基于CAN總線的底盤綜合控制系統(tǒng)設(shè)計

崔曉琳

摘 要：設(shè)計了基于CAN總線的底盤綜合控制系統(tǒng)，主要包括對整車、四輪驅(qū)動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的控制器設(shè)計。采用CAN總線實現(xiàn)電動汽車各控制器間的通信，并完成了 CAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議的制訂。在綜合考慮相關(guān)影響因素基礎(chǔ)上，設(shè)計了各控制器的硬件，建立偽逆控制分配算法實現(xiàn)常規(guī)的控制量分配，以及必要時實現(xiàn)控制再分配，保證車輛的操縱穩(wěn)定性。系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地完成常規(guī)和再分配控制量，兼顧電動汽車的靈活與穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：分布式驅(qū)動電動汽車; CAN總線; 底盤綜合控制

中圖分類號： TG409

文獻標(biāo)志碼： A

Abstract：This paper completed the design of chassis integrated control system based on CAN bus. The design includes the vehicle， four-wheel drive， steering system and brake system controller. The system adopts CAN bus to realize electric vehicle controller， the communication between each formulation and the application layer protocol of the CAN network is completed. After considering relevant factors， the controller hardware is selected， pseudo-inverse control allocation algorithm is established to realize conventional control allocation. In the necessary case， the control of redistribution can be realized to ensure that the vehicle steering stability. The simulation results show that the system can effectively complete the conventional and redistribution control quantity， and give consideration to the flexibility and stability of electric vehicles.

Key words：Distributed drive electric vehicle; CAN bus; Integrated chassis control

0 引言

控制器局域網(wǎng)（CAN）具有構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)通信實時性強等優(yōu)勢，現(xiàn)階段已在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并且形成了國際標(biāo)準(zhǔn)。作為綠色交通工具，電動汽車是目前國內(nèi)外研究的熱點，要使電動汽車得到廣泛應(yīng)用，其的綜合性能是關(guān)鍵影響因素之一，對電動汽車的底盤綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計可有效解決這一問題[1]。

1 底盤控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文的研究對象為分布式驅(qū)動電動汽車，包括四輪主動制動和前后轉(zhuǎn)向電機的驅(qū)動，配置為四輪線控轉(zhuǎn)向、液壓制動（具有主動制動功能）、四輪輪轂電機獨立驅(qū)動，底盤控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本文主要依據(jù)CAN2.0B 協(xié)議制定CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，通信波特率設(shè)置為每秒250 kb，標(biāo)準(zhǔn)幀格式采用11位的標(biāo)志符，定義源地址為高3位，數(shù)據(jù)內(nèi)容的標(biāo)志為低8位，車輛狀態(tài)和控制信息通過CAN總線進行傳送，各控制器的二進制源地址如表1所示[2]。

2 底盤綜合控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計需考慮相關(guān)影響因素，如電磁干擾、溫度和振動等，據(jù)此本文各控制器的主處理芯片采用了飛思汽車級芯片（卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)），根據(jù)實際的計算能力需求，各控制器的主處理芯片如表2所示。

在實驗使用的電動車上，各控制器的控制電路用電源（12 V）供電，設(shè)計了電源轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為本文控制器所需的5 V電源。為保證CAN總線運行的可靠性，使用TJA1040作為接口芯片，高速光耦（U4 、 U5）具有隔離作用保護單片機，信號的濾波作用由L31完成。

2.1 整車控制器設(shè)計

作為電動汽車底盤控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，整車控制器起到整體的協(xié)調(diào)控制作用，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主處理芯片采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息、車身橫擺角速度、加速踏板位置、側(cè)向加速度信號，經(jīng)濾波后被單片機采集。通過 CAN 總線，主處理芯片還采集輪速、轉(zhuǎn)向角、故障信息等，發(fā)送執(zhí)行機構(gòu)的期望控制量至其它控制器上。個輔助處理芯片則可以完成主處理芯片故障的診斷。

2.2 驅(qū)動控制器設(shè)計

控制系統(tǒng)中，車輪的無刷直流輪轂電機由四輪驅(qū)動控制器控制，在正常情況下，整車控制器通過CAN 總線發(fā)出命令，驅(qū)動控制器接收后完成對輪轂電機的驅(qū)動力矩的控制，同時按照平均分配規(guī)則，采集加速踏板位置信號后，完成備用期望驅(qū)動力矩的計算，一旦整車控制器發(fā)生故障，對輪轂電機的控制可依據(jù)備用期望驅(qū)動力矩完成，通過霍爾傳感器輪轂電機傳遞位置信息給驅(qū)動控制器[3]。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計

該模塊主要負(fù)責(zé)采集并濾波處理車輪轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，然后傳送給主處理芯片，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信息，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器完成期望前輪轉(zhuǎn)向角的計算，并與整車控制器的值相加，得到總的車輪轉(zhuǎn)向角。前、后車輪分別使用有刷直流電機作為轉(zhuǎn)向電機，通過兩個H 橋控制轉(zhuǎn)向電機，最終實現(xiàn)前/后輪的左右偏轉(zhuǎn)。

2.4 制動系統(tǒng)控制器設(shè)計

電動汽車上輪速的采集由磁電式輪速傳感器完成，輪速信號的轉(zhuǎn)換（將正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號）則由控制器中的NCV1124 芯片完成，并傳送給主處理芯片。轉(zhuǎn)換的同時診斷輪速傳感器是否存在斷路故障;控制器中，液壓管路壓力的調(diào)節(jié)通過控制線圈的通斷實現(xiàn)，控制過程則由3個TLE6228 芯片實現(xiàn)，同時診斷線圈是否存在線路故障;制動系統(tǒng)的液壓單元通過電機完成電壓的增減，在控制器中，電機的通斷由MOS 管完成控制?？刂破鞑杉妮喌妮喫俨?jù)此完成車輪狀態(tài)的判斷，通過對電磁閥和電機狀態(tài)的控制，實現(xiàn)車輪的驅(qū)動防滑、防抱死制動及主動增壓制動等功能。

3 底盤綜合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 基本控制分配算法的設(shè)計

3.2.2 整車控制器故障

作為控制系統(tǒng)的核心組成部分，為保證系統(tǒng)安全，整車控制器的設(shè)計使用雙處理芯片，輔助處理芯片的設(shè)計上采用了一個8位單片機，作用在于同主處理芯片互相監(jiān)控，在規(guī)定的時間內(nèi)，相互間如果一方?jīng)]有接收到對方發(fā)來的指定信息，則可作出對方出現(xiàn)故障的判斷，此時控制器的信號輸出將被切斷。其它控制器無法接收到出現(xiàn)故障的整車控制器傳遞來的控制命令，這時各控制器的基本控制功能需自主實現(xiàn)，采集加速踏板位置信號，依據(jù)驅(qū)動力平均分配的原則，車輪驅(qū)動控制器實現(xiàn)控制車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩;采集轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角信號，后輪不參與轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器控制前輪進行轉(zhuǎn)向;采集輪速信號，制動系統(tǒng)控制器不進行主動制動控制，確保實現(xiàn)制動防抱死的功能。

3.2.3 車輪驅(qū)動系統(tǒng)故障

當(dāng)至少一個車輪的輪轂電機（或驅(qū)動控制器）出現(xiàn)故障時，在偽逆控制分配算法中，控制算法會修改其使用的對角加權(quán)矩陣（W），具體方法為：找出對角加權(quán)矩陣中的對角元素（與出現(xiàn)故障的控制量相對應(yīng)的），將其擴大1 000倍，有故障的車輪的驅(qū)動力通過此種方法可置為零，重新分配剩余沒有發(fā)生故障的車輪的驅(qū)動力，同時為了抵消驅(qū)動力不對稱所導(dǎo)致的橫擺力矩，適當(dāng)補償車輪的轉(zhuǎn)向角。

3.2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障

這部分故障可分為控制器或轉(zhuǎn)向電機的故障，若是控制器出現(xiàn)故障，此時整車控制器發(fā)揮作用，修改各執(zhí)行機構(gòu)的控制量，將其全部改為零，禁止汽車?yán)^續(xù)工作;若其中一個轉(zhuǎn)向電機出現(xiàn)故障，控制算法會完成對另一個轉(zhuǎn)向電機的控制，實現(xiàn)前輪/后輪轉(zhuǎn)向，若兩個電機同時出現(xiàn)故障，汽車停止工作。

3.2.5 制動系統(tǒng)故障

這部分出現(xiàn)故障時會導(dǎo)致控制器的防抱死失效，弱化主動制動功能，汽車恢復(fù)常規(guī)液壓制動;汽車在制動系統(tǒng)液壓回路發(fā)生故障時，制動失效的可能性極大，此時整車控制器發(fā)揮作用，修改各執(zhí)行機構(gòu)的控制量為零，禁止汽車?yán)^續(xù)工作[5]。

4 系統(tǒng)仿真測試

本文在 Matlab/Simulink 環(huán)境下完成對算法的仿真分析，結(jié)果表明與常規(guī) 4WS 的汽車相比，汽車采用控制分配算法后，對路徑的跟隨能力明顯提升，且質(zhì)心側(cè)偏角較小，可見其穩(wěn)定性更好，說明本文設(shè)計的基于 CAN 總線的底盤綜合控制系統(tǒng)可有效分配執(zhí)行機構(gòu)的控制量，更好的地兼顧了駕駛意圖和車輛的穩(wěn)定性，某個控制器出現(xiàn)故障，電動車通過控制再分配算法仍具有良好的穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

本文完成了基于 CAN 總線的底盤綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括對整車、四輪驅(qū)動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的控制器設(shè)計，采用CAN 總線實現(xiàn)電動汽車各控制器間的通信，并完成了 CAN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議的制訂，在綜合考慮相關(guān)影響因素基礎(chǔ)上，設(shè)計了各控制器的硬件，建立偽逆控制分配算法實現(xiàn)常規(guī)的控制量分配，以及必要時實現(xiàn)控制再分配，保證車輛的操縱穩(wěn)定性。通過對系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地完成常規(guī)和再分配控制量，兼顧電動汽車的靈活與穩(wěn)定。

參考文獻

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（收稿日期： 2018.06.28）