CAN总线在纯电动汽车电机控制系统中的应用

CAN总线在纯电动汽车电机控制系统中的应用CAN总线全称控制器局域网(ControllerAreaNetwork)，是BOSCH公司于20世纪80年代提出的，为解决现代汽车中众多控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。可很好地解决传统布线方法存在的连线数量惊人且故障隐患大的问题。如今几乎每一辆在欧洲生产的新轿车都至少装配一个CAN,总线网络。而且CAN,总线也被广泛应用到火车、轮船等其它交通工具中，并被国际标准化组织制定为IS011898标准。纯电动汽车采用电机代替传统的发动机，因此电机控制子系统与CAN,总线上的节点的通讯就显得十分重要。本文主要讨论CAN,总线在纯电动汽车电机控制系统中的应用情况。1CAN节点的硬件设计当今的电机控制已经进入到全数字控制阶段，本设计选用TI公司的DSPTMS320LF2407作为电机控制器。TMS320LF2407是一种低成本、低功耗、高性能的处理器，其执行速度达到30MIPS，指令周期缩短到33ns；有两个事件管理模块，可实现PWM的对称和非对称波形，可编程的PWM死区控制等专门应用于电机的数字化控制的设计。同时TMS320LF2407还集成CAN控制器模块。集成的CAN控制器有以下特性：完全支持CAN2.0B协议，支持标准和扩展标识符；有6个邮箱，其数据长度为0-8个字节，2个接收2个发送，2个可以配置为接收或发送；有15个16位控制寄存器，控制CAN的位定时器、邮箱的发送和接收使能、错误状态及中断等；当发送出现错误或仲裁时丢失数据，CAN控制器有自动重发功能等。CAN总线接口的总线收发器采用PHILIPS公司的PCA82C250。82C250是CAN控制器与物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收能力，与IS011898标准完全兼容，并具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的能力。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，在CAN控制器和CAN收发器之间采用光耦6N137进行隔离。硬件电路如图1所示。图中在总线的物理接口处添加终端电阻R502，在本节点为总线的末节点时，需要接人终端电阻时，将短路块JTR短接，即可将终端电阻接人总线。不需要接入终端电阻时，将短路块JTR开路即可。这样的设计可以方便将节点接人总线的任意位置。2CAN节点的软件设计CAN2.0B中规定，有两种不同的帧格式：含有11位标识符的帧为标准帧；含有29位标识符的帧为扩展帧。CAN节点间传输的报文有4种不同类型的帧：(U数据帧(DataFrame)，将数据发送到CAN,总线上，供其它节点接收；②远程帧(RemoteFrame)，节点发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧；③错误帧(ErrorFrame)，任何节点检测到总线错误时发出错误帧；④过载帧(OverloadFrame)，在相邻数据帧和远程帧之间提供附加的延时。其中数据帧和远程帧可以使用上述两种帧格式。图1TMS320LF2407的CAN节点接口电路由于CAN总线符合ISO/OSI参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议，用户需自己开发应用层协议。需根据整车的应用层协议规定CAN帧的标识符和数据域的含义。本系统中采用的是扩展帧格式，在汽车的主控制器和电机控制器间共有8种不同类型的数据，也就有8种不同的标识符，分别是主控制器发给电机控制器的电机控制指令、驾驶需求、制动、故障信号；电机控制器发给主控制器的电机状态1(转速、转矩)、电机状态2(电流、电压)、电机状态3(电机温度)、电机故障信号。由应用层协议来决定CAN控制器发送和接收的帧格式。TMS320LF2407的CAN控制器模块包括6个邮箱，每个邮箱由邮箱标识寄存器、邮箱控制寄存器、4x16位的存储空间组成。在对CAN控制器进行操作前，对位定时器和邮箱进行初始化，本系统将邮箱3配置为发送邮箱，邮箱2配置为接收邮箱；发送用查询的方式，接收采用中断方式。图2为CAN初始化程序框图。图2CAN初始化程序框图根据系统应用层协议的规定对CAN控制器初始化后，电机控制器即可与CAN,总线上的其它节点进行通讯。当主控制器需要给电机控制器发送指令时，主控制器要保证发送指令的数据帧ID与电机控制器的ID一致。电机控制器检测到总线上有数据时，比较总线上数据帧ID与自身的ID，如一致则接收该数据帧，如不一致则不接收，从而保证数据帧能够正确传送到目的节点，而其它非目的节点不会接收。电机控制器正确接收到主控制器的数据帧后，分析数据帧的数据域数据，解析出控制命令，即由应用层协议判断控制信号，由控制器实现对电机的控制。同样，电机控制器可以将状态信息传给主控制器和总线上的其它节点，每个节点只接收ID与自身ID一致的数据帧。这样电机控制系统与CAN总线上其它节点之间就可以方便地实现通讯。由于CAN,总线的应用实现了车身各子系统之间的资源共享，就可根据智能化的要求和综合协调控制的特点组成一个协调控制的综合系统，全面提高汽车的整体性能。3结论在电机控制子系统调试完毕后，对各子系统联合进行了整车台架试验。在试验中，电机控制子系统作为CAN总线上的一个节点与其它节点组成的网络系统很好地完成了预定的控制与通讯功能，系统表现出了较强的可靠性。实验结果表明在纯电动汽车电机控制系统中，CAN节点的设计很好地满足了设计的要求，达到了预期的目的。