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[導(dǎo)讀]1 引言現(xiàn)場總線技術(shù)(field bus)由于其造價低廉又能滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的通信要求而成為一種新型的通信方式。其中can(controller area network)總線正是當(dāng)今流行的一種較為

1 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)(field bus)由于其造價低廉又能滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的通信要求而成為一種新型的通信方式。其中can(controller area network)總線正是當(dāng)今流行的一種較為先進的、性能出色的現(xiàn)場總線技術(shù)。電動汽車能量管理系統(tǒng)需檢測和交換大量數(shù)據(jù),采用硬接信號線的方式難以解決問題,且繁瑣復(fù)雜、成本較高,采用can總線來實現(xiàn)其內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信則是一種有效的方法。文中研究了一個can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點-電動汽車能量回收模塊,并介紹了一種基于can總線的dc-dc控制器的設(shè)計。

2 can總線

can總線是德國bosch公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),是一種全數(shù)字式現(xiàn)場控制設(shè)備互連總線,已成為一種國際標(biāo)準(iso11898)。philips、intel、motorola等半導(dǎo)體廠商開發(fā)了支持can協(xié)議的集成器件,如82526、sja1000、68hc05x16等。由于can總線具有較強的糾錯能力,支持差分收發(fā),因而適合高噪聲環(huán)境,并具有較遠的傳輸距離。因此,can總線對于許多領(lǐng)域的分布式測控系統(tǒng)很有吸引力,特別適合于基于單片機的小型分布式控制系統(tǒng)。目前已在工業(yè)自動化、機床、汽車等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

can具有卓越的性能和高可靠性,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。can總線具有以下突出特點:

(1) 是一種多主總線,可以以多主方式工作,能使系統(tǒng)的各模塊實現(xiàn)多主通信,在多主方式工作下,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)送信息,不分主從,通信方式靈活;

(2) can網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分為不同的優(yōu)先級,可滿足不同的實時要求;

(3) 非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁和錯誤界定;

(4) 通信距離可達10km(速率5kb/s),速率可達1mb/s(距離可達40m以內(nèi))。

can協(xié)議的最大特點是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點地址編碼方式,而是對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼,這種方法可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù),可定義211或229個不同的數(shù)據(jù)類型,網(wǎng)絡(luò)容量巨大。同時,避免發(fā)生總線“沖突”。

3 基于can總線的電動汽車能量管理系統(tǒng)

can通信網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)燃油汽車中的應(yīng)用研究已見諸有關(guān)文獻。我們提出的基于can總線的電動汽車能量管理系統(tǒng)如圖1所示,其中每個模塊都成為系統(tǒng)的一個can節(jié)點,可以相互通信。它由主控制器、電池管理模塊、電機驅(qū)動模塊、能量回收模塊、車況監(jiān)控模塊組成。主要負責(zé)維持電動車所有的蓄電池組件工作處于最佳狀態(tài);對電機進行監(jiān)測和控制;對剎車時的瞬時能量進行回收;采集車輛的各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),進行監(jiān)控和診斷;控制充電方式和提供剩余能量顯示等。

 

圖1 能量管理控制系統(tǒng)功能示意圖

4 基于can總線的dc-dc控制器的設(shè)計

4.1 能量回收模塊系統(tǒng)功能簡介

高水平的能量回收是電動汽車研究的一項重要課題。再生制動是將車輛的動能依靠電機的發(fā)電機儲存在電動汽車的儲能裝置中重新加以回收利用。我們提出了一種利用超級電容實現(xiàn)再生制動能量回收的方法。電動汽車目前由于蓄電池原因,一次充電續(xù)駛里程和運動特性還難以與燃油汽車相比。常多采用向蓄電池充電來吸收再生制動回饋的能量,其缺點是蓄電池難于實現(xiàn)短時間大功率充電且充放電循環(huán)次數(shù)有限,成本高。而超級電容具有比功率高、比重量大、一次儲能多等優(yōu)特點,能大大提高電動汽車的一次續(xù)駛里程數(shù)并能在汽車啟動、加速和爬坡時有效改善電動汽車的運動特性。另外,使用超級電容后,動力電池的使用壽命亦可有較大延長,甚至可延長1.5倍。

在再生制動實驗中采用了國內(nèi)生產(chǎn)的一臺永磁無刷直流電機(18kw/288v)和兩只超級電容(350v/0.7f/400a,400v /0.58f/400a),設(shè)計了一種能進行雙向升、降壓變換的小功率斬波器(dc/dc變換器)。 dc/dc變換器是超級電容和電機之間的一個周期性通斷的開關(guān)控制裝置,它的作用是通過其主回路的4個igbt管的開關(guān)占空比的改變來控制超級電容的充電或放電并提供給負載或超級電容要求的額定電壓。電動汽車在起動、加速和恒速運行時,超級電容放電,供給電機電能,電機處在電動狀態(tài),實現(xiàn)電能到機械能的變換,驅(qū)動車輛前進。當(dāng)電動汽車減速時,要求直流電機處在發(fā)電制動狀態(tài),即處于再生制動狀態(tài),給作為電源的儲能裝置超級電容充電,實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。

4.2 dc-dc控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)上述控制要求,設(shè)計的dc-dc變換器的控制器硬件原理圖如圖2。

 

圖2 dc-dc控制器硬件原理圖

主要功能模塊有:

(1) 測量和控制模塊

cpu采用80c196kc單片機。電壓、電流信號經(jīng)傳感器、信號調(diào)理電路整定至適合單片機a/d轉(zhuǎn)換器采集的信號。主要是對電動汽車的油門踏板、剎車踏板,主回路電壓、電流及超級電容的電壓、電流等信號進行測量及故障監(jiān)測。

(2) 存儲信息模塊

擴展eprom32k×8位的紫外線擦除電可編程的只讀存儲器27256。

(3) 信號輸出模塊

本系統(tǒng)要求輸出四路pwm波形,控制主回路雙向升、降壓變換的六種控制模式。采用可編程邏輯器件gal16v8與80c196kc的pwm口直接連接,實現(xiàn)四路pwm輸出,分時控制主回路的四個igbt管的開關(guān)占空比,進行電壓調(diào)節(jié)。

(4) 通信接口模塊

控制器擴展的通信接口是can總線接口,can總線接口擴展采用can通信控制器sja1000+高速光耦6n137+can總線收發(fā)器 82c250電路,并可通過max232芯片與主計算機的rs232c串行口連接,實現(xiàn)主計算機與控制器的雙向通信,其電路原理圖如圖3所示。

 

圖3 can總線接口電路原理圖

4.3 dc-dc控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件的功能是對電動汽車的運行狀態(tài)進行判斷。若汽車加速踏板踩下,則超級電容工作在放電方式,調(diào)電動升、降壓子程序;若汽車剎車踏板踩下,則超級電容工作在充電方式,調(diào)制動升、降壓子程序。[!--empirenews.page--]

 

圖4 主程序框圖

 

圖5 中斷服務(wù)程序框圖1

 

圖6 中斷服務(wù)程序框圖2

為了便于軟件的編寫和調(diào)試、控制算法的改變和分析使用,軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件由主程序、子程序、中斷服務(wù)程序組成,圖4、5、6分別給出了主程序及2個中斷服務(wù)程序軟件框圖。

初始化中應(yīng)設(shè)初始值及設(shè)定全局變量,初始化各中斷服務(wù)程序用到的中斷向量,并設(shè)置軟件結(jié)構(gòu),重置優(yōu)先級順序。

a/d采樣中斷服務(wù)程序利用80c196kc的高速輸出器hso的cam鎖定位,定時啟動ach0通道。加減速中斷服務(wù)程序中使用了80c196kc的高速輸入器his記錄某一外部事件發(fā)生的時間,用于判斷加速、減速信號,這使得程序的編寫非常簡明。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的軟硬件均采用了模塊化設(shè)計,通用性好、靈活性強,可作為開發(fā)平臺,便于擴展,是一個開放式的分布式控制系統(tǒng),易于實現(xiàn)人機對話和遠程通信。

參考文獻

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[2] 孫逢春. 電動汽車[m]. 北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[3] 葛林等. can通信網(wǎng)絡(luò)在汽車中的應(yīng)用研究[j].汽車技術(shù),2000,(11).

[4] 王兆安. 電力電子技術(shù)[m]. 北京:機械工業(yè)出版社,2001.

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