四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車高速CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)

伴隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，CAN總線通訊技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，它可為純電動(dòng)汽車上四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，以及剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定裝置(ESP)等主動(dòng)安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供便利。

在設(shè)計(jì)CAN總線通信系統(tǒng)時(shí)，總要面臨著CAN數(shù)據(jù)的診斷與分析問題，不能解決該問題，便不能完成設(shè)計(jì)。本文基于Kvaser Leaf Professional HS這一USB_CAN工具，借助于Visual Basic環(huán)境，在PC機(jī)上開發(fā)出數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并在該分析系統(tǒng)與四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車電機(jī)控制板之間實(shí)現(xiàn)了CAN通信。通過對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，能夠更好地完成CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車控制策略

電動(dòng)車實(shí)物模型中使用的分布式四輪電子差速系統(tǒng)由一個(gè)中央控制器、四個(gè)電動(dòng)輪控制器及CAN總線網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分組成，其在電動(dòng)車實(shí)物模型上的布局如圖1所示。



圖1 分布式四輪電子差速系統(tǒng)在車身上的布局

在該分布式系統(tǒng)中，基于四輪獨(dú)立控制的電子差速算法被分為整車差速算法與轉(zhuǎn)速控制算法兩個(gè)部分，其中轉(zhuǎn)速控制算法是針對(duì)每個(gè)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。中央控制器與四個(gè)電動(dòng)輪控制器通過CAN總線連
接成一個(gè)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。

在該系統(tǒng)控制過程中，中央控制器通過A/D采樣獲得來自轉(zhuǎn)向傳感器的車輛轉(zhuǎn)向角度信號(hào)和來自手柄轉(zhuǎn)把中的車速設(shè)定信號(hào)，經(jīng)過整車差速算法，分別獲得四個(gè)車輪當(dāng)前各自應(yīng)有的轉(zhuǎn)速，并將這一結(jié)果作為當(dāng)前時(shí)刻對(duì)應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值，通過CAN總線發(fā)送給相應(yīng)的電動(dòng)輪控制器。四個(gè)車輪控制器以從 CAN總線收到的轉(zhuǎn)速設(shè)定值作為控制目標(biāo)，使用電動(dòng)轉(zhuǎn)速控制算法對(duì)各自的電動(dòng)輪進(jìn)行控制，使各個(gè)電動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)滿足整車差速算法的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車輛的平順轉(zhuǎn)向。

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車CAN控制網(wǎng)絡(luò)

通過CAN總線，本四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車中央控制器將車輪的速度等設(shè)定值傳送給每個(gè)車輪的控制器，同時(shí)，各電機(jī)控制器將實(shí)際轉(zhuǎn)速等信息通過CAN總線反饋給中央控制器。CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。



圖2 CAN控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中共含有五個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)：四個(gè)電動(dòng)輪電機(jī)控制器a、b、c、d，以及一個(gè)電動(dòng)車中央控制器e。

在設(shè)計(jì)應(yīng)用層協(xié)議時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用為總線消息編排一個(gè)合理的總線仲裁優(yōu)先順序，以改善CAN通訊的實(shí)時(shí)性。在本應(yīng)用場(chǎng)合中，下行數(shù)據(jù)即中央控制器發(fā)給各電動(dòng)輪電機(jī)控制器的控制命令，比上行數(shù)據(jù)即各電動(dòng)輪電機(jī)控制器的反饋信息具有更高的優(yōu)先級(jí)。此外，中央控制器發(fā)往四個(gè)車輪控制器的指令必須同步，才能為后續(xù)控制提供可靠的前提。

綜合考慮以上因素，本文設(shè)計(jì)了如表1所示的CAN數(shù)據(jù)報(bào)文ID體系。

電機(jī)控制器a、b、c、d分別控制電動(dòng)車左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。中央控制器發(fā)出的CAN消息數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)如圖3所示。



圖3 中央控制器CAN消息數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)

中央控制器發(fā)出的ID為0x010和0x020的CAN數(shù)據(jù)，表示轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值，對(duì)應(yīng)的實(shí)際值為模擬量，這里采用了16位長(zhǎng)度的有限精度定點(diǎn)數(shù)表示。16位數(shù)據(jù)中高9位表示整數(shù)，低7位表示小數(shù)，即9Q7格式的定點(diǎn)數(shù)。對(duì)于中央控制器發(fā)出的ID為0x00F的CAN數(shù)據(jù)，發(fā)給每一個(gè)電機(jī)控制器的命令也是16位的數(shù)據(jù)，低8位表示剎車命令，高8位表示控制模式選擇命令。

四個(gè)電機(jī)控制器向中央控制器反饋當(dāng)前狀態(tài)信息的CAN消息數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)如圖4所示。



圖4 電機(jī)控制反饋狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)

CAN總線消息的觸發(fā)方式有兩種：事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)。前者適用于發(fā)送時(shí)間上離散變化的開關(guān)狀態(tài)量，如剎車命令與控制模式選擇命令;后者適用于發(fā)送時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量，如轉(zhuǎn)速設(shè)定值與轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。由于本控制系統(tǒng)中兼有上述兩類總線信息，故采用事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)相結(jié)合的方式來進(jìn)行發(fā)送。

Kvaser Leaf Professional HS簡(jiǎn)介

Kvaser Leaf Professional是用于CAN和LIN的單通道USB接口，該設(shè)備提供了把幾個(gè)接口簡(jiǎn)單接入PC的可能性，可以方便地實(shí)現(xiàn)同一個(gè)USB Hub上連接多個(gè)Kvaser Leaf設(shè)備，并且無需額外的連接。此外，它還具有很好的EMC(Electro Magnetic Compatibility)性能以及即插即拔的特點(diǎn)。同時(shí)，由于一個(gè)USB Hub上可以連接多個(gè)設(shè)備，因此各個(gè)設(shè)備都可以由該Hub進(jìn)行供電，具有很低的功耗。

Kvaser提供的庫(kù)函數(shù)非常豐富，用戶可以根據(jù)自己的需要調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，靈活地處理CAN總線數(shù)據(jù)。