四轮独立驱动电动车高速CAN网络数据分析技术

伴随着电动汽车的发展，CAN总线通讯技术应用越来越广泛，它可为纯电动汽车上四轮独立驱动控制，以及刹车防抱死系统(ABS)、电子稳定装置(ESP)等主动安全系统的实现提供便利。

在设计CAN总线通信系统时，总要面临着CAN数据的诊断与分析问题，不能解决该问题，便不能完成设计。本文基于Kvaser Leaf Professional HS这一USB_CAN工具，借助于Visual Basic环境，在PC机上开发出数据分析系统，并在该分析系统与四轮独立驱动电动车电机控制板之间实现了CAN通信。通过对CAN总线数据进行诊断分析，能够更好地完成CAN总线系统的设计。

四轮独立驱动电动车控制策略

电动车实物模型中使用的分布式四轮电子差速系统由一个中央控制器、四个电动轮控制器及CAN总线网络三个部分组成，其在电动车实物模型上的布局如图1所示。



图1 分布式四轮电子差速系统在车身上的布局

在该分布式系统中，基于四轮独立控制的电子差速算法被分为整车差速算法与转速控制算法两个部分，其中转速控制算法是针对每个电动轮转速。中央控制器与四个电动轮控制器通过CAN总线连
接成一个实时控制网络。

在该系统控制过程中，中央控制器通过A/D采样获得来自转向传感器的车辆转向角度信号和来自手柄转把中的车速设定信号，经过整车差速算法，分别获得四个车轮当前各自应有的转速，并将这一结果作为当前时刻对应车轮的转速控制设定值，通过CAN总线发送给相应的电动轮控制器。四个车轮控制器以从 CAN总线收到的转速设定值作为控制目标，使用电动转速控制算法对各自的电动轮进行控制，使各个电动轮的实际转速实时满足整车差速算法的要求，进而实现电动车辆的平顺转向。

四轮独立驱动电动车CAN控制网络

通过CAN总线，本四轮驱动电动车中央控制器将车轮的速度等设定值传送给每个车轮的控制器，同时，各电机控制器将实际转速等信息通过CAN总线反馈给中央控制器。CAN网络的拓扑结构如图2所示。



图2 CAN控制网络拓扑结构

整个网络中共含有五个CAN节点：四个电动轮电机控制器a、b、c、d，以及一个电动车中央控制器e。

在设计应用层协议时，必须根据实际应用为总线消息编排一个合理的总线仲裁优先顺序，以改善CAN通讯的实时性。在本应用场合中，下行数据即中央控制器发给各电动轮电机控制器的控制命令，比上行数据即各电动轮电机控制器的反馈信息具有更高的优先级。此外，中央控制器发往四个车轮控制器的指令必须同步，才能为后续控制提供可靠的前提。

综合考虑以上因素，本文设计了如表1所示的CAN数据报文ID体系。

电机控制器a、b、c、d分别控制电动车左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。中央控制器发出的CAN消息数据域结构如图3所示。



图3 中央控制器CAN消息数据域结构

中央控制器发出的ID为0x010和0x020的CAN数据，表示转速以及转矩的设定值，对应的实际值为模拟量，这里采用了16位长度的有限精度定点数表示。16位数据中高9位表示整数，低7位表示小数，即9Q7格式的定点数。对于中央控制器发出的ID为0x00F的CAN数据，发给每一个电机控制器的命令也是16位的数据，低8位表示刹车命令，高8位表示控制模式选择命令。

四个电机控制器向中央控制器反馈当前状态信息的CAN消息数据域结构如图4所示。



图4 电机控制反馈状态信息结构

CAN总线消息的触发方式有两种：事件触发与时间触发。前者适用于发送时间上离散变化的开关状态量，如刹车命令与控制模式选择命令;后者适用于发送时间上连续变化的模拟量，如转速设定值与转矩设定值。由于本控制系统中兼有上述两类总线信息，故采用事件触发与时间触发相结合的方式来进行发送。

Kvaser Leaf Professional HS简介

Kvaser Leaf Professional是用于CAN和LIN的单通道USB接口，该设备提供了把几个接口简单接入PC的可能性，可以方便地实现同一个USB Hub上连接多个Kvaser Leaf设备，并且无需额外的连接。此外，它还具有很好的EMC(Electro MagneTIc CompaTIbility)性能以及即插即拔的特点。同时，由于一个USB Hub上可以连接多个设备，因此各个设备都可以由该Hub进行供电，具有很低的功耗。

Kvaser提供的库函数非常丰富，用户可以根据自己的需要调用相应的库函数，灵活地处理CAN总线数据。