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四輪獨立驅動純電動汽車的高速CAN網絡設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:202

摘要:結合工程實際,完整地給出了一個適用于四輪獨立驅動純電動汽車電子差速系統的高速cAN總線網絡的實現方案;詳細介紹了該方案所涉及的CAN節點硬件設計、拓撲結構、應用層協議設計和報文收發軟件設計;最后

給出該方案的實際調試結論并指明了此類設計的優化方向。

引  言

   近年來我國的汽車保有量不斷增加,由此導致的能源短缺與空氣污染問題日漸突出。能源危機與環境問題加快了電動汽車的發展。純電動汽車具有零排放、低噪聲等特點。此外,隨著電動輪技術與現場總線技術的發展,在純電動汽車上更容易實現四輪獨立驅動控制,進而為剎車防抱死系統(ABS)、電子穩定裝置(ESP)等主動安全系統的實現提供便利。本文以實現四輪獨立驅動控制中的電子差速為工程背景,介紹了高速CAN(Controller-Ar_ea Network)總線在四輪獨立驅動純電動汽車中的應用。

1四輪獨立驅動中的電子差速

車輛平順轉向時各車輪的轉速必須滿足Ackermann轉向模型所給出的定量關系。普通輪式車輛一般使用機械差速裝置(差速器)來實現動力輪的差速。而在以電動輪作為動力源的四輪獨立驅動電動汽車中,可以使用純軟件的方式實現四輪差速(即電子差速),提高車輛的可控性。差速控制系統在實驗車上的布局如圖l所示。

 圖1 系統布局

   從圖中可以看出,每個電動輪由一個電動輪控制器進行獨立控制;電動輪控制器與中央控制器之間使用高速CAN總線連接,構成分布式控制網絡。

   其差速控制過程為:車輛轉彎時,中央控制器根據駕駛員的方向盤轉向信號、節氣門信號、剎車制動信號、當前各輪轉速、轉矩等信息,通過四輪差速算法實時計算出四個車輪的應有轉速值。這組轉速值(共四個)通過高速CAN總線傳輸到四個電動輪控制器,各電動輪控制器以該值為輸入,對電動輪轉速進行PI控制,從而實現車輛的平順轉向。

2高速CAN簡介    

   CAN總線源于德國Bosch公司,其具有實時性強、抗電磁干擾能力強等優點,近年來發展迅速。我國高度重視CAN總線技術在電動汽車中的應用:國家“863計劃”關于電動汽車的說明中已經明確指出,新申報的電動汽車項目必須采用CAN總線通訊技術。目前,CAN總線規范分為:ISOll519(低速應用)與IS011898(高速應用)。其中低速CAN總線主要面向在線診斷、車身電子等領域,而高速CAN總線主要面向動力控制、安全系統等領域,而調速

主要特性有:

 (1)傳輸速率高,可達1 Mb/s:

 (2)多主機通訊方式,組網簡單;

 (3)基于報文優先級的非破壞性總線仲裁技術SMA/CA(消息監聽多路存?。瘺_突避免);

 (4)實時性強,并可采用TFCAN(時間觸發CAN)技術,在高層協議中實現TDMA/CA(時分復用多路存?。瘺_突避免)進一步提高通信的實時性和可靠性。

   與其他總線相比,高速CAN總線更能適應電動汽車這一特殊應用場合,并尤其適用于構建四輪獨立驅動純電動汽車中的分布式多電動機控制系統。

3  CAN節點接口設計

  電動輪控制器與電動車中央控制器均以XC164CS單片機為控制核心。XCl64CS單片機是英飛凌科技公司推出的一款采用CMOS工藝的16位高性能單片機。該單片機內部集成了一個CAN總線控制器模塊,因此僅需要在外部擴展一個CAN收發器TLE6250GV33就可以構成一個完整的全功能CAN節點。其連接關系如圖2所示。

 圖2  CAN總線硬件接口電路

此處使用的CAN收發器TLE6250GV33滿足ISO11898標準,支持l Mb/s傳輸速率,具有良好的電磁兼容性與過熱保護。該收發器與單片機之間可以直接相連。本設計使用跳線(圖2中的Jumper)對CAN總線所要求的末端電阻進行配置,以便達到靈活組網的目的。

4網絡拓撲

整個網絡中共含有五個上述的CAN節點:四個電動輪控制器以及一個電動車中央控制器;由這五個節點組成的分布式控制網絡的拓撲結構如圖3所示??刂凭W絡具有總線型拓撲結構。任意兩個節點之間具有直接的物理連接,其與CAN總線的多主通信方式相配合,各個節點只要通過簡單的報文濾波就可以實現點對點、一點對多點及全局廣播等多種通訊方式。

 圖3  網絡拓撲結構

5 通訊協議設計

5.1消息ID體系的設計

由于CAN總線通訊為多主結構,采用基于報文優先級的CSMA/CA總線仲裁技術,因此在設計應用層協議時,必須根據實際應用為總線消息編排一個合理的總線仲裁優先順序,以改善CAN通訊的實時性。

   CAN的報文標識符(ID)在CAN通信的數據鏈路層中具有雙重作用:既作為該報文在總線通訊中的標識,為接收節點的報文濾波提供參考;又給出了該報文在總線仲裁中的優先級(ID值越小,優先級越高)。在本應用場合中,下行數據(控制命令)比上行數據(輸出反饋)對系統的影響更大,在總線通訊中應具有更高的優先級;此外,中央控制器發往四個車輪控制器的指令(即下行數據)必須同步,才能為后續控制提供可靠前提。綜合考慮以上兩點,設計了一個較為合理的ID體系,如表1、表2所示。

該ID體系充分利用了CAN總線的廣播式通訊和多主通訊特點,與下節所述的數據幀結構配合使用,就能方便地實現四個電動輪控制器之間的指令同步而無需任何額外同步措施。

5.2報文的幀結構

CAN總線通訊最常用的報文幀格式有:數據幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀等。其中錯誤幀與超載幀的形成、收發與基本的后續處理均由硬件自動完成,故在實際的應用層協議設計中通常只涉及遠程幀與數據幀兩種幀格式。由于所涉及網絡的邏輯結構較為清晰,同時為了提高通訊效率,本文僅使用數據幀格式來完成設計。CAN標準幀的基本結構如圖4所示。

 圖4  CAN標準幀結構

 應用層協議的設計工作主要集中在標識符域(ID)與數據域(Data)兩個部分。由于電子差速系統主要涉及電機控制,因此總線上數據中的絕大多數為模擬量。為了適應這一特點,設計中使用數據域長度為8字節的數據幀(即Ⅳ=8)。各報文的數據域(Data)展開,如圖5、圖6所示。

 圖5  下行報文數據域展開

 圖6   上行報文數據域展開

  圖5所示的結構(a)用于搭載下行的模擬量。由于本電子差速系統使用的控制核心為16位單片機,在實際使用中常常采用具有16位長度的有限精度定點數來表示各種算法所涉及的模擬量,因此結構(a)中使用2個字節來表示一個模擬量。結構(b)用于搭載下行的數字量。

 從圖中可以看出:整個8字節的數據域被分成四部分,每部分含有2字節,分別用于搭載由中央控制器e發往4個電動輪控制器a、b、c、d的下行數據。該結構將中央控制器發往4個電動輪控制器的同類命令濃縮在一幀報文中,由于“幀”是CAN總線接收信息的最小單位,因此該幀結構本身能確保各個電動輪控制器同步接收控制命令而無需借助額外的同步信號,從而簡化了通信協議,降低了總線負載。

 圖6所示的數據域結構用于上行報文。該報文結構是一個模擬量與數字量的混合結構。從圖中可以看出,8個字節的數據域被劃分為五部分,前兩部分搭載數字量,后三部分搭載模擬量。

6報文的發送與接收

CAN總線消息的觸發方式有兩種:事件觸發與時間觸發。前者適用于發送時間上離散變化的開關狀態量(如本文中的剎車命令與控制模式選擇指令)、后者適用于發送時間上連續變化的模擬量(如本文中的轉速設定與轉矩設定)。本系統兼有上述兩類總線信息,故采用事件觸發與時間觸發相結合的方式來進行報文發送,具體設計如表3所示。

表3報文的觸發

報文發送子程序的流程如圖7所示;報文接收子程序的流程如圖8所示。

 圖7 報文發送流程

 圖8 報文接收流程

7性能分析與結論

 用于評價CAN網絡性能優劣的參數主要有:總線平均負載率U1、消息延遲的數學期望Rm,以及最壞情況下的消息延遲Dm。其中U1可由下式給出: 式中:Cm表示消息m在總線上的傳輸延時,其與消息幀的長度及傳輸速率有關,本文中所述系統的Cm約為108μs;Pm表示消息m的觸發周期(對于由事件觸發的消息可取為兩次相鄰事件之間的最小時間間隔,本文中取20 ms);N表示網絡系統中消息的總數。將相關參數代人,可得本系統的Tt為48.06%,總線負載較輕。

若忽略消息發送周期的抖動,直接利用優先級排隊理論可以得到Rm

Rm = tm + Cm

式中:tm為隊列延遲的數學期望;hp(m)為優先級高于消息m的消息集合;Tbit為傳輸每bit數據所需要的時間,當傳輸速率為1 m/s時,Tbit為1μs;

Dm可根據以下假設條件取得:當消息m正要發送時,一個優先級低于消息m、具有最長傳輸時間的消息q恰好已經占據總線,并且,在消息q傳輸的過程中,所有優先級高于消息m的消息均試圖占領總線,從而與消息m形成競爭。根據計算,本網絡中各消息的延遲如表4所示。

            表4消息延遲

從上表可以看出,本網絡中延遲最大的消息是優先級最低的0x0FC與0x0FD,最壞情況下的延遲為756μs,能夠滿足實時控制的要求。  

本文緊扣工程實際,給出了用于四輪獨立驅動純電動汽車電子差速系統的CAN總線網絡設計方案。調試結果證明,該通信網絡能夠滿足電子差速應用對總線網絡提出的實時性與可靠性要求,為整車電子控制系統的下一步設計奠定了基礎。然而,電動汽車是一個由多個子系統組成的復雜系統,當多個子系統共用一個CAN總線網絡時,應當考慮使用TTCAN技術,以便在進一步提高通訊實時性的同時降低總線設計的復雜程度。

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