基于CAN總線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：吳志紅;新贏;朱元;雷達(dá)

伴隨著電動汽車的發(fā)展，CAN總線通訊技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，它可為純電動汽車上四輪獨(dú)立驅(qū)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(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)動電動車電機(jī)控制板之間實(shí)現(xiàn)了CAN通信。通過對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)動電動車控制策略

電動車實(shí)物模型中使用的分布式四輪電子差速系統(tǒng)由一個中央控制器、四個電動輪控制器及CAN總線網(wǎng)絡(luò)三個部分組成，其在電動車實(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)速控制算法兩個部分，其中轉(zhuǎn)速控制算法是針對每個電動輪轉(zhuǎn)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(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)向角度信號和來自手柄轉(zhuǎn)把中的車速設(shè)定信號，經(jīng)過整車差速算法，分別獲得四個車輪當(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)的電動輪控制器。四個車輪控制器以從CAN總線收到的轉(zhuǎn)速設(shè)定值作為控制目標(biāo)，使用電動轉(zhuǎn)速控制算法對各自的電動輪進(jìn)行控制，使各個電動輪的實(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)電動車輛的平順轉(zhuǎn)向。

四輪獨(dú)立驅(qū)動電動車CAN控制網(wǎng)絡(luò)

通過CAN總線，本四輪驅(qū)動電動車中央控制器將車輪的速度等設(shè)定值傳送給每個車輪的控制器，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)

整個網(wǎng)絡(luò)中共含有五個CAN節(jié)點(diǎn)：四個電動輪電機(jī)控制器a、b、c、d，以及一個電動車中央控制器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)用場合中，下行數(shù)據(jù)即中央控制器發(fā)給各電動輪電機(jī)控制器的控制命令，比上行數(shù)據(jù)即各電動輪電機(jī)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(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，對應(yīng)的實(shí)際值為模擬量，這里采用了16位長度的有限精度定點(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(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)備提供了把幾個接口簡單接入PC的可能性，可以方便地實(shí)現(xiàn)同一個USB Hub上連接多個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USB Hub上可以連接多個設(shè)備，因此各個設(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)的庫函數(shù)，靈活地處理CAN總線數(shù)據(jù)。

PC機(jī)CAN數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)電輪獨(dú)立驅(qū)動車中央控制器與四個電機(jī)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(jī)的當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)信息。同時(shí)，還可以顯示各個電機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)開發(fā)，應(yīng)用了Measurement Studio軟件中的CWGraph控件來顯示轉(zhuǎn)速曲線。通過Kvaser Leaf Professional HS，PC機(jī)與控制板之間的CAN通信得以實(shí)現(xiàn)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速曲線的子窗體組成，如圖5所示。

圖5 窗體結(jié)構(gòu)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(shí)并不顯示，通過主窗體上的相應(yīng)按鍵可以控制子窗體的啟動以及關(guān)閉，亦即顯示和關(guān)閉各車輪轉(zhuǎn)速曲線。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，最先啟動的是主窗體，通過主窗體上對相應(yīng)按鍵的點(diǎn)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(jī)控制板之間的CAN消息，通過界面內(nèi)部數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理后，在相應(yīng)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(yīng)信息。

當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)保存時(shí)，單擊Data_Record按鍵，便會彈出選擇數(shù)據(jù)庫的窗口，選擇已經(jīng)建立好的數(shù)據(jù)庫后，電機(jī)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(shí)中止數(shù)據(jù)保存。需要注意的是，被保存的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的數(shù)據(jù)都保存下來的話，在電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)，首先應(yīng)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(shè)計(jì)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(jìn)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(yīng)的表中。比如，本設(shè)計(jì)中為四個電機(jī)分別建立了一個獨(dú)立的表，用以存儲其運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)信息，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(jìn)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(jié)語

在本設(shè)計(jì)的軟件方面，在VB環(huán)境下，MeasurementStudio提供了功能強(qiáng)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(shí)現(xiàn)變得容易，且效果也比常規(guī)的設(shè)計(jì)方法更好。經(jīng)過聯(lián)機(jī)調(diào)試證明，本系統(tǒng)能有效地對CAN總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

責(zé)任編輯：gt