基于CAN总线的电动汽车控制系统的研究

刘永刚云南机电职业技术学院

基于CAN总线的电动汽车控制系统的研究

刘永刚
云南机电职业技术学院

CAN总线是汽车控制系统的标准总线，研究CAN总线通信技术在电动汽车控制系统中的应用有利于提高通信的实时性、灵活性和系统的可靠性。

CAN总线；电动汽车；控制系统

一、前言

随着全球经济的不断发展，环境污染越来越严重，化石能源也在日益枯竭。凭借环保节能的显著优势，电动汽车的研制成为了国内外各大科研机构研究的焦点。CAN总线已成为汽车控制系统的标准总线，用来传输控制信号，控制机械传动装置的有序运转。本文对电动汽车的控制系统进行了研究，提出了一种基于CAN总线的电动汽车控制方案，实现电动汽车主控制器与电机控制器之间的通信。

二、控制局域网CAN总线工作原理

CAN总线通过串行的方式传输数据，传输速率可达1Mb/s，其通信协议能够实现多个主控制器之间的数据传输。与协议不同，无论CAN总线的哪一个站发送数据，控制局域网中的其它节点都能接收到该节点发出的报文，不管该报文是否是发给本节点的。报文按照面向内容的方案编址，其标识符是每组数据的前11位字符，不同节点发送的报文有不同的标识符，这些字符也定义了报文的优先级，在几个节点同时发出读数请求时，用来配置总线的读取顺序。

若控制局域网中的某个节点要向其它节点发送报文，这个节点的CPU向其CAN芯片传输待发送数据及标识符，使CAN芯片处于准备状态。根据总线的指令，当总线响应该节点的请求时，立即将报文通过总线发出，同时控制局域网中的其它节点转为接收报文的状态。接收状态的节点判断其接收的报文是否是发送给自己的，然后决定是否响应该报文的信息。

报文按照面向内容的方案编写地址，故CAN总线可以很容易的建立并配置高水平的控制系统，这也使维护人员能够轻易地添加新的节点，而不必修改CAN总线相关的硬件和软件。如果添加的新站只负责报文的接收，那么就不必按照其CAN协议设置独立的物理目的地址。

三、电动汽车控制系统的整体设计

电动汽车控制系统主要由电源、电机控制器和主控制器组成。72V的电源为整个控制系统提供电力，电池的输出端与电机的供电线相连接。由于控制系统中的各个芯片的供电电压均为12V或5V的低电压，故使用直流/直流的反激式电源将蓄电池的高电压转换为低电压。主控制器主要负责采集输入信号，运行控制程序，通过CAN总线完成与电机控制器之间的通信，由电机控制器控制电机输出转矩的大小。

电动其控制系统的整体设计包括硬件设计部分和软件设计部分。蓄电池向反激式电源提供72V的直流电，经过电压转换得到两路低电压，其中5V的直流电压加到主控制器和电机控制器上，12V的直流电压加到电机驱动模块上。模数转换接口和输入输出接口用来检测输入信号，主控制器由CAN总线完成与电机控制器的通信，然后电机控制器输出控制信号驱动电机旋转。

四、电动汽车控制系统的硬件设计

电源模块是电动汽车控制系统硬件的重要组成部分，负责将蓄电池72V的高电压转化为5V和12V的低电压。由于控制系统需要的电流较大，并且控制芯片和控制器与电源之间存在较大的电压差，故使用线性降压芯片不可行，需采用高频变压器的电源设计方案。控制系统采用电源型电流芯片，选用储能能力较强的变压器和耐压能力好的驱动开关管，并使用基准源、线性光耦作为控制系统的反馈部分。在反馈电路中，使用导型运放，将5V输出分压后加到基准源上，差模电压经放大后转化为电流的形式输出。基准源与线性光耦连接，线性光耦又与电源芯片连接，从而使电源模块输出低电压。基准源与二维补偿网络连接，降低了滤波器和输出电容带来的误差，提高了电源的响应速度。

控制模块是电动汽车控制系统硬件设计的核心。电动汽车的控制系统采用MCU来管理系统的各个组成部分。电动汽车的发动机开关和转向灯的控制开关采用数字信号来控制，先经过分压再经过滤波就可以连接到微控制器的I/O口，完成数字信号的检测。通过检测脉冲就可以测得车辆的行驶速度。方向盘的转向、油门和刹车踏板的转矩、温度的检测通过模拟信号来控制。由于模拟信号的大小不等，故不能直接与微控制器连接，需要将较高的电压先经分压转为较低的电压，再经过滤波后连接到电压跟随器，从而保证输入模拟信号的准确。基于CAN总线的通信电路部分，选用TI公司的隔离型CAN芯片，用3.3V和5V两路电压给CAN芯片供电，并在CAN总线的差分线间连接终端电阻。

五、电动汽车控制系统的软件设计

通过软件设计实现电机转矩的分配和计算的功能。当电动汽车直线行驶时，应该将转矩平均分配到驱动电机上；当电动汽车转向时，为实现差速控制，应该给驱动电机分配不同的转矩。主控制器采集车速信号、加速踏板信号和转向信号，在需要转向时通过转矩分配函数计算出各驱动电机所需要分配的转矩。

通过软件设计实现主控制器和电机控制器之间基于CAN通信协议的通信功能。使用指针来建立变量和字典之间的一一对应关系，使控制代码能够从协议索引查询字典。MCU有一定数量的站，每个站都可以用于报文的发送和接收。接收过滤器可以使站接收固定标识符的信息。当站接收到符合过滤条件的报文后，将报文存储到寄存器中，触发中断并由中断函数处理。不同形式的报文对应不同的报文发送函数，由底层的报文发送函数将报文存储到站中，并完成报文的发送。

通过软件设计实现电动汽车主控制器的控制功能，分为信号采样分析程序、总线通信程序、电机转矩分配程序三部分。给系统供电后，首先完成系统各部分的初始化，初始化完成后执行被控制部分的程序。执行总线通信程序，搭建整个系统之间的CAN通信网络，然后进入等待状态。在等待期间，MCU不断扫描控制系统的开关，当有信号输入时，执行电机运行程序，控制执行电机按预定的指令运转，同时整个系统进入工作状态。

六、结论与展望

本文首先介绍了CAN总线的工作原理，然后介绍了基于CAN总线的电动汽车控制系统的整体设计、硬件设计和软件设计，对CAN总线技术在电动汽车领域的推广应用有一定的促进作用。

[1]梁洁.基于CAN总线的电动汽车通信显示系统的研制[D].北京交通大学,2007.

[2]周智庆.基于CAN总线电动汽车驱动控制系统的研究[D].重庆大学,2008.

[3]宁涛.基于CAN总线的汽车控制系统的研究[D].合肥工业大学,2013.

刘永刚，云南机电职业技术学院，讲师，硕士，研究方向，机械电子工程。