（光学工程专业论文）基于+can+总线的电动汽车驱动控制系统研究.pdf

the study of the can-based electric drive system in vehicle a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhou zhiqing supervisor：prof. ran zhenya major：vehicle engineering college of mechanical engineering chongqing university, chongqing, china april, 2008 中文摘要 i 摘 要 随着我国汽车保有量急剧增加，能源和环境问题将更加突出。人们迫切需要 寻求一种低排放和节约能源的交通工具。电动汽车作为一种清洁的交通工具，成 为了人们关注和研究的热点。 本课题是基于电动车研究的一个子项目： 基于 can 总线的电动车驱动系统研 究。 本论文首先根据电动汽车对驱动系统的要求， 提出了基于 can 总线的电动车 驱动系统网络结构， 其可作为一个单独模块连接到 can 主干网络上。 在该结构中， 驱动系统中各个控制单元通过 can 总线实现通信，它被称为节点。节点分为 2 个 部分：监测节点和控制节点。电动车驱动系统通过这两个部分的多个节点实现电 动车的电动机回馈驱动、电制动。 其次，本论文设计了整个驱动系统 can 网络硬件电路。同时，为了使驱动系 统中各个结点之间能够实现数据通信，本论文借鉴了 saej1939 协议，制定了整个 驱动系统 can 网应用层协议。该协议定义了系统中不同的数据类型、每个数据类 型不同的优先级、每个数据的意义以及每个数据实现的不同功能。经分析，该协 议能够满足系统的实时性要求，为 can 总线应用于电动车驱动系统提供了可能。 再次，本论文对制动系统中各个监测节点做了深入的研究，设计了轮速监测 节点、加速度节点、电流电压监测节点及各个节点的控制程序。 最后，本论文建立了电动车驱动控制系统，通过在给定车型数据的条件下模 拟了电动车在不同车速、不同路况下的运行过程，仿真结果表明该系统能够实现 电动机的优化控制。 电动车的发展在国内还处于初级阶段，can 总线在电动车的应用更是处于探 索状态，本文研究了 can 总线在电动车上的应用，通过仿真模拟了电动车的模糊 控制策略，为电动车研究进行了一次有益的探索。 关键词：can 总线，电动汽车，驱动系统，模糊控制 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract nowadays, with more and more vehicles consuming increasing amount of gas, and more and more pollution from vehicles jeopardizing environment, people begun to realize the electric vehicle is a key point to balance the environment and vehicle. the ev have become the focus being researched and paid great attention to by the whole society. this paper is an important part of electric bus project, focusing on the research of ev driving system based on can bus. this paper has firstly present the structure of ev driving system based on can bus through analyzing the requirement of the ev, which is viewed as a single module connected to the main network in ev. in this structure, the driving system communicated with other modules through the can bus, which is called as node. the node consists of two parts: detecting node and controlling node. the ev driving system realized the feedback control and electric braking etc by the two nodes. secondly, the design of the can bus hardware circuit for the driving system was present. to realize the proper communication among all nodes, the higher level protocol of the can bus is given. the different data style 、the different priority 、datas meaning and the executed function were defined in that protocol. by analyzing, the protocol could meet the real-time requirements of the system. which make the can buss application to the ev possible. again, the monitor nodes in driving system are researched deeply in this paper; the wheel speed node、the accelerating node and the current and voltage node are designed and the design of controlling program is present. finally, the method of the driving control was given. under the given data about ev, the electric vehicles work was simulated by advisor when the automobile speed and the traffic were different. we can see that the system can make the electric vehicle work properly. the electric vehicle is in the initial stage in our country, even more about the application to the electric vehicle; this paper makes the application to the ev researched, and simulates the work of the fuzzy-based electric control system, and makes the active attempt for can bus applied to the ev. key words：can bus；electric vehicle；driving system；fuzzy control 重庆大学硕士学位论文 iv 目录 v 目 录 中文摘要中文摘要. i 英文摘要英文摘要. iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 can 总线网络在电动汽车上的应用总线网络在电动汽车上的应用 . 1 1.2 can 总线技术概述总线技术概述 . 2 1.2.1 车载网络技术的作用 . 2 1.2.2 车载网络分类 . 3 1.2.3 can 总线技术规范简介 . 3 1.2.4 can 总线的特点 . 5 1.3 本课题的主要研究工作及其现实意义本课题的主要研究工作及其现实意义 . 6 1.3.1 论文的主要研究工作 . 6 1.3.2 论文的意义 . 6 2 can 总线网络节点及报文设计总线网络节点及报文设计 . 7 2.1 can 总线网络总线网络节点硬件选择节点硬件选择 . 7 2.1.1 can 总线驱动控制系统主节点 . 7 2.1.2 can 总线驱动控制系统子节点硬件选择 . 8 2.1.3 抗干扰技术 . 14 2.2 can 总线总线 2.0b 技术规范技术规范 . 14 2.2.1 数据帧 . 14 2.2.2 远程帧 . 15 2.2.3 出错帧 . 16 2.2.4 超载帧 . 16 2.2.5 帧间空间 . 16 2.3 can 总线网络协议的选择总线网络协议的选择 . 16 2.4 j1939 协议在协议在 can 总线电驱动控制系统中的实现总线电驱动控制系统中的实现 . 18 2.4.1 各个节点信息发送周期的选择 . 19 2.4.2 优先级的选择 . 20 2.4.3 节点地址的确定 . 20 2.4.4 报文编码 . 21 2.5 驱动系统驱动系统 can 总线节点的软件设计总线节点的软件设计 . 22 2.5.1 初始化子程序 . 22 重庆大学硕士学位论文 vi 2.5.2 发送子程序 . 23 2.5.3 中断方式接收子程序 . 24 2.6 本章小结本章小结 . 25 3 基于基于 can 总线电动汽车电驱动系统的总体设计总线电动汽车电驱动系统的总体设计 . 27 3.1 电动汽车驱电动汽车驱动系统研究现状与发展动系统研究现状与发展 . 27 3.2 基于基于 can 总线电动汽车驱动系统网络拓扑结构总线电动汽车驱动系统网络拓扑结构 . 28 3.3 驱动系统驱动系统 can 网络的硬件设计网络的硬件设计 . 29 3.3.1 can 总线驱动系统总线介质设定 . 29 3.3.2 驱动系统总线速率的设定 . 29 3.3.3 驱动系统各结点屏蔽器的设计 . 31 3.4 can 总线驱动系统监测节点硬件设计总线驱动系统监测节点硬件设计 . 32 3.4.1 轮速监测节点硬件设计 . 33 3.4.2 加速度节点硬件设计 . 36 3.4.3 电池监测管理模块设计 . 39 3.5 本章小结本章小结 . 41 4 驱动系统控制策略及算法驱动系统控制策略及算法 . 43 4.1 电驱动控制系统功能描述电驱动控制系统功能描述 . 43 4.2 电驱动系统控制策略模型电驱动系统控制策略模型 . 44 4.3 电驱动控制系统模糊控制策略研究电驱动控制系统模糊控制策略研究 . 47 4.3.1 模糊控制简介 . 47 4.3.2 模糊控制原理及其控制系统组成 . 48 4.3.3 基本模糊控制设计的方法 . 50 4.3.4 模糊控制系统建模 . 53 4.4 本章小结本章小结 . 58 5 电动汽车电驱动系统建模与仿真电动汽车电驱动系统建模与仿真 . 59 5.1 电机的工作原理和模型的建立电机的工作原理和模型的建立 . 59 5.1.1 电机的工作原理 . 59 5.1.2 电机模型的建立 . 59 5.2 电动机参数的确定电动机参数的确定 . 62 5.2.1 电动机额定功率和最大功率的选择 . 62 5.2.2 电动机额定转速和最高转速的选择 . 65 5.2.3 电动机额定电压的选择 . 65 5.3 仿真及结果分析仿真及结果分析 . 66 5.3.1 电动汽车循环工况 . 66 目录 vii 5.3.2 仿真结果分析 . 67 5.4 本章小结本章小结 . 70 6 结结 论论 . 71 致致 谢谢. 73 参考文献参考文献. 75 附附 录录. 79 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 can 总线网络在电动汽车上的应用 随着国内汽车消费市场的飞速发展，与汽车相关的高新技术伴随着世界汽车 巨头推崇的全球新车同步上市的浪潮不断地涌向中国市场，在国家的大力支持下， 中国汽车电子技术的自主创新能力不断增强，作为汽车电子关键技术之一的车载 网络在关键技术上与全球同步发展1,2。 目前与汽车动力、底盘和车身密切相关的车载网络主要有 can、lin 和 flexray。从全球车载网络的应用现状来看，通过 20 多年的发展，can 已成为 目前全球产业化汽车应用车载网络的主流，目前 can 已由过去仅服务中、高级 轿车，逐渐渗透到 6 万人民币以下的家用轿车之中，近两年在国内新下线的合资 品牌轿车中全部都采用了 can 技术。 从国内车载网络的发展来看，我们已掌握了 can 应用关键技术。在 2005 年 九月十八日国家“十五”重大科技成就展在北京海淀展览馆向社会公众所有展示的 新能源汽车全采用了自主研发基于 can 的车载网络，其中，由北京理工大学主持 研发的纯电动公交车、东风汽车主持研发的混合动力公交车已进入试运营阶段。 在传统汽车方面，一汽在展会上展示了自主研发的大客车，在这辆大客车中安装 有一汽车自主研发的 amt，其中 amt 控制器采用了自主研发基于 can 的车载 网络， amt 通过车载网络与车上的其他零部件进行信息交互。 自主研发基于 can 车载网络在新能源汽车和传统汽车上的成功应用，标志着自主研发的车载网络已 深入到汽车控制的核心汽车动力系统之中。 为了规范国内的车载网络，为有志于从事车载网络的企业指明方向，全国汽 车标准化技术委员会在 2005 年开始持续在网上公布商用车控制系统局域网络 (can)通信协议 系列国家标准征求意见稿， 处于战国纷飞基于 can 的车载网络 开始纳入标准化规范化管理，自主研发的车载网络在技术上走向成熟，并开始了 它的产业化进程。 随着国内汽车电子的发展，一方面传统的零部件企业受市场竞争的驱动，急 需利用电子信息技术改造传统的零部件，以借助车载网络提升其产品的性能，使 其在竞争中取得有利地位；另一方面从事车载网络的研发单位需要在传统的汽车 零部件行业中寻找合作者为车载网络提供载体，以进入相对封闭的汽车行业。具 有十多年汽车仪表生产历史的哈尔滨航天风华科技股份有限公司从 1994 年研制 成功电子式车速里程表以来，其产品经过动圈式汽车仪表、动磁式汽车仪表，现 已平稳过渡到基于 can 和步进电机的智能汽车仪表。 而中国科学院沈阳自动化研 重庆大学硕士学位论文 2 究所与浙江正方交通建设集团股份有限公司合作成立浙江中科正方电子技术有限 公司，该公司自 2004 年 3 月成立以来，借助中国科学院沈阳自动化研究所在国 内现场总线处于领导地位的优势，已形成系列基于 can 总线的汽车电子产品。 1.2 can 总线技术概述 1.2.1 车载网络技术的作用 can 总线技术是德国 bosch 公司最初为了解决日益增长的线束问题，下图 1.1 为传统的汽车控制网络图。后来逐渐演绎出另外一个重要功能，即优化汽车电 子控制3,4。 图 1.1 传统汽车控制网络布线图 fig 1.1 the wiring network for the traditional vehicle 采用 can 总线网络技术的汽车控制网络如下图 1.2。 图 1.2 汽车 can 总线布线网络图 fig 1.2 the wiring network for the can-based vehicle 1 绪论 3 目前， 汽车电子控制已经从初期的“电子-机械替代”阶段过渡到“独立系统的精 确量化反馈控制”阶段，并朝着“多目标综合控制和智能化控制”的方向发展，即把 整体上相关、功能上相对独立而位置上分布安装的电子系统或装置组成一个协调 控制的综合系统。为了实现多目标的优化控制，进一步全面提高汽车的整体性能， 根据智能化的要求和综合协调控制的特点，综合控制系统将更多地依赖系统内、 外部信息的获取，这要求互相独立的电子系统和装置间进行数据交换和信息传递 6,7。因此，现代汽车采用网络技术解决分布式控制是一种必然，使用汽车网络不 仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及 相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在 线故障诊断。汽车电子控制采用网络化设计可大大降低设计成本，缩短设计周期， 其经济效益是十分明显的。为此最初只属于高档车的网络概念，现已逐步扩展到 大批量生产的经济型车上。今天网络化的电子系统已成为所有级别汽车中至关重 要的部件。 1.2.2 车载网络分类 目前绝大多数车用总线都被 sae 下属的汽车网络委员会划分为 a、b、c、d 四类5。 a类： 面向传感器/执行器控制的低速网络， 数据传输位速率通常只有1.10kbps。 主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。 b 类：面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为 10-100kbps。主要 应用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传 感器和其他电子部件。 c 类：面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达 1mbps，主 要应用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、abs 等系统，以简化分布式控 制和进一步减少车身线束。到目前为止，满足 c 类网要求的汽车控制局域网只有 can 协议。 d 类： 是面向多媒体设备、 高速数据流传输的高性能网络， 位速率一般在 2mb/s 以上，主要用于 cd 播放机、vcd/dvd 播放机和液晶显示等设备。 1.2.3 can 总线技术规范简介 随着 can 总线应用的日益广泛，对其格式的标准化提出了要求。为此，在 1991 年， philips semiconductors 制定并发布了 can 技术规范 2.0 （包括 a、 b 两 部分） 。此后，1993 年 11 月，iso 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交 换高速通讯控制器局域网（can）国际标准 iso 11898，为控制器局域网的标 准化、规范化铺平了道路。 can 的一些基本概念如下3： 重庆大学硕士学位论文 4 报文：总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。总线空闲时， 任何一个节点可发送一个报文。 位速率：can 总线数据传输速率。在一个系统中，此速率唯一，并且是 固定的。 优先权：总线访问期间，标识符定义了一个报文静态优先权。 远程数据请求：需要数据的节点发送一个远程请求帧，可要求其它节点向 它发送数据帧。数据帧和相应的远程帧有相同的识别符。 仲裁：总线空闲时，任何节点可向总线发送数据。当两个或两个以上节点 同时向总线发送数据时，优先级高的节点获得总线使用权，其它节点暂时退出发 送，等待优先级高的节点发送完后，可继续发送。此仲裁由硬件自动控制。 总线值：总线上具有两种互补逻辑数值，“0”电平或“1”电平。 安全性： 为了获得最安全的数据发送， can 的每一个结点均采取了强有力 的措施以便与错误检测、错误标定、错误自检。 can 总线分为数据链路层（包括逻辑链路控制子层 llc 和媒体访问控制子 层 mac）和物理层。can 的分层和功能如图 2.1 所示。 图 1.3 can 的分层结构和功能 fig1.3 the dimixing structure and function for the controller area network 监督器监督器 媒体访问控制子层（mac） 1） 报文分帧 2） 执行仲裁 3） 错误检测和标定 4） 报文校验 5） 故障界定 6） 应答 数据链路层 逻辑链路子层（llc） 1) 接收滤波 2) 过载通知 3) 恢复管理 物理层 1） 位编码 2） 位定时 3） 同步 驱动器接收器特性 故障界定 总线故障管理 应用层 cal:cai;devicenet(odva);saej1939等 1 绪论 5 逻辑链路控制子层 llc 设计报文滤波、过载通知以及恢复管理； 媒体访问控制子层 mac 是 can 协议的核心。它把接收到的报文提供给 llc 子层，并接受来自 llc 子层的报文。mac 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误 检测和标定。mac 子层也被称作“故障界定”的管理实体监管。 物理层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及位时间、位编码、同步的解 释。can2.0b 技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据他们 的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 1.2.4 can 总线的特点 can 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与 一般的通信相比，can 总线的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活 性，其特点可以概括如下： 通讯方式灵活。can 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻 主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从且无需站点地址等节点信息。 can 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 can 采用非破坏性总线仲裁技术，放多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传 输数据，从而大大节省总线冲突仲裁实践，尤其在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况。 can 只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几 种方式传达接受数据，无需专门的调度。 can 的直接通信距离最远可达 10km（传输速率 5kb/s 以下） ；通信速率 最高可达 1mb/s（此时通信距离最长为 40m） 。 can 上的节点数主要取决于总线驱动电路， 目前可达 110 个； 报文标识符 可达 2032 种（can2.0a） ，而扩展标准（can2.0b）的报文标识符几乎不受限制。 can 总线通讯格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极 好的检错效果。没帧节数最多 8 个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态 及测试数据的一般要求。同时，8b 也不会占用过长的总线时间，从而保证了通讯 的实时性。 can 总线通信接口中集成了 can 协议的物理层和数据链路层功能，可完 成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判 别等多项工作。 can 的没帧信息都有 crc 校验及其他检错措施，保证了数据通信的可靠 性。 can 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 11 can 节点可以在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能， 以使总线上的 重庆大学硕士学位论文 6 其他节点的操作不受影响。 由于 can 为愈来愈多的不同领域所采用和推广，导致要求不同领域通信报文 的标准化， 为此， philips semiconductors 于 1991 年制定并发布了 can 技术 （version 2.0） 。该技术规范包括 a 和 b 两个部分。2.0a 给出了曾在 can11 技术规范版本 1.2 中定义的 can 报文格式，而 2.0b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。iso 于 1993 年颁布了道路交通运输工具数字信息交换高速通信控制器局部同 can 国际标准（iso1189） 。can 技术规范 2.0a 和 2.0b 以及 can 国际标准 iso11898 是设计 can 应用系统的基本依据，也是应用设计工作的基本规范。 1.3 本课题的主要研究工作及其现实意义 1.3.1 论文的主要研究工作 本课题在分析了 can 总线通信协议、通信器件以及电动汽车驱动系统的基础 上，将 can 总线引入到电动汽车驱动控制系统中，构建了基于 can 总线驱动控 制系统。同时用仿真验证了电动汽车驱动系统控制策略的实现。 本论文设定了整个 can 通信系统的物理介质，通讯速率，设计了驱动系 统中各个监测节点的监测控制硬件电路和所有节点 can 总线通信接口电路。 本论文还参照 saej1939 协议制定了电动汽车驱动系统的 can 应用层协 议。在协议中，定义了各个节点的地址，各种数据的类型，以及每一个数据所代 表的意义。同时，根据整个系统各个节点的发送数据周期和 can 的通信速率，分 析了系统的实时性和总线占有率。 本论文通过对驱动系统中监测节点的功能的研究， 设计了各个监测节点的 硬件电路和程序。 本论文还通过构建驱动控制系统仿真模型， 实现电动汽车在不同车速下的 仿真。 1.3.2 论文的意义 本论文通过对电动汽车驱动系统和 can 总线的研究，将 can 总线引入到电 动车驱动系统中，can 总线因其抗干扰性强，布线简单，传输速率快，解决了原 有导线连接带来的接线复杂，占用汽车空间，易受电磁干扰的问题，使驱动系统 更加安全可靠，跨入了总线控制的先进车载控制行列。 同时，本论文参照国际通用串行总线标准 saej1939，制定了驱动系统应用层 协议，对 can 的应用层协议进行了探索，使得电动汽车中 can 总线应用成为了 可能，同时也为我国的 can 总线在电动汽车方面的应用进行一次有益的尝试。 本论文通过 matlab 软件对驱动系统建模， 模拟了电动汽车在工作时不同速 率下的实现过程，整料该车辆能够成功实现不同驱动功能之间的切换，为电动汽 车的研制提供了参考。 2 can 网络节点及报文设计 7 2 can 总线网络节点及报文设计 2.1 can 总线网络节点硬件选择 can 总线电动汽车驱动控制系统采用广播模式， 即子节点的报文只有主节点 接受（点对点模式） ，主节点的报文所有子结点均接受。can 总线物理总线采用双 绞线。can 总线驱动控制系统组成及其整车布置如图 2.1 所示。 图 2.1 can 总线驱动系统布置图 fig 2.1 the layout diagram for the can-based driving system can 总线可连接很多个节点， 本文 can 总线驱动控制系统中， 设置主节点、 电池监测模块节点、电机状态监测节点。根据需要，可以扩充 can 总线节点，方 便驱动系统后续开发，并实现与整车通讯。 2.1.1 can 总线驱动控制系统主节点 通用控制器中设置一个双 can 模块，作为 can 总线控制系统的主节点。双 can 模块包括两个独立运行的或通过网管功能交换数据和远程帧的全 can 功能 节点。can 帧的发送和接受的处理符合 can 规范 v2.0b。两个全 can 节点中的 每一个都能接受和发送带 11 位标识符的标准帧和带 29 位标识符的扩展帧。 两个 can 节点共享双 can 模块的资源，目的是优化 can 总线的传输，尽 量减