支持CAN总线的电动车辅助逆变电源设计

2015 届毕业设计说明书支持 CAN 总线的电动车辅助逆变电源的设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 王 思 宇 指导教师： 黄海波 职称 实验师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本 1105 班 完成时间： 2015 年 6 月 6 日 摘 要现代电子控制技术广泛利用于电动车行业，因为它的电动车之间的参数共享，使它广受电动车行业的青睐。因为有数据交换效率高和抗噪声能力强的CAN 总线，使它成为了首选的电动车内部通信网络。文中介绍的电动车三相逆变电源即为电动车车载辅助逆变电源，并称为“辅助电源”,辅助电源为电动车各个部门之间交流电机提供了负载。如电动车的空调系统中的压缩机，方便转向助力油泵、电动车刹车气泵和冷却水循环中的水泵，等。在设计电动车辅助电源时它要求：（1）在行驶的过程中保持逆变辅助发动机的运行稳定，可以根据上位机提出的要求做出相应的工作状态；（2）在电动车负载电源发生故障时，比如：（发动机发生短路现象），需要断开输出，进行安全关机。通过 CAN 的控制总线，发生出来的故障需要向各个节点和上位机进行报告，并对总线中每个发生的故障做出操作，如：在位于电动车上显示系统显示出系统做出的预警告示信息,提醒驾驶员减速。并通过电动车电源管理系统发出指令关闭辅助逆变电源的输入，接收其错误代码和保存当前电动车运行数据，来方便维修人员排除故障。要实现电动车的辅助逆变电源的基本功能，可以选择一个变频器进行改装,从底层开始进行开发和加强电动车上各种智能化节点的优化,这样有利于直接选择支持电动车 CAN 总线接口的所需要的控制芯片,在控制芯片选好后做好控制程序的集成来满足 CAN 总线的通讯要求,最后用开环仿真可以很好的来实现设计中的故障系统，最后通过上传总线控制，来进行故障管理，实现 CAN 总线的电动车辅助逆变电源的设计。关键词：逆变器;电源;控制器;ABSTRACTModern electronic control technology is widely used in the electric vehicle industry and it is widely favored by the electric vehicle industry because parameters of electric vehicle is shared. Because CAN bus has high efficiency in data exchange and strong ability in anti noise, it became the preferred internal communication network of electric vehicle.The three-phase inverter of electric vehicle introduced in this paper is vehicle auxiliary inverter of electric inverter and it is known as the “auxiliary electrical power source”, which provides load to AC motor among various departments of the electric vehicle, such as the compressor of the electric vehicles air conditioning system, power steering pump, brake air pump of electric vehicle and water pump in cooling water cycle. In the design of electric vehicles auxiliary power, it requires: (1) keep stable operation of the inverter auxiliary engine in the process of travailing and corresponding working condition can be made according to the requirements of host computer ; (2) when the load power failure of electric vehicle such as engine short-circuit happens, the output needs to be disconnected to secure safe shutdown. Fault happened needs to the various panel points and the host computer through the CAN bus control and every fault in the bus needs to be operated, such as early warning signs in display system of electric vehicle to remind the driver to slow down. Moreover, Issuing a directive to turn off the input of auxiliary inverter power, receiving its error code and saving the current running data of electric vehicle would be conducted through power supply management system of electric vehicle to facilitate troubleshooting of maintenance personnel.To realize the basic functions of the electric vehicles auxiliary inverter, a frequency converter can be chosen to make modification. Developing and strengthening the optimization of intelligent panel point from the ground is choosing the chip that can support the CAN bus of the electric vehicle. After choosing the ideal chip, good integration of control program can be made to meet the communication requirement of the CAN bus. Finally, fault system in the design can be secured by open-loop simulation, fault management can be done by uploading bus control and design of electric inverter power of CAN bus can be realized. Key words Inverter; The power supply;The controller目 录1 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 逆变电源概况 .11.3 论文研究内容的章节安排 .22 整体研究方案 .32.1 电源设计方案 .32.2 系统总体设计方案的确定 .43 硬件的电路设计 .53.1 逆变电源硬件构成 .53.2 P8OC592 芯片介绍 .73.3 复位电路模块 .73.4 指示灯电路模块 .83.5 电源电路模块 .93.6 接口电路模块 .93.7 晶振电路模块 .113.8 CAN 通信模块 .113.8.1 CAN 总线基本原理 .113.8.2 CAN 通信模块电路设计 .124 软件的系统设计 .144.1 软件系统的设计构思 .144.2 主控程序软件设计 .144.2.1 主控程序设计方案 .144.2.2 主程序设计流程 .154.3 故障处理程序设计 .164.4 CAN 总线数据通信子程序设计 .165 电路开环仿真结果 .195.1 开环仿真结果 .195.2 仿真结果总结 .21结束语 .23参考文献 .24致谢 .27附录 .28附录 A 整机电路图 .28附录 B 程序清单 .2911 绪论1.1 选题背景及意义根据现在社会的发展，有效能源的不断枯竭，如果人类在这样没有遏制的持续下去的话，将在不久的将来给人类带来不可预知的灾难。同时，能源消耗，会造成不可逆的环境影响，如：空气污染等。而这种不可再生资源的如：石油资源，会随着社会的发展，汽车制造水平不断提高，人们生活水平的提高，使汽车作为交通出行的重要手段，更多的汽车资源将快速消耗，增加环境污染，还会造成能源短缺等问题。目前中国的汽车产销量居世界第一，由此消耗的能源和环境的破坏更为严重。因为电动车储存设施内的基本存储容量有限，所以要加强在电动车在运行程的功率流严格管理，使其达到管理要求。有了良好的电池的管理，就能加强车辆的行驶里程，从而减少电池使用过多导致的电池充电次数增加，并节省出电动车运行过多的运行费用。电动车能量管理于电动车的电机功率，电池的电压和其它电动车中需要用电的设备。在德国有一家公司为了解决现代汽车中众多的数据交换问题和控制问题，研发出一个可以发展总线通信结构（控制器局域网），广泛应用于传统燃油汽车，如宝马，保时捷，和奔驰。同时，被认为是最好的电动汽车 CAN 总线通信结构，在我国推出的“863 计划”里就提出过关于电动汽车 CAN 总线通信模式，要求 CAN 总线通信模式是所有新申报的电动汽车开发项目里必须使用的 1。CAN 总线是管理实时控制的串行和一种可以很有效的支持分开各个部分控制的通信网络，是一个典型的 CAN 总线结构的电动汽车原理图，其中包括了主电机控制器的车辆动态部分，电动车的电池管理，以及仪表台显示系统等用电设备，在这些众多的子系统中，它们之间通过数据通信和下达命令的传输。可以使设备可以在每个节点可以在自己的系统总线下独立运作，来满足电动车辆安全的需要。同时，CAN 总线是不会导致结构坍塌的系统装置 2。1.2 逆变电源概况逆变电源的硬开关 PWM 为供电方式。电源变换技术的发展是基于现代微电子技术和电力电子技术的发展为前提，基于现代电力电子器件和一个新的电路，随着生产的需要和发展的增长。对于变换 AD/DA 而言，由原设备的电机发电机组，由于量高，效率低，性能差，已基本被淘汰，7 0 的采用晶闸管变频器设备由于自身的缺陷所控制的现代转换装置取代。由于新的电力电子器件2的不断涌现，成熟，双零开关脉宽调制电路的谐振电路的不断完善，新的功率转换技术被广泛应用的新型电力转换装置就高功率小，频率高，可靠性和模块化，数字化，智能化方向发展。目前国外电源的发展大约有 4 代：第一代是直流电机电源，电源耗能大且使用效率低；第二代为“自藕 +硅整流“式的直流电源，使用自藕变压器调整输入电压，再由大功率硅整流管来整流，最后有低效率精度纹波等，但它的技术指标差；第三代则为可控硅电源，它的高效率功率范围宽，是目前使用广泛的电源；第四是开关型直流电源，它的体积小，而且高精度纹波系数使得可靠性高，决定了它将成为未来电动车直流电机驱动和电镀电解行业的主体使用电源。1949 年中国电力行业开始发展，经过几个阶段的发展后，慢慢的发展为机械，邮电，铁路等行业都有电源的生产和开发，具有很好的开发能力，和生产能力。同时国外大量的公司进入中国，加强了竞争，逐渐加剧了电子技术发展，电子设备已由原来的静止独立系统发展为便携式综合系统。电子设备中的电源部分，也由集中式向分布式发展，不断向着高效小型化，数字化，绿色和其他方向发展。在电力工业中的电源产业和电源的相关技术：具有高度智能化技术，同步整流技术，变频电源转换技术，全谐振高频软开关技术的数字控制技术，电磁兼容的相关技术有：脉冲宽度调制技术，微机控制技术和智能充电技术、并联功率因数校正技术、保护集成技术，变频调速控制技术，网络技术，智能监控技术，等先进技术，如 PWM（DC/DC）可以使源软开关谐振拓扑的效率变得越来越高。1.3 论文研究内容的章节安排 论文结构和论文章节安排如下：第 1 章 介绍了 CAN 总线的电动车辅助逆变电源设计的背景和意义，设计出论文的研究内容的章节安排。第 2 章 对研究的电动车辅助逆变电源进行整体方案的论证,最后确定最终方案。第 3 章 硬件系统设计,设计完成逆变电源的硬件电路设计工作，包括P80C592 芯片介绍，复位电路，晶振电路，电源电路，CAN 总线通信电路等设计。第 4 章 软件系统设计，对软件系统的整体设计思想进行说明，然后对主控程序软件、故障处理子程序、CAN 总线通信等相关的分别进行了设计。32 整体研究方案2.1 电源设计方案该章针对逆变电源的各种要求，以实际的电动汽车的具体参数要求和安全指标为准则，通过硬件设计及软件编程相结合的方式设计出一个操作性强、稳定性强的电源。通过查阅相关的技术资料，进行汇总分析，设计出以下逆变电源的设计方案。该方案主要由两部分组成：一是主电路，二是控制部分 3。在主电路设计，参考了逆变器结构后，确定采用了二重单相全桥逆变器连接。两逆变器直流环节是不一样的电压，电压 UDC 是逆变器直流环节，逆变器的直流母线电压为 3UDC。电压 3UDC 为直流侧逆变器的直流侧的电压.输电电压波形组成共有 9 个级别：2UDC、4UDC、3UDC、UDC、0。由于波形输出比单个逆变器波形输出更加完善,是工作频率较高的主逆变器，是从一个操作频率较低的逆变电源而产生的，这样可以大大降低开关损耗。在参考变化比较缓慢的波形发展阶段，只有主逆变器，可以很好的跟踪参考信号；作为参考信号的变化很快，需要辅助逆变器和逆变器必须同时工作，并更加快速简单的精确到跟踪参考信号。根据设计中的主电路，经过选择采用了全桥结构式电路。控制电路以 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F240 专用电机控制是全数字控制器的核心。LF 和 CF 作为输出滤波电感和电容器，在滤芯系列 RL 和 RC 寄生电阻，分别。考虑到精度和控制生产成本，电动车的电阻采样系统，主控制电路和子控制电路系统。为输出电感取样电阻 RC，RS1 和 RS2 为取样电阻。使采样电流和电压信号输入到 A/D 转换器的 DSP 口。DSP 的驱动电路中，PWM 输出通道的 PWM 信号控制其 IGBT 的驱动 4。该设计采用滞环完全数字化控制，是一个具有滞环的全数字控制部分。滞环控制精度高，反应快，输出电压不含特定频率的谐波分量。跟踪度高，精度高，反应快的特点，利用 DSP 数字控制来实现。对于文中的主逆变器，采用了滞环控制逆变器主电路。为了获得稳定的阈值电平，以实现精确的时间控制，监管者需要外部参考电压源的使用。集成精密电压参考 adp5134，节省大量的成本和电路板面积的方法解决了这个问题。当启用了 vih_en 输入（0.9 V 的最小值）以上，设备退出关机模式和管理模块的开放，但监管机构不会被激活。使一个精确的内部参考电压输入电压（通常为 0.97 V）比较。一旦启用引脚精密电压高于阈值，调节器被激活时，输出电压开始上升。过渡处的输入电压和温度，参考电压变化3%只。这确保了在小范围内精确的时序控制，解决遇到的问题时，采用分立元件。42.2 系统总体设计方案的确定电源是电子设备的动力部分，是一个通用性很好的电子产品。它已被广泛应用于各个行业和日常生活当中，其质量的优劣对电子设备的可靠性有很大影响，其效率和承载其应用范围直接关系它的应用相关的范围。方波逆变器是一种低成本，极其简单的变换方法，它适用于各种整流性负载，但适用于变压器负载不是很好，有很大的噪音。逆变电源的发展方向，主要为重量轻，结构紧凑，高效率。文中介绍的逆变器电源电路采用集成芯片，可以使电路结构更加简单，制造成本低，性能变稳定。因此，这种电路是一个控制简单，稳定的可靠性和更好性能的电路。随着市场竞争加剧，高性能逆变电源具有高的性价比。要选择正规的专业厂车载逆变器产品生产或经销代理,系统框图如图 1 所示。1 2 V 蓄电池 高额升压 整流欠压保护 过流保护控制电路 C A N 总线过流保护逆变桥逆变负载D CA CD C图 1 系统框图53 硬件电路设计3.1 逆变电源硬件构成 电动车三相逆变辅助电源基本上可分成三个部分：（1）主控板用来查出电路之间所有的输出电流，电压，在按照其系统运行情况来调节主控板的逆变电路输出；（2）直流/直流路电源找到合适的 DC 输入的电压，但可能浮动大，所以针对浮动大的电压对其他电路系统提供之间的隔离，使电路低电压电源的得到稳定；（3）主电源逆变电路由三相辅助逆变模块组成的集成，通过集成模块很好完成对逆变器的主电路的功能要求 5。输出脉冲宽度的调整：8 引脚和 9 引脚的 PWM 脉冲宽度控制底层的一端。集成电路 U1