基于CAN總線的底盤綜合控制系統設計

崔曉琳

摘 要：設計了基于CAN總線的底盤綜合控制系統，主要包括對整車、四輪驅動、轉向系統和制動系統的控制器設計。采用CAN總線實現電動汽車各控制器間的通信，并完成了 CAN 網絡應用層協議的制訂。在綜合考慮相關影響因素基礎上，設計了各控制器的硬件，建立偽逆控制分配算法實現常規的控制量分配，以及必要時實現控制再分配，保證車輛的操縱穩定性。系統的仿真結果表明，該系統可有效地完成常規和再分配控制量，兼顧電動汽車的靈活與穩定。

關鍵詞：分布式驅動電動汽車; CAN總線; 底盤綜合控制

中圖分類號： TG409

文獻標志碼： A

Abstract：This paper completed the design of chassis integrated control system based on CAN bus. The design includes the vehicle， four-wheel drive， steering system and brake system controller. The system adopts CAN bus to realize electric vehicle controller， the communication between each formulation and the application layer protocol of the CAN network is completed. After considering relevant factors， the controller hardware is selected， pseudo-inverse control allocation algorithm is established to realize conventional control allocation. In the necessary case， the control of redistribution can be realized to ensure that the vehicle steering stability. The simulation results show that the system can effectively complete the conventional and redistribution control quantity， and give consideration to the flexibility and stability of electric vehicles.

Key words：Distributed drive electric vehicle; CAN bus; Integrated chassis control

0 引言

控制器局域網（CAN）具有構造簡單、性能穩定、數據通信實時性強等優勢，現階段已在汽車領域廣泛應用，并且形成了國際標準。作為綠色交通工具，電動汽車是目前國內外研究的熱點，要使電動汽車得到廣泛應用，其的綜合性能是關鍵影響因素之一，對電動汽車的底盤綜合控制系統的設計可有效解決這一問題[1]。

1 底盤控制系統的總體設計

本文的研究對象為分布式驅動電動汽車，包括四輪主動制動和前后轉向電機的驅動，配置為四輪線控轉向、液壓制動（具有主動制動功能）、四輪輪轂電機獨立驅動，底盤控制系統的結構示意圖如圖1所示。

本文主要依據CAN2.0B 協議制定CAN網絡應用層協議，通信波特率設置為每秒250 kb，標準幀格式采用11位的標志符，定義源地址為高3位，數據內容的標志為低8位，車輛狀態和控制信息通過CAN總線進行傳送，各控制器的二進制源地址如表1所示[2]。

2 底盤綜合控制系統的硬件設計

系統硬件設計需考慮相關影響因素，如電磁干擾、溫度和振動等，據此本文各控制器的主處理芯片采用了飛思汽車級芯片（卡爾半導體公司生產），根據實際的計算能力需求，各控制器的主處理芯片如表2所示。

在實驗使用的電動車上，各控制器的控制電路用電源（12 V）供電，設計了電源轉換電路轉換為本文控制器所需的5 V電源。為保證CAN總線運行的可靠性，使用TJA1040作為接口芯片，高速光耦（U4 、 U5）具有隔離作用保護單片機，信號的濾波作用由L31完成。

2.1 整車控制器設計

作為電動汽車底盤控制系統的關鍵組成部分，整車控制器起到整體的協調控制作用，具體結構如圖2所示。

主處理芯片采集轉向盤轉角信息、車身橫擺角速度、加速踏板位置、側向加速度信號，經濾波后被單片機采集。通過 CAN 總線，主處理芯片還采集輪速、轉向角、故障信息等，發送執行機構的期望控制量至其它控制器上。個輔助處理芯片則可以完成主處理芯片故障的診斷。

2.2 驅動控制器設計

控制系統中，車輪的無刷直流輪轂電機由四輪驅動控制器控制，在正常情況下，整車控制器通過CAN 總線發出命令，驅動控制器接收后完成對輪轂電機的驅動力矩的控制，同時按照平均分配規則，采集加速踏板位置信號后，完成備用期望驅動力矩的計算，一旦整車控制器發生故障，對輪轂電機的控制可依據備用期望驅動力矩完成，通過霍爾傳感器輪轂電機傳遞位置信息給驅動控制器[3]。

2.3 轉向系統控制器設計

該模塊主要負責采集并濾波處理車輪轉向角和轉向盤轉角，然后傳送給主處理芯片，根據轉向盤轉角信息，轉向系統控制器完成期望前輪轉向角的計算，并與整車控制器的值相加，得到總的車輪轉向角。前、后車輪分別使用有刷直流電機作為轉向電機，通過兩個H 橋控制轉向電機，最終實現前/后輪的左右偏轉。

2.4 制動系統控制器設計

電動汽車上輪速的采集由磁電式輪速傳感器完成，輪速信號的轉換（將正弦波轉換為方波信號）則由控制器中的NCV1124 芯片完成，并傳送給主處理芯片。轉換的同時診斷輪速傳感器是否存在斷路故障;控制器中，液壓管路壓力的調節通過控制線圈的通斷實現，控制過程則由3個TLE6228 芯片實現，同時診斷線圈是否存在線路故障;制動系統的液壓單元通過電機完成電壓的增減，在控制器中，電機的通斷由MOS 管完成控制。控制器采集四輪的輪速并據此完成車輪狀態的判斷，通過對電磁閥和電機狀態的控制，實現車輪的驅動防滑、防抱死制動及主動增壓制動等功能。

3 底盤綜合控制系統的軟件設計

3.1 基本控制分配算法的設計

3.2.2 整車控制器故障

作為控制系統的核心組成部分，為保證系統安全，整車控制器的設計使用雙處理芯片，輔助處理芯片的設計上采用了一個8位單片機，作用在于同主處理芯片互相監控，在規定的時間內，相互間如果一方沒有接收到對方發來的指定信息，則可作出對方出現故障的判斷，此時控制器的信號輸出將被切斷。其它控制器無法接收到出現故障的整車控制器傳遞來的控制命令，這時各控制器的基本控制功能需自主實現，采集加速踏板位置信號，依據驅動力平均分配的原則，車輪驅動控制器實現控制車輪的驅動轉矩;采集轉向盤的轉角信號，后輪不參與轉向，轉向系統控制器控制前輪進行轉向;采集輪速信號，制動系統控制器不進行主動制動控制，確保實現制動防抱死的功能。

3.2.3 車輪驅動系統故障

當至少一個車輪的輪轂電機（或驅動控制器）出現故障時，在偽逆控制分配算法中，控制算法會修改其使用的對角加權矩陣（W），具體方法為：找出對角加權矩陣中的對角元素（與出現故障的控制量相對應的），將其擴大1 000倍，有故障的車輪的驅動力通過此種方法可置為零，重新分配剩余沒有發生故障的車輪的驅動力，同時為了抵消驅動力不對稱所導致的橫擺力矩，適當補償車輪的轉向角。

3.2.4 轉向系統故障

這部分故障可分為控制器或轉向電機的故障，若是控制器出現故障，此時整車控制器發揮作用，修改各執行機構的控制量，將其全部改為零，禁止汽車繼續工作;若其中一個轉向電機出現故障，控制算法會完成對另一個轉向電機的控制，實現前輪/后輪轉向，若兩個電機同時出現故障，汽車停止工作。

3.2.5 制動系統故障

這部分出現故障時會導致控制器的防抱死失效，弱化主動制動功能，汽車恢復常規液壓制動;汽車在制動系統液壓回路發生故障時，制動失效的可能性極大，此時整車控制器發揮作用，修改各執行機構的控制量為零，禁止汽車繼續工作[5]。

4 系統仿真測試

本文在 Matlab/Simulink 環境下完成對算法的仿真分析，結果表明與常規 4WS 的汽車相比，汽車采用控制分配算法后，對路徑的跟隨能力明顯提升，且質心側偏角較小，可見其穩定性更好，說明本文設計的基于 CAN 總線的底盤綜合控制系統可有效分配執行機構的控制量，更好的地兼顧了駕駛意圖和車輛的穩定性，某個控制器出現故障，電動車通過控制再分配算法仍具有良好的穩定性。

5 總結

本文完成了基于 CAN 總線的底盤綜合控制系統的設計，主要包括對整車、四輪驅動、轉向系統和制動系統的控制器設計，采用CAN 總線實現電動汽車各控制器間的通信，并完成了 CAN 網絡應用層協議的制訂，在綜合考慮相關影響因素基礎上，設計了各控制器的硬件，建立偽逆控制分配算法實現常規的控制量分配，以及必要時實現控制再分配，保證車輛的操縱穩定性。通過對系統進行仿真，結果表明，該系統可有效地完成常規和再分配控制量，兼顧電動汽車的靈活與穩定。

參考文獻

[1] 李以農，楊陽，孫偉， 等. 電動汽車底盤一體化控制技術的發展趨勢與展望[J].世界科技研究與發展，2016（3）：481-491.

[2] 鄧婕.CAN總線通信原理分析[J].電子設計工程，2012（7）：104-107.

[3] 褚文博，羅禹貢，趙峰，等. 分布式驅動電動汽車驅動轉矩協調控制[J]. 汽車工程， 2012（3）：185-189.

[4] 褚文博，李深，江青云，等.基于多信息融合的全輪獨立電驅動車輛車速估計[J].汽車工程， 2011（11）：962-966.

[5] 陳無畏，汪洪波.基于功能分配的汽車懸架/轉向系統可拓控制及穩定性分析[J].機械工程學報，2013（24）：67-75.

（收稿日期： 2018.06.28）