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四轮独立驱动纯电动汽车的高速CAN网络设计

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:150

摘要:结合工程实际,完整地给出了一个适用于四轮独立驱动纯电动汽车电子差速系统的高速cAN总线网络的实现方案;详细介绍了该方案所涉及的CAN节点硬件设计、拓扑结构、应用层协议设计和报文收发软件设计;最后

给出该方案的实际调试结论并指明了此类设计的优化方向。

引  言

   近年来我国的汽车保有量不断增加,由此导致的能源短缺与空气污染问题日渐突出。能源危机与环境问题加快了电动汽车的发展。纯电动汽车具有零排放、低噪声等特点。此外,随着电动轮技术与现场总线技术的发展,在纯电动汽车上更容易实现四轮独立驱动控制,进而为刹车防抱死系统(ABS)、电子稳定装置(ESP)等主动安全系统的实现提供便利。本文以实现四轮独立驱动控制中的电子差速为工程背景,介绍了高速CAN(Controller-Ar_ea Network)总线在四轮独立驱动纯电动汽车中的应用。

1四轮独立驱动中的电子差速

车辆平顺转向时各车轮的转速必须满足Ackermann转向模型所给出的定量关系。普通轮式车辆一般使用机械差速装置(差速器)来实现动力轮的差速。而在以电动轮作为动力源的四轮独立驱动电动汽车中,可以使用纯软件的方式实现四轮差速(即电子差速),提高车辆的可控性。差速控制系统在实验车上的布局如图l所示。

 图1 系统布局

   从图中可以看出,每个电动轮由一个电动轮控制器进行独立控制;电动轮控制器与中央控制器之间使用高速CAN总线连接,构成分布式控制网络。

   其差速控制过程为:车辆转弯时,中央控制器根据驾驶员的方向盘转向信号、节气门信号、刹车制动信号、当前各轮转速、转矩等信息,通过四轮差速算法实时计算出四个车轮的应有转速值。这组转速值(共四个)通过高速CAN总线传输到四个电动轮控制器,各电动轮控制器以该值为输入,对电动轮转速进行PI控制,从而实现车辆的平顺转向。

2高速CAN简介    

   CAN总线源于德国Bosch公司,其具有实时性强、抗电磁干扰能力强等优点,近年来发展迅速。我国高度重视CAN总线技术在电动汽车中的应用:国家“863计划”关于电动汽车的说明中已经明确指出,新申报的电动汽车项目必须采用CAN总线通讯技术。目前,CAN总线规范分为:ISOll519(低速应用)与IS011898(高速应用)。其中低速CAN总线主要面向在线诊断、车身电子等领域,而高速CAN总线主要面向动力控制、安全系统等领域,而调速

主要特性有:

 (1)传输速率高,可达1 Mb/s:

 (2)多主机通讯方式,组网简单;

 (3)基于报文优先级的非破坏性总线仲裁技术SMA/CA(消息监听多路存取/冲突避免);

 (4)实时性强,并可采用TFCAN(时间触发CAN)技术,在高层协议中实现TDMA/CA(时分复用多路存取/冲突避免)进一步提高通信的实时性和可靠性。

   与其他总线相比,高速CAN总线更能适应电动汽车这一特殊应用场合,并尤其适用于构建四轮独立驱动纯电动汽车中的分布式多电动机控制系统。

3  CAN节点接口设计

  电动轮控制器与电动车中央控制器均以XC164CS单片机为控制核心。XCl64CS单片机是英飞凌科技公司推出的一款采用CMOS工艺的16位高性能单片机。该单片机内部集成了一个CAN总线控制器模块,因此仅需要在外部扩展一个CAN收发器TLE6250GV33就可以构成一个完整的全功能CAN节点。其连接关系如图2所示。

 图2  CAN总线硬件接口电路

此处使用的CAN收发器TLE6250GV33满足ISO11898标准,支持l Mb/s传输速率,具有良好的电磁兼容性与过热保护。该收发器与单片机之间可以直接相连。本设计使用跳线(图2中的Jumper)对CAN总线所要求的末端电阻进行配置,以便达到灵活组网的目的。

4网络拓扑

整个网络中共含有五个上述的CAN节点:四个电动轮控制器以及一个电动车中央控制器;由这五个节点组成的分布式控制网络的拓扑结构如图3所示。控制网络具有总线型拓扑结构。任意两个节点之间具有直接的物理连接,其与CAN总线的多主通信方式相配合,各个节点只要通过简单的报文滤波就可以实现点对点、一点对多点及全局广播等多种通讯方式。

 图3  网络拓扑结构

5 通讯协议设计

5.1消息ID体系的设计

由于CAN总线通讯为多主结构,采用基于报文优先级的CSMA/CA总线仲裁技术,因此在设计应用层协议时,必须根据实际应用为总线消息编排一个合理的总线仲裁优先顺序,以改善CAN通讯的实时性。

   CAN的报文标识符(ID)在CAN通信的数据链路层中具有双重作用:既作为该报文在总线通讯中的标识,为接收节点的报文滤波提供参考;又给出了该报文在总线仲裁中的优先级(ID值越小,优先级越高)。在本应用场合中,下行数据(控制命令)比上行数据(输出反馈)对系统的影响更大,在总线通讯中应具有更高的优先级;此外,中央控制器发往四个车轮控制器的指令(即下行数据)必须同步,才能为后续控制提供可靠前提。综合考虑以上两点,设计了一个较为合理的ID体系,如表1、表2所示。

该ID体系充分利用了CAN总线的广播式通讯和多主通讯特点,与下节所述的数据帧结构配合使用,就能方便地实现四个电动轮控制器之间的指令同步而无需任何额外同步措施。

5.2报文的帧结构

CAN总线通讯最常用的报文帧格式有:数据帧、远程帧、错误帧和超载帧等。其中错误帧与超载帧的形成、收发与基本的后续处理均由硬件自动完成,故在实际的应用层协议设计中通常只涉及远程帧与数据帧两种帧格式。由于所涉及网络的逻辑结构较为清晰,同时为了提高通讯效率,本文仅使用数据帧格式来完成设计。CAN标准帧的基本结构如图4所示。

 图4  CAN标准帧结构

 应用层协议的设计工作主要集中在标识符域(ID)与数据域(Data)两个部分。由于电子差速系统主要涉及电机控制,因此总线上数据中的绝大多数为模拟量。为了适应这一特点,设计中使用数据域长度为8字节的数据帧(即Ⅳ=8)。各报文的数据域(Data)展开,如图5、图6所示。

 图5  下行报文数据域展开

 图6   上行报文数据域展开

  图5所示的结构(a)用于搭载下行的模拟量。由于本电子差速系统使用的控制核心为16位单片机,在实际使用中常常采用具有16位长度的有限精度定点数来表示各种算法所涉及的模拟量,因此结构(a)中使用2个字节来表示一个模拟量。结构(b)用于搭载下行的数字量。

 从图中可以看出:整个8字节的数据域被分成四部分,每部分含有2字节,分别用于搭载由中央控制器e发往4个电动轮控制器a、b、c、d的下行数据。该结构将中央控制器发往4个电动轮控制器的同类命令浓缩在一帧报文中,由于“帧”是CAN总线接收信息的最小单位,因此该帧结构本身能确保各个电动轮控制器同步接收控制命令而无需借助额外的同步信号,从而简化了通信协议,降低了总线负载。

 图6所示的数据域结构用于上行报文。该报文结构是一个模拟量与数字量的混合结构。从图中可以看出,8个字节的数据域被划分为五部分,前两部分搭载数字量,后三部分搭载模拟量。

6报文的发送与接收

CAN总线消息的触发方式有两种:事件触发与时间触发。前者适用于发送时间上离散变化的开关状态量(如本文中的刹车命令与控制模式选择指令)、后者适用于发送时间上连续变化的模拟量(如本文中的转速设定与转矩设定)。本系统兼有上述两类总线信息,故采用事件触发与时间触发相结合的方式来进行报文发送,具体设计如表3所示。

表3报文的触发

报文发送子程序的流程如图7所示;报文接收子程序的流程如图8所示。

 图7 报文发送流程

 图8 报文接收流程

7性能分析与结论

 用于评价CAN网络性能优劣的参数主要有:总线平均负载率U1、消息延迟的数学期望Rm,以及最坏情况下的消息延迟Dm。其中U1可由下式给出: 式中:Cm表示消息m在总线上的传输延时,其与消息帧的长度及传输速率有关,本文中所述系统的Cm约为108μs;Pm表示消息m的触发周期(对于由事件触发的消息可取为两次相邻事件之间的最小时间间隔,本文中取20 ms);N表示网络系统中消息的总数。将相关参数代人,可得本系统的Tt为48.06%,总线负载较轻。

若忽略消息发送周期的抖动,直接利用优先级排队理论可以得到Rm

Rm = tm + Cm

式中:tm为队列延迟的数学期望;hp(m)为优先级高于消息m的消息集合;Tbit为传输每bit数据所需要的时间,当传输速率为1 m/s时,Tbit为1μs;

Dm可根据以下假设条件取得:当消息m正要发送时,一个优先级低于消息m、具有最长传输时间的消息q恰好已经占据总线,并且,在消息q传输的过程中,所有优先级高于消息m的消息均试图占领总线,从而与消息m形成竞争。根据计算,本网络中各消息的延迟如表4所示。

            表4消息延迟

从上表可以看出,本网络中延迟最大的消息是优先级最低的0x0FC与0x0FD,最坏情况下的延迟为756μs,能够满足实时控制的要求。  

本文紧扣工程实际,给出了用于四轮独立驱动纯电动汽车电子差速系统的CAN总线网络设计方案。调试结果证明,该通信网络能够满足电子差速应用对总线网络提出的实时性与可靠性要求,为整车电子控制系统的下一步设计奠定了基础。然而,电动汽车是一个由多个子系统组成的复杂系统,当多个子系统共用一个CAN总线网络时,应当考虑使用TTCAN技术,以便在进一步提高通讯实时性的同时降低总线设计的复杂程度。

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