基于CAN總線的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真與測試

易 威,羅森僑,彭憶強(qiáng)

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

基于CAN總線的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真與測試

易 威,羅森僑,彭憶強(qiáng)

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

根據(jù)CAN總線通信原理，設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，參照SAE J1939協(xié)議制定純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的CAN通信協(xié)議，并利用CANoe對總線系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真分析，最后采用Matlab/Simulink軟件結(jié)合CANcaseXL總線分析儀對純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)測試。通過仿真及測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證CAN通信協(xié)議及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性。

純電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)控制；CAN總線；J1939協(xié)議；硬件在環(huán)測試

0 引 言

汽車電子控制技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。CAN總線以其高可靠性、靈活性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，在車載控制器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）為了解決不同電控單元廠商協(xié)議不同而產(chǎn)生的通信兼容問題，在CAN2.0B基礎(chǔ)上制定的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)管理層協(xié)議。此協(xié)議采用29位擴(kuò)展標(biāo)識符，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址、命名、通信方式和報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級進(jìn)行了明確規(guī)定，并對各節(jié)點(diǎn)間的通信內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的說明，進(jìn)一步完善和擴(kuò)展了CAN的功能[1]。

本文參照SAE J1939協(xié)議制定了適用于純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的的CAN通信協(xié)議，并利用Vector公司的CANoe總線開發(fā)軟件對設(shè)計(jì)的CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行了性能仿真分析，最后采用Matlab/Simulink軟件結(jié)合CANcaseXL總線分析儀對純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件在環(huán)測試。

1 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)SAE J1939協(xié)議，以及所開發(fā)的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求，本文設(shè)計(jì)了基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。此通信網(wǎng)

絡(luò)主要由整車控制器（vehicle control unit，VCU）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器（motor controller，MC）、充電機(jī)控制系統(tǒng)（charger control system，CCS）、電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)通過CAN總線相互交換信息，實(shí)現(xiàn)對車輛不同工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制[2-3]。

圖1 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 總線節(jié)點(diǎn)地址分配

CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都有唯一一個(gè)地址與其對應(yīng)，SAE J1939協(xié)議中對節(jié)點(diǎn)源地址作了初步定義：0～127分配給在工業(yè)組0中最常用的設(shè)備；128～247留給行業(yè)特定分配；248～253留給特殊的設(shè)備。由于純電動(dòng)汽車中加入了傳統(tǒng)汽車所不具備的新部件，而SAE J1939中未定義這些部件的源地址，因此本文將這些部件的源地址定義在行業(yè)特定分配地址區(qū)域（128～247）[4]。其中整車控制器屬于常用設(shè)備，J1939協(xié)議中已定義。本文系統(tǒng)總線節(jié)點(diǎn)地址分配如表1所示。

表1 總線節(jié)點(diǎn)地址

1.2 總線報(bào)文定義

CAN總線數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式傳輸，每個(gè)報(bào)文有唯一的標(biāo)識符。SAE J1939協(xié)議在CAN2.0B擴(kuò)展幀的基礎(chǔ)上對29位標(biāo)識符作了進(jìn)一步的定義，將CAN標(biāo)識符劃分為如下部分：優(yōu)先級（P）、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁（DP）、協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）格式（PF）、PDU特定域（PS）和源地址（SA）[5]。

本系統(tǒng)總線節(jié)點(diǎn)報(bào)文采用周期發(fā)送方式，其定義及特性如表2所示。選用東風(fēng)電機(jī)有限公司研制的三相交流異步電機(jī)及控制器，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)變化較快，所以整車控制器與電機(jī)控制器的報(bào)文刷新率也較大，根據(jù)廠家的建議及測試結(jié)果，其報(bào)文周期定為50 ms；而電池狀態(tài)變化是一個(gè)較慢的過程，因此電池管理系統(tǒng)與充電機(jī)的報(bào)文刷新率較小，根據(jù)充電機(jī)生產(chǎn)廠家杭州鐵城信息科技有限公司提供的CAN通信規(guī)范及測試結(jié)果，其報(bào)文周期定為1000ms[6]。

以電機(jī)控制器報(bào)文2為例具體說明報(bào)文的組成。本幀報(bào)文分為兩部分：標(biāo)識符（ID）和數(shù)據(jù)域。標(biāo)識符中P的取值范圍為0～7，數(shù)字越小，優(yōu)先級越高，缺省定義是3；PF的值為2，小于240，為PDU1格式，即表示點(diǎn)對點(diǎn)傳輸；PS定義取決于PDU的格式，由于本幀報(bào)文為PDU1格式，則PS域表示目的地址，本報(bào)文中即整車控制器地址；SA定義的是源地址，本報(bào)文即電機(jī)控制器地址。本報(bào)文數(shù)據(jù)域?yàn)?字節(jié)長度，其中第6～7字節(jié)數(shù)據(jù)表示電機(jī)故障狀態(tài)字節(jié)，其定義如表3所示，每一位都分別表示電機(jī)及控制器的一種狀態(tài)，采用0和1值來表示狀態(tài)值。

1.3 總線報(bào)文傳輸機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信連接及數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)鏈路層完成。SAE J1939協(xié)議中定義了5種幀結(jié)構(gòu)：發(fā)送

請求幀、發(fā)送清除幀、結(jié)束應(yīng)答幀、連接失敗幀以及用來全局接收的廣播幀。

表2 總線報(bào)文定義及特性

表3 電機(jī)控制器故障狀態(tài)字節(jié)定義

本文主要采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，通信建立過程如圖2所示。節(jié)點(diǎn)間的通信連接通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)向目的地址發(fā)送一個(gè)發(fā)送請求幀而建立，在接收發(fā)送請求幀后，節(jié)點(diǎn)如果有足夠的空間來接收數(shù)據(jù)并且本地有相同的PGN，則發(fā)送一個(gè)發(fā)送清除幀，開始數(shù)據(jù)的傳送；如果存儲空間不夠或者數(shù)據(jù)無效等原因，節(jié)點(diǎn)需要拒絕連接，則發(fā)送連接失敗幀，連接關(guān)閉；如果數(shù)據(jù)接收全部完成，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)結(jié)束應(yīng)答幀，連接關(guān)閉[6]。

圖2 總線報(bào)文傳輸機(jī)制

2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

針對所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，本文首先進(jìn)行軟件仿真分析，利用CANoe軟件建立的虛擬控制器節(jié)點(diǎn)，分析其通信動(dòng)作，驗(yàn)證各節(jié)點(diǎn)功能完整性，并測得總線負(fù)載率。然后通過建立的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)進(jìn)一步測試實(shí)際控制器在物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的通信功能。

2.1 軟件仿真分析

采用CANoe軟件建立系統(tǒng)總線仿真模型。使用CANoe數(shù)據(jù)庫工具CANdb++建立純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的功能要求，在數(shù)據(jù)庫中加入虛擬節(jié)點(diǎn)、消息、信號、環(huán)境變量等內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)仿真測試[8]。

為實(shí)現(xiàn)虛擬節(jié)點(diǎn)仿真實(shí)際物理控制器的功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收報(bào)文，還需要采用CAPL語言（communication access programming language）編寫程序?qū)Ω魈摂M節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行定義。CAPL中節(jié)點(diǎn)行為觸發(fā)方式主要有消息觸發(fā)、鍵盤觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)，CAPL事件一旦被觸發(fā)，對應(yīng)的CAPL程序便開始執(zhí)行[9]。

本文主要仿真純電動(dòng)汽車正常運(yùn)行與停機(jī)充電階段的總線狀態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)仿真時(shí)的總線負(fù)載率如圖3所示。由于整車控制器節(jié)點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)的通信報(bào)文發(fā)送周期為50ms，系統(tǒng)仿真開始后，總線負(fù)載率快速上升至3.76%，而電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通信報(bào)文發(fā)送周期為1000ms，因此1 s之后定時(shí)器才觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)開始工作，此時(shí)總線負(fù)載率達(dá)到峰值4.01%，之后各節(jié)點(diǎn)定周期發(fā)送報(bào)文，總線平穩(wěn)運(yùn)行，總線負(fù)載率保持不變。在CAPL中采用了一個(gè)鍵盤輸入來觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)充電階段，仿真進(jìn)入第6s時(shí)，按下相應(yīng)按鍵，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入充電工況，整車控制器節(jié)點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)間的通信報(bào)文停止發(fā)送，電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和充電機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)以均1000ms周期發(fā)送報(bào)文，總線負(fù)載率迅速下降，并最終維持在0.12%位置。

圖3 軟件仿真總線負(fù)載率曲線

2.2 硬件在環(huán)測試

為了在實(shí)際物理環(huán)境中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN總線通信協(xié)議，本文基于Matlab/ Simulink中的 Vehicle Network Toolbox工具箱及CANcaseXL總線接口卡構(gòu)建了驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的在環(huán)測試系統(tǒng)。圖4整車控制器簡化模型中的CAN發(fā)送器和 CAN接收器模塊即由 Vehicle Network Toolbox模塊構(gòu)成。

硬件在環(huán)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，分為被仿真的實(shí)時(shí)CAN總線部分和實(shí)際物理CAN總線兩部分。仿真的實(shí)時(shí)CAN總線部分建立在PC機(jī)的Matlab/Simulink環(huán)境中，CANcaseXL通過CAN接口接到實(shí)際物理總線上，通過USB接口與PC相連，將仿真信號傳送到實(shí)際的物理總線上，構(gòu)成了仿真總線與實(shí)際物理總線間的橋梁。

CANcaseXL可看作實(shí)際物理CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一節(jié)點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，控制一臺三相交流異步電機(jī)。在Matlab/Simulink中建立了整車控制器簡化模型，構(gòu)成了仿真的實(shí)時(shí)CAN總線部分，如圖5所示。模型中采用3個(gè)手動(dòng)開關(guān)（Manual Switch）分別模擬電源開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)和制動(dòng)開關(guān)信號，采用滑動(dòng)增益模塊（Slider Gain）模擬加速踏板

信號。整車控制單元模塊采集到這些信號后，經(jīng)過運(yùn)算及邏輯判斷得到電機(jī)控制信號，這些信號傳遞到CAN發(fā)送器，編碼成CAN報(bào)文通過CANcaseXL發(fā)送到實(shí)際物理總線上，電機(jī)控制器收到控制報(bào)文后控制電機(jī)運(yùn)行。反之，CANcaseXL采集到的電機(jī)控制器發(fā)送到總線上的報(bào)文則通過CAN接收器傳遞到整車控制器模塊，從而形成閉環(huán)控制[10-11]。

圖4 硬件在環(huán)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 整車控制器簡化模型

硬件在環(huán)測試時(shí)，先打開電源開關(guān)，此時(shí)電機(jī)控制器內(nèi)部大電容先充電，充電結(jié)束后主繼電器接通。接著打開啟動(dòng)開關(guān)，只有當(dāng)整車控制單元收到電機(jī)控制器發(fā)送的繼電器吸合信號后，系統(tǒng)才能成功啟動(dòng)，然后拖動(dòng)加速踏板增益滑塊，電機(jī)轉(zhuǎn)速會根據(jù)增益大小加減速，打開制動(dòng)開關(guān)后，電機(jī)制動(dòng)。圖6即為硬件在環(huán)測試過程中的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

3 結(jié)束語

本文根據(jù)純電動(dòng)汽車項(xiàng)目對驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)要求，設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，參照SAE J1939協(xié)議制定了系統(tǒng)CAN通信協(xié)議，并利用CANoe對設(shè)計(jì)的總線系統(tǒng)進(jìn)行了性能仿真分析。由仿真結(jié)果可知，即使在峰值情況總線負(fù)載率也較低，為總線通信提供了較大余量。采用Matlab/ Simulink軟件結(jié)合CANcaseXL總線分析儀針對對純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的CAN通信進(jìn)行了硬件在環(huán)測試，驗(yàn)證了CAN通信協(xié)議及控制系統(tǒng)的有效性，為純電動(dòng)汽車項(xiàng)目后續(xù)開發(fā)提供了參考依據(jù)。

[1]羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

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[3]羅森僑，彭憶強(qiáng)，易威.基于PIC單片機(jī)和CAN總線的純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，32（1）：56-59.

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[5]劉昌亮，肖正.基于CAN總線的主逆變器試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)[J].中國測試，2013，39（3）：60-62.

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[8]Vector.CANoe manual version 5.0[Z].Germany，Vector Informatik Gmbh，2004.

[9]Vector.CAPL function reference manual version 2.5[Z]. Germany，Vector Informatik Gmbh，2004.

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[11]Vector.CANcaseXL user manual version 4.0[Z].Germany，Vector Informatik Gmbh，2004.

Simulation and test for all-electric vehicle drive control system based on CAN Bus

YI Wei，LUO Sen-qiao，PENG Yi-qiang
（School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

According to the principle of CAN bus communication，a power-driven control system network structure was designed for an all-electric vehicle in this paper.Referring to the SAE J1939 protocol，theCAN communication protocolforthepower-driven controlsystem was formulated.The CAN bus system’s performance was then analyzed with CANoe simulation.Finally，the hardware-in-loop testing of the driving control system was made by using the Matlab/Simulink software combined with CANcaseXL bus analyzer.The results of the simulation and testing show the validity of CAN bus communication protocol and control system.

all electric vehicle；driving control；CAN bus；J1939 protocol;hardware-in-loop testing

U469.72；TP391.9；TP336；TP273

：A

：1674-5124（2014)03-0105-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.028

2013-10-11；

：2013-12-29

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2010JY0042）四川省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（KYTD201003）西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YCJJ201267）

易 威（1986-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。