（电机与电器专业论文）电动轮电动汽车电子差速控制系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 车的电子差速控制算法和控制系统的仿真模型，并进行了 系统仿真。 最后，建立了电动轮电动汽车电子差速控制系统试验 平台，对系统进行了测试，并对试验结果进行了分析。 关键词：电动轮电动汽车，电子差速控制算法，电子差速 控制系统，c a n 总线 北京交通大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a l c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e d r i v e db yi n w h e e lm o t o r s a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g yc r i s i sd e t e r i o r a t i n ga n de n v i r o n m e t a l p o n u t i o na g g r a v a t i n g ，e n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m sh a v e b e e np a i dm o r ea t t e n t i o nt oa l lo v e rt h ew o r l d e l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) i n d u s t r yh a sb e c o m eo n eo fi n d u s t r i e st h a tm a n y c o u n t r i e s d e v e l o p i n gp r e f b r e n t i a l l y f o ri t s a d v a n t a g ea n d c o n l p e t i t i o ni ne n e r g ys o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n e l e c t r i cv e h i c l e d r i v e d b y i n w h e e lm o t o r sh a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r ei nd r i v i n gs y s t e m ， h i g he f f i c i e n c y ，v e h i c l e b o d y1 i g h t a n ds o o n ， t h a tc a n i m p r o v ev e h i c l e b o d ys t a b i i i t va n dd v n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n de l e c t r i cv e h i c l ed r i v e db vi n w h e e lm o t o r sh a sb e c o m e t h et r e n da n dw o u l dh a v eag o o df u t u r e t h ee l e c t r i cv e h i c l ed r i v e db vi n w h e e lm o t o r s m u s t c h a n g er o t a t i o ns p e e do ft h ed r i v ew h e e l st oa c c o m p l i s h d i f ：e r e n t i a lf u n c t i o nw h e nt h ev e h i c l el u r n i n ga r o u n d ，f o ri t d on o ta s s e m b l et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld i f f e r e n t i a l t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e s t h ee l e c t r o n i cd i f f e r e n t i a lc o n t r o l s y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c j ed r i v e db yi n w h e e lm o t o r s f i r s t l v ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ek e yt e c h n i q u e s o fe v ：a n dm a i n l yf o c u s e st h ed e v e l o p m e n to fe vd r i v e db v i n w h e e lm o t o r s i tg i v e st h ed e s i g ni d e ao ft h ee l e c t r o n i c i i i 北京交通大学硕士学位论文 d i f f e r e n t i a lc o n t f o ls v s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e d r i v e db v i n w h e e lm o t o r st h r o u g ha n a l y z i n gt h es t r u c t u f eo fe l e c t r i c v e h i c l ed r i v e db yi n w h e e lm o t o r sa n dg i v et h et h ee l e c t r o n i c d i f f e f e n t i a lm o d e lb ya n a i y z i n gt h et r a j e c t o r y t h e ni td e s i g n s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o ls v s t e m ，i n c l u d i n 2t h e c a nb u si n t e r f a c eo fm a i nc o n t m lc o m d u t e ra n dt h ec a n b u si n t e r f h c eo fm o t o rc o n t r o l l e r ，a l s od e f i n et h ea p p l i c a t i o n l a v e rd r o t o c o lo fc a nb u s t h e nw ee s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee l e c t r o n i c d i f f e r e n t i a lc o n t r 0 1 s v s t e m i nm a t l a b s l m u u n k s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta n d 窟i v et h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l v ，w eb u i l du pt h et e s tb e do ft h ee l e c t r o n i c d i f f c r e n t i a lc o n t r o ls v s t e m ，f i n i s ht h es v s t e mt e s ta n da n “v s e t h et e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l ed r i v e db yi 一w h e e lm o t o r s ， e l e c t r o n i c d i f ! e r e n t i a lc o n t r o l a l g o r i t h m ， e l e c t r o n i c d i f f e r e n t i a lc o n t r o ls y s t e m ，c a nb u s 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车自从1 8 8 6 年诞生以来，已经成为衡量一个国家物质生活和科 学技术发展水平的重要标志，汽车工业已经成为世界经济和各国经济发 展的支柱产业，成为现代社会文明的重要组成部分。汽车在带绘人们方 便、舒适、快捷的现代生活的同时，也带来了交通安全、环境污染、能 源危机等一系列的问题。特别是近年来环境污染的日趋严重和能源危机 的加剧，世界各国面临巨大的挑战。因此降低汽车污染物的排放量，以 绿色环保汽车代替燃油汽车是社会可持续发展战略的需要，是当今世界 共同关注的问题。电动汽车因其具有低排放甚至零排放、低噪声、综合 利用能源等突出的优点，而倍受世界关注，成为当今汽车研究、推广的 热点。我国政府在十五期间设立8 6 3 电动汽车重大专项作为我国科技攻 关的主要项目之一。以电动汽车的产业化技术平台作为工作重点，力争 在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破， 促进我i 雪汽车工业实现跨越式发展。该专项确定了电动汽车“三纵三横” 的发展模式，“三纵”即燃料电池整车项目，混合动力整车项目和纯电 动汽车项目，“三横”即多能源动力总成控制系统、电机驱动和控制系 统、电动汽车用动力电池组及管理系统“1 。 1 1 电动汽车的发展状况 1 1 1 国外电动汽车的发展状况 世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了 一定程度的进展和突破。 第一，日本。一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领 未来世界汽车市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目 北京交通大学硕士学位论文 前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少 数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界 领先地位。 第二，美国。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的 同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而 混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和 动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。 1 ，1 2 国内电动汽车的发展状况 我国电动汽车重大科技专项实施4 年来，目前已取得重要进展：燃 料电浊汽车已经成功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4 0 0 0k m ， 燃料电池客车累计运行8 0 0 0k m ；混合动力客车己在武汉等地公交线路 上试验运行超过1 4 万k m ；纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关 认证试验。 1 2 电动汽车的关键技术 现代电动汽车是融合了电力、电子、机械、计算机、材料科学以及 化工技术等多种高新技术的综合产品。研制和开发电动汽车的关键技术 为：电动汽车总体设计及车身设计；蓄电池及其智能化管理；驱动电机 系统及控制技术；电动汽车的总线系统。 1 2 1 电动汽车总体及车身设计 电动汽车由于车身质量、空间和能源的矛盾，设计时尽可能采用轻 质材料以减轻车身的重量：同时最大限度降低空气阻力系数和滚动阻力 系数。设计电动汽车时，如能改变车轮及轮胎的形状，车轮的滚动阻力 系数可以减小到0 0 0 5 0 0 0 6 ，滚动阻力下降4 0 6 0 ，可以提高车 速、节约能源；燃油汽车，尤其是前置发动机汽车，需要空气对散热器 北京交通大学硕士学位论文 进行冷却，空气阻力系数为0 - 3 ，而电动汽车无需如此，可采用子弹头 型设计来降低空气阻力，使空气阻力系数减少为o 1 5 o 1 9 ；对于采用 传动轴驱动的电动汽车，功率损耗环节较多，尽管设法提高传递效率， 但综合传递效率不髓明显提高，因此要尽量减小传递环节。如采用电动 轮直接驱动，可以提高动力性，减少能量损失。”。 1 2 2 蓄电池及其智能化管理 电动汽车对蓄电池的性能要求包括：高功率密度、高能量密度、高 效率、低价格、长寿命、合理的运行环境要求、安全性及可回收性。目 前已经商品化的蓄电池包括铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池，技术研究 的热点是锂电池和燃料电池。使用燃料电池的电动汽车是研究的一个热 点。用于电动汽车的蓄电池性能的比较参见表卜1 ： 有： 表卜l 电动汽车用蓄电池性能比较 t b b l e1 1c o m p a r is o n0 fs t o r a g ec e llu s e di ne l e c t r i cv e h ic l e 重量比能量重量比功率工作温度充放电效率循环寿命 电池类型 ( 冒 l l 【g )( k g ) ( )( ) ( 次) 铅酸电池 3 07 52 0 + 6 0了5 9 06 0 0 镍镉电池 4 52 0 0z 0 + 5 06 5 8 51 0 0 0 2 0 0 0 镍氢电池 6 01 7 52 0 + 6 06 5 8 51 0 0 0 2 0 0 0 钠一氯化镍电池 8 08 02 6 0 + 3 7 07 5 8 51 0 0 0 1 5 0 0 锂离子电池 1 2 01 5 0) 1 0 0 0 电池能量管理系统是用来监控和管理电池组的。可以实现的功能 ( 1 ) 电池的运行状态监控、电量的估计。 ( 2 ) 可以实现自检和故障诊断。 ( 3 ) 实现电池能量的均衡管理。 ( 4 ) 与汽车中央处理器的通信。 目前对电池组进行能量管理的研究集中在以下三个方面： 北京交通火学硕士学位论文 1 2 4 电动汽车的总线系统 随着现代汽车工业和电子技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来 越多，形成一个复杂毳桩篓。墼车尊：“b 醛静磐婪筢掣醐墼露稚粉拍 警萎；捌裂鞑型要蓄岩l 商1 毹j 烈潍至 蚪描j i 嘶型二副眺j 醒驰融她： 支磊雾墅粤王茬臻变鸯i 器! 硝函氍戳裂峪燃辔蟛焉港借耐鉴粥若虫 向斑甚邑。 蒂引g 诺薪；蠹基瓣睡葡耐丽而差 速功能， 本文研究的重点就是电动轮电动汽车电子差速器控制系统。 5 ) 中心控制计算机。中心控制计算机作为电动轮电动汽车控制系 统的中心，起到协调整车运行的作用。当汽车运行时，驾驶员的踏板信 号和方向盘的转角信号传到中心控制计算机，中心控制计算机综合各种 车辆当前状态的信息，通过中心控制计算机中的程序优化算出每一个电 动轮的输出转速和转矩，并将转速和转矩的信号传送到对应的驱动控制 器。驱动控制器控制相应的电机使其按照要求输出，控制电动汽车按照 驾驶员的意图行驶。同时可以综合各个电控单元e c u ( e l e c t r i cc o n t r 0 1 u n i t ) 的数据， 将反映电动汽车运行状态的重要参数，如电动轮的转速、 电流、电池的参数等信号显示在显示屏，提供给驾驶员。帮助驾驶员了 解汽车的行驶状态和道路状况等信息，对驾驶员正确判断和驾驶起到帮 助作用。 6 ) 车用控制网络。每个电动轮电机控制器、中心控制计算机、 电池组单元、方向盘和踏板单元等e c u 由c a n 总线相连，组成一个c a n 网络。每一个电控单元e c u 都是c a n 总线的个节点。下面我们对c a n 总线做详细介绍。 2 2 电动轮电动汽车系统通信网络 2 2 1c a n 总线的发展历史 2 0 世纪8 0 年代，德国b o s c h 公司的工作人员开始探索将现有的串 行总线系统 x 北京交通大学硕士学位论文 1 3 电动轮电动汽车的研究状况 图卜1 电动轮结构图 f i g 卜1s t r u c t u r em a po f1 n w h e e lm o t o r 电动轮是一个将电动机、传动系统和制动器融为一体的装置。电动 机的轴与驱动轴相互平行甚至同轴，电动机的输出端经过传动装置的减 速后，将增大的转矩传递到轮教，最终带动轮胎驱动汽车行驶。电动轮 电动汽车通常采用两轮或四轮驱动，即每个驱动轮都是一个电动轮，从 而形成一个多电机驱动系统。 在早期开发的电动汽车上，为了缩短电动汽车的开发周期，主要集 中力量研究和开发电动汽车的电气单元技术装备，充分利用原有的内燃 发动杌汽车的驱动系统、底盘和已有的总成来加速电动汽车的开发。如 今采用这样驱动系统的电动汽车已经基本见不到了。相比传统汽车而 言，电动轮电动汽车车身结构简单、车身重量轻、传动效率高，而且可 以分别控制每个驱动轮的运行参数，如：转速、转矩等。另外，由于电 动机具有转矩响应迅速、精确，既可以生成牵引转矩又可以生成制动转 矩等特性，可以通过分析和控制电机的转速和转矩来实现汽车的电子差 速、防滑控制和路况估计等。 电动轮驱动系统由于其运动控制、结构布置等方面的优势，成为电 动汽车发展的一个重要方向。但是目前各国所研制出的电动轮驱动系统 存在一定的问题，因而制约着电动轮驱动系统的应用与发展。例如：( 1 ) 由于采甩电动轮驱动系统使得车辆的非簧载质量明显增加，从丽导致汽 北京交通大学硕士学位论文 第二章电动轮电动汽车电子差速控制系统综述 本章通过分析电动轮电动汽车的结构特点，并结合传统机械差速器 的工作原理，提出了在电动轮电动汽车上实现电子差速控制的方法。 2 1 电动轮电动汽车的结构模型 与传统的内燃机汽车相比，电动轮电动汽车一个最大的特点就是每 一个驱动轮都可以独立控制，两侧驱动轮间没有刚性轴连接。丽传统的 内燃机汽车两侧的驱动轮轴是用一根剐性轴连接的。这样电动轮电动汽 车就可以去掉传统的机械差速器，利用每一个电动轮的转速和转矩可以 独立控制的特性，通过控制每一个驱动轮的转速实现电子差速的功能。 图2 一l 所描述的就是电动轮电动汽车结构模型的示意图。整个系统 由以下几部分组成。 图2 一l 电动轮电动汽车结构模型示意囤 f i g 2 一ls k e t c hm a po fe l e c tr i cv e h i c l ed r i v e db yi n w h e e lm o t o r s 北京交通大学硕士学位论文 1 ) 电机及其驱动控制系统。电动轮电动汽车的最显著特点也是最 重要的一个部分就是电机及其驱动控制系统。电动轮电动汽车的每一个 车轮由一台轮毂电机独立驱动，相应的每一台轮毂电机有一套独立的驱 动控制器，可以对每一个车轮单独进行控制。 2 ) 电池组系统。电池组的充放电和调整系统是一套相对独立的系 统，不再本文的讨论范围之内。 3 ) 转向控制系统。传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向 运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车 轮而实现的。而电动轮电动汽车采用的转向控制系统取消了方向盘与转 向轮之间的机械连接，改而由方向盘和踏板模块、转向执行模块两个主 要部分组成，称为线控电动转向系统。线控电动转向系统是通过一个通 用的执行器来调整转向的。为了能够正确地调整转向角，必须使用一个 转向角传感器测量方向盘的转向角。 线控电动转向系统s b w ( s t e e r b y w i r e ) 是汽车转向方面最为先进 和前沿的技术之一，具有很多优点： 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们 之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约束和干涉，使之可以相 对独立运动，因而可以实现传动比的任意设置，可以根据车速和驾驶员 需要由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。因此，可以使转向系 统对任何目标和环境进行调整，而不需要对系统进行重新设计。同时还 可以从信号中提出最能够反映汽车行驶状态的信息提供给驾驶员，以减 轻驾驶员的体力脑力负荷，提高“人一车闭环系统”对道路的跟踪特性。 同时由于减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的 传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低， 从而使系统的响应速度和响应的准确性得l i 提高。 线控电动转向系统采用了软件控制，因而可以把转向系统与汽 车动力学控制功能相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定 性。 传统转向系中转向柱安装要求提供足够的空间( 左手或右手驾 北京交通大学硕士学位论文 协议对传输速度作了一个框架性的规定，具体数值见图2 2 。在实际运 用中，还要根据设定的网络传输速度、c a n 收发器特性，通过具体计算 才能准确得到系统两点间最远距离。 1 0 0 0 1 0 0 1 0 5 位速率最大总线长度 1 晒p s 4 0 m 5 0 0 k b p s1 3 0 m 1 0 0 k b p s 6 2 0 m 5 0 k b p s1 3 k m 2 0 k b p s 3 3 k 5 k b p s 1 0 k m o 4 01 0 01 0 0 01 0 0 0 0 图2 2c a n 总线两点间最大距离于总线速度的关系 f i g 2 2r e l a t i o nb e t 们e nt h ed is t a n c eo ft n 0 d e s a n dt h ec d 棚u n i c a t i o ns p e e d 2 ) 传输媒介。c a n 总线的传输介质一般采用双绞线，同轴缆和光 缆，选择手段比较灵活。一般采用双绞线和同轴缆较多。 3 ) 总线型网络。网络拓扑是指网络中的节点结构类型，主要有星 型、总线型、树型、环形和网型，如图2 3 所示。星型连接经常在d c s 控制系统中使用，由于通信极大的依赖中央节点，需注意可靠性和总线 容量问题，c a n 总线连接不需要这种拓扑正是使用现场总线的优势之一。 总线型接法采用单一的传输媒介，所有节点通过相应的硬件接口接至公 共总线上，任何一点发送的保文，其他节点都可接收到。当多点同时发 送数据时，会造成信号碰撞而传输失败，因此总线传输需要在数据链路 层作仲裁。采用总线结构的优点是电缆长度短、布线容易、可靠性高和 易于开放，缺点是系统应用范围受传输速率和传输距离的相互制约的限 制。c a n 总线的布线一般都使用总线型结构。树型拓扑是由总线型发展 出来的，它的总线故障比较容易检查和隔离，因此，多个c a n 总线多个 功能子系统互连时，经常采用树型结构的父节点作网桥，将两个同级子 系统连接起来。这样，当一个子系统出现问题时，可以很容易得从这个 北京交通大学硕士学位论文 系统上摘下来，不至于影响全部的通信。每个子系统可以拥有自己的应 用层通信协议，由网桥统一管理即可。树型拓扑是扩展c a n 系统的基本 方式。环形型拓扑在c a n 总线布线中使用较少，但在某些情况下为保证 灵活性，也有使用。 总线型 树型环型 图2 3c n 总线的网络拓扑 f i g 2 3t y p ic a ls t r u c t u r eo fc a nb u s 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 基于物理层之上，通过一系列协 议，在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。在物理线路上，由于 噪声干扰、信号衰减等原因，传输过程中常常出现差错，物理层对对此 不做差错控制。因此，必须有一些规程来控制数据传输，并把这些规程 的硬件和软件使用到通信链路上，这就构成了数据链路层。通常，原始 数据被分割成一定长度的数据单元，被称为帧，一帧内应包含同步信号 ( 帧的起始和终止标识) 、差错控制( 检错码和纠错码，一般采用检错 重发机制) 、流量控制( 协调发送方和接受方的速率) 、控制信息、数据 信息、寻址( 在共享环境中保证每一帧都能有明确的来源和目标) 。帧 的结构和使用方法在数据连路层要有详尽的定义。 数据链路层包含两个予层，其中介质访问控制子层1 舱c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 的协议核心。它把接收到的报文提供给l l c 子 层。主要负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层同时 受到一个“故障界定”( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的管理实体监督，可以把 永久故障和扰动故障区分开。逻辑链路控制子层l l c ( l o g j c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 主要处理报文过滤、过载通知和恢复报文的管理。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 2 2c 州总线的数据格式 c a n 总线的数据传输以帧为基本单位，因此c 州总线的数据格式就 是c a n 总线的帧结构问题。c a n 总线有四种不同的帧类型： 数据帧( d a t af r a f l l e ) ：用来将数据从发送端传送到接收端： 远程帧( r e m o v ef r 锄e ) ：请求发送具有同一标识的数据帧； 错误帧( e r r o rf r 枷e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：用于在相邻数据帧和远程帧之间提供附 加的延时。 这四种帧结构中，数据帧用于传输有效数据，是用户控制c a n 最常 用的帧类型，下面以扩展型数据帧为例，说明c a n 总线的帧结构。 数据帧( d a t af r a l i i e ) 由7 个位域( b nf i e l d ) 组成，他们是：帧起 始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、应答域和帧结尾构成。其报文 的结构如图2 4 所示： 槲仲裁域渊致鼹域四濑应答域懈 图2 4c n 总线报文的帧结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo fc nd a t am e ss a g e 1 )帧起始( s t a r to ff r a l t l e ) 标志数据帧的开始，仅由一个显性 位组成。总线在前一次发送结束以后，连续多个隐性位表示总线处于空 闲状态，所有的节点必须在总线空闲状态下发送帧起始前沿。 2 ) 仲裁域( a r b i t r a t i o nf i e ld ) 用于传送标识符和一些标志位， 具体格式如图2 5 ： 北京交通大学硕士学位论文 帧起始一卜一 仲裁域叫+ 一控制域 l 塞l ! ! 竺塑竺! l 嬖| 曼l ! ! 竺堡竺! l 垂l 三匡l 图2 5 扩展帧的仲裁域格式 f i g 2 5s t f u c t u r eo f r b i tr a t i o n f i e l d 扩展格式的标识符( i d e n t i “e r ) 由2 9 位标识符组成，其中1 1 位基 本i d ，1 8 位扩展i d 。他们按照i d 2 8 一i d l 8 、i d l 7 一i d o 的顺序发送出去。 通常标识符用于指定数据接收节点的i d 信息，有些c a n 控制器也可利 用i d 空间携带一些其它信息。 远程发送请求位r t r ( r e m o v et r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ) 用来标 识远程请求，在数据帧里r t r 为显性，远程帧里s r r 为隐性。 替代远程请求位s r r ( s u b s ti t u t er e m o v er e q u e s tb i t ) 为隐性位， 替代标准帧的r t r 位置。 标识扩展位i d e ( i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ) 在扩展帧中属于仲裁 域，在扩展帧中是隐行位，在标准帧中是显性位。 3 ) 控制域( c o n t r 0 1f i e l d ) 由6 个位组成，具体格式如下： 图2 6 扩展恢的控制域和数据域格式 f i g 2 6s tr u c t u r eo fc o n tr o lf i e l da n d d a t af i e l d 扩展帧中r l 和r 0 位为保留位。d l c 3 一d l c o 四位用来表示数据域中 的字节数，由于c a n 一帧最多传送8 给字节的数据，因此d l c 3 一d l c 0 最 大不能超过二进制数l o o o b 。 4 ) 数据域( d a t af i e l d ) 就是扩展帧要发送的有效数据，长度在8 个字节以内，可以是0 个字节，由高位字节到低位字节的顺序发送。 5 ) 循环冗余校验域c r c ( c r cf i e l d ) 的具体格式如下图： 北京交通大学硕士学位论文 图2 7 扩展帧的c r c 域和应答域格式 f i g 2 7s tr u c t u r eo fc r cf i e l d8 n d c xf l e l d c r c 帧检查序列最适合用于位数低于1 2 7 位( b c h 码) 的帧。为进行 c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，就是在c r c 以前的帧 起始、仲裁、控制、数据等域的位信息。用此多项式除以下面的多项式 发生器：x ”+ x “+ 工”+ x 8 + j 7 + 量4 + z 3 + 1 ，得到的余数就是发送 到总线上的c r c 序列，可用1 5 位移位器来实现此算法。c r c 界定是一 个单独的隐性位。 应答域( a c kf i e l d ) 长度为两个位，分别是应答间隙( a c ks l o t ) 和 应答界定符( a c kd e l i m i t e r ) ，发送节点在这两个位里均发送隐性位。 当接收节点正确的收到有效的报文时，接收节点会在应答间隙期间向发 送节点发送一个显性位以示应答。 帧结尾( e n do ff r 绷e ) 用连续7 个隐性位表示帧的结尾。 2 2 2 3c a n 总线的报文传输 以扩展格式为例，在c a n 总线发送数据之前，用户首先要向c a n 控制单元提交2 9 位i d 和要发送的数据信息，此处假定是8 个字节。而 后，c a n 控制单元开始为此数据帧进行位流编码( b i ts t r e a mc o d i n g ) 。 c a n 总线数据包中的帧起始、仲裁域、控制域、数据域以及c r c 校验序 列均要通过位填充的方法进行编码。编码过程中，数据按帧格式顺序填 充进比特流，当发送方检测到位流里有连续5 个连续相同值的位时，自 动在位流里插入一个与此值相异的补充位。数据帧和远程帧的其他域 ( c r c 界定符、应答域、帧结尾) 以及错误帧和过载帧的格式固定，没 有填充。报文的位流根据c a n 总线的显性和隐性两种状态，对位流进行 不归零编码( n r z ) ，没有第三态。 北京交通_ 人学硕士学位论文 发送方将已编好的位流发送到c a n 网络上，其他节点开始准备接收 位流。c a n 总线设定的位时间的定义分为四部分，如图2 8 所示： 同步传播相位缓冲段1采样相位缓冲段2 1 t1 t4 t4 t - 一 图2 8 位传输时间定义 f i g 2 8s e c t i o nd e f i n ei nb i tt r a n s m iss i o n 位时间定义详细说明了c a n 总线怎样采集到位信号的。同步段 ( s y n c s e g ) 用来同步网络上的不同节点，在这一时间段上要有一个跳 交沿。传播段( p r o p _ s e g ) 用来补偿网络内的物理延时，长度一般为总线 传播的时间、输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。相位缓冲 段( p h a s e _ s e g ) l 、2 用来补偿边沿阶段的误差。在缓冲段l 和缓冲段2 之间，系统对总线电平进行采样，读到的值就是此位的值。 串行数据传输中同步是很重要的概念，确保了位数据接收的准确 性。同步分为两种，硬同步( h a r ds y n c h r o n i z a t i o n ) 迫使同步的跳边沿 位于重新开始的位时间的同步时间段内，就是使得内部的位时间以同步 段重新开始。重新同步( r e s y n c h r o n i z a t j o n ) 使一个相位缓冲段增长 而另一个相位缓冲减短，采样点由此而向前或向后移动。重新同步的增 减是有限度的，上图中的重新同步上限是4 个时间量程。两种同步共同 遵守的规则是：一个位时间内只允许有一个同步；只有当采样点之前的 值与边沿后面的值不一致时，使用重新同步：总线空闲期间，有隐性转 变到显性要执行一次硬同步；符合以上规则的其他隐性变为显性的边沿 都可以用作重新同步。 c a n 总线的错误检测和仲裁也是报文的一个重要部分，属于内核部 分，是报文传输的扩展“”。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 电动轮电动汽车电子差速控制系统 2 3 1 传统机械差速器的原理 汽车在转向行驶时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向右转弯，圆弧的 中心点就在右侧。在相同的时间里，左侧轮子走的弧线比右侧轮子长， 如图2 9 所示。为了平衡这个差异，就需要右侧轮子慢一点，左边轮子 快一点，用不同的转速来弥补转向轨迹的差异。如果两侧的驱动轮轴仅 用一根刚性轴驱动，则两驱动轮的角速度必然相同，因而在汽车转向时 必然会产生车轮相对于地面滑动的现象，使得转向困难，汽车的动力消 耗增加，传动系统内某些零件和轮胎加速磨损。为了解决这个问题，早 在一百年前i 法国雷诺汽车公司的创始人路易斯雷诺就设计出了差速 器来解决这个问题。 图2 9 汽车转向驱动轮运动示意图 f i g ，2 9s k e t c hm a po fv e h i c l ew h e e l l n g 普通机械差速器由行星齿轮、行星轮架( 差速器壳) 、半轴齿轮等 零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再 由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要 求满足：( 左半轴转速) + ( 右半轴转速) = 2 ( 行星轮架转速) 。当汽车 直线行驶时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而 在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速 北京交通大学硕士学位论文 增加。这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球 上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内， 豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位 置( 位能) ，它自动选择静止( 动能最小) 而不会不断运动。同样的道 理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径 调整左右轮的转速。当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑 转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最 小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡 关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧 半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮以不同的转速行 驶。 2 。3 2 电子差速控制系统 图2 一l o 电子差速控制系统 f i g 2 一1 0e l e c t r o n icd i f f e r e n t i a lc o n tr o ls y s t e m 下面讨论如何在前轮转向后轮驱动电动轮电动汽车中实现差速功 能，即实现电子差速功能。控制系统如图2 一l o 所示，整个系统主要包 括三部分：中心控制计算机，两侧的电动轮及其控制器系统和c 州总线 通讯网络。 北京交通大学硕士学位论文 中心控制计算机是电动轮电动汽车电子差速控制系统的核心，也是 整车控制的核心。电子差速控制系统的模型计算是由中心控制计算机来 完成的。根据接收到的转向角信号，计算出两侧的电动轮在转弯时的转 速，并作为电机转速的给定送到电动轮电机控制器，控制电机按照给定 运行，实现电子差速功能。 两侧的电动轮及其控制器系统是电子差速控制系统的执行部分，电 子差速功能的最终实现是由执行器，也就是电动轮电机来实现的。这一 部分根据电动轮电机种类的不同有较大的差异，每一种系统都可以作为 一个独立的课题来研究，这部分内容不是本文讨论的范围。 c a n 通讯网络部分是连接中心控制计算机与两侧的电动轮及其控制 器系统间的桥梁。网络化是当今汽车发展的趋势，汽车各个e c u 之间越 来越多的采用网络连接来代替传统的布线方式。c a n 网络在现代汽车中 得到了广泛的应用。在中心控制计算机与两侧的电动轮及其控制器系统 间及时准确的传递信息对于实现电动轮电动汽车电子差速控制至关重 要，本文的一个重点就是建立c a n 通讯网络来满足上述要求。 前轮转向后轮驱动电动轮电动汽车实现电子差速控制系统过程如 下，当汽车转向时，由转向角传感器测量方向盘的转角信号，并由方向 盘和踏板单元通过c a n 总线将信号传送到中心控制计算机，中心控制计 算机根据转向角、当前车速等信息计算出左右电动轮电机的转速，并将 计算结果通过c a n 总线传送到左右驱动轮的电机控制器，电机控制器进 而驱动电机，使左右车轮的转速保持相应的关系，从而实现电子差速的 功能。 北京交通大学硕士学位论文 第三章电动轮电动汽车电子差速控制系统硬件设计 电动轮电动汽车电子差速控制系统主要包括两部分内容：一部分是 用于模型分析和计算的中心控制计算机系统，另一部分就是中心控制计 算机与电机控制器问的通讯接口。本章将详细讨论这两部分的硬件设 计。 3 1 中心控制计算机 在电动轮电动汽车中，中心控制计算机作为系统的控制中心，起到 协调整车运行的作用。中心控制计算机除了在汽车转向时完成电子差速 模型计算并将控制信号传送到电机控制器，还需要处理大量的数据，包 括车辆当前各种状态信息、各个电控单元e c u 的数据，并具有数据存储 的功能等。所以中心控制计算机应具有快速处理复杂运算的能力和大容 量的存储空间。在本系统中，中心控制计算机采用的是配置较高的笔记 本电脑，采用笔记本电脑完全可以满足上述的要求，而且具有以下优点： 可以采用高级语言实现数据处理功能；较容易实现友好的人机界面；可 以方便地与其它部件接口。 3 2 通讯接口 电动轮电动汽车电子差速控制系统的中心控制计算机与电机控制 器间采用c a n 总线相连，其数据的交换必须通过c a n 总线来实现。下面 分别对中心控制计算机和电机控制器的c a n 总线接口进行设计。 3 2 1 中心控制计算机c a n 接口设计 由于中心控制计算机只能提供r s 一2 3 2 串行接口，这就要求我们设 计一种可以将串行信号和c a n 总线标准信号进聋亍转换的设备。通常将中 心控制计算机与c a n 总线相联有两种方式，一种就是用p c i i s a 插槽式 北京交通大学硕士学位论文 c a n 卡；另一种就是c 州r s 2 3 2 转接卡。由于一般在汽车试验台上，中 心控制计算机多使用笔记本电脑，p c i i s a 插槽式c a n 卡无法使用，故 我们设计了c a n r s 2 3 2 转换卡。 c a n r s 2 3 2 转换卡的设计基本思路是使用8 9 c 5 l 芯片作为系统处理 器来处理数据转换和数据转发；用s j a l 0 0 0 配合p c a 8 2 c 2 5 0 来实现c a n 帧的接收和发送。c a n r s 2 3 2 系统原理框图和硬件电路原理图如图3 一l 和图3 2 所示。 i 忙蠹司田簧慝甄爿 可爿同爿崦 图3 1c n r s 2 3 2 原理框图 f i g 3 1c n ，r s 2 3 2b l o c kd i a g r m 图3 2c n r s 2 3 2 硬件电路原理图 f i g 3 2c a n r s 2 3 2h a r d 霄a r ec i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m 北京交通人学硕士学位论文 c a n r s 2 3 2 转换卡的设计主要分为两大部分，一部分是2 3 2 通信接 口电路，另一部分是c a n 通信接口电路。2 3 2 通信接口电路主要实现 8 9 c 5 1 的c m o s 电平和p c 机与r s 2 3 2 电平的转换；而c a n 通信接口电路 主要是实现8 9 c 5 1 与c a n 总线问的通信，主要包括c a n 控制器s ”l 0 0 0 以及c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 。 下面首先分析8 9 c 5 1 的c m o s 电平和p c 机与r s 2 3 2 电平的转换。 r s 2 3 2 c m o s 电平转换用到的是i c l 2 3 2 芯片，计算机的r s 2 3 2 信号接到 i c l 2 3 2 的t x 和r x 管脚，经过i c l 2 3 2 将r s 2 3 2 电平转换成c m o s 电平， 再经过6 n 1 3 7 光电隔离后连接到8 9 c 5 1 的r x d 和t x d 管脚。通信接口电 路如图3 3 所示。 剧3 3r s 2 3 2 c m o s 原理框图 f i g 3 3r s 2 3 2 c m o sb l o c kd i 8 9 r a m c a n 接口电路由c a n 控制器和c a n 总线收发器组成，本设计中选 用的分别是s j a l 0 0 0 和p c a 8 2 c 2 5 0 。 s j a l o o o 是p h i l i p s 公司设计生产的一种独立式c a n 控制器，它与 c a n 2 o b 相兼容。同时支持1 1 位( b a s i c c a n 模式) 和2 9 位( p e l i c a n 模式) 标识符。两种模式可由软件编程实现切换。s j a l 0 0 0 具有如下基 本特性： 引脚、电气参数与p c a 8 2 c 2 0 0 兼容； 北京交通大学硕士学位论文 有扩展的接收缓冲区6 4 字节，先进先出( f i f o ) ； 支持c a n 2 o a 和c a n 2 0 b 协议； 支持1 1 位和2 9 位标识符； 通讯位速率可达1 m b p s ； 2 4 硼z 时钟频率； 可与不同微处理器接口； 可编程的c a n 输出驱动配置。 在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通讯质量至关