基于CAN總線的電動車控制系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)前全球汽車工業(yè)面臨金融危機和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)，實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)的趨勢。提高電動汽車上的各個控制單元間通信的可靠性和實現(xiàn)高傳輸速率，選擇CAN總線協(xié)議。CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可在任意時刻向其他節(jié)點發(fā)送信息。它采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，可靠性高。CAN總線通信距離長達10 km，通信速率最高可達1 Mb／s。CAN通信系統(tǒng)抗干擾性好，工作穩(wěn)定。某個節(jié)點出現(xiàn)故障，不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)通信的不正常。由于采用短幀的報文結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸時間短，具有很強的抗干擾性，具有高效的非破壞總線仲裁，出錯檢測和故障自動關(guān)閉等優(yōu)點。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
電動車控制系統(tǒng)由電池管理、充電機、電動機和整車控制等模塊組成。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1知，CAN通信網(wǎng)絡(luò)上共有4個通信節(jié)點。整車控制器接收BMS、CCS、電機控制器的報文提供的各種參數(shù)；充電機接收BMS發(fā)送的控制信息并根據(jù)報文數(shù)據(jù)的電壓電流設(shè)置來工作；電機控制器接收BMS發(fā)送的電池狀態(tài)信息設(shè)置來工作，同時電機控制器接收由整車控制器發(fā)送的控制信息并根據(jù)報文數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩設(shè)置來工作。

2 CAN總線節(jié)點的硬件電路設(shè)計
整車控制模塊這一節(jié)點所實現(xiàn)的功能主要是接收其他節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，通過控制算法等進行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送控制信息給電機控制器，從而實現(xiàn)電動車的正常功能運行。
整車控制節(jié)點是基于STM32F103VE設(shè)計的。ARMCortex TM-M3是一款高性能、低成本、低功耗的32位BISC處理器，可在高達72 MHz的頻率下運行，擁有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可進行高性能的CPU訪問。該徽控制器包含1個USB2．0全速(12 Mb／s)設(shè)備、1路CAN2．0B通道、1個通用DMA控制器、3個16位的A／D轉(zhuǎn)換器和1個16位的D／A轉(zhuǎn)換器。同時該微控制器具有4個16位捕獲／比較定時器和1個看門狗定時器，因此ARM cortexTM-M3可以滿足電動車控制的需要，減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計的復(fù)雜度。STM32F103VE支持J-Link實時仿真和跟蹤，內(nèi)部搭載有1通道的支持CAN20.B規(guī)格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設(shè)計更加方便。整車控制節(jié)點硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、CAN總線收發(fā)器82C250、2個高速光耦16N137等組成。

STM32F103VE采用單電源供電，時鐘由8 MHz外部晶振產(chǎn)生。對Flash存儲器的編程通過J-Link進行編程(IAR)實現(xiàn)。STM32F103VE內(nèi)部集成一路CAN控制器，簡化了傳統(tǒng)單片機外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復(fù)雜外圍電路。收發(fā)器82C250是CAN控鑭器和物理總線之問的驅(qū)動器接口，它可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其位速度高達1Mb／s，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強，準(zhǔn)備模式可以減少網(wǎng)絡(luò)的功耗，準(zhǔn)備模式中，網(wǎng)絡(luò)一旦檢測到總線上有報文就會被立即激活。同時，它可提供更強抗干擾能力，以及有熱保護、短路保護、支持多達110個節(jié)點等好處。
在微控制器和CAN總線收發(fā)器之間，采用了2個高速光電耦合器6N137進行電氣隔離，防止將總線干擾引入系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，在節(jié)點端部接有1個120 Ω終端匹配電阻，提高了數(shù)據(jù)通信的抗干擾性。