基于CAN总线实现开关磁阻电机驱动系统的设计

作者：肖敬义;王艳;梁晓峰;柴智渊

1、引言：

目前，由于环境污染和能源危机问题日益严重，电动汽车的发展开始得到各国的高度重视，成为未来汽车发展的主流方向。

电动汽车主要具有三大关键技术：驱动控制系统、电池电源、整车电子控制系统。整车电子控制系统必须满足纯电动汽车的设计理念，使之既节能又简单可靠。在目前电池技术水平下，解决两大关键技术，有助于电动汽车在中国首先市场化，其经济意义不言而喻。 电动汽车动力系统结构复杂多样，部件类型繁多。先进高效的控制体系结构，可以使电动汽车各动力系统之间的数据交换满足简单迅速、可靠性高、抗干扰能力强、实时性好、系统错误检测和隔离能力强等要求。

本文设计了一种基于CAN总线的电动汽车整车电子控制系统，该系统应用于开关磁阻电机驱动的纯电动汽车上，可以极大地减少车内传感器的数目，明显提高车的整体性能。

2、开关磁阻电机应用于电动汽车上的性能特点和控制方法：

开关磁阻电机是一种具有悠久历史的电机，它诞生于160多年前，经过一百多年的发展，特别是近20年的研究和改进，开关磁阻电机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能优于其它形式的电机，并且开关磁阻电机的性能特点特别适合应用于纯电动汽车。

2.1、开关磁阻电机的性能特点：

（1）结构简单，效率高;

开关磁阻电动机结构比感应电动机更简单可靠，特别适用于高速、低速转矩大，电流小的系统，且效率高，特别是转子无绕组，适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件。

（2）控制电路简单可靠;

驱动功率电路采用的功率开关元件较少，电路较简单。功率元件与电动机绕组相串联，不易发生直通短路。

（3）调速范围大，转矩和制动特性好;

利用较简单的控制电路能够实现较宽的调速范围，还具有低速大转矩和制动能量反馈等特性。

因此开关磁组电机驱动系统特别适合应用于电动汽车。

2.2、开关磁阻电机应用于电动汽车上的控制方法：

（1）车的启动停止;

开关磁阻电机控制器可以实现对电机启动、停止、加速、减速、正转、反转等控制。当应用于电动车时，车的启动和停止可以通过启动钥匙系统来实现。

（2）车的加速减速;

加速减速通过脚踏油门，调节油门输出电压来控制VI给定来调速。

（3）车的前进倒车;

前进、倒车可由档位摇杆来控制。

（4）车的急刹车;

急刹车可以通过刹车踏板启动再生制动系统。所以，开关磁阻电机可以很方便地控制电动车的基本操作，这样可以大大简化控制系统总线上极为关键的电机控制单元。

3、CAN总线的技术特点：

CAN（Controller Area Network）控制器局域网，是德国Bosch公司为解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴。CAN总线具有可靠、灵活、实时性强的优点。

（1） CAN总线采用多主结构，网络上的任一节点可在任意时刻向其他节点发送信息，通讯方式灵活。

（2） 网络上的节点根据对总线访问优先级的不同，最快可在134μs内得到响应。

（3） 采用非破坏性总线仲裁技术，可以大大节省总线冲突仲裁时间，网络在拥挤的情况下也不会瘫痪。

（4） CAN采用NRZ编码，直接通信距离最远可达10km（速度5kbps），通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

（5） 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。

（6） CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

（7） 通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

4、系统方案设计：

4．1、网络节点配置和信号类型：

4．1．1、电动车内主要CAN节点及各节点CAN总线主要收发信号如下：

（1）电池管理系统节点：电池荷电状态（SOC）、电池充放电状态、电池故障。

（2）液晶显示节点：电池荷电状态（SOC）、车速、电机转速、前进倒车状态、门窗开关状态、灯光开关状态、电机温度、车内温度、再生制动状态、电池充放电状态、电池故障、空调开关状态、钥匙信号。

（3）电机控制节点：电机转速、前进倒车状态、电机启动停止、电机温度、再生制动状态。

（4）联合装配节点：车内温度、车速、门窗开关状态、灯光开关状态、空调开关状态。

（5）人机对话节点：控制门窗开关、控制灯光开关、液晶显示开关、空调开关。

（6）运行控制节点：启动钥匙信号、脚踏油门、刹车踏板、前进倒车档位摇杆。

4．1．2、电动汽车电控单元接收及发送的数据类型：

本方案中，电动汽车每个电控单元的接收和发送的数据类型如表（1）所示，其中T表示发送，R表示接收。

表（1） 电动汽车电控单元接收及发送的数据类型

4．2、网络构架：

本电动汽车整车电子控制系统由两条总线构成，即高速CAN总线和低速总线。高速CAN总线和低速总线是两个独立的总线系统。为了便于汽车所有功能的管理，通过网关将这两个总线网络连接起来，不同总线间的数据通过网关实现数据的共享。这样两个总线分别独立运行，只有需要在两种总线间交换的数据才通过网关进行传输。这种方式可将不同类型的信息分开，减轻了各网络总线上的负担。

高速CAN总线主要连接电动汽车的驱动系统，可以实现对电机、电池、转向、制动等关键系统的快速控制。低速总线主要用于连接车身系统，并通过网关作为子网接入高速CAN总线，组成一个统一的多元网络。

本系统的网络构架如图（1）所示。

图（1） 网络构架

4．3、电池管理节点介绍：

电池管理系统一直是电动汽车发展中的一项关键技术，它最基本的作用是监视电池的工作状态，通过对电池电压、电流和温度这些参数的测量，预测电池的SOC和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作状况。电池管理系统框图如图（2）所示：

图（2） 电池管理系统框图

4．4、液晶显示节点介绍：

本设计采用液晶显示，它可以比模拟仪表显示更多的信息量，更有利于信息的集中管理，方便了驾驶员的操作。它所显示的信息主要包括：电池状态信息、电机状态信息、整车运行状态信息、车内设施状态信息、以及启动钥匙信息。它的主要信号如图表（2）所示：

表（2） 液晶显示节点主要信号

5、结束语：

现代汽车上的电子装置越来越多，一辆高档汽车的电气节点数已达上千个，如果采用传统的方法进行布线，连线的数量将非常惊人而且有极大的故障隐患。而基于CAN总线的开关磁阻电机驱动系统可以实现车内各个节点信息的共享，极大地改善车内布局，提高车的整体性能。

目前在国内已开发出混合动力汽车的整车电子控制系统，但它市基于混合动力汽车的，在控制节点和仪表显示上与本文开发的纯电动汽车有较大差别。本文设计的整车电子控制系统直接应用于纯电动汽车，采用数字液晶显示，可达到节能、简单、可靠的更高要求。从目前世界各国的电动汽车整车电子控制系统来看，其电机控制节点欧美多采用交流感应电机，日本多用直流电动机，仪表显示节点多采用模拟仪表。本文设计的整车电控系统应用于开关磁阻电机驱动的电动汽车上，采用数字液晶显示，弥补了这一领域的研究。