基于ＣＡＮ總線的混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：通過分析奔騰混合動(dòng)力汽車的整體控制要求以及各控制模塊之間的任務(wù)分配，論文在研究CAN總線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取MC9S12DP512作控制芯片，并設(shè)計(jì)了CAN通信模塊的硬件電路和軟件工作流程，給出了CAN模塊的初始化實(shí)例。根據(jù)HEV發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了整車控制策略，并對(duì)其整車控制邏輯的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：CAN總線；混合動(dòng)力系統(tǒng)；控制策略

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)17-21478-04

1 引言

世界工業(yè)的發(fā)展和汽車數(shù)量的增加使石油資源日益減少，據(jù)美國(guó)能源部門的估計(jì)，20年后世界就要面臨缺油的局面。而汽車尾氣排放所引起的環(huán)境污染問題也成為人類亟待解決的一大難題。在能源和環(huán)境這兩大壓力下，電動(dòng)汽車迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。電動(dòng)汽車主要有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車三種發(fā)展方向。在目前的技術(shù)條件下，續(xù)駛里程短的問題使得純電動(dòng)汽車產(chǎn)品化非常困難，而燃料電池車存在生產(chǎn)成本和基礎(chǔ)設(shè)施提供等方面的問題，產(chǎn)業(yè)化至少需要10到15年的時(shí)間。所以發(fā)展混合動(dòng)力技術(shù)成為當(dāng)前切實(shí)可行的解決問題的方案。本文給出了一種基于CAN總線的整車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對(duì)CAN總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)置和控制、接口電路的設(shè)計(jì)以及控制驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CAN總線是一種串行多主機(jī)控制器局域網(wǎng)總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線具有以下特點(diǎn)：

(1)廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信模塊進(jìn)行編碼，能以多主方式工作。

(2)報(bào)文分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同報(bào)文的實(shí)時(shí)性需求。

(3)采用非破壞性仲裁技術(shù)，總線仲裁不破壞報(bào)文。

(4)通信距離最遠(yuǎn)10km（5Kbps以下），通信速率最大1Mbps（40m以下）。

(5)報(bào)文幀采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，出錯(cuò)率低。

(6)報(bào)文幀具有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，檢錯(cuò)效果好。

(7)通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

(8)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)CAN節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)關(guān)閉脫離總線，不影響其它節(jié)點(diǎn)的正常通信。

由于CAN總線具有以上特點(diǎn)，故其非常適宜用作汽車上各個(gè)電控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。我們將奔騰HEV的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為圖1所示的形式。

HEV電子控制系統(tǒng)的MCU選用摩托羅拉公司的MC9S12DP512。MC9S12DP512是基于0．25μm微電子技術(shù)的高速、高性能FLASH存儲(chǔ)器產(chǎn)品中的16位微控制器芯片。其較簡(jiǎn)單的背景開發(fā)模式（BDM）使開發(fā)成本進(jìn)一步降低，同時(shí)也使得現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)與系統(tǒng)升級(jí)變得更加方便。MC9S12DP512的主頻高達(dá)25MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI、3個(gè)同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉／輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A／D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)數(shù)字I／O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.0A／B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有512Kb的Flash，14Kb的RAM和4Kb的EEPROM。較高的性能價(jià)格比使其非常適合用于一些中高檔汽車的電子控制系統(tǒng)。

3 CAN總線通信設(shè)計(jì)

3.1 CAN通信硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN通信原理，電子控制系統(tǒng)CAN模塊主要由CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。在本設(shè)計(jì)中，由于控制器MC9S12DP512中內(nèi)嵌有CAN控制器，所有只需要另加收發(fā)器便可組成CAN通信模塊。這里我們采用PCA82C250作為CAN收發(fā)器。

PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器和物理總線之間的接口，提供總線的發(fā)送和接收能力，它與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。使用PCA82C250可以增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)。

PCA82C250與CAN總線的硬件接口電路設(shè)計(jì)見圖2。

PCA82C250的TXD和RXD引腳分別與MC9S12DP512的TXCAN和RXCAN引腳直連。

3.2 CAN控制器的初始化流程

MCU內(nèi)部的CAN控制器模塊在上電或系統(tǒng)復(fù)位之后必須進(jìn)行初始化設(shè)定。在需要初始化的時(shí)候首先要將CANCTL0寄存器的INITRQ位置位，然后等待系統(tǒng)響應(yīng)（即CANCTL1寄存器的INITAK位置1）。需要初始化的內(nèi)容應(yīng)包括：CAN控制器的使能、時(shí)鐘的預(yù)分頻值的設(shè)定、報(bào)文幀的時(shí)間寬度設(shè)定，以及驗(yàn)收過濾寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器的初始化。初始化流程如圖3所示。

根據(jù)奔騰HEV的CAN總線通訊協(xié)議的要求，設(shè)定總線傳輸位速率為500kbps，使用4個(gè)16位的接收過濾器。由于實(shí)際總線上的無效報(bào)文數(shù)量并不是很多，我們將所有屏蔽過濾寄存器關(guān)閉，以加快CAN控制器收發(fā)報(bào)文的速度。

另外需要注意的是在CAN控制器初始化之后，首先將發(fā)送緩沖區(qū)空中斷禁止掉，當(dāng)有報(bào)文需要從控制器傳送出去的時(shí)候再開啟該中斷。

下面是CAN總線控制器的初始化子程序：

void CAN_fun_Init(void)

{ CAN0CTL0_INITRQ = 1;

while(CAN0CTL1_INITAK != 1);

CAN0CTL1 = 0x80;

CAN0BTR0 = 0x03;

CAN0BTR1 = 0x23;

CAN0IDAC = 0x10;

CAN0IDAR0 = 0xff;

CAN0IDAR1 = 0xff;

CAN0IDMR0 = 0xff;

CAN0IDMR1 = 0xff;

CAN0CTL0_INITRQ = 0;

while(CAN0CTL1_INITAK != 0);

CAN0RIER_RXFIE=1;

CAN0TIER_TXEIE0 = 0;

CAN0TIER_TXEIE1 = 0;

CAN0TIER_TXEIE2 = 0;

}

4 HEV整車控制策略設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車各部件的配置確定下來之后，如何優(yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車低油耗、低排放的關(guān)鍵所在。在滿足汽車的動(dòng)力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下，針對(duì)各部件的特性以及汽車的運(yùn)行工況，控制邏輯要實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)之間合理有效地分配，使HEV系統(tǒng)效率達(dá)到最好，獲得最大的燃油經(jīng)濟(jì)性以及平穩(wěn)的駕駛性能。

4.1 整車運(yùn)行狀態(tài)的劃分及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的確定

發(fā)動(dòng)機(jī)有起動(dòng)、怠速和正常運(yùn)行三個(gè)狀態(tài)，電機(jī)有空轉(zhuǎn)、助力和發(fā)電三個(gè)狀態(tài)。根據(jù)駕駛員意圖和行車環(huán)境可將行車狀態(tài)大體分為：起動(dòng)、怠速、加速、爬坡、制動(dòng)、滑行和勻速行駛。

蓄電池菏點(diǎn)狀態(tài)（SOC）為剩余電量與電池總?cè)萘恐龋敲枋鲂铍姵貭顟B(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)蓄電池SOC確定蓄電池的充放電狀態(tài)，使蓄電池的SOC始終保持在一定的合理范圍內(nèi)，在汽車制動(dòng)和滑行時(shí)回收能量，在汽車加速和爬坡的時(shí)候提供足夠的功率輸出。這里我們要求蓄電池SOC保持在60%左右，在30%到85%之間變化。波動(dòng)一般不超出20%。

綜合以上分析，我們將控制策略設(shè)計(jì)如下：

(1)起動(dòng)

汽車起動(dòng)時(shí)，電機(jī)作電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至怠速轉(zhuǎn)速，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，發(fā)揮出電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，同時(shí)大大降低內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放。

(2)怠速

汽車怠速時(shí)，如蓄電池SOC<60%，起動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向蓄電池充電；如蓄電池SOC>60%，電機(jī)不發(fā)電。

(3)加速/爬坡

汽車全力加速的時(shí)候，起動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)向HEV提供助力，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在中等負(fù)荷的高效率區(qū)，從而減少油耗和廢氣排放。

(4)制動(dòng)/滑行

汽車制動(dòng)的時(shí)候，如蓄電池SOC<85%，起動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向蓄電池充電，從而實(shí)現(xiàn)能量回收；如蓄電池SOC>85%，電機(jī)不發(fā)電。

(5)勻速行駛

汽車正常行駛的時(shí)候，如蓄電池SOC<60%，起動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向蓄電池充電；如蓄電池SOC>60%，電機(jī)不發(fā)電。

4.2 整車控制邏輯的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面所述的控制策略，我們編寫了整車控制的主程序。在整個(gè)HEV的控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)中，有幾個(gè)較為關(guān)鍵的信號(hào)。如鑰匙位置、油門踏板位置、變速箱手柄位置、車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度等。

HEV系統(tǒng)主要有三個(gè)工作狀態(tài)：系統(tǒng)上電、行車狀態(tài)、系統(tǒng)關(guān)閉。控制系統(tǒng)在電源通電之后，首先由鑰匙位置信號(hào)激活，系統(tǒng)檢查電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池狀態(tài)，

正常則進(jìn)入系統(tǒng)上電過程；在行車狀態(tài)中，系統(tǒng)不斷地通過CAN總線采集車速、油門踏板、制動(dòng)踏板、蓄電池荷電量等信號(hào)，以此來判斷HEV的工作環(huán)境和狀態(tài)，控制邏輯合理地進(jìn)行動(dòng)力分配，完成整車的控制。

系統(tǒng)上電過程見圖4。

在上電過程中我們利用MC9S12DP256的16位遞減計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，在電機(jī)超時(shí)沒有響應(yīng)的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

HEV起動(dòng)控制邏輯是比較關(guān)鍵的部分，過程見圖5。

HEV起動(dòng)后首先開始計(jì)時(shí)，然后采集整車信號(hào)，判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)，如果符合條件，就起動(dòng)電機(jī)向HEV輸出動(dòng)力；繼續(xù)判斷整車信號(hào)，如符合電機(jī)發(fā)電條件，就進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)；否則如符合怠速條件，則進(jìn)入怠速狀態(tài)。在各個(gè)狀態(tài)運(yùn)行過程中，如果符合關(guān)機(jī)條件，則發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。

5 結(jié)束語

通過實(shí)車調(diào)試檢驗(yàn)證明基于CAN總線技術(shù)的HEV電子控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通信實(shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾能力，并且具有占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)HEV發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)特性確定的整車控制策略的設(shè)計(jì)極大的提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能。但在考慮細(xì)節(jié)因素方面還不夠全面，還需要做進(jìn)一步優(yōu)化。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文