純電動客車的CAN網絡系統論文范文

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1影響CAN網絡系統設計的主要因素

1.1標準幀與擴展幀的選擇

CAN2.0包括A部分和B部分，即CAN2.0A與CAN2.0B。其中，CAN2.0A是按CAN1.2規范定義的CAN報文格式的說明，規定CAN控制器必須有一個11位的標識符。CAN2.0B是對CAN報文的標準格式和擴展格式的說明，CAN控制器的標識長度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協議的CAN控制器，可以發送和接收11位標識符的標準幀或29位標識符的擴展幀。如果禁止CAN2.0B，則CAN控制器只能發送和接收11位標識符的標準幀，而忽略擴展格式的報文結構，但不會出現錯誤。標準幀與擴展幀如圖2所示。標準幀理論上最多可以標識211（2048）個數據類型。由于協議規定標識符最高7位不能同時全是隱性位，所以最多可以標識211-24（2032）個數據類型。擴展幀使用29位標識符，最多可標識5億多個數據類型。當采用CAN2.0B傳輸報文時，需對標準幀和擴展幀進行選擇。從延遲的角度分析，它用于表示網絡響應速度，延遲越少，響應越快，性能越好。CAN最高位速率可達1Mbps，此時每位的傳輸時間是1μs。總線競爭獲勝的標準格式報文在傳輸不被中斷的情況下，長度為最大值的報文總線訪問時間只有111μs，加填充位為134μs；擴展幀格式最大長度報文的總線訪問時間為131μs，加填充位為159μs。從總線吞吐量分析，它在數值上等于網絡或信道在單位時間內成功傳輸的總信息量。標準格式信息幀的長度為47+8×DLC，數據域在一幀報文中所占比率為（8×DLC）（/47+8×DLC），在1Mbps位速率時的總線吞吐量為（8×DLC）（/47+8×DLC）×1Mbps。擴展格式信息幀的長度為67+8×DLC，數據域在一幀報文中所占比率為（8×DLC）（/67+8×DLC），在1Mbps位速率時的總線吞吐量為（8×DLC）/（67+8×DLC）×1Mbps。當數據域長度為8字節時，若不考慮填充位，則標準幀的總線吞吐量為577kbps，而擴展幀的總線吞吐量為488kbps。從以上分析可見，雖然擴展幀格式可以表示的數據類型比標準幀格式多得多，但在總線訪問時間和總線吞吐量方面，標準幀格式明顯優于擴展幀格式，所以在滿足節點數量要求的條件下，應優先考慮采用標準幀格式。

1.2標識符分配和網絡實時性分析

1）標識符分配。CAN只提供與物理層和數據鏈路層相關的協議，并沒有制定與特定應用相關的應用層的內容。因此，根據具體應用的特點，在總線協議的基礎上，定義詳細的標識符分配及網絡配置管理的具體方式是開發基于CAN的客車網絡控制系統的前提。標識符分配可以通過兩種方式來實現：一是用戶自定義；二是采用CAN的高層協議標準，如SAEJ1939、CANOpen等。無論采用哪種方式，都必須保證與安全性相關的高實時性的信息能夠獲得高優先級。如SAEJ1939中，信息優先級順序為控制參數、驅動狀態參數、驅動系控制、驅動系配置參數、信息參數、信息狀態參數等。2）網絡實時性分析。客車網絡控制系統是分布式實時系統，許多任務具有嚴格實時性和硬實時性，信息傳輸與控制必須滿足任務截止期要求。客車網絡控制系統的實時性可以通過信息的響應時間來衡量，典型的理論方法有Worst-case、Actual-case、Average和Maximum等。Actual-case同時考慮到周期性信息和非周期性信息，Worst-case考慮到信息傳輸過程中的最壞情況，一般將兩者結合進行實時性分析。位速率是網絡實時性分析的一個重要參數，它的確定必須考慮到通信距離，尤其在高速通信的情況下，距離的增加帶來的傳輸延遲是不可忽略的。表3為通訊位速率與總線兩個節點間最大距離的關系。

2典型的電動客車整車網絡結構設計及控制策略優化

隨著客車電子控制單元的增多和信息通訊性能要求的不同，單總線網絡結構引發網絡通訊負載大、通信效率低、實時性能差和通信距離與網絡性能矛盾突出等問題。因此，一般采用多網段結構來構建基于can的客車整車網絡控制系統。一個典型純電動客車的整車網絡的拓撲圖見圖3。多網段結構適合于連接功能相對獨立的網段，信息交換通過網關來實現。其特點是：同一網段的節點通過總線方式連接；不同網段之間通過網關連接，并實現相互通信；網絡管理和集中控制的功能由網關實現。如采用低速總線連接低實時性要求的車身控制單元，增加通信傳輸距離，提高抗干擾能力；采用高速總線連接動力傳動系統，以滿足與行駛安全相關信息的高實時性要求；采用帶雙通道CAN控制器的微處理器，實現兩條CAN總線信息的通信和控制功能。對于網絡層可以采用靜態地址分配機制，可以參照SAEJ1939通訊協議為公路設備定義地址分配表。

2.1整車控制器的拓撲結構

根據電動汽車整車網絡的特性，整車運行、安全性、經濟性等整車控制策略主要是由整車控制器（VMU）完成。整車控制器VMU的結構圖見圖4。整車控制器一般采用兩路CAN總線（參照商用車SAEJ1939協議）：CAN1為VehicleCAN與電池管理系統、ABS防抱死系統、儀表等設備相連，接收車身系統相關信息；CAN2為MCUCAN，只與驅動電機控制器相連，專用的MCU內部CAN2的設置會使整車驅動系統響應速度更快、實時性更高、性能更穩定可靠。

2.2整車控制器控制策略與優化方向

2.2.1整車控制器VMU整車控制器VMU是純電動車輛的主要管理單元，與車輛的牽引系統及車上的其他主要部件的相互通訊。整車控制器讀取并識別駕駛員的輸入信號（踏板、換檔器、按鈕等），并確保駕駛的舒適性。扭矩控制（TorqueManagement）是整車控制器驅動控制的最關鍵的策略，成熟的轉矩管理算法編程時，應設計為可進行系統參數配置軟體，以滿足整車集成時不同參數的需求，如踏板傳感器參數、扭矩轉化斜率、最大速度（正向和反向）等。扭矩控制需要滿足以下幾個方面功能：1）扭矩過渡處理平滑，以確保乘客的舒適性。2）科學有效地管理掛檔器（DriveSelector），以防止因掛檔器誤操作帶來的安全隱患。3）超速保護（OverSpeed）功能。4）駐坡功能（HillHolder）、跟車功能（Creep）等增值功能。5）能量回饋與電制動策略管理，基于不同回饋能量需求及電制動限值條件，如防抱死（ABS）及客戶指令需求時，可以自動切斷電制動。

2.2.2優化管理整車控制器除了常規的行車控制及保護功能外，在以下這些方面也可以做針對性的優化管理：上下高壓電安全控制；行車動態數據監測及安全行車管理；節電模式及動力電池管理等。整車控制器控制策略的智能控制方法有遞階控制、專家控制、模糊控制、神經控制和學習控制等[10]。

3結束語

本文從概念、系統、節點、網絡架構等不同角度對純電動客車網絡控制系統設計過程中的一些關鍵問題進行了研究，分析了設計過程中影響系統工作性能的主要因素，提出了相關設計方法與設計原則。本文工作有助于提高網絡控制性能，為純電動客車的整車網絡系統設計者提供參考。

作者：盧兆正黃愛軍單位：北京佩特來電機驅動技術有限公司揚州亞星客車股份有限公司