（电工理论与新技术专业论文）电动汽车can总线系统的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 h i 曲一s p e e da n d a c c u r a t ec o l i l i n 眦i c 砒i o ns y s t e mi so n eo ft 1 1 em o s tk e ys k i l l st o g u a r a n t e e 恤s 诅b l en m 血go fe l e 嘶cv e l l i c l e v ) n ed ”锄i ci n f b h n a t i o no f c o n t r o l l e rs y s t e m so fe vi n u s tb cr e a lt i m e ，s o m ed a t as u c ha s 也er o t a t e ds p e e d ， d i r e c t i o nc h a n g ea n dt h ep o s i t i o no fa c c e l e r a t o rp e d a lm u s tb es h a r e db y c o 玎e s p o 础n gs u b s y 船m b md i 镌r e m c o n 廿0 1u 1 1 i t sh a sd i 舵m tf l m c t i o n s ，d i 贰r e n t d a t ac o n v e nr a t ea n da l s od i f f e r e mp r i o qc o n 仃o ls i 肛a l s s oad 。【诅c o m m 砌c a t i o n n e 似o r k 喇t l l 埘谢t yc o m p e t 血gm o d ea n dh i 曲一s p e e d 硼1 l l i n gr a t ei sn e e d e d i n 也e b a c k g r o u i l do f m en e e do f p r o j e c t s ，ah a l f - d u p l e xc o m m u l l i c a t i o nb a s e d o nr s 4 8 5 ，a d 伽b l e d u p l e xc o m m l l t l i c a t i o nb a s e do ns p ia n dac a nn e 咖r ki n s i d c 让l ee vb a s e d o nt l l eh a r d w a r cp l a t f o 咖o fe l e c t r i cd r i v e ns u b s y s t e m ，i m e r f h c es u b s y s t e m 趾dt h e b a t t e r i e sm 柚a g e m e n ts u b s y s t e mw e r cr e p r e s e n t e di n 廿l i sp 印e la r e a lt i m el o c a l n e t w o r k 谢t 1 1h i 曲s p c c di n s i d e l ee va m o n gm ee x i s t i n gs u b - s y s t e m sw 硒b u i l da n d ac o n n d l l e rn e t w o r k 诮t l lp r i o r i t yc o m m lw a sr e a l i z e d 2 浙江大学硕士学位论文电动汽车( ：a n 总线系统的设计 第一一章 c a n 总线技术在电动汽车中的应用和发展 1 1c a n 总线技术在电动汽车中的应用 以解决环保需求与能源危机问题为出发点，电动汽车( e 1 e c 缸c 、k h f c l e ，简称 e v ) 的发展受到全球广泛关注。电动汽车的推广应用可以有效地减少汽车尾气和 城市噪音、显著改善环境；节约日益桔竭的石油瓷源。目前，对电动汽车的研究 已经成为面向新世纪的全球高新技术的研究开发热点，并且被列入我国8 6 3 计划 的重点项目。 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。一 辆高档汽车的电气廿点数以干计，如果运用传统方法进行布线，连线的数量将非 常惊人。而在电动汽车中其电子控制系统的动态信息更需具备实时性，且各子系 统需要实时共享车辆的公共数据，如电机转速，车轮转向，油门踏板位置等。但 不同控错4 单元的控制功能不同，数据转换速度，各控制命令优先级也不同，因此 需要一种具有优先权竞争模式的数据交换网络，并且该系统应具有极高的通讯速 率。此外，作为一种载人交通工具，电动汽车必须具有较好的舒适性，故整车通 讯系统必须具有很强的容锚能力和快速处理能力。同时，电动汽车内部结构复杂， 多种部件相互作用又相对独立，存在着相应的干扰，这些众多因素都决定了电动 汽车必须采用基于c a n 网络的整车电气控制。 c 删( c o n t r 0 1 l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器区域网，是应用于各种设各监测 及控制的种嘲络。c 州最初足由德国b 0 s c h 公司为汽车的监测、控靠4 系统而设 计的。c 州具有独特的设计思想，彘好的功能特性和极高的可靠性，且现场抗干 扰能力强其基本特点如下”。： ( 1 ) 结构简单，只有两根线与外部相连，且内部含有错误探测和管理模块。 ( 2 ) 通讯方式灵活。可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。 可以点对点，点对多点及全局广播式发送和接收数据。 列络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求， c a n 通讯格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8 个，可满足通常工业 控制领域中控制命令，工作状态及测试数据的一怅要求。同时，8 个字节 也不会占用总线时间过长，从而保证了通讯的实时性。 吼n 采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线发送数据时， 优先级低的节点丰动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 发送数据，这大大地节省了仲裁冲突时间，在网络负载很重的情况下也不 会出现网络瘫痪。 ( 7 ) 直接通讯距离最大可达l o k m ( 速率5 k b s ) ，最高通讯速率可达l m b s ( 此 时距离最长为4 0 m ) 。节点数可达1 l o 个，通信介质是双绞线，同轴电缆 或光导纤维。 ( 8 )c a n 总线通讯接口中集成了c a n 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，循环冗余检测，优 先级判别等项工作。 ( 9 ) c a n 总线采用c r c 奇偶检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据 通讯的可靠性。 c a n 总线以上的一系列特点，为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供了 一种新的解决方案。从而在工业测控领域得到了广泛的应用。 c a n 总线协议，相对应于i s o o s i 参考模式中的数据链路层，满足了自动装 置实时控制的需要。已被定为国际标准。 1 2c a n 总线技术在国内外汽车电子技术中应用现状及其发展趋势 当今世界上有许多知名的汽车制造企业，如b e n z ，b 惭，p o r s c h e ， r o l l s r o y c e ，j a g u a r 等公司均已采用c a n 总线来实现汽车内部电控系统与各检 测和执行机构间的数据通迅。我国对车用网络，总线和通讯协议的研究比较晚， 但随着科技部十五“8 6 3 “计划设立的电动汽车重大专项的实施，在电动汽车项 目中c a n 总线网络得到了广泛的应用。同济大学汽车学院于2 0 0 2 年，2 0 0 3 年分 别推出了独立研制的采用电驱动系统的4 轮驱动以氢氧燃料电池为动力的微型 电动汽车：“春晖一号”，“春晖二号”：哈尔滨工业大学一爱英斯电动汽车研究所 研究开发的e v 9 6 一i 型电动汽车等。在相应的电驱动、电控、电池管理与检测技 术等环节上都不同程度地采用了c a n 总线控制模式。 本课题立足于浙江大学近二十年电动汽车研发的基础，跟踪国内外交流调速 驱动系统，特别是专用于e v 的交流调速驱动系统的最新进展，并以大型电动公 交车为背景，致力于电动汽车c a n 总线网络的实用化技术，具有现实的工程意义。 1 3 本课题的主要研究工作 已如前述，基于e v 内部复杂的结构与应用层面上多功能电力、电子装备与 技术的引入，例如电驱动系统的调速，刹车控制等网络控制器，其实时的数据传 输速率在2 0 0 k i “s 到1 m b i t ，s 之间；又如灯光控制，空调，中央锁定，座位调节 系统等典型数据传输速率则约为5 0 k b i “s 。显然，这一切形成为本课题研究聚焦 于c a n 总线技术的现实的工程背景。 由此确立的“电动汽车c a n 总线系统的设计”本研究课题，结合我电工理 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 第二章电动汽车c a n 总线控制系统的总体设计 2 1 电动汽车c a n 总线控制系统的总体设计方案 典型的电动汽车c a n 总线控制系统的结构示意图，如图2 1 所示。它包 括整车动力部分的主电机控制器，电池组管理系统，人机界面显示系统，整 车能量管理系统和车辆灯光管理系统等多个设备。这些子系统之间通过c a n 总线进行数据通讯和命令传输。每个节点的设备都能够在脱离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，c a n 总线也不会因为某个设备的脱离而出现系统结构崩溃的现象。此外，随着电 动汽车各种功能的进一步开发，还可以不断地在c a n 总线上连接新的电气节 点。 一一。酉一- - t 一一耳i ；溉筝五n 总线控制系统结构示意图 基于上述电动汽车中电控的技术要求，c a n 总线设计需要实现以下的功能 1 实现点对点，点 x 浙江大学硕士学位论文电动汽车c n 总线系统的设计 上的纠错功能。对电动汽车整车的正常运行有着十分重要的意义。 本文构建的对应于电驱动子系统、电池组管理子系统和人机界面子系统 的典型c a n 总线系统的硬件平台，如图2 2 所示。由图可见，8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器和c a n 物理总线之间相互连接的接口。它提供高速的数据传输缓冲，在电 动汽车c a n 总线应用中，数据传输速率可以达到1 m 。同时，它也有保护总线的 作用。对于电驱动的子系统，其控制电路的核心处理器为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 数字 信号处理器，即d s p ) 它内置有c a n 总线模块，所以不再需要外接c a n 控制器。 而8 0 c 5 l 没有内置c a n 总线模块，故需要外接单机c a n 控制器( s j a l o o o ) 。 遵一始定一l 一* l 竺竺导 - 1 o n t ：co w 崮懒幕坑 * 矗l s m l 0 ；黛釜古蓦 糕箍ii 4 e 垂堕纠竺：j 图2 2c a n 总线系统的硬件平台 2 2 电驱动子系统硬、软件设计方案 电动汽车电驱动子系统的总体设计方案包括控制器的性能指标及其功能设 计，控制器硬件系统的总体设计和控制器软件系统的总体设计。 由于电动汽车具有复杂的运行工况，因此要求其电驱动系统具备良好的性 能。专用于e v 的交流调速控制器应该具备以下的性能指标及其功能要求： 1 、转速设定：应有数字给定，模拟给定等方式。 2 、可以设定加减速时间及加减速曲线的方式。 3 、对各种故障的实时保护、处理和记录。 4 、启动频率和启动保持时间的设定。 5 、内置p l c ( 可编程逻辑控制) 功能：可以按变频器的输入口开关量状态进 行启停以及正反转等的控制。 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 6 、制动和能量回馈环节 7 、快速的转矩响应和速度响应。 根据上述性能指标及其功能要求，本文将控制器所需实现的以上功能分成四 类： 1 、电机的可控调速驱动：控制器的核心功能就是驱动电机，对于交流调速控 制器来说就是根据用户的指令给出相应的可控变频电压，驱动电机工作。 2 、电机运行过程管理：包括电机的启动频率、启动保持时间、转速上升时间、 制动保持频率、制动保持时间等功能，这些功能的实现主要是通过用户输 入电机运行的参数，由控制器根据设定参数控制电机实现的。 3 、故障，异常状态检测和处理。控制器还需要保证电驱动子系统在发生异常 情况下，能够实时地做出正确的技术处理。为此需要检测主电路的母线电 压，电流和热量信号等。 4 、通讯接口的硬件平台和软件编程。硬件上包括滤波，电平转换，总线接口 电路。软件上包括远程自动恢复的设定，每个子系统i d 的设定，以及发送 和接收邮箱的设定等。 构建控制器的关键技术在于控制器的理论基础，即本文主要的研究对象之 一：矢量控制和直接转矩控制算法就是实现控制器高性能指标的根本保证。因此， 本文从控制器实现的角度出发，考察由这两种控制算法所构建的驱动系统所分别 对应的总体结构。 图2 3 矢量控制算法的驱动系统的总体结 图2 3 是应用矢量控制算法的电驱动系统的总体结构框图。该算法的基本思 想是检测定子电压”。和电流f ，通过电机模型和矢量变换计算臼( 定子两相坐标 系和转子两相坐标系问的电角度) ，励磁电流分量和转矩电流分量，然后将 1 0 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 后两者分别与励磁电流给定值f 。和转矩电流给定值k 进行比较。再将比较后的结果通 过p i 调节器转变成两相定子电压设定值”，。和”* 。将这两个值通过矢量变换变成 定子电压值，再选择合适的电压开关状态，发出对应的p w m ( p u l s e w i d m m o d u l a t i o n 脉宽调制，简称p w m ) 驱动信号，送往i g b t 模块，驱动交流电机工 作。 图2 4 直接转矩算法的驱动系统的总体结 图2 _ 4 是应用直接转矩控制方法的电驱动系统的总体结构框图，如图所示， 该方法需要检测定子电压”。和电流t ，然后计算出定子磁链1 1 。和电磁转矩t ， 通过与给定的定子磁链1 l r 。和给定的转矩t 。进行比较，获得转矩和磁链的控制信 号，再根据该信号查找对应的电压开关表，发出对应的p w m 驱动信号，送往i g b t 模块，驱动交流电机工作。 综合两类算法的实现来看，两种驱动系统都需要供电电路( 即主电路) 、算 法计算部分、p w m 发生器和电机运行状态信号量采集模块( 采集定子电压和电 流) 。 在以上分析控制器性能指标及其功能要求的基础上，以设计矢量控制算法和 直接转矩算法的控制器为目标，本文综合两种算法对软、硬件系统的要求，进一 步展开能同时满足两种控制器硬件系统和软件系统的技术设计。 2 3 人机界面子系统硬、软件设计方案 人机界面子系统是电动汽车运行设置与驾驶员的互动接口。很多信号需要驾 驶员人为的给定，如电驱动子系统中的电机启动时间、死区时间和工作模式等参 浙江大学硕士学位论文电动汽车。蝌总线系统的设计 数；同时，很多运行装置实时运行的状态要通过人机界面子系统显示给驾驶员， 以便驾驶员了解此刻电动汽车的运行状态。显示界面应当易于辨认，直观。防止 过多的信息会使驾驶员感到困惑，分散其注意力，但信息太少又不足以使驾驶员 完全掌握整车的运行状况。实践表明，应该有几个是常显的参数如车速，电池电 量等。也应该设立紧急情况警报机制。 人机界面子系统应具备的主要功能为： 1 显示功能：包括不同子系统的实时运行状态的显示，如电驱动子系统中电机 转速，电池组管理系统中电池的实时电压等。 2 键盘功能：包括电机初始化时，模式的选择和参数的设定。 基于e v 特定的应用对象，本系统的性能指标设定为： 1 容错性：取决于e v 运行的路况不同，按键程序中去抖动部分要给予充分考虑。 2 可靠性：在e v 车内狭小的空间内，电磁干扰将成为必须分析解决的问题，以 保证信号的准确传输，正确显示。 显然，人机界面子系统致力于提供一个良好的人机接口，一个友好的界面。 使驾驶员可以得到自己需要的信息，并且可以输入一些必要的控制信息。 人机界面子系统设计的结构框图如图2 5 所示： 图2 5人机界面整体设计框图 由图2 5 可见，人机界面子系统主要由以下三个模块组成： 1 c a n 总线接口模块：外围主电路芯片是c a n 总线单机控制器s j a l 0 0 0 ，c a n 总线接口8 2 c 2 5 0 。这一模块的主要作用是确定c a n 总线的工作方式，确定人 机界面的i d ，确定校验码，从而保证正确和快速地发送与接收数据。 2 m c s5 1 的扩展口模块( 5 1 单片机经典口扩展) ：利用8 2 5 5 芯片对p o 口进行 扩展以满足整个系统对i o 的需要。经过8 2 5 5 扩展后形成p a ，p b ，p c 三个 i o 口，其中p a 口用于显示电路的段位驱动；p b 口连接c d 4 5 1 5 译码器，进 而驱动显示电路的位驱动；p c 口用于按键输入 3 键盘以及显示模块：该模块包括8 个按键和6 组数码管，还有2 4 个三极管组 成的l e d 驱动电路。8 个按键的作用分别为：输入，运行，设置，停止，向 上，向下，功能和移动。而6 组数码管的作用包括电驱动子系统中电机参数 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 的设定，电机转速的显示和电池电量电压的显示。并可以根据需要加以扩展， 如车内温度的显示等等。 本文将在第四章对人机界面子系统软、硬件的技术设计进行深入、系统 的阐述。 2 4 电池监测子系统硬、软件设计方案 电动汽车的电池是在不断演化、发展的。可用于电动汽车的蓄电池包括阀控 铅酸电池( v r l a ) ，镍一铬电池( n i c d ) ，镍一锌电池( n i z n ) ，锌空气燃料电池 ( z n a i r ) ，铝空气燃料电池( a 1 a i r ) ，钠硫电池( n a s ) 等多种类型。这些电 池被归类为铅酸电池，镍基电池，金属空气燃料电池，钠b 电池，常温锂电池等。 本子系统中应用的是锌空气燃料电池。它的优点是能量密度大，对环境无污染。 电池对电动汽车而言是影响整车性能的一个关键组件，它对续驶里程、加速 能力和最大爬坡度等性能都会产生直接的影响。由于电池特性的非线性度高，所 以设置专门的电池管理系统是十分必要的，事实上已成为电池组件安全、可靠运 行的技术保障。电池管理系统是由一些传感器( 用于测量电压，电流，温度等) ， 一个带微处理器的控制单元和一些输入输出接口组成。电池管理系统最基本的 作用就是监控电池的工作状态，避免出现放电，过热和单体电池之间电压严重不 平衡的现象；预测电池相应的剩余行驶里程：管理电池的工作情况以便最大限度 地利用电池的存储能力和循环寿命。 本课题中，应用的锌空气燃料电池的单片标称电压为1 2 v ，1 0 个单片组成 一个电池组。单片机监控的是每三个电池组的电压。这样，既简化了单片机外部 的采样电路的连接，又可达到监测电池内部平衡的目的。由于电池电压三组为 3 6 v ，而m c s 一5 1 的标准输入输出电压为o 一5 v ，所以需要衰减电路把被测电压衰减 到这个范围内。采集到的电压信号经过m c s5 1 中数字算法的处理，变成十进制 数字信号，然后通过c a n 总线传输到相应的人机界面，显示给驾驶员。 电池管理系统的框图如图2 6 所示。本课题组对该子系统的软、硬件的技 术尚在开发中，本文在此不再继续展开。 图2 6 电池管理子系统的结构框图 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 第三章电驱动子系统的硬、软件设计 3 1 电驱动子系统的硬件电路设计 3 1 1 电驱动子系统的硬件电路设计概况 根据第2 章提出的该子系统中核心组件电机控制器硬件总体设计方寨， 其硬件电路由主电路、控制电路、信号检测电路、驱动电路和c a n 总线电路五部 分组成。控制器的主要功能接口和连接关系，如图3 1 所示。 图3 一l 控制器硬件构成框图 3 1 2 电驱动子系统的主电路设计 电动汽车采用动力电池作为主电源，其主电路通常应用d c a c 电路结构即可。 但是，若考虑到调试和开发过程中采用电网交流电供电，因此，主电路结构，可 如图3 2 所示，输入采用不可控整流，经大电容滤波产生比较稳定的直流电压， 控制回路主要控制逆变回路，产生电压的输出，控制电机的运行。控制器需要检 测相电流的实时值，为了获取u ，v 相电流，可分别在u ，v 相接入电流检测的霍尔 器件。w 相电流和母线电流可以通过硬件电路计算获得。 1 4 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 r s t l l c + 伲一 眦继电器 图3 2 控制器的主电路结构 3 1 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc u p 及其周边电路设计 控制电路是整个控制器的核心，它采集各种输入和检测信号，输出根据功能 设定的一些模拟及开关信号，输出p w m 波控制主电路的正常运行，并且实现各 种故障保护的处理。同时，还要有良好的人机交互操作环境，为此，设计有操作 面板。 该电路的核心处理器为1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，该d s p 是t i 公司推出的高性能1 6 位 定点数字信号处理器，专为数字电机控制( d m c ) 应用而设计。作为系统管理 器，d s p 必须具备强大的片内i o 和其它外设功能。面向应用优化的外设单元和 高性能d s p 内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进 控制技术。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的强大的功能，使其在系统设计中只需再附加少量的器 件即可构成完整的控制系统。下边就几种电路的设计加以说明“： ( 1 ) 复位电路 复位电路对一个系统而言是一个非常重要的组成部分。由于控制电路的工作 电源由开关电源提供，而开关电源的建立需要一个过程，在这个过程中，控制板 工作电压还没有完全建立，此时需要使系统处于复位状态，这里使用上电复位芯 片实现。当芯片输入电压达到阂值电压后，输出端延时4 0 0 m s 左右翻转，使d s p 开始正常工作。 ( 2 ) 参数存储电路 控制器的运行需要大量的参数。并且用户可以更改和保存这些参数。参数存 储电路的功能就是保存这些参数值，使控制器重新上电后即能获得上次用户修改 后的参数值。 3 1 4 信号检测与驱动电路的设计 检测与驱动电路是连接主电路和控制电路的接口和通道，并且给控制电路提 供工作电源。信号检测电路采集信号如直流母线电压，交流侧电流等给控制电路； 进而驱动电路p w m 波经驱动放大发送给主电路。在实际产品中，小容量的变频 浙江大学硕士学位论文电动汽车c n 总线系统的设计 器一般将主电路和检测与驱动电路设计在一块印制板上，而大容量的变频器则一 般分别设计。考虑到调试方便，在本课题研究中，采用主电路和检测与驱动电路 分开设计的形式。 ( 1 ) 电流检测及过流保护电路 电流检测是通过霍尔器件检测两相负载电流。u 相电流检测电路，将霍尔器 件检测到的一1 0 v + 1 0 v 的信号，抬升为3 3 0 v 的信号，进入d s p 的a d 采样。设 计中，采集u 、v 两相的电流( v 相电流检测电路和u 相相同) ，送往d s p 的不同路的 两个通道，以便进行同时的采样转换，避免了因为时间不同造成的计算误差。 为了获得母线电流，设计了u ，v ：w 相电流累加电路。将累加的信号送到d s p 和过流保护电路中。母线电流检测和过流保护电路是把三相电流信号进行三相叠 加，叠加后的结果一路进入d s p 的a 巾采样，实现负载电流检测，用于负载电流 的监视和过载保护；一路与一定的电压阈值比较，比较的结果输入d s p 的功率驱 动保护中断入口( p d p i n t ) 和控制板上的p w m 驱动保护，当检测值大于阈值时， 触发过流保护。 ( 2 ) 温度检测电路 所有的电力电子器件在运行中都会有导通功率损耗和开关功率损耗存在。这 些功耗通常表现为热量，必须采用散热器把这些热量从功率芯片传导到外部环 境。但是，当负载过重、开关频率高或者散热故障等原因引起温度上升，若电力 电子器件结温超过允许的最大值z _ 时会造成器件的损坏。因此，温度检测也 是变频器能正常运行的保障之一。 ( 3 ) 电压检测及过压保护电路 电压检测是基于信号检测电路输出的母线电压分压后的信号，经过运放电路 变成o 3 3 v 的信号，该信号一路进入d s p 的a d 采样；另一路与一定的电压阈值 比较，比较的结果输入d s p 的功率驱动保护中断入口( p d p i n t ) 和控制板上的 p w m 驱动保护，当检测值大于阈值时，触发过压保护。 ( 4 ) i g b t 驱动电路 虽然i g b t 器件的驱动电路属于场控型，不需要稳态驱动电流，但是由于器件 结电容存在，在开启和关断的瞬间存在充放电过程。因此仍然需要足够的驱动电 流来建立电场。充电和放电越迅速，则器件开启和关断越迅速。所以i g b t 驱动电 路必须用低内阻的驱动电源对门极电容充放电，以保证门极控制电压有足够陡度 的前后沿，力求减少i g b t 的开关损耗。此外，i g b t 开通后，门极驱动电源应提供 足够的功率使得i g b t 不至于退出饱和而损坏。 此外，在i g b t 驱动电路中，门极电路中的正偏压应为+ 1 2 v + 1 5 v ；负偏压 应为一2 v 一1 0 v ；i g b t 多用于高压场合，驱动电路应该和整个控制电路在电气 上严格隔离。 浙江大学硕士学位论文电动汽车c n 总线系统的设计 为了使i g b t 稳定工作，采用正负偏压电源工作：为了使得门极驱动信号与驱 动电路隔离，采用抗噪声能力强，信号传输时间短的光耦台器件；输出级采用互 补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速i g b t 的关断过程。 本课题最终设计完成的控制器实体如图3 3 所示。 图3 3 控制器实物图 3 2 电驱动子系统的软件设计 3 2 1 基于m a t l a b 的软件仿真及算法方案的选定 电驱动子系统的软件设计主要是对交流异步电机的调速算法的实现。一个性 能优良的驱动系统，必然要满足以下几个指标：首先就是快速性，即电机驱动算 法要具有快速反映特性。使电机对任何一个参数的改变做出迅速的反映，这对行 车安全是非常重要的；其次是平稳性，即电机驱动算法的转距脉动要比较小，尤 其是在启动、制动或参数变化时。所以本课题在确定电驱动的算法前，先对现有 的矢量控制和直接转矩控制这两种比较成熟的电机控制算法进行m a t l a b 仿真，比 较仿真结果，再根据其性能的优良和在d s p 上实现的可行性进行选择。 矢量控制算法是模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方 法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦。这种算法的优点是，利 用矢量变换，实现仿直流电动机的控制，从理论上使交流调速系统在静、动态性 能上与直接传动相媲美。但是这种算法也存在着不可忽视的缺点，即矢量变换在 运算上十分复杂，不易于实现；系统参数受电机参数影响较大。直接转距控制算 法，与矢量控制算法不同，它并不需要观测转子磁链，它基于定子磁场控制磁场 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 图3 6 到图3 9 分别给出了在不同的电机运行速度和负载情况下，进行的四 组典型工况的仿真实验结果。 仿真实验采用的电机，其参数如下： 额定电压：4 6 0y 、6 0 胁 额定转速：1 7 2 5r m m 转动惯量：1 6 6 2j 致卅2 定子电阻：o 0 8 7 q 定子电感：o 8 e 3h 转子电阻：o 2 2 8q 转子电感：0 8 e 一3 日 互感：3 4 7 e 3 第一组实验：电机运行在高速空载情况下，速度给定为1 7 2 0 ( r m i n ) ( v f 控 制器电压频率给定为6 0 h z ) ，给定负载转矩为0 ( n m ) 。 图3 6 电机高速、空载运行工况下的转速，转矩和相电流的波形 第二组实验：电机运行在高速负载情况下，速度给定为1 7 2 0 ( r m i n ) ( v f 控 制器电压频率给定为6 0 h z ) ，给定负载转矩为1 5 0 ( n m ) 。 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 第四组实验：电机运行在低速情况下，速度给定为3 0 0 ( r m i n ) ( v f 控制器 电压频率给定为1 0 h z ) ，给定负载转矩为1 5 0 ( n m ) 。 蒜麓n 如，址n ) ，i! 东；篡二e # 毒j ：烹： ，ill jl f c 时 荆耵。啊j 一1 a 。 i；t卜 ：i：i：； 啪m 燕h ( ) l i l 隧臻囊器 图3 9电机低速、负载运行工况下的转速，转矩和相电流的波形 以上两组实验结果表明，采用矢量控制算法的控制器在低速工况下同样有着 良好的调速性能。 ( 2 ) 直接转矩控制算法的基本原理及其仿真研究 直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术，由德 国d e p e n b r o c k 教授和日本学者t a k a h a s h i 分别提出的关于这一控制技术的开创性 方案，虽然在理论推导和实现方法上有所不同，但是基本思想是一致的，即放弃 了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了p 删脉宽调制器和电流反馈环节，通 过检测母线电压和定于电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比 较器 x 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c n 总线系统的设计 矿。= i 。f 。五，) 出 警+ 胁卜去帆 t = n ，( 0 。一f ，。妒卵) t 码去叫”i n j 钒= 耐( y 无) 式中， “，定子电压、定子电流 r ，月，定子、转子电阻 虬，”定予磁链和转子磁链 三；，上，工，定子、转子自感和互感 盯二漏感系数 ，电机转速 t 电机转子时间常数 由式( 3 1 2 ) 可见，定子磁链和转子磁链之间有一个惯性环节，这就使得定子 磁链发生变化时转子磁链矢量基本上保持不变。因此，只要改变定子磁链矢量的 空间位置就可以很容易地改变定、转于磁链之间的夹角。同样，根据式( 3 一1 4 ) 可以看出。电机的电磁转矩也很容易被改变。由式( 3 1 1 ) 可以看出，若忽略定 子电阻的压降则定子磁链是随着电压矢量的方向运动。因此，通过合理地控制定 子电压矢量不仅可以控制定子磁链幅值的大小，而且可以控制定子、转子磁链的 夹角，进而直接对转矩进行控制而不需要像在矢量控制中那样通过控制定子电流 来对转矩进行间接控制。 对于本算法仿真研究所搭建的平台，如图3 1 0 所示。平台由交流电动机、 主电路、2 4 0 7 d s p 开发板、输入信号和输出信号组成。其中交流电机模块和主电 路由m a t l a b 的s i m i l l i n k 提供。2 4 0 7 d s p 开发板建模而成，模拟d s p 工作机理。 蛐 m 一 一 一 一 侣 睁 兮 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c n 总线系统的设计 图3 1 l 电机高速、空载运行工况下的转速，转矩和相电流的波形 第二组实验，电机运行在高速负载情况下，速度给定为1 7 2 0 ( r m i n ) ( v f 控 制器电压频率给定为6 0 h z ) ，给定负载转矩为1 5 0 ( n m ) 。 辅莲- k 7 h 曲 一 髓k 瓴神 r 嘲电激q l ) 啪电藏州j i ) t b ) 图3 1 2电机高速、负载运行工况下的转速，转矩和相电流的波形 第三组实验，电机运行在低速、空载情况下，速度给定为3 0 0 ( r m i n ) ( v f 控制器电压频率给定为l o h z ) ，给定负载转矩为o ( n m ) 。 糙目b 证心 t | ) 特照h 馐 l 嘲蛔 li l 1 麟* 州*r t _ - _ e * ， ，t - g 4 - t f ，f t i ，i ￥f i t t * _ f t t - ￥_ t t ， lii ； ij l t 匐 嘲螂卧 m ) t ( 莳 图3 1 3 电机低速、空载运行工况下的转速，转矩和相电流的波形 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 第四章人机界面子系统硬、软件设计 一个安全、舒适的电动汽车运行系统是指由人，汽车内复杂的机电设置及其 环境在行驶过程中组成的统一与和谐的系统，该系统以人为中心，人与汽车内复 杂的机电设置平等合作，共同决策，实现安全、舒适和高效的行驶。人主要是指 驾驶员和乘客，其中驾驶员是最关键的环节。汽车内复杂的机电设置主要指车身， 发动机，底盘，轮胎和紧急救助机构等。环境包括车内环境和车外环境。友好的 人机界面是电动汽车中一个非常重要的组成部分。汽车系统的人机界面指的是乘 车人员与汽车内复杂的机电设置之间相互作用的区域，其具体内容包括显示，操 纵，几何尺寸与位置，照明，声音，震动和温度等方面。人机之间就是通过这种 人硬件界面进行信息交换的。这个硬件的设计必须与人的身心相匹配，否则 将影响整个系统的操作性和安全性。电动汽车中这一和谐系统示意图，如图4 1 所示。 图4 一l 电动汽车和谐系统示意图 人机界面子系统是整个电动汽车的机电设置与驾驶员的互动接口。本设计中 人机界面子系统的功能主要表征为：第一，对电机控制的初始化参数的设置。如 电驱动子系统中的电机启动时间，死区时间，工作模式等参数；第二，对电池组 电压的显示。驾驶员可以通过自己的判断，决定是否需要马上充电，或是粗略估 计整车的续驶里程；第三，对电机转速的显示。第四，设立紧急情况警报机制。 当电池电量过低，电机转速过快或电机内部温度过高等紧急情况出现的时候，提 供紧急报警信号。当报警一段时间后，仍然没 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 图4 2 人机界面硬件的总体结构图 由图4 2 可见，人机界面子系统主要由以下三个部分组成： 1 c a n 总线接口：外围主电路芯片是c a n 总线单机控制器s j a l 0 0 0 ，c a n 总线接 口8 2 c 2 5 0 。该模块的主要作用是确定c a n 总线的工作方式，人机界面的i d 校验码，从而保证正确和快速地发送与接收数据。本文将在第五章详细阐述。 2 m c s 一5 1 的扩展口( 5 1 单片机经典口扩展) ：利用8 2 c 5 5 芯片对p o 口进行扩展 以满足整个系统对i o 的需要。经过8 2 5 5 扩展后的p a ，p b ，p c 三个i o 口， 其中p a 口用于显示电路的段位驱动；p b 口连接c d 4 5 1 5 译码器，进而驱动显 示电路的位驱动；p c 口用于按键输入。 m c s5 1 的外围电路构造如下： i ) 复位电路，如图4 3 所示。 $ 黧篓蓉蒸i 辫鬻嗣i 攀? i ；翼隧裁 一；u * 善科j ，m 爨萎攀嚣黪f _ j j 爹| _ u l 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 8 2 c 5 5 是一款高性能的通用可编程i o 扩展芯片。它有4 0 个引脚，主要的 工作模式有三种：模式0 ，基本输入输出；模式1 ，选通输入输出；模式2 ，双 向数据传输方式。该芯片良好的性能和工业标准规格，使其可以与8 0 c 8 6 ，8 0 c 8 8 以及其它微处理器相互兼容。由电路图( 图4 6 ) 可以看到，经过8 2 c 5 5 扩展 出三个可编程i o 接口：p a ，p b ，p c 。 键盘以及显示部分：包括8 个按键和6 组数码管，以及由2 4 个三极管组成 的l e d 驱动电路。8 个按键的作用分别为：输入，运行，设置，停止，向上，向 下，功能和移动。而6 组数码管的作用包括电驱动子系统中电机参数的设定，电 机转速的显示，电池电量电压的显示。 部分数码管的显示电路如图4 7 所示。通过8 2 c 5 5 的p a 口连接着的是6 组 数码管的段位显示引脚。本系统显 xmp 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 图4 9数码管驱动电路图 键盘连接电路图示于图4 1 0 。通过8 2 c 5 5 的p c 扩展口连接的是8 个不同功 能的按键。在按键没有按下的时候，p c 口都是置高的。当有键被按下时，对应 的引脚变成低电平。软件上，捕捉到这个信息就可以进行相应的处理。 图4 一1 0键盘连接电路图 4 2 人机界面子系统的软件设计 ( 1 ) 键盘程序设计 对应于硬件设计的需要，设计了8 个按键分别是：功能键；运行键；设置键； 停止键；向上键；向下键；输入键；移动键。这八个键的作用主要在于电机运行 模式的设置，以及电机运行时的基本控制。功能键的作用是引导人机界面进入电 机功能设置状态；运行键的作用是当所有参数设置完成之后，按下此键启动电机 运转；设置键的作用是当一个参数设置完成后，按下设置键表示确认；停止键的 作用是在电机运行中，如果发生紧急情况，按下此键，紧急制动电机；向上键的 作用是在激活的数字位上，数值向上加l ；向下键的作用是在激活的数字位上， 数值向下减l ；输入键的作用是当一项功能的所需数据设置完成后，按输入键确 3 2 浙江大学硕士学位论文电动汽车c a n 总线系统的设计 c l rf l a g s c a nk e y1 ： 进行读操作 m o vd p t r 捍o b f f f h s c 舢l 1 ： m o v xa ， d p t r c j n ea 拌0 f f h n e x t1 j m ps c a n1 n e x t1 ： l c a l ld e l a y l o m s m o v xa ， d p t r c j n ea 群o f f h - n e x t2 j m ps c a n1 n e x t2 ： 扫描键盘，也就是对p c 口 是否有键被按下 1 0 m s 去抖动 是否依然有键被按下 ；检测到底是哪个键被按下， 并转入相应功能程序的处理 k e y _ f u n c ： c j n ea ，拌o f e h ，k e y s e i j m p p _ f u n c k e y 二s e t ： c j n e a ，拌0 f b h ，k e y e n t e r j m p p s e t k e y _ _ e n t e r ： c j n e a ，拌o b f h ，k e y _ u p j m p p _ e n t e r k e y _ u p ： c j n e a ，社0 e f h ，k e y _ d o w n j m p p _ u p k e l r d o 、7 n 叮： c j n ea ，拌o d f h ，s c a nk e y 一1 j m p p _ _ d o w n ( 2 ) 显示程序设计 显示程序中主要应用的是扫描显示的方法。扫描显示的原理在于利用人眼睛 的视觉残留，让每个数码管只显示一短暂时间，所有的数码管轮流显示，而在人 视觉中就像所有的数码都在显示一样。这种方法的优点是有效地利用硬件和软件 资源。它的一般步骤是：首先，将要显示的数码转换为段位码；其次，将要显示 的段位码输出，即在8 2 c 5 5 的p a 口输出段位码；再次，每输出一组段位码，就 要输出一个显示的段码，即要选中应该显示的数码管；最后，要延时一小段时间， 这个时间不能长，也不能短。太长则数码管的显示看起来很抖动，太短则数码管 显示看起来很模糊。 本文在硬件平台上，进行显示程序的设计。首先，把数码转换成段位码制表。 这样不用每次都进行换算，只需要查表即可找到所需要的段位码，故运行方便、 x 浙江大学硕士学位论文 电动汽车c a n 总线系统的设计 口输出以驱动数码管的段位显示：段位码输出以后，就要选择到底哪个数码管导 通变亮。数码管的选择导通在硬件上是取决于p b 口的输出，然后，再通过4 5 1 5 译码器的输出导通一个数码管。一旦段位码和位码都输出以后，相应的数码管就 会亮起来。当需要的一个数码管被点亮之后，要调用一个1 m s 的延时程序，然后 进行下一个数字的显示。下一个数字显示的方法同上，当第四个数字显示完成后， 再循环地去显示第一个数字。这样，利用人眼对余辉的视觉残留，看起来就像四 个数码管同时被点亮一样。 显示程序的核心代码为 d i s p i ，a y m o vd p t r 撑c s t a b m o v a ， r d m o v ca ， a + d p t r m o vd p t r 撑3 f f f h m o v x d p t r ，a m o va r 2 m o vd p t r 社7 f f f h m o v x d p t r ，a l c a l ld e l a y l m s c s t a b ： d b3 f h d b0 6 h d b5 b h d b 4 f h d b6 6 h d b6 d h d b7 d h d b0 7 h d b7 f h d b6 f h d bo b f h d b8 6 f h d b0 d b h d bo c f h d b0 e 6 h d b0 e d h ；查数字一段位码转换表 ：段位码输出 ：位码输出 ；延时1 m s ；数字一段位码转换表 ；d i s p l a y o ；d i s p l a y 1 ；d i s p l a y 2 ；d i s p l a y 3 ；d i