基于CAN總線的電動汽車控制系統的研究

劉永剛云南機電職業技術學院

基于CAN總線的電動汽車控制系統的研究

劉永剛
云南機電職業技術學院

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

CAN總線；電動汽車；控制系統

一、前言

隨著全球經濟的不斷發展，環境污染越來越嚴重，化石能源也在日益枯竭。憑借環保節能的顯著優勢，電動汽車的研制成為了國內外各大科研機構研究的焦點。CAN總線已成為汽車控制系統的標準總線，用來傳輸控制信號，控制機械傳動裝置的有序運轉。本文對電動汽車的控制系統進行了研究，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CAN總線工作原理

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

若控制局域網中的某個節點要向其它節點發送報文，這個節點的CPU向其CAN芯片傳輸待發送數據及標識符，使CAN芯片處于準備狀態。根據總線的指令，當總線響應該節點的請求時，立即將報文通過總線發出，同時控制局域網中的其它節點轉為接收報文的狀態。接收狀態的節點判斷其接收的報文是否是發送給自己的，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，這也使維護人員能夠輕易地添加新的節點，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協議設置獨立的物理目的地址。

三、電動汽車控制系統的整體設計

電動汽車控制系統主要由電源、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矩的大小。

電動其控制系統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，經過電壓轉換得到兩路低電壓，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動模塊上。模數轉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動電機旋轉。

四、電動汽車控制系統的硬件設計

電源模塊是電動汽車控制系統硬件的重要組成部分，負責將蓄電池72V的高電壓轉化為5V和12V的低電壓。由于控制系統需要的電流較大，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。控制系統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動開關管，并使用基準源、線性光耦作為控制系統的反饋部分。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，差模電壓經放大后轉化為電流的形式輸出。基準源與線性光耦連接，線性光耦又與電源芯片連接，從而使電源模塊輸出低電壓。基準源與二維補償網絡連接，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硬件設計的核心。電動汽車的控制系統采用MCU來管理系統的各個組成部分。電動汽車的發動機開關和轉向燈的控制開關采用數字信號來控制，先經過分壓再經過濾波就可以連接到微控制器的I/O口，完成數字信號的檢測。通過檢測脈沖就可以測得車輛的行駛速度。方向盤的轉向、油門和剎車踏板的轉矩、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分壓轉為較低的電壓，再經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、電動汽車控制系統的軟件設計

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

通過軟件設計實現主控制器和電機控制器之間基于CAN通信協議的通信功能。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議索引查詢字典。MCU有一定數量的站，每個站都可以用于報文的發送和接收。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，觸發中斷并由中斷函數處理。不同形式的報文對應不同的報文發送函數，由底層的報文發送函數將報文存儲到站中，并完成報文的發送。

通過軟件設計實現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、電機轉矩分配程序三部分。給系統供電后，首先完成系統各部分的初始化，初始化完成后執行被控制部分的程序。執行總線通信程序，搭建整個系統之間的CAN通信網絡，然后進入等待狀態。在等待期間，MCU不斷掃描控制系統的開關，當有信號輸入時，執行電機運行程序，控制執行電機按預定的指令運轉，同時整個系統進入工作狀態。

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總線電動汽車驅動控制系統的研究[D].重慶大學,2008.

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

劉永剛，云南機電職業技術學院，講師，碩士，研究方向，機械電子工程。