一種基于CAN總線的SRM驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　目前，由于環(huán)境污染和能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車的發(fā)展開始得到各國的高度重視，成為未來汽車發(fā)展的主流方向。

　　電動(dòng)汽車主要具有三大關(guān)鍵技術(shù):驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、電池電源、整車電子控制系統(tǒng).整車電子控制系統(tǒng)必須滿足純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)理念,使之既節(jié)能又簡單可靠。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)汽車在中國首先市場化,其經(jīng)濟(jì)意義不言而喻. 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，部件類型繁多。先進(jìn)高效的控制體系結(jié)構(gòu)，可以使電動(dòng)汽車各動(dòng)力系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換滿足簡單迅速、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)錯(cuò)誤檢測和隔離能力強(qiáng)等要求。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的電動(dòng)汽車整車電子控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車上，可以極大地減少車內(nèi)傳感器的數(shù)目，明顯提高車的整體性能。

　　2、開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的性能特點(diǎn)和控制方法：

　　開關(guān)磁阻電機(jī)是一種具有悠久歷史的電機(jī)，它誕生于160多年前，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，特別是近20年的研究和改進(jìn)，開關(guān)磁阻電機(jī)的性能不斷提高，目前已能在較大的功率范圍內(nèi)使其性能優(yōu)于其它形式的電機(jī)，并且開關(guān)磁阻電機(jī)的性能特點(diǎn)特別適合應(yīng)用于純電動(dòng)汽車。

　　2.1、開關(guān)磁阻電機(jī)的性能特點(diǎn)：

　　(1)結(jié)構(gòu)簡單,效率高;

　　開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更簡單可靠，特別適用于高速、低速轉(zhuǎn)矩大，電流小的系統(tǒng)，且效率高，特別是轉(zhuǎn)子無繞組，適合于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊負(fù)載等工況條件。

　　(2)控制電路簡單可靠;

　　驅(qū)動(dòng)功率電路采用的功率開關(guān)元件較少，電路較簡單。功率元件與電動(dòng)機(jī)繞組相串聯(lián)，不易發(fā)生直通短路。

　　(3)調(diào)速范圍大,轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)特性好;

　　利用較簡單的控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的調(diào)速范圍，還具有低速大轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)能量反饋等特性。

　　因此開關(guān)磁組電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車。

　　2.2、開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的控制方法:

　　(1)車的啟動(dòng)停止;

　　開關(guān)磁阻電機(jī)控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等控制。當(dāng)應(yīng)用于電動(dòng)車時(shí)，車的啟動(dòng)和停止可以通過啟動(dòng)鑰匙系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

　　(2)車的加速減速;

　　加速減速通過腳踏油門，調(diào)節(jié)油門輸出電壓來控制VI給定來調(diào)速。

　　(3)車的前進(jìn)倒車;

　　前進(jìn)、倒車可由檔位搖桿來控制。

　　(4)車的急剎車;

　　急剎車可以通過剎車踏板啟動(dòng)再生制動(dòng)系統(tǒng)。所以，開關(guān)磁阻電機(jī)可以很方便地控制電動(dòng)車的基本操作，這樣可以大大簡化控制系統(tǒng)總線上極為關(guān)鍵的電機(jī)控制單元。

　　3、CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)：

　　CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)，是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(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(xiàn)場總線的范疇。CAN總線具有可靠、靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

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

　　(2) 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)根據(jù)對(duì)總線訪問優(yōu)先級(jí)的不同，最快可在134μs內(nèi)得到響應(yīng)。

　　(3) 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(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(yuǎn)可達(dá)10km(速度5kbps)，通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長為40m)。

　　(5) 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。

　　(6) CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

　　(7) 通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

　　4、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)：

　　4．1、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置和信號(hào)類型：

　　4．1．1、電動(dòng)車內(nèi)主要CAN節(jié)點(diǎn)及各節(jié)點(diǎn)CAN總線主要收發(fā)信號(hào)如下：

　　(1)電池管理系統(tǒng)節(jié)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(jié)點(diǎn)：電池荷電狀態(tài)（SOC）、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)倒車狀態(tài)、門窗開關(guān)狀態(tài)、燈光開關(guān)狀態(tài)、電機(jī)溫度、車內(nèi)溫度、再生制動(dòng)狀態(tài)、電池充放電狀態(tài)、電池故障、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)、鑰匙信號(hào)。

　　(3)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)：電機(jī)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)倒車狀態(tài)、電機(jī)啟動(dòng)停止、電機(jī)溫度、再生制動(dòng)狀態(tài)。

　　(4)聯(lián)合裝配節(jié)點(diǎn)：車內(nèi)溫度、車速、門窗開關(guān)狀態(tài)、燈光開關(guān)狀態(tài)、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)。

　　(5)人機(jī)對(duì)話節(jié)點(diǎn)：控制門窗開關(guān)、控制燈光開關(guān)、液晶顯示開關(guān)、空調(diào)開關(guān)。

　　(6)運(yùn)行控制節(jié)點(diǎn)：啟動(dòng)鑰匙信號(hào)、腳踏油門、剎車踏板、前進(jìn)倒車檔位搖桿。

　　4．1．2、電動(dòng)汽車電控單元接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型：

　　本方案中，電動(dòng)汽車每個(gè)電控單元的接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)類型如表(1)所示，其中T表示發(fā)送，R表示接收。

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表(1) 電動(dòng)汽車電控單元接收及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型

　　4．2、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架：

　　本電動(dòng)汽車整車電子控制系統(tǒng)由兩條總線構(gòu)成，即高速CAN總線和低速總線。高速CAN總線和低速總線是兩個(gè)獨(dú)立的總線系統(tǒng)。為了便于汽車所有功能的管理，通過網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)連接起來，不同總線間的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這樣兩個(gè)總線分別獨(dú)立運(yùn)行，只有需要在兩種總線間交換的數(shù)據(jù)才通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同類型的信息分開，減輕了各網(wǎng)絡(luò)總線上的負(fù)擔(dān)。

　　高速CAN總線主要連接電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的快速控制。低速總線主要用于連接車身系統(tǒng)，并通過網(wǎng)關(guān)作為子網(wǎng)接入高速CAN總線，組成一個(gè)統(tǒng)一的多元網(wǎng)絡(luò)。

　　本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖(1)所示。

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圖(1) 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

　　4．3、電池管理節(jié)點(diǎn)介紹：

　　電池管理系統(tǒng)一直是電動(dòng)汽車發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它最基本的作用是監(jiān)視電池的工作狀態(tài)，通過對(duì)電池電壓、電流和溫度這些參數(shù)的測量，預(yù)測電池的SOC和相應(yīng)的剩余行駛里程，管理電池的工作狀況。電池管理系統(tǒng)框圖如圖(2)所示：

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圖(2) 電池管理系統(tǒng)框圖

　　4．4、液晶顯示節(jié)點(diǎn)介紹：

　　本設(shè)計(jì)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(jī)狀態(tài)信息、整車運(yùn)行狀態(tài)信息、車內(nèi)設(shè)施狀態(tài)信息、以及啟動(dòng)鑰匙信息。它的主要信號(hào)如圖表(2)所示：

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表(2) 液晶顯示節(jié)點(diǎn)主要信號(hào)

　　5、結(jié)束語：

　　現(xiàn)代汽車上的電子裝置越來越多，一輛高檔汽車的電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)上千個(gè)，如果采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行布線，連線的數(shù)量將非常驚人而且有極大的故障隱患。而基于CAN總線的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的共享，極大地改善車內(nèi)布局，提高車的整體性能。

　　目前在國內(nèi)已開發(fā)出混合動(dòng)力汽車的整車電子控制系統(tǒng)，但它市基于混合動(dòng)力汽車的，在控制節(jié)點(diǎn)和儀表顯示上與本文開發(fā)的純電動(dòng)汽車有較大差別.本文設(shè)計(jì)的整車電子控制系統(tǒng)直接應(yīng)用于純電動(dòng)汽車,采用數(shù)字液晶顯示，可達(dá)到節(jié)能、簡單、可靠的更高要求。從目前世界各國的電動(dòng)汽車整車電子控制系統(tǒng)來看,其電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)歐美多采用交流感應(yīng)電機(jī),日本多用直流電動(dòng)機(jī),儀表顯示節(jié)點(diǎn)多采用模擬儀表。本文設(shè)計(jì)的整車電控系統(tǒng)應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車上，采用數(shù)字液晶顯示，彌補(bǔ)了這一領(lǐng)域的研究。