（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车驱动控制系统的开发与研究.pdf

摘要 面对只益严重的环境污染和石油危机，全球汽车工业都受到了前所未有的严 峻挑战。为了汽车工业的绿色可持续发展，使用电能驱动的电动汽车现己成为全 球汽车研究和丌发的一个方向。在电动汽车研发的众多技术中，采用直流无刷电 机驱动电动汽车逐渐成为一种普遍接受的共识，它以其理想的控制特性和广泛 的应用前景，受到学术和工程界的普遍关注。本文以电动汽车直流无刷电机驱动 系统作为研究对象，围绕基于c a n 总线的电动汽车驱动控制，进行相关的分析 和研究。 针对电动汽车与传统燃油汽车的不同技术特征，本文首先介绍了国内外电动 汽车的发展状况，对各国电动汽车的研究情况做出概括性总结，探讨了c a n 总 线作为汽车总线的研究和发展状况；然后，着重介绍了本文研究的直流无刷电机 的结构、工作原理，对其数学模型、控制方法等进行了详细的分析。同时，针对 电动汽车的电子化和网络化要求，对现场总线c a n 的原理和通信协议进行分析， 给出了基于m s c a n 模块的c a n 网络结构的硬件及软件流程。最后，本文设计 了基于m c 9 s 1 2 d g l 2 8 的电动汽车驱动控制系统样车，并在样车上对控制系统进 行了相关的实验性测试。 本文的研究有助于促进基于总线技术的电动车控制系统的开发和多电机协 调控制技术的发展，对总线技术、智能控制技术在电动车的应用也有积极意义。 关键词：电动汽车，c a n 总线，直流无刷电机，m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ，驱动控制 a b s t r a c t i nt h es i t u a t i o no fi n c r e a s i n g l vs e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n do i lc r i s i s ，t h e g l o b a la u t o m o t i v ei n d u s t r yd e v e l o p m e n ti su n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e d i no r d e rt o g r e e nt h ea u t oi n d u s t r y ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ep o w e r - d r i v e n e l e c t r i c v e h i c l e s ( e v ) n o wh a v eb e c o m et h e2 l o b a lr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n a m o n gt h ev a r i o u sk i n d so fe l e c t r i cv e h i c l e s ，c a r sd r i v e nb yb m s h l e s s d c ( b l d c ) m o t o r i sb e c o m i n gag e n e r a l l ya c c e p t e ds e l e c t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e s i n t h i sp a p e rr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h eb l d cm o t o r - d r i v e nc a rs y s t e mb a s e do nt h e c a nb u sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt o t h ed i f i e r e n c eb e t w e e n e l e c c t r i c a l l y d r i v e nc a r sa n df u e l a u t o m o b i l e f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n o fe l e c t r i c v e h i c l e ，m a k e sag e n e r a ls u m m a r yo fd i f f e r e n tc o u n t r i e se vs i t u a t i o n ，a n dd i s c u s s e s t h ec a nb u s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u s t h e n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d y o ft h es t r u c t u r eo ft h eb r u s h l e s sd cm o t o lt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，c o n t r o lm e t h o d s a tt h es a m et i m e ，f o re l e c t r i cv e h i c l e sa n de l e c t r o n i c n e t w o r k i n gr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mo fc a n b u si n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 m s c a nm o d u l en e t w o r k s t r u c t u r e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef l o w f i n a l l y , ap r o t o t y p ec a rc o n t r o ls y s t e m si s m a d e ，b a s e do nt h em c 9 s12 d g12 8 ，a n dr e l a t e dt e s t sa r ec a r r i e do u t t h i ss t u d yw i l lh e l pp r o m o t et h ef i e l d b u st e c h n o l o g yb a s e do nt h ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e ma n dm o r em o t o rc o o r d i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h ed e v e l o p m e n to f f i e l d b u st e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e ra l s oh a sp o s i t i v e s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e v ，c a nb u s ，b l d cm o t o r ，m c 9 s 12 d g 12 8 ，d r i v e nc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：汤乏奇易签字日期：知吵年上月知r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：劳壹扬 导师签名： 秘一呜 签字r 期：土加罗年山月却同 签字r 期。肋罗年二且哆r 学位论文的主要创新点 一、本文主要研究了电动汽车动力系统的总线控制结构。将电动汽车 的直流无刷电机控制与c a n 总线相结合，实现了电动汽车动力控制 的智能化、分散化，使得电动车系统运行更可靠，配置更灵活。 二、将轮毂式电机应用于电动汽车的直接驱动，大大简化了车体结构， 并且提高了传动效率和可靠性。 第一章绪论 1 1 课题意义及背景 第一章绪论 汽车被发明出来己经有一个多世纪了，现已发展成为人类最为快捷、舒适的 交通工具之一，在人们的生活中占据着不可或缺的地位。然而，近年来汽车排气 中的氮氧化物及浮游微粒物质等所引起的大气污染以及二氧化碳所引起的地球 变暖等被看成是危及地球环境的严峻问题。国家环保中心预测，到2 0 1 0 年汽车 尾气的排放量将占空气污染源的6 4 瞳3 ，这就要求在全球范围内都采取相应应对 策。此外，作为燃料使用的不可再生资源石油，终将有一天枯竭。这就意味着以 不可再生能源石油作为能源的汽车总有一天会动不了。 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中前两项即“电气化”和“汽 车”的融合产物。开发电动汽车是世界汽车业的新趋势，2 0 世纪7 0 年代以来， 伴随着能源危机以及严重的坏境污染，电动车的研究获得尘机，各国政府非常重 视电动汽车的技术开发和应用，取得了重要的进展。电动汽车具有高效率、低排 放的特性，它基本上都不以汽油为直接燃料，能源的利用效率高、环境污染度低。 其次电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比燃油汽车高出2 个数量级，电机可以 分散配置易于实现四轮独立驱动和四轮转向，它还可以实现再生制动和能量回 收，提高电动汽车制动的安全性和可靠性。从2 0 世纪9 0 年代丌始，世界各大汽 车集团公司如福特、通用、尼桑、丰罔和本阳等，在电动汽车的研究上投入了大 量的资会，已经研制出多种电动汽车及一些概念车，如福特的t h i n kc i t y ，通用 的e v l ，丰刚的r a v 4 、p r i u s 和f c e v ，本阳的e v p i u s 、i n s i g h t 和f c x v 3 等”1 。 能否在新一轮的电动汽车革命中抢得主动，是决定将来我国汽车工业国际地位的 关键步骤。 电动汽车可以分为三类，即纯电动汽车( p e v ) 混合动力电动汽车( h e v ) 和燃 料电池电动汽车( f c e v ) 。就目前状况出于电池技术限制，p e v 适合于低速短距 离的场地运输；h e v 同时搭载电池和发动机，可以实现低油耗，低排放，也可 长距离运输，在目前是比较理想的交通工具；f c e v 用燃料代替油，具有很大潜 力，在未来有可能实现实用化。 混合电动汽车是将电力和其他动力进行组合来实现高效率驱动的汽车。根据 发动机和电机组合方式不同，大致可以分为三种：并联、串联、串并联。混合动 力电动汽车很好地解决了纯电动汽车电池容量不足的问题。发动机工作在相对稳 天津l j 业人学硕士学位论文 定的状态下，效率较高，排放的污染气体含量大大降低，在市区行驶时由电动机 工作以达到零排放标准，现阶段具有很大的可行性，但是它只是由内燃机向电动 车辆发展的中问暂时过渡产品。随着新材料新技术的不断发展，特别是电池能量 密度的提高，混合动力电动汽车终将被纯电动汽车所代替。 1 2 国内外电动汽车发展概况 1 2 1国外电动汽车发展概况 目前，美国、法国、德国、同本等工业发达国家在本国政府、汽车生产厂商 和能源部门等方面以及科研机构的积极参与下，对电动汽车的研制丌发已经取得 了显著成绩，在电动汽车的车速、续航单程、加速性能、车用蓄电池、基础设施 等方面都有较大的进步。与电动汽车领域相关的关键技术不断进步有力地推动了 电动汽车的发展，使电动汽车的丌发和使用成为可能。 美国是世界上对污染限制最严格的国家，目前在电动汽车研制开发方面，美 国处于领先地位。美国采取政府干预，以能源部为中心在1 9 9 1 1 9 9 5 四年内投入2 亿多美元，对电动汽车进行了大量的研究和丌发。在电动汽车产业化方面，美国 的三大汽车公司：通用、福特和克莱斯勒汽车公司分别投入1 4 8 亿、1 3 8 亿和8 4 8 0 万美元进行为期5 年的电动汽车研发，已推出3 款混合动力汽车概念车。 法国很早就在城市环卫部门使用电动汽车，目6 订巴黎已有数百辆电动汽车在 运行，全法国则有上千辆电动汽车在试运行，并计划在将来几年内有一批新的电 动汽车投放市场。法国的电动汽车基本上采用铅酸电池，法国环境能源厅对电池 的研究丌发及电动汽车的试验给予了资助，地方政府对购买电动汽车的用户提供 一定数量的保证会，以鼓励电动汽车的推广。 德国早在1 9 7 2 年就以“电动道路交通协会”为中心，在联邦政府的支持下丌 展电动汽车的丌发试验工作，目前已制造出几百辆电动汽车投入试用。 同本于1 9 7 2 年成立“r 本电动汽车协会”，r 本政府制定了鼓励电动汽车丌 发与应用的政策，1 9 7 8 年，为促进电动汽车的推广应用，同本电动汽车协会制订 了“电动汽车试用制度，每年向试用者提供试用费。试用的电动汽车主要用于 公司、政府下属机构、公园的事务联络车、服务车等，试用地区遍布同本各地0 1 。 尽管电动汽车技术比以往有了长足进步，但由于迄今电动汽车用动力蓄电池 技术没有质的突破，致使目前的电池技术都不能够完全满足电动汽车的技术要 求，而且短期内突破的难度很大。尽管电动汽车是将来汽车行业的一个必然趋势， 但对于电动汽车的一些关键技术问题的研究仍需要继续公关突破。 第一章绪论 1 2 2 我国电动汽车发展概况 近十几年来，国内电动汽车的丌发得到各级政府的高度重视和大力支持。“八 五”期间电动汽车的研究j 下式列入国家攻关项目；“九五”期问，国家为了推动 电动汽车的开发，先后投入了1 亿多元，为国家发展电动汽车奠定了基础，并在 广东汕头成立了国家电动汽车运行试验示范区：“十五期间经国家科教领导小 组第十次会议批准，电动汽车列入“8 6 3 计划十二个重大专项之一，专项计划 总投资8 8 亿人民币，为科技部历史上最大的一笔投资。 一些企业在2 0 世纪9 0 年代中期就已推出了电动汽车样车、电动轿车概念车、 燃料电池中巴车等。东风汽车公司1 9 9 6 年就推出了电动汽车样车，今年又与高 校和科研单位共同组建了东风电动汽车股份有限公司专门开发生产电动汽车；天 津一汽丌发的“夏利纯电动轿车，目前己经试制了5 辆样车，其最高车速大于 1 2 0 k m l l ，续驶罩程等速行驶大于2 3 0 k m ，工况行驶大于1 5 0 k m ；上汽集团奇瑞 汽车有限公司与高校和科研单位合作开发了纯电动轿车，该车一次充电等速续驶 罩程达3 0 8 k i n ，全程开空调情况下市区道路续驶旱程达2 0 3 k m 腩1 。 比皿迪f 3 d m 双模式技术以及铁电池技术f 3 d m 有两个电机，主电机的峰 值扭矩4 0 0 n m ，完全可以和汽油机媲美。发动机是比亚迪自主丌发的b y d 3 7 1 q a 全铝发动机，1 o 升、5 0 k w 。主电机5 0 k w ，副电机2 5 k w ，使得f 3 d m 的总功率 达到了1 2 5 k w ，相当于2 4 l 发动机 目前，中国电动汽车的技术研发己经有了一定的基础，2 0 0 8 年北京夏季奥 运会中主要场馆服务用车已经成功使用了我国自主研发的电动汽车，形成绿色奥 运、科技奥运的良好氛围。在这样的形式下全国范围掀起研发电动汽车的热潮， 各大厂家、科研院所大力投入，开发出以电动客车为主的各种型式的电动汽车， 并具有一定的水平。 尽管同国外电动汽车水平相比，我国仍有一定的差距，但远小于内燃机汽车 与国外的差距。因此大力发展电动汽车成为我国汽车产业前途光明的前进方向。 可以预言，在全球性大力推进研究丌发电动汽车技术的世纪，电动汽车的产业化 并进入商业营运市场的实用化时期必将到来。 1 3电动汽车电驱动研究概况 1 3 1 驱动控制技术概况 电动汽车的电驱动系统由电动机、驱动器和控制器三个主要部分组成，它们 是电动汽车的核心，应适应电动汽车的总体技术要求，全面权衡，合理选择单台 天津ji ：业人学硕十学位论文 或多台电机驱动；单级或多级变速：电动机及其驱动器、控制器的类型；电压和 电流容量；电动机的机械特性和最大速度；电池类型及容量；电池充电方式和充 电配置。驱动电机的选择是其中最重要的环节。 由于直流电机结构简单，技术成熟，具有交流电动机所不可比拟的优良电磁 转矩控制特性，所以直到2 0 世纪8 0 年代中期，仍是国内外电动汽车用电机的主 要研发对象。但直流电动机也存在致命的弱点：利用电刷和换向器进行换向时会 产生换向火花，使之无法适应高速、大容量的场合：而且直流电动机的价格往往 是同功率交流电动机的2 3 倍，且体积大，。重量重，需更多的维护，不适合在多 尘、潮湿、易燃气体的环境中使用，供电电压也有限制。这就迫使人们寻找无换 向器的交流电动机实现调速传动。但是，异步电动机有三相定子绕组，电磁转矩 是定、转子三相电流的复杂函数，且与转子的瞬时位置角有关，实际运行中能够 直接控制的只是定子电压、电流、定子频率，但电磁转矩与它们之间不存在像直 流电动机那样简洁的函数关系，故在动态过程中，异步电动机电磁转矩的准确、 有效控制是一个难题。 7 0 年代以来，为充分利用异步电动机优良的经济性及易向高压、高速、大 容量方向发展的优势，获得良好的调速性能，依托多变量解耦控制、变结构控制、 模型参考自适应控制等现代控制理论和新型性能优良的第二代大功率全控型开 关器件，出现了交流电机调频调压控制、矢量控制、直接转矩控制，进入9 0 年 代，交流调速系统慢慢取代了直流调速系统，占据主导地位，在电机驱动技术中 被广泛采用。但交流调速技术还存在系统复杂、价格昂贵、性能指标有待进一步 提高等问题。开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r 电机或s r m ) 是在交流调速技术发展的8 0 年代，出现的一种简单的新型电机，它结构非常简 单，起动性能好，没有电流冲击、效率高，由其构成的调速系统兼有异步电动机 变频调速和直流电动机调速宽的优点，其运行性能和经济指标比普通的交流调速 系统，甚至比晶闸管一直流电动机都好，加上现代电力电子学技术的发展，被认 为在电动汽车中具有良好的应用前景，但由于技术所限其噪声问题尚待解决。 在高性能永磁材料的支持下，直流无刷电动机被普遍采用，因其具有高的功 率密度、体积小、惯性低、响应快、重量轻、效率高，被认为是在电动汽车中一 种极有发展潜力的驱动方式。我国稀土资源丰富，在永磁同步电机和直流无刷电 机的推广上具有优势，目前国内外永磁同步电机已经在小功率或二轮、三轮电动 汽车上得到应用。近阶段，由同本研制的电动汽车主要采用这种电机，国内的浙 江大学，哈尔滨工程大学也已相应开发出基于直流无刷电机驱动的样车系统m 3 。 目前主要的几种电动汽车驱动电动机驱动系统的性能对比如表1 1 所示。 第一章绪论 表1 - 1 电动汽乍驱动电机比较 直流电机交流感应电机 永磁同步( 直流无刷) 电机开关磁阻电机 最高效率( ) 8 5 8 9吼“9 59 5 9 7 c a n 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，高优先级节点优先传输数 据，故实时性好，即当多个节点同时向总线发送信息时，优先级低的会 主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响的继续传送数据，从而大 大节省了总线冲突仲裁时间； c a n 总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能，无需专 门的调度； c a n 总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8 个，数据传输时间短， 受干扰概率小，并有c r c 及其它校验措施，数据出错率极低，保证了 数据的准确性； c a n 总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其 天津i 1 ：业人学硕+ 学位论文 他操作不受影响： c a n 总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统 扩充容易，改型灵活； 数据传输距离远( 最远可达1 0 k m 5 k b p s ) ，传输速率高( 最大可达到 1 m b p s 4 0 m ) ，传输速率和传输距离的关系如表所示： 表3 1c a n 总线系统任意两点之间的传输距离和速率的关系 位数率k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 最大距离，m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 ( c a n 总线上的节点数取决于总线驱动器。在标准帧( i i 位报文标识符) 时可达1 1 0 个，而在扩展帧( 2 9 位报文标识符) 时，个数几乎不受限： 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 报文不包含源地址和目标地址，仅用标识符来指示功能信息、优先级信 息； 借助接收滤波的多地址帧传送； c a n 总线通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤，选择十分灵活。 3 2c a n 总线分层结构 c a n 技术规范遵循i s o o s i 标准模型，只规定了物理层和数据链路层，其 中数据链路层又分为逻辑链路控制子层( u ：l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 和媒体访问 控制子层( m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 。 3 2 1物理层 物理层定义了位编码解码、位定时和同步等内容，但对总线媒体介质等特性 未加具体规定。在同一个网络内，要实现不同节点问的数据传输，所有节点的物 理层必须是相同的。 总线的首末端需要并入终端匹配电阻，以抑制反射，改善信号的完整性；而 每个节点内部不需要匹配电阻。总线驱动可以采用单线上拉、单线下拉或双线驱 动，接收采用差分接收。 总线的逻辑状态被区分为“显性”( d o m i n a n t ) 和“隐性”( r e c e s s i v e ) ，即 用“显性”和“隐性两个互补的逻辑值表示“0 ”和“1 ”，如图3 1 所示，信 第二章c a n 总线及电动汽卞通信系统没计 号是以总线上两条传输线问的“差分”电压形式出现，在隐形状态下，c a n 总 线的两线v c a ) , h 和v c a n l 都被固定于平均电平附近，其电压差v d i f f 近似为零；在 显性状态下，两线的电平差v 珊最大。通过驱动接收电路将显性和隐性状态分别 对应到逻辑电平“0 ”和“1 ”。 3 2 2 数据链路层 图3 - 1g 悄总线的数据位电平 数据链路层包括逻辑链路控制子层( u ) 和介质访问控制子层( m a c ) ； 1 ) 逻辑链路控制子层( l l c ) 逻辑链路控制子层( l l c ) 的主要功能是：为数据传送和远程数掘请求提供 服务，确认由l l c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提 供信息洲。 2 ) 介质访问控制子层( m a c ) 介质访问控制子层( m a c ) 子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行 仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。m a c 子层要为丌始一次新的发送确定 总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是m a c 子层的以部分。 m a c 子层不存在修改的灵活性。下面是几个c a n 网络常用的概念： ( 1 ) 帧( 报文) 。c a n 协议规定信息发送以打包的方式，以帧为单位发送。 每一类型帧的格式是固定的，而帧的长度( 即包含数据的字节数) 在一定的范围 内是可变的。c a n 协议规定一个信息帧中最多包含8 个字节数据，整个数据帧 非常短，不会长时间占用总线，也降低了由于干扰导致的整个数据帧被丢弃的概 率。 ( 2 ) 仲裁。由于c a n 协议是多主系统，当两个节点同时向总线发送报文时 就会产生冲突。此时c a n 控制器根据发送的比特位和监听到的总线上的电平是 否一致来判断发送是否有效。若一致，继续发送下一位，继续监听比较；如果不 致则停止发送，直到监听到总线空闲再丌始传输。在后面的帧结构中可以了解 到，报文的首部包含了报文的目标标志符，所以在仲裁后，高优先级的报文获得 天津一l ：业人学硕+ 学位论文 总线发送的权利。这就能够满足高实时性节点的要求。 ( 3 ) 总线应答。所有接收节点对接收到的信息的相容性( 是否为该节点能 够接收的信息) 进行检查，回答一个相容报文，并标志一个不相容报文。 ( 4 ) 速率( 总线波特率) 。指总线上每秒传输的数据位数。对于一个给定的 系统，必须确定一个统一的速率。 ( 5 ) 报文滤波。一个帧的内容由其标志符l d 表示，该l d 可以用来指示数 据帧的内容。通过接收报文过滤，特定的节点可以选择接收特定的信息帧，过滤 总线上的信息。 ( 6 ) 睡眠唤醒方式。为降低系统的功耗，c a n 节点可以被置于没有任何 活动的睡眠状念，并关断总线驱动器。睡眠状态借助任何总线活动或系统内部条 件唤醒后，将自动和总线同步并丌始接收、发送数据。 ( 7 ) 错误监测。包括： 发送位电平和总线电平的比较； 循环冗余校验( c r c 校验) ； 位填充校验； 报文格式校验。 3 3c a n 报文传送和帧结构 在o 数据传输中，发出报文的节点称为该报文的发送器。节点在总线进 入空闲状态前或丢失仲裁6 矿恒为发送器。如果一个节点不是报文发送器，并且总 线不处于空闲状态，则该节点为接收器。 报文发送器和接收器确认某个报文为有效的时刻是不同的。对于发送器而 言，如果直到帧结束的最后一位一直未出错，则发送器认为该报文有效。如果报 文受损，将自动允许重发送。对于接收器而言，如果直到帧结束的倒数第二位一 直未出错，则接收器认为该报文有效。 c a n 报文有两种格式，主要在于标识符域的长度不同。含有1 1 位标识符的 帧成为标准帧；含有2 9 位标识符的帧称为扩展帧。报文中的位流按照非归零 ( n r z ) 码的方法编码，个完整位的位电平要么是显性，要么是隐性。数据在 节点问的发送和接收是以4 种不同形式的帧出现和控制的，即 数据帧由发送节点发送，接收节点接收； 远程帧由接收节点发送，请求具有相同标志符l d 的节点发送数据帧； 出错帧由任何监测到总线错误的节点发送； 过载帧用于提供先前和后续的数据帧之问或远程帧之问的附加延时。 第二章c a n 总线及电动汽车通信系统设计 3 3 1数据帧 数据帧由7 个位场组成，即帧起始、仲裁域、控制域、数据域、c r c 域、 应答域和帧结尾。数据帧的组成如图所示： 仲裁域控制域数据域 c r c 域 图3 - 2 数据帧格式 帧间空间 尾 ( 1 ) 帧起始( s o f ) ：标志数据帧和远程帧的开始，它仅由一个“显性”位 构成。只有当总线为空闲时才允许节点开始发送，所有节点必须都同步于首先开 始发送的那个节点的帧起始前沿。 ( 2 ) 仲裁域：仲裁域是用来表明报文的内容和意义以及报文的优先级别的。 在标准格式和扩展帧格式中仲裁域的格式不同。由标志符和远程传送请求位 ( r 1 限) 构成。标识符的长度为1 1 位，这些位的发送顺序是从高位到低位发送 ( i d l 0 到i d 0 ) ，最低位是i d 0 ，最高的7 位( i d l 0 i d 4 ) 不能全是“隐性。 在扩展帧格式中，仲裁域包括：2 9 位标识符、s r r ( 替代远程请求位) 、i d e ( 标 识符扩展位) 、r t r 位。2 9 位标识符包括1 1 位的基本m 和1 8 位的扩展i d ，基 本i d 表明了扩展帧的基本优先级。在数据帧中r t r 必须是“显性 ，表明当前 的报文帧是数据报文。而在远程帧里必须是“隐性”表明当前的报文帧是远程帧。 在扩展帧格式中s r r 位是一“隐性位，它是在扩展帧中标准帧的r t r 位的位 置被发送，因而替代了标准帧的r t r 位。在发送过程中当标准帧和扩展帧发生 冲突时，当扩展帧的基本i d 和标准帧的标识符相同时，标准帧优先于扩展帧。 i d e 位是标识符扩展位，在标准帧格式里它属于控制域，为“显性 ，在扩展帧 格式中属于仲裁域，是“隐性”位。仲裁域组成如图3 3 所示： 天津t 业人学硕士学位论文 卜盟生一p 纠 量臣匦歪卫丘巫匦 皿 数据帧中扩展格式的仲裁域结构 图3 - 3 仲裁域组成 ( 3 ) 控制域：控制域由6 个位组成，如图3 4 所示。包括数据长度代码和 两个将来作为扩展用的保留位其结构如图所示。标准格式下的控制域和扩展格式 下控制域在结构上不同，标准格式下的控制域包括数据长度代码、i d e 位( 为“显 性 ) 以及保留位m 。扩展格式里控制域包括数据长度位和两个保留位r 1 和m 。 在发送过程中保留位必须为“显性，但接收器接收到的是位的组合。数据长度 代码d l c 由4 位组成，用来指示数据域里的字节数目。 仲裁域卜、蟊酥未塞型署辰顽副 数据域 i d ei r 0 。l c 3 i 。l c 2 i 。l c i 。l c 。 r l l 保留位数据代码长度 图3 4 控制域组成 其中数据长度代码所表示的字节数如表3 - 2 所示。 ( 4 ) 数据域i 数据域由数据帧中的发送数据组成，它可以是0 - 8 个字节， 每个字节包括8 个数据位，数据的位按照最高有效位m s b 在先，最低有效位l s b 在后的顺序发送。 ( 5 ) c r c 域：利用循环冗余码检验保证数据的正确性。c r c 场包括c r c 序列和c r c 界定符两个部分，在发送接收数据场的最后一位后，接着是c r c 序列，c r c 序列之后是c r c 界定符，它包含一个单独的“隐性”位。 ( 6 ) 应答域( a c k 场) ：应答场长度为2 个位，包含应答间隙和应答界定 符。在应答场中，发送节点发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的 报文，接收器就会在应答问隙期f b j 向发送器发送一“显性”位以示应答。a c k 第三章c a n 总线及电动汽市通信系统设计 界定符是a c k 场的第二个位，是一个必须为“隐性”的位。在a c k 场中，发 送节点释放总线，所有接收到有效数据的节点改写总线状态，以通知发送节点接 收到数据。 ( 7 ) 帧结尾：帧结尾是一个用于界定数据帧的标志序列，由7 个“隐性” 位组成，标志整个帧的结束，其他节点可以开始发送。 表3 - 2 数据长度代码d l c 数据字：1 了数目编码 数据长度代码( d l c ) 数据字节数 d l c 3d l c 2d l c ld u c o ooooo 1o0o1 2oo10 3o011 4010o 50101 6o11o 7o1 1 1 8lo00 3 3 2 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的节点通过其资源节点对不同的数据传 送进行进行初始化设置。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制 场、c r c 场、应答场、帧结尾。如图3 5 所示： 接收数据的节点可以通过发送远程帧启动发送数据的节点开始发送所需数 据。与数据帧相反，远程帧中仲裁场的远程发送请求位r t r 是“隐性”的，它 没有数据场，数据长度代码值是不受制约的( 可以标注为容许范围o 8 任何数 值) 。 天津j 1 ：业人学硕十学位论文 3 3 3 出错帧 图3 - 5 远程帧组成 间 出错帧由两个位场组成，第一个场由来自不同节点的错误标志( e r r o r f l a g ) 叠加而成，第二个场为错误界定符。出错帧的组成如图3 - 6 所示： 有两种形式的错误标志，主动错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) 和被动错误标志 ( p a s s i v ee r r o rf l a g ) 。主动错误标志由6 个连续的“显性”位组成，被动错误标 志由6 个连续的“隐性 位组成。 检测到“错误主动错误条件的节点通过发送主动错误标志，以指示错误啪1 。 错误标志的形式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充规则，或者破坏了应答 场或帧末尾场的固定形式。所有其他的节点由此检测到错误条件并与此同时开始 发送错误标志，因此“显性一位的序列导致一个结果，这个结果就是把各个单独 节点发送的不同的错误标志叠加在一起，这个顺序的总长度最小为6 个位，最大 为1 2 个位。 检测到“错误被动错误条件的节点试图通过发送被动错误标志，以指示错 误。“错误被动一的节点等待6 个相同极性的连续位( 这6 个位处于被动错误标 志的开始) ，当这6 个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 错误界定符包括8 个“隐性”的位。错误标志传送以后，每一节点就发送“隐 性 的位并一直监视总线直到检测到一个“隐性位为止，然后就开始发送7 位 以上的“隐性一位。 当一个节点检测到错误时，该节点将强行控制总线电平；这违背了正常的通 信协议，因此每个节点都能够识别到这个错误并做相应的出错处理。当节点检测 带错误信息并等待该错误信息接收后，各个节点都会维持总线的空闲状态一定的 位时间，以便界定总线错误信息，恢复正常通信。 第三章c a n 总线及电动汽车通信系统设计 裂懒车f 错误帧 。噘1 日j 5 2 1 b y 也轵q ，ri 、 钳p 大p 蚍7 、 一志l i i 错误标志重叠 。i 膊：g l 审值 3 3 4 过载帧 图3 - 6 出错帧组成 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。导致数据过载有两个条件： 一是接收器线路在接收下一帧之前，需要更多的时间处理当前的数据，即接收器 未准备好；二是在间歇场的第一和第二位上检测到“显性”位。由前一个过载条 件引起的过载帧只允许起始于所期望间歇场的第一位时间开始；由后面过载条件 引起的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。过载帧的组成如图3 - 7 所 示： 错误界定符过载 界定符7 似绢l _ 过载帧 ， 过载帧帧同5 ，r l 、工王焉i 叭 ， 、 i 过载标志，l l 过载标志重叠 。 l ：廿主套毋：，在生 图3 7 过载帧组成 过载标志由6 个“显性”的位组成，它的所有形式和主动错误标志的一样。 过载标志的形成破坏了间歇场的固定形式，因此所有其他站都将检测到一个过载 条件，并且由它们的不见开始发送过载标志。 过载界定符包括8 个“隐性”的位组成，过载界定符的形式和错误界定符的 形式一样。发送过载标志后，节点监视总线直至检测到由“显性”到“隐性”位 的发送。此时，总线上的每一个节点完成了过载标志的发送，并丌始同时发送7 个以上的“隐性”的位。 c a n 总线作为一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，应用 范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。a 州总线与其它通信协议的不同 之处主要有两方面：一是报文传输不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各 接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，其特点是可在线上网下网、 即插即用和多站接收；另外一个方面就是特别强化了数据安全性，满足控制系统 及其它较高数据系统的需求o 1 。 间 天津jl ：业人学硕十学位论文 3 4 通讯系统方案及实施 本文系统通信采用了基于c a n 总线的通信方案，通过总线协调控制轮毂式 直流无刷电机进行驱动控制，为进一步研究多轮分布式驱动直流无刷电动机驱动 系统的可靠运行奠定了基础。控制系统通信网络结构如图3 8 所示。 图3 8 电动汽车总线通讯结构图 c a n 总线要求实现以下的功能：实现点对点，点对多点以及全局广播方式 发送和接收数据，实现全双工的实时通讯确定各子系统的优先级，实现非破坏性 的仲裁技术自动回复远程请求功能，循环冗余校验检验功能，当发送出现错误或 仲裁丢失数据时自动重发功能，总线纠错功能等。这些功能对整车的证常运行有 着十分重要的意义。 系统中各部分控制模块之i 日j 通过c a n 总线进行数据通讯和命令传输。每个 节点设备都能够在脱离c a n 总线的情况下独立完成自身系统的运行，从而满足 车辆运行安全性的需要。同时，总线也不会因为某个设备的脱离而出现系统崩溃 的现象。并且，随着今后电动汽车新的功能的继续增加，还可以不断地在总线上 连接新的电气节点，如制动控制系统单元、蓄电池组管理单元等。 3 4 1g 州总线通信硬件设计 本文中使用了飞思卡尔公司的1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 g d l 2 8 b 作为电机驱 动控制的e c u 。m c 9 s 1 2 d g l 2 8 型m c u 片内集成了c a n 总线接口m s g 悄 模块。文中c a n 通信的接口电路采用的方案为使用m c 9 s 1 2 d g l 2 8 的m s c a n 模块外接飞利浦公司p c a8 2 c 2 5 0 c a n 收发器的组合方式，实际运行情况良好， 通信可靠。由于片内m s c a n 控制模块的使用，省去了c a n 控制器件的选型及 相关外围电路设计等问题，简化了外围电路的设计，降低了成本。 第二章c a n 总线及电动汽下通信系统设计 1 ) m s c a n 简介 m s c a n 是m o t o r o l as c a l a b l ec o n t r o l l e r a r e an e t w o r k 的简称，最早是m o t o r o l a 为6 8 h c l 2 系列1 6 为m c u 设计的通信模块，是一个实现c a n 2 0 a ，b 协议的通信控 制器。m s c a n 使用先进的缓冲器安排，强化了实时性，并简化了应用软件。该 模块不仅可以用于汽车的数据总线控制，还可以应用于实时处理、汽车e m i 环境 中的可靠性操作等应用引。 m s c a n 模块主要由时钟单元、发送驱动器、接收驱动器、消息接收过滤及 缓冲控制、控制和状态寄存器等组成。m s c a n 模块内部结构如图3 9 所示。 震荡器时钟 总线时钟 发送中断请求 接收中断请求 错误中断请求 唤醒中断请求 m s c a n c a n c l k t qc i k m u xp r e s c 奉耷接收j 发送引攀 ii - l 一j r 千 控象和状态 报文过滤相缓；口 雕蚤 寄存器 p t 降 低通滤波器 尸 图3 - 9m s c a n 模块内部结构框图 m c 9 s d g l 2 8 微控制器的m a c a n 模块中有2 个外部引脚：1 个为输入引脚 ( r x c a n ) 以及1 个输出引脚( t x c a n ) 。t x a 州引脚代表了a 州上的逻辑电平： 0 为显性电平；1 为隐性电平。利用m s c a n 模块构成的c a n 系统结构如图3 1 0 所 示。 r x c a n t x c a n 天津ji ：业人学硕十学位论文 一号c a n 节点二号c a n 节点三号c a n 节点 c a n 控制器 ( m s c a n ) c a n t xc a n r x 收发器 c a nc a n lc a n h 幽3 1 0m s c a n 模块构成的c a n 系统结构图 2 ) m s c a n 特性 m s c a n 具有如下基本特性： 实施c a n 协议： 一2 啪版本 一标准和扩展数据帧； 一0 8 字节数据长度； 一高达1m b p s l 的可编程比特率1 ； 一支持远程帧； 5 个具有f i f o 存储机制的接收缓冲器； 3 个具有使用“本地优先”概念的内部优先顺序的发送缓冲器； 灵活可掩码标识符滤波器支持2 个全尺寸( 3 2 位) 扩展标识符滤波器4 个 1 6 位滤波器或8 个8 位滤波器； 集成低通滤波器的可编程唤醒功能； 可编程坏回模式支持自测操作； 可编程监听模式用于c a n 总线监控； 可编程总线脱离恢复功能； 独立的信号和中断功能适用于所有g 州接收器和发射器错误状态( 警 报、错误严重状态、总线脱离) ； 可编程m s c a n 时钟源，采用总线时钟或振荡器时钟； 内部计时器提供给接收和发送的报文的时间标签； 三种低功耗模式：睡眠、关机和m s c a n 使能： 配置寄存器的全局初始化。 第二章c a n 总线及电动汽下通信系统设计 3 ) c a n 收发器 设计电路时以p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 总线的驱动器，为m s c a n 控制模块与物理总线之间的接口。p c a 8 2 c 2 5 0 可以提供对总线的差动发送和接收 功能，其引脚功能描述见表3 3 。p c a 5 2 c 2 5 0 芯片由接收器、驱动器、基准电压 产生电路、工作模式选择电路及保护电路等组成。其主要特性如下： 与i s o d i s l l 8 9 8 标准完全兼容； 高速率( 最高可达l m b p s ) ； 具有抗汽车环境下的瞬间干扰、总线保护能力； 采用斜率控制，降低射频干扰( r f i ) ； 过热保护； 总线与电源及地之间的短路保护； 低电流待机模式；