純電動(dòng)客車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)論文范文

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1影響CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素

1.1標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)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(guī)范定義的CAN報(bào)文格式的說明，規(guī)定CAN控制器必須有一個(gè)11位的標(biāo)識(shí)符。CAN2.0B是對CAN報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的說明，CAN控制器的標(biāo)識(shí)長度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器，可以發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀或29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。如果禁止CAN2.0B，則CAN控制器只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，而忽略擴(kuò)展格式的報(bào)文結(jié)構(gòu)，但不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)幀理論上最多可以標(biāo)識(shí)211（2048）個(gè)數(shù)據(jù)類型。由于協(xié)議規(guī)定標(biāo)識(shí)符最高7位不能同時(shí)全是隱性位，所以最多可以標(biāo)識(shí)211-24（2032）個(gè)數(shù)據(jù)類型。擴(kuò)展幀使用29位標(biāo)識(shí)符，最多可標(biāo)識(shí)5億多個(gè)數(shù)據(jù)類型。當(dāng)采用CAN2.0B傳輸報(bào)文時(shí)，需對標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀進(jìn)行選擇。從延遲的角度分析，它用于表示網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度，延遲越少，響應(yīng)越快，性能越好。CAN最高位速率可達(dá)1Mbps，此時(shí)每位的傳輸時(shí)間是1μs。總線競爭獲勝的標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)文在傳輸不被中斷的情況下，長度為最大值的報(bào)文總線訪問時(shí)間只有111μs，加填充位為134μs；擴(kuò)展幀格式最大長度報(bào)文的總線訪問時(shí)間為131μs，加填充位為159μs。從總線吞吐量分析，它在數(shù)值上等于網(wǎng)絡(luò)或信道在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)目傂畔⒘俊?biāo)準(zhǔn)格式信息幀的長度為47+8×DLC，數(shù)據(jù)域在一幀報(bào)文中所占比率為（8×DLC）（/47+8×DLC），在1Mbps位速率時(shí)的總線吞吐量為（8×DLC）（/47+8×DLC）×1Mbps。擴(kuò)展格式信息幀的長度為67+8×DLC，數(shù)據(jù)域在一幀報(bào)文中所占比率為（8×DLC）（/67+8×DLC），在1Mbps位速率時(shí)的總線吞吐量為（8×DLC）/（67+8×DLC）×1Mbps。當(dāng)數(shù)據(jù)域長度為8字節(jié)時(shí)，若不考慮填充位，則標(biāo)準(zhǔn)幀的總線吞吐量為577kbps，而擴(kuò)展幀的總線吞吐量為488kbps。從以上分析可見，雖然擴(kuò)展幀格式可以表示的數(shù)據(jù)類型比標(biāo)準(zhǔn)幀格式多得多，但在總線訪問時(shí)間和總線吞吐量方面，標(biāo)準(zhǔn)幀格式明顯優(yōu)于擴(kuò)展幀格式，所以在滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求的條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。

1.2標(biāo)識(shí)符分配和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析

1）標(biāo)識(shí)符分配。CAN只提供與物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)的協(xié)議，并沒有制定與特定應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用層的內(nèi)容。因此，根據(jù)具體應(yīng)用的特點(diǎn)，在總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，定義詳細(xì)的標(biāo)識(shí)符分配及網(wǎng)絡(luò)配置管理的具體方式是開發(fā)基于CAN的客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的前提。標(biāo)識(shí)符分配可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)：一是用戶自定義；二是采用CAN的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如SAEJ1939、CANOpen等。無論采用哪種方式，都必須保證與安全性相關(guān)的高實(shí)時(shí)性的信息能夠獲得高優(yōu)先級。如SAEJ1939中，信息優(yōu)先級順序?yàn)榭刂茀?shù)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)系控制、驅(qū)動(dòng)系配置參數(shù)、信息參數(shù)、信息狀態(tài)參數(shù)等。2）網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析。客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，許多任務(wù)具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性和硬實(shí)時(shí)性，信息傳輸與控制必須滿足任務(wù)截止期要求。客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可以通過信息的響應(yīng)時(shí)間來衡量，典型的理論方法有Worst-case、Actual-case、Average和Maximum等。Actual-case同時(shí)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(jié)合進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析。位速率是網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析的一個(gè)重要參數(shù)，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(gè)節(jié)點(diǎn)間最大距離的關(guān)系。

2典型的電動(dòng)客車整車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略優(yōu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)載大、通信效率低、實(shí)時(shí)性能差和通信距離與網(wǎng)絡(luò)性能矛盾突出等問題。因此，一般采用多網(wǎng)段結(jié)構(gòu)來構(gòu)建基于can的客車整車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。一個(gè)典型純電動(dòng)客車的整車網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D見圖3。多網(wǎng)段結(jié)構(gòu)適合于連接功能相對獨(dú)立的網(wǎng)段，信息交換通過網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)是：同一網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)通過總線方式連接；不同網(wǎng)段之間通過網(wǎng)關(guān)連接，并實(shí)現(xiàn)相互通信；網(wǎng)絡(luò)管理和集中控制的功能由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。如采用低速總線連接低實(shí)時(shí)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，以滿足與行駛安全相關(guān)信息的高實(shí)時(shí)性要求；采用帶雙通道CAN控制器的微處理器，實(shí)現(xiàn)兩條CAN總線信息的通信和控制功能。對于網(wǎng)絡(luò)層可以采用靜態(tài)地址分配機(jī)制，可以參照SAEJ1939通訊協(xié)議為公路設(shè)備定義地址分配表。

2.1整車控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)電動(dòng)汽車整車網(wǎng)絡(luò)的特性，整車運(yùn)行、安全性、經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)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(xié)議）：CAN1為VehicleCAN與電池管理系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)、儀表等設(shè)備相連，接收車身系統(tǒng)相關(guān)信息；CAN2為MCUCAN，只與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器相連，專用的MCU內(nèi)部CAN2的設(shè)置會(huì)使整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、實(shí)時(shí)性更高、性能更穩(wěn)定可靠。

2.2整車控制器控制策略與優(yōu)化方向

2.2.1整車控制器VMU整車控制器VMU是純電動(dòng)車輛的主要管理單元，與車輛的牽引系統(tǒng)及車上的其他主要部件的相互通訊。整車控制器讀取并識(shí)別駕駛員的輸入信號(hào)（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(qū)動(dòng)控制的最關(guān)鍵的策略，成熟的轉(zhuǎn)矩管理算法編程時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)為可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置軟體，以滿足整車集成時(shí)不同參數(shù)的需求，如踏板傳感器參數(shù)、扭矩轉(zhuǎn)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(gè)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(xué)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(hù)（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(dòng)策略管理，基于不同回饋能量需求及電制動(dòng)限值條件，如防抱死（ABS）及客戶指令需求時(shí)，可以自動(dòng)切斷電制動(dòng)。

2.2.2優(yōu)化管理整車控制器除了常規(guī)的行車控制及保護(hù)功能外，在以下這些方面也可以做針對性的優(yōu)化管理：上下高壓電安全控制；行車動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測及安全行車管理；節(jié)電模式及動(dòng)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(jīng)控制和學(xué)習(xí)控制等[10]。

3結(jié)束語

本文從概念、系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等不同角度對純電動(dòng)客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，分析了設(shè)計(jì)過程中影響系統(tǒng)工作性能的主要因素，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原則。本文工作有助于提高網(wǎng)絡(luò)控制性能，為純電動(dòng)客車的整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供參考。

作者：盧兆正黃愛軍單位：北京佩特來電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司揚(yáng)州亞星客車股份有限公司