基于CAN總線的電動車控制系統設計

當前全球汽車工業面臨金融危機和能源環境問題的巨大挑戰，實現汽車能源動力系統的電氣化，已經成為汽車產業的趨勢。提高電動汽車上的各個控制單元間通信的可靠性和實現高傳輸速率，選擇CAN總線協議。CAN總線為多主工作方式，網絡上任何節點均可在任意時刻向其他節點發送信息。它采用非破壞性的基于優先權的總線仲裁技術，可靠性高。CAN總線通信距離長達10 km，通信速率最高可達1 Mb／s。CAN通信系統抗干擾性好，工作穩定。某個節點出現故障，不會導致整個系統通信的不正常。由于采用短幀的報文結構，數據傳輸時間短，具有很強的抗干擾性，具有高效的非破壞總線仲裁，出錯檢測和故障自動關閉等優點。

1 控制系統整體結構
電動車控制系統由電池管理、充電機、電動機和整車控制等模塊組成。本系統總體結構如圖1所示。

由圖1知，CAN通信網絡上共有4個通信節點。整車控制器接收BMS、CCS、電機控制器的報文提供的各種參數；充電機接收BMS發送的控制信息并根據報文數據的電壓電流設置來工作；電機控制器接收BMS發送的電池狀態信息設置來工作，同時電機控制器接收由整車控制器發送的控制信息并根據報文數據的轉矩設置來工作。

2 CAN總線節點的硬件電路設計
整車控制模塊這一節點所實現的功能主要是接收其他節點的數據信息，通過控制算法等進行數據處理，然后發送控制信息給電機控制器，從而實現電動車的正常功能運行。
整車控制節點是基于STM32F103VE設計的。ARMCortex TM-M3是一款高性能、低成本、低功耗的32位BISC處理器，可在高達72 MHz的頻率下運行，擁有512 KB的片內Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數據存儲器，可進行高性能的CPU訪問。該徽控制器包含1個USB2．0全速(12 Mb／s)設備、1路CAN2．0B通道、1個通用DMA控制器、3個16位的A／D轉換器和1個16位的D／A轉換器。同時該微控制器具有4個16位捕獲／比較定時器和1個看門狗定時器，因此ARM cortexTM-M3可以滿足電動車控制的需要，減少了系統硬件設計的復雜度。STM32F103VE支持J-Link實時仿真和跟蹤，內部搭載有1通道的支持CAN20.B規格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設計更加方便。整車控制節點硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、CAN總線收發器82C250、2個高速光耦16N137等組成。

STM32F103VE采用單電源供電，時鐘由8 MHz外部晶振產生。對Flash存儲器的編程通過J-Link進行編程(IAR)實現。STM32F103VE內部集成一路CAN控制器，簡化了傳統單片機外接CAN控制器和CAN收發器的復雜外圍電路。收發器82C250是CAN控鑭器和物理總線之問的驅動器接口，它可以提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其位速度高達1Mb／s，與ISO11898標準兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強，準備模式可以減少網絡的功耗，準備模式中，網絡一旦檢測到總線上有報文就會被立即激活。同時，它可提供更強抗干擾能力，以及有熱保護、短路保護、支持多達110個節點等好處。
在微控制器和CAN總線收發器之間，采用了2個高速光電耦合器6N137進行電氣隔離，防止將總線干擾引入系統，提高了系統的可靠性。同時，在節點端部接有1個120 Ω終端匹配電阻，提高了數據通信的抗干擾性。