表示轉速以及轉矩的設定值，對應的實(shí)際值為模擬量，這里采用了16位長(cháng)度的有限精度定點(diǎn)數表示。16位數據中高9位表示整數，低7位表示小數，即9Q7格式的定點(diǎn)數。對于中央控制器發(fā)出的ID為0x00F的CAN數據，發(fā)給每一個(gè)電機控制器的命令也是16位的數據，低8位表示剎車(chē)命令，高8位表示控制模式選擇命令。

　　四個(gè)電機控制器向中央控制器反饋當前狀態(tài)信息的CAN消息數據域結構如圖4所示。

　　圖4 電機控制反饋狀態(tài)信息結構

　　CAN總線(xiàn)消息的觸發(fā)方式有兩種：事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)。前者適用于發(fā)送時(shí)間上離散變化的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量，如剎車(chē)命令與控制模式選擇命令;后者適用于發(fā)送時(shí)間上連續變化的模擬量，如轉速設定值與轉矩設定值。由于本控制系統中兼有上述兩類(lèi)總線(xiàn)信息，故采用事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)相結合的方式來(lái)進(jìn)行發(fā)送。

　　Kvaser Leaf Professional

　　HS簡(jiǎn)介

　　Kvaser Leaf Professional是用于CAN和LIN的單通道USB接口，該設備提供了把幾個(gè)接口簡(jiǎn)單接入PC的可能性，可以方便地實(shí)現同一個(gè)USB Hub上連接多個(gè)Kvaser Leaf設備，并且無(wú)需額外的連接。此外，它還具有很好的EMC(Electro Magnetic Compatibility)性能以及即插即拔的特點(diǎn)。同時(shí)，由于一個(gè)USB Hub上可以連接多個(gè)設備，因此各個(gè)設備都可以由該Hub進(jìn)行供電，具有很低的功耗。

　　Kvaser提供的庫函數非常豐富，用戶(hù)可以根據自己的需要調用相應的庫函數，靈活地處理CAN總線(xiàn)數據。

　　PC機CAN數據分析系統設計

　　該數據分析系統根據電輪獨立驅動(dòng)車(chē)中央控制器與四個(gè)電機控制器之間的CAN通信數據，動(dòng)態(tài)地顯示中央控制器發(fā)出的命令，以及各個(gè)電機的當前運轉信息。同時(shí)，還可以顯示各個(gè)電機轉速的變化曲線(xiàn)，并具有數據保存功能，便于離線(xiàn)分析。

　　該系統基于Visual Basic語(yǔ)言設計開(kāi)發(fā)，應用了Measurement Studio軟件中的CWGraph控件來(lái)顯示轉速曲線(xiàn)。通過(guò)Kvaser Leaf Professional HS，PC機與控制板之間的CAN通信得以實(shí)現。電機運轉數據的保存則通過(guò)VB編程連接Microsoft Access數據庫完成。這樣，系統就可以由一個(gè)主窗體和五個(gè)顯示電機轉速曲線(xiàn)的子窗體組成，如圖5所示。

　　圖5 窗體結構圖

　　這里，主窗體是啟動(dòng)窗體，子窗體A、B、C、D、E在主窗體啟動(dòng)時(shí)并不顯示，通過(guò)主窗體上的相應按鍵可以控制子窗體的啟動(dòng)以及關(guān)閉，亦即顯示和關(guān)閉各車(chē)輪轉速曲線(xiàn)。

　　系統運行時(shí)，最先啟動(dòng)的是主窗體，通過(guò)主窗體上對相應按鍵的點(diǎn)擊等操作，可以方便地與各控制板之間建立CAN通信，接收主控板與電機控制板之間的CAN消息，通過(guò)界面內部數據處理函數處理后，在相應顯示區域加以顯示。

　　CAN通信正常后，五個(gè)顯示區域便會(huì )根據CAN總線(xiàn)上的消息動(dòng)態(tài)更新并顯示相應信息。

　　當需要進(jìn)行數據保存時(shí)，單擊Data_Record按鍵，便會(huì )彈出選擇數據庫的窗口，選擇已經(jīng)建立好的數據庫后，電機的狀態(tài)數據便可以保存在被選擇的數據庫中，還可以隨時(shí)中止數據保存。需要注意的是，被保存的電機運轉狀態(tài)數據是在單擊Data_Record按鍵并選擇好數據庫后界面收到的數據，這之前的數據并沒(méi)有保存。也就是說(shuō)，如果想把整個(gè)電機運轉過(guò)程的數據都保存下來(lái)的話(huà)，在電機開(kāi)始運轉之前就要先單擊Data_Record按鍵，并選擇好數據庫。

　　在退出界面時(shí)，首先應該斷開(kāi)CAN總線(xiàn)的連接，單擊Disconnect按鍵斷開(kāi)。然后單擊Quit按鍵便可以正常退出界面。

　　本系統的設計采用了在VB中使用ADO(ActiveX Data Object)對象模型的方法，連接Microsoft Access數據庫，進(jìn)行數據保存。只要在一個(gè)數據庫中建立一系列的表，便可以將數據很方便地保存在相應的表中。比如，本設計中為四個(gè)電機分別建立了一個(gè)獨立的表，用以存儲其運轉的狀態(tài)信息，包括轉速、轉矩、電池電壓以及控制模式等信息。利用Access數據庫的數據處理功能可以很方便地進(jìn)行離線(xiàn)的數據分析和處理。

　　為了方便不同用戶(hù)對系統的使用，在數據保存之前，系統提供了一個(gè)對話(huà)框讓用戶(hù)選擇已有的數據庫，便于用戶(hù)自定義數據保存的路徑。

　　結語(yǔ)

　　在本設計的軟件方面，在VB環(huán)境下，MeasurementStudio提供了功能強大的控件;硬件方面，具有Kvaser Leaf Professional HS以及Peak_CAN等工具，使得本系統的實(shí)現變得容易，且效果也比常規的設計方法更好。經(jīng)過(guò)聯(lián)機調試證明，本系統能有效地對CAN總線(xiàn)的數據進(jìn)行分析處理?！?/P>

　　參考文獻：

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