作者：吳志紅;新贏;朱元;雷達

伴隨著電動汽車的發(fā)展，CAN總線通訊技術應用越來越廣泛，它可為純電動汽車上四輪獨立驅動控制，以及剎車防抱死系統(tǒng)（ABS）、電子穩(wěn)定裝置（ESP）等主動安全系統(tǒng)的實現(xiàn)提供便利。

在設計CAN總線通信系統(tǒng)時，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，便不能完成設計。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)與四輪獨立驅動電動車電機控制板之間實現(xiàn)了CAN通信。通過對CAN總線數(shù)據(jù)進行診斷分析，能夠更好地完成CAN總線系統(tǒng)的設計。

四輪獨立驅動電動車控制策略

電動車實物模型中使用的分布式四輪電子差速系統(tǒng)由一個中央控制器、四個電動輪控制器及CAN總線網絡三個部分組成，其在電動車實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，基于四輪獨立控制的電子差速算法被分為整車差速算法與轉速控制算法兩個部分，其中轉速控制算法是針對每個電動輪轉速。中央控制器與四個電動輪控制器通過CAN總線連接成一個實時控制網絡。

在該系統(tǒng)控制過程中，中央控制器通過A/D采樣獲得來自轉向傳感器的車輛轉向角度信號和來自手柄轉把中的車速設定信號，經過整車差速算法，分別獲得四個車輪當前各自應有的轉速，并將這一結果作為當前時刻對應車輪的轉速控制設定值，通過CAN總線發(fā)送給相應的電動輪控制器。四個車輪控制器以從CAN總線收到的轉速設定值作為控制目標，使用電動轉速控制算法對各自的電動輪進行控制，使各個電動輪的實際轉速實時滿足整車差速算法的要求，進而實現(xiàn)電動車輛的平順轉向。

四輪獨立驅動電動車CAN控制網絡

通過CAN總線，本四輪驅動電動車中央控制器將車輪的速度等設定值傳送給每個車輪的控制器，同時，各電機控制器將實際轉速等信息通過CAN總線反饋給中央控制器。CAN網絡的拓撲結構如圖2所示。

圖2 CAN控制網絡拓撲結構

整個網絡中共含有五個CAN節(jié)點：四個電動輪電機控制器a、b、c、d，以及一個電動車中央控制器e。

在設計應用層協(xié)議時，必須根據(jù)實際應用為總線消息編排一個合理的總線仲裁優(yōu)先順序，以改善CAN通訊的實時性。在本應用場合中，下行數(shù)據(jù)即中央控制器發(fā)給各電動輪電機控制器的控制命令，比上行數(shù)據(jù)即各電動輪電機控制器的反饋信息具有更高的優(yōu)先級。此外，中央控制器發(fā)往四個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，本文設計了如表1所示的CAN數(shù)據(jù)報文ID體系。

電機控制器a、b、c、d分別控制電動車左前輪、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)域結構如圖3所示。

圖3 中央控制器CAN消息數(shù)據(jù)域結構

中央控制器發(fā)出的ID為0x010和0x020的CAN數(shù)據(jù)，表示轉速以及轉矩的設定值，對應的實際值為模擬量，這里采用了16位長度的有限精度定點數(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格式的定點數(shù)。對于中央控制器發(fā)出的ID為0x00F的CAN數(shù)據(jù)，發(fā)給每一個電機控制器的命令也是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。

四個電機控制器向中央控制器反饋當前狀態(tài)信息的CAN消息數(shù)據(jù)域結構如圖4所示。

圖4 電機控制反饋狀態(tài)信息結構

CAN總線消息的觸發(fā)方式有兩種：事件觸發(fā)與時間觸發(fā)。前者適用于發(fā)送時間上離散變化的開關狀態(tài)量，如剎車命令與控制模式選擇命令;后者適用于發(fā)送時間上連續(xù)變化的模擬量，如轉速設定值與轉矩設定值。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)與時間觸發(fā)相結合的方式來進行發(fā)送。

Kvaser Leaf Professional HS簡介

Kvaser Leaf Professional是用于CAN和LIN的單通道USB接口，該設備提供了把幾個接口簡單接入PC的可能性，可以方便地實現(xiàn)同一個USB Hub上連接多個Kvaser Leaf設備，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。同時，由于一個USB Hub上可以連接多個設備，因此各個設備都可以由該Hub進行供電，具有很低的功耗。

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

PC機CAN數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計

該數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)電輪獨立驅動車中央控制器與四個電機控制器之間的CAN通信數(shù)據(jù)，動態(tài)地顯示中央控制器發(fā)出的命令，以及各個電機的當前運轉信息。同時，還可以顯示各個電機轉速的變化曲線，并具有數(shù)據(jù)保存功能，便于離線分析。

該系統(tǒng)基于Visual Basic語言設計開發(fā)，應用了Measurement Studio軟件中的CWGraph控件來顯示轉速曲線。通過Kvaser Leaf Professional HS，PC機與控制板之間的CAN通信得以實現(xiàn)。電機運轉數(shù)據(jù)的保存則通過VB編程連接Microsoft Access數(shù)據(jù)庫完成。這樣，系統(tǒng)就可以由一個主窗體和五個顯示電機轉速曲線的子窗體組成，如圖5所示。

圖5 窗體結構圖

這里，主窗體是啟動窗體，子窗體A、B、C、D、E在主窗體啟動時并不顯示，通過主窗體上的相應按鍵可以控制子窗體的啟動以及關閉，亦即顯示和關閉各車輪轉速曲線。

系統(tǒng)運行時，最先啟動的是主窗體，通過主窗體上對相應按鍵的點擊等操作，可以方便地與各控制板之間建立CAN通信，接收主控板與電機控制板之間的CAN消息，通過界面內部數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理后，在相應顯示區(qū)域加以顯示。

CAN通信正常后，五個顯示區(qū)域便會根據(jù)CAN總線上的消息動態(tài)更新并顯示相應信息。

當需要進行數(shù)據(jù)保存時，單擊Data_Record按鍵，便會彈出選擇數(shù)據(jù)庫的窗口，選擇已經建立好的數(shù)據(jù)庫后，電機的狀態(tài)數(shù)據(jù)便可以保存在被選擇的數(shù)據(jù)庫中，還可以隨時中止數(shù)據(jù)保存。需要注意的是，被保存的電機運轉狀態(tài)數(shù)據(jù)是在單擊Data_Record按鍵并選擇好數(shù)據(jù)庫后界面收到的數(shù)據(jù)，這之前的數(shù)據(jù)并沒有保存。也就是說，如果想把整個電機運轉過程的數(shù)據(jù)都保存下來的話，在電機開始運轉之前就要先單擊Data_Record按鍵，并選擇好數(shù)據(jù)庫。

在退出界面時，首先應該斷開CAN總線的連接，單擊Disconnect按鍵斷開。然后單擊Quit按鍵便可以正常退出界面。

本系統(tǒng)的設計采用了在VB中使用ADO（ActiveX Data Object）對象模型的方法，連接Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)保存。只要在一個數(shù)據(jù)庫中建立一系列的表，便可以將數(shù)據(jù)很方便地保存在相應的表中。比如，本設計中為四個電機分別建立了一個獨立的表，用以存儲其運轉的狀態(tài)信息，包括轉速、轉矩、電池電壓以及控制模式等信息。利用Access數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理功能可以很方便地進行離線的數(shù)據(jù)分析和處理。

為了方便不同用戶對系統(tǒng)的使用，在數(shù)據(jù)保存之前，系統(tǒng)提供了一個對話框讓用戶選擇已有的數(shù)據(jù)庫，便于用戶自定義數(shù)據(jù)保存的路徑。

結語

在本設計的軟件方面，在VB環(huán)境下，MeasurementStudio提供了功能強大的控件;硬件方面，具有Kvaser Leaf Professional HS以及Peak_CAN等工具，使得本系統(tǒng)的實現(xiàn)變得容易，且效果也比常規(guī)的設計方法更好。經過聯(lián)機調試證明，本系統(tǒng)能有效地對CAN總線的數(shù)據(jù)進行分析處理。

責任編輯：gt