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基于CAN总线的电动汽车驱动控制系统分析.pdf

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中文摘要 I 摘 要 随着我 国 汽车保有量急剧增加,能源和环境问题将更加突出。人们迫切需要寻求一种低排放和节约能源的交通工具。电动汽车作为一种清洁的交通工具,成为了人们关注和研究的热点。 本课题 是 基于电动车研究的一个子项目基于 CAN 总线的电动车驱动系统研究。 本论文首先根据电动 汽 车对驱动系统的要求,提出了基于 CAN 总线的电动车驱动系统网络结构, 其可 作为一个单独模块连接到 CAN 主干网络上。在该结构中,驱动系统中各个控制单元通过 CAN 总线实现通信, 它 被称为节点。节点分为 2 个部分监测节点和控制节点。电动车驱动系统通过这两个部分的多个节点实 现电动车的电动机回馈驱动、电制动。 其次,本论文设计了整个 驱动 系统 CAN 网络硬件电路。同时,为了使 驱动 系统中各个结点之间能够实现数据通信,本论文借鉴了 SAEJ1939 协议,制定了整个驱动系统 CAN 网应用层协议。该协议定义了系统中不同的数据类型、每个数据类型不同的优先级、每个数据的意义以及每个数据实现的不同功能。经分析 , 该协议能够满足系统的实时性要求,为 CAN 总线 应用于 电动车驱动系统提供了可能。 再次, 本论文对制动系统中各个监测节点做 了 深入的研究,设计了轮速监测节点、加速度节点、电流电压监测节点及各个节点的控 制程序。 最后,本论文建立了电动车驱动控制系统,通过在给定车型数据的条件下模拟了电动车在不同车速、不同路况下的运行过程,仿真结果 表明 该系统能够实现电动机的 优化控制 。 电动车 的发展 在国内还处于初级阶段, CAN 总线在电动车的应用更是处于探索状态,本文研究了 CAN 总线在电动车上的应用,通过仿真模拟了电动车的 模糊控制策略,为电动车研究进行了 一次 有益的探索。 关键词 CAN 总线 , 电动汽车 , 驱动系统 , 模糊控制 重庆大学硕士学位论文 II 英 文摘要 III ABSTRACT Nowadays, with more and more vehicles consuming increasing amount of gas, and more and more pollution from vehicles jeopardizing environment, people begun to realize the electric vehicle is a key point to balance the environment and vehicle. The EV have become the focus being researched and paid great attention to by the whole society. This paper is an important part of electric bus project, focusing on the research of EV driving system based on CAN Bus. This paper has firstly present the structure of EV driving system based on CAN Bus through analyzing the requirement of the EV, which is viewed as a single module connected to the main network in EV. In this structure, the driving system communicated with other modules through the CAN bus, which is called as node. The node consists of two parts detecting node and controlling node. The EV driving system realized the feedback control and electric braking etc by the two nodes. Secondly, the design of the CAN bus hardware circuit for the driving system was present. To realize the proper communication among all nodes, the higher level protocol of the CAN bus is given. The different data style 、 the different priority 、 data’s meaning and the cuted function were defined in that protocol. By analyzing, the protocol could meet the real-time requirements of the system. Which make the CAN bus’s application to the EV possible. Again, the monitor nodes in driving system are researched deeply in this paper; the wheel speed node、 the accelerating node and the current and voltage node are designed and the design of controlling program is present. Finally, the of the driving control was given. Under the given data about EV, the electric vehicle’s work was simulated by ADVISOR when the automobile speed and the traffic were different. We can see that the system can make the electric vehicle work properly. The electric vehicle is in the initial stage in our country, even more about the application to the electric vehicle; this paper makes the application to the EV researched, and simulates the work of the fuzzy-based electric control system, and makes the active attempt for CAN bus applied to the EV. Key words CAN Bus; electric vehicle; driving system; fuzzy control 重庆大学硕士学位论文 IV 目录 V 目 录 中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪 论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 CAN 总线网络在电动汽车上的应用 .................................................................................. 1 1.2 CAN 总线技术概述 .............................................................................................................. 2 1.2.1 车载网络技术的作用 ................................................................................................ 2 1.2.2 车载网络分类 ............................................................................................................ 3 1.2.3 CAN 总线技术规范简介 ............................................................................................ 3 1.2.4 CAN 总线的特点 ........................................................................................................ 5 1.3 本课题的主要研究工作及其现实意义 ............................................................................... 6 1.3.1 论文的主要研究工作 ................................................................................................ 6 1.3.2 论文的意义 ................................................................................................................ 6 2 CAN 总线网络节点及报文设计 .................................................................................. 7 2.1 CAN 总线网络 节点硬件选择 .............................................................................................. 7 2.1.1 CAN 总线驱动控制系统主节点 ................................................................................ 7 2.1.2 CAN 总线驱动控制系统子节点硬件选择 ................................................................ 8 2.1.3 抗干扰技术 .............................................................................................................. 14 2.2 CAN 总线 2.0B 技术规范 ................................................................................................... 14 2.2.1 数据帧 ...................................................................................................................... 14 2.2.2 远程帧 ...................................................................................................................... 15 2.2.3 出错帧 ....................................................................................................................... 16 2.2.4 超载帧 ...................................................................................................................... 16 2.2.5 帧间空间 .................................................................................................................. 16 2.3 CAN 总线网络协议的选择 ................................................................................................ 16 2.4 J1939 协议在 CAN 总线电驱动控制系统中的实现 ......................................................... 18 2.4.1 各个节点信息发送周期的选择 .............................................................................. 19 2.4.2 优先级的选择 .......................................................................................................... 20 2.4.3 节点地址的确定 ...................................................................................................... 20 2.4.4 报文编码 .................................................................................................................. 21 2.5 驱动系统 CAN 总线节点的软件设计 .............................................................................. 22 2.5.1 初始化子程序 .......................................................................................................... 22 重庆大学硕士学位论文 VI 2.5.2 发送子程序 .............................................................................................................. 23 2.5.3 中断方式接收子程序 .............................................................................................. 24 2.6 本章小结 ............................................................................................................................. 25 3 基于 CAN 总线电动汽车电驱动系统的总体设计 .......................................... 27 3.1 电动汽车驱 动系统研究现状与发展 ................................................................................. 27 3.2 基于 CAN 总线电动汽车驱动系统网络拓扑结构 .......................................................... 28 3.3 驱动系统 CAN 网络的硬件设计 ...................................................................................... 29 3.3.1 CAN 总线驱动系统总线介质设定 .......................................................................... 29 3.3.2 驱动系统总线速率的设定 ...................................................................................... 29 3.3.3 驱动系统各结点屏蔽器的设计 .............................................................................. 31 3.4 CAN 总线驱动系统监测节点硬件设计 ............................................................................ 32 3.4.1 轮速监测节点硬件设计 .......................................................................................... 33 3.4.2 加速度节点硬件设计 .............................................................................................. 36 3.4.3 电池监测管理模块设计 .......................................................................................... 39 3.5 本章小结 ............................................................................................................................. 41 4 驱动系统控制策略及算法 ............................................................................................ 43 4.1 电驱动控制系统功能描述 ................................................................................................. 43 4.2 电驱动系统控制策略模型 ................................................................................................. 44 4.3 电驱动控制系统模糊控制策略研究 ................................................................................. 47 4.3.1 模糊控制简介 .......................................................................................................... 47 4.3.2 模糊控制原理及其控制系统组成 .......................................................................... 48 4.3.3 基本模糊控制设计的方法 ...................................................................................... 50 4.3.4 模糊控制系统建模 .................................................................................................. 53 4.4 本章小结 ............................................................................................................................. 58 5 电动汽车电驱动系统建模与仿真 ............................................................................ 59 5.1 电机的工作原理和模型的建立 ......................................................................................... 59 5.1.1 电机的工作原理 ...................................................................................................... 59 5.1.2 电机模型的建立 ...................................................................................................... 59 5.2 电动机参数的确定 ............................................................................................................. 62 5.2.1 电动机额定功率和最大功率的选择 ...................................................................... 62 5.2.2 电动机额定转速和最高转速的选择 ...................................................................... 65 5.2.3 电动机额定电压的选择 .......................................................................................... 65 5.3 仿真及结果分析 .................................................................................................................. 66 5.3.1 电动汽车循环工况 ................................................................................................... 66 目录 VII 5.3.2 仿真结果分析 .......................................................................................................... 67 5.4 本章小结 .............................................................................................................................. 70 6 结 论 ....................................................................................................................................... 71 致 谢 ....................................................................................................................................... 73 参考文献 ....................................................................................................................................... 75 附 录 ....................................................................................................................................... 79 重庆大学硕士学位论文 VIII 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 CAN 总线 网络 在电动汽车上的应用 随着国内汽车消费市场的飞速发展,与汽车相关的高新技术伴随着世界汽车巨头推崇的全球新车同步上市的浪潮不断地涌向中国市场,在国家的大力支持下,中国汽车电子技术的自主创新能力不断增强,作为汽车电子关键技术之一的车载网络在 关键技术上与全球同步发展 [1,2]。 目前与汽车动力、底盘和车身密切相关的车载网络主要有 CAN、 LIN 和 FlexRay。从全球车载网络的应用现状来看,通过 20 多年的发展, CAN 已成为目前全球产业化汽车应用车载网络的主流,目前 CAN 已由过去仅服务中、高级轿车,逐渐渗透到 6 万人民币以下的家用轿车之中,近两年在国内新下线的合资品牌轿车 中 全部都采用 了 CAN 技术 。 从国内车载网络的发展来看,我们已掌握了 CAN 应用关键技术。在 2005 年九月十八 日国家 “十五 ”重大科技成就展在北京海淀展览馆向 社会公众所有展示的新能源汽车全采用了自主研发基于 CAN 的车载网络,其中,由北京理工大学主持研发的纯电动公交车、 东风汽车 主持研发的混合动力公交车已进入试运营阶段。在传统汽车方面,一汽在展会上展示了自主研发的大客车,在这辆大客车中安装有一汽车自主研发的 AMT,其中 AMT 控制器采用了自主研发基于 CAN 的车载网络, AMT 通过车载网络与车上的其他零部件进行信息交互 。 自主研发基于 CAN 车载网络在新能源汽车和传统汽车上的成功应用,标志着自主研发的车载网络已深入到汽车控制的核心 汽车动力系统之中。 为了规范国内的车 载网络,为有志于从事车载网络的企业指明方向,全国汽车标准化技术委员会在 2005 年开始持续在网上公布商用车控制系统局域网络CAN通信协议系列国家标准征求意见稿,处于战国纷飞基于 CAN 的车载网络开始纳入标准化规范化管理,自主研发的车载网络在技术上走向成熟,并开始了它的产业化进程。 随着国内汽车电子的发展,一方面传统的零部件企业受市场竞争的驱动,急需利用电子信息技术改造传统的零部件,以借助车载网络提升其产品的性能,使其在竞争中取得有利地位;另一方面从事车载网络的研发单位需要在传统的汽车零部件行业中寻找 合作者为车载网络提供载体,以进入相对封闭的汽车行业。具有十多年汽车仪表生产历史的哈尔滨航天风华科技股份有限公司从 1994 年研制成功电子式车速里程表以来,其产品经过动圈式汽车仪表、动磁式汽车仪表,现已平稳过渡到基于 CAN 和步进电机的智能汽车仪表。而中国科学院沈阳自动化研
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