基于CAN總線的純電動汽車驅動控制系統仿真與測試

易 威,羅森僑,彭憶強

（西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039）

基于CAN總線的純電動汽車驅動控制系統仿真與測試

易 威,羅森僑,彭憶強

（西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039）

根據CAN總線通信原理，設計純電動汽車驅動控制系統網絡結構，參照SAE J1939協議制定純電動汽車驅動控制系統的CAN通信協議，并利用CANoe對總線系統進行性能仿真分析，最后采用Matlab/Simulink軟件結合CANcaseXL總線分析儀對純電動汽車電機驅動控制系統進行硬件在環測試。通過仿真及測試實驗，驗證CAN通信協議及電機驅動控制系統的有效性。

純電動汽車；驅動控制；CAN總線；J1939協議；硬件在環測試

0 引 言

汽車電子控制技術的快速發展，促進了新型網絡通信技術在汽車上的應用。CAN總線以其高可靠性、靈活性和實時性等優點，在車載控制器網絡中得到了廣泛應用。SAE J1939協議是美國汽車工程師協會（SAE）為了解決不同電控單元廠商協議不同而產生的通信兼容問題，在CAN2.0B基礎上制定的物理層、數據鏈路層、應用層和網絡管理層協議。此協議采用29位擴展標識符，對網絡節點的地址、命名、通信方式和報文發送的優先級進行了明確規定，并對各節點間的通信內容進行了詳細的說明，進一步完善和擴展了CAN的功能[1]。

本文參照SAE J1939協議制定了適用于純電動汽車驅動控制系統的的CAN通信協議，并利用Vector公司的CANoe總線開發軟件對設計的CAN總線系統進行了性能仿真分析，最后采用Matlab/Simulink軟件結合CANcaseXL總線分析儀對純電動汽車驅動電機控制系統進行了硬件在環測試。

1 純電動汽車系統通信網絡設計

根據SAE J1939協議，以及所開發的純電動汽車驅動控制系統的功能要求，本文設計了基于CAN總線的通信網絡系統，其結構如圖1所示。此通信網

絡主要由整車控制器（vehicle control unit，VCU）、驅動電機控制器（motor controller，MC）、充電機控制系統（charger control system，CCS）、電池管理系統（battery management system，BMS）4個節點組成，各節點通過CAN總線相互交換信息，實現對車輛不同工況的實時監測和控制[2-3]。

圖1 純電動汽車系統網絡結構

1.1 總線節點地址分配

CAN總線網絡中，每個設備節點都有唯一一個地址與其對應，SAE J1939協議中對節點源地址作了初步定義：0～127分配給在工業組0中最常用的設備；128～247留給行業特定分配；248～253留給特殊的設備。由于純電動汽車中加入了傳統汽車所不具備的新部件，而SAE J1939中未定義這些部件的源地址，因此本文將這些部件的源地址定義在行業特定分配地址區域（128～247）[4]。其中整車控制器屬于常用設備，J1939協議中已定義。本文系統總線節點地址分配如表1所示。

表1 總線節點地址

1.2 總線報文定義

CAN總線數據以報文的形式傳輸，每個報文有唯一的標識符。SAE J1939協議在CAN2.0B擴展幀的基礎上對29位標識符作了進一步的定義，將CAN標識符劃分為如下部分：優先級（P）、保留位（R）、數據頁（DP）、協議數據單元（PDU）格式（PF）、PDU特定域（PS）和源地址（SA）[5]。

本系統總線節點報文采用周期發送方式，其定義及特性如表2所示。選用東風電機有限公司研制的三相交流異步電機及控制器，因為驅動電機狀態變化較快，所以整車控制器與電機控制器的報文刷新率也較大，根據廠家的建議及測試結果，其報文周期定為50 ms；而電池狀態變化是一個較慢的過程，因此電池管理系統與充電機的報文刷新率較小，根據充電機生產廠家杭州鐵城信息科技有限公司提供的CAN通信規范及測試結果，其報文周期定為1000ms[6]。

以電機控制器報文2為例具體說明報文的組成。本幀報文分為兩部分：標識符（ID）和數據域。標識符中P的取值范圍為0～7，數字越小，優先級越高，缺省定義是3；PF的值為2，小于240，為PDU1格式，即表示點對點傳輸；PS定義取決于PDU的格式，由于本幀報文為PDU1格式，則PS域表示目的地址，本報文中即整車控制器地址；SA定義的是源地址，本報文即電機控制器地址。本報文數據域為8字節長度，其中第6～7字節數據表示電機故障狀態字節，其定義如表3所示，每一位都分別表示電機及控制器的一種狀態，采用0和1值來表示狀態值。

1.3 總線報文傳輸機制

網絡節點間的通信連接及數據傳輸由數據鏈路層完成。SAE J1939協議中定義了5種幀結構：發送

請求幀、發送清除幀、結束應答幀、連接失敗幀以及用來全局接收的廣播幀。

表2 總線報文定義及特性

表3 電機控制器故障狀態字節定義

本文主要采用點對點傳輸，通信建立過程如圖2所示。節點間的通信連接通過一個節點向目的地址發送一個發送請求幀而建立，在接收發送請求幀后，節點如果有足夠的空間來接收數據并且本地有相同的PGN，則發送一個發送清除幀，開始數據的傳送；如果存儲空間不夠或者數據無效等原因，節點需要拒絕連接，則發送連接失敗幀，連接關閉；如果數據接收全部完成，則節點發送一個結束應答幀，連接關閉[6]。

圖2 總線報文傳輸機制

2 網絡性能分析

針對所設計的純電動汽車系統通信網絡，本文首先進行軟件仿真分析，利用CANoe軟件建立的虛擬控制器節點，分析其通信動作，驗證各節點功能完整性，并測得總線負載率。然后通過建立的硬件在環測試系統進一步測試實際控制器在物理網絡環境中的通信功能。

2.1 軟件仿真分析

采用CANoe軟件建立系統總線仿真模型。使用CANoe數據庫工具CANdb++建立純電動汽車驅動控制系統數據庫，根據系統中各節點的功能要求，在數據庫中加入虛擬節點、消息、信號、環境變量等內容，以實現仿真測試[8]。

為實現虛擬節點仿真實際物理控制器的功能，實現發送和接收報文，還需要采用CAPL語言（communication access programming language）編寫程序對各虛擬節點的動態行為進行定義。CAPL中節點行為觸發方式主要有消息觸發、鍵盤觸發和時間觸發，CAPL事件一旦被觸發，對應的CAPL程序便開始執行[9]。

本文主要仿真純電動汽車正常運行與停機充電階段的總線狀態，這兩個狀態仿真時的總線負載率如圖3所示。由于整車控制器節點與驅動電機控制器節點的通信報文發送周期為50ms，系統仿真開始后，總線負載率快速上升至3.76%，而電池管理系統節點通信報文發送周期為1000ms，因此1 s之后定時器才觸發該節點開始工作，此時總線負載率達到峰值4.01%，之后各節點定周期發送報文，總線平穩運行，總線負載率保持不變。在CAPL中采用了一個鍵盤輸入來觸發系統進入停機充電階段，仿真進入第6s時，按下相應按鍵，此時系統進入充電工況，整車控制器節點與驅動電機控制器節點間的通信報文停止發送，電池管理系統節點和充電機控制系統節點以均1000ms周期發送報文，總線負載率迅速下降，并最終維持在0.12%位置。

圖3 軟件仿真總線負載率曲線

2.2 硬件在環測試

為了在實際物理環境中驗證設計的純電動汽車動力驅動系統CAN總線通信協議，本文基于Matlab/ Simulink中的 Vehicle Network Toolbox工具箱及CANcaseXL總線接口卡構建了驅動電機控制器的在環測試系統。圖4整車控制器簡化模型中的CAN發送器和 CAN接收器模塊即由 Vehicle Network Toolbox模塊構成。

硬件在環測試系統結構如圖4所示，分為被仿真的實時CAN總線部分和實際物理CAN總線兩部分。仿真的實時CAN總線部分建立在PC機的Matlab/Simulink環境中，CANcaseXL通過CAN接口接到實際物理總線上，通過USB接口與PC相連，將仿真信號傳送到實際的物理總線上，構成了仿真總線與實際物理總線間的橋梁。

CANcaseXL可看作實際物理CAN總線上的一個節點，另一節點為驅動電機控制器，控制一臺三相交流異步電機。在Matlab/Simulink中建立了整車控制器簡化模型，構成了仿真的實時CAN總線部分，如圖5所示。模型中采用3個手動開關（Manual Switch）分別模擬電源開關、啟動開關和制動開關信號，采用滑動增益模塊（Slider Gain）模擬加速踏板

信號。整車控制單元模塊采集到這些信號后，經過運算及邏輯判斷得到電機控制信號，這些信號傳遞到CAN發送器，編碼成CAN報文通過CANcaseXL發送到實際物理總線上，電機控制器收到控制報文后控制電機運行。反之，CANcaseXL采集到的電機控制器發送到總線上的報文則通過CAN接收器傳遞到整車控制器模塊，從而形成閉環控制[10-11]。

圖4 硬件在環測試系統結構

圖5 整車控制器簡化模型

硬件在環測試時，先打開電源開關，此時電機控制器內部大電容先充電，充電結束后主繼電器接通。接著打開啟動開關，只有當整車控制單元收到電機控制器發送的繼電器吸合信號后，系統才能成功啟動，然后拖動加速踏板增益滑塊，電機轉速會根據增益大小加減速，打開制動開關后，電機制動。圖6即為硬件在環測試過程中的電機轉速曲線。

圖6 電機轉速曲線

3 結束語

本文根據純電動汽車項目對驅動控制系統的開發要求，設計了純電動汽車驅動控制系統網絡結構，參照SAE J1939協議制定了系統CAN通信協議，并利用CANoe對設計的總線系統進行了性能仿真分析。由仿真結果可知，即使在峰值情況總線負載率也較低，為總線通信提供了較大余量。采用Matlab/ Simulink軟件結合CANcaseXL總線分析儀針對對純電動汽車驅動電機控制系統的CAN通信進行了硬件在環測試，驗證了CAN通信協議及控制系統的有效性，為純電動汽車項目后續開發提供了參考依據。

[1]羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統原理、設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]SAE Standard J1939 Recommended practice for a serial control and communications vehicle network[S].2007.

[3]羅森僑，彭憶強，易威.基于PIC單片機和CAN總線的純電動汽車電池管理系統設計[J].西華大學學報：自然科學版，2013，32（1）：56-59.

[4]Wilfried Voss.A comprehensible guide to J1939[M]. America Copperhill Technologies Corporation,2008.

[5]劉昌亮，肖正.基于CAN總線的主逆變器試驗臺設計[J].中國測試，2013，39（3）：60-62.

[6]杭州鐵城科技BMS與充電機CAN通訊規范 [Z].杭州鐵城信息科技有限公司，2011.

[7]SAE Standard SAEJ1939-21 Data link layer[S].USA，SAE，2006-12.

[8]Vector.CANoe manual version 5.0[Z].Germany，Vector Informatik Gmbh，2004.

[9]Vector.CAPL function reference manual version 2.5[Z]. Germany，Vector Informatik Gmbh，2004.

[10]李穎.Simulink動態系統建模與仿真[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[11]Vector.CANcaseXL user manual version 4.0[Z].Germany，Vector Informatik Gmbh，2004.

Simulation and test for all-electric vehicle drive control system based on CAN Bus

YI Wei，LUO Sen-qiao，PENG Yi-qiang
（School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

According to the principle of CAN bus communication，a power-driven control system network structure was designed for an all-electric vehicle in this paper.Referring to the SAE J1939 protocol，theCAN communication protocolforthepower-driven controlsystem was formulated.The CAN bus system’s performance was then analyzed with CANoe simulation.Finally，the hardware-in-loop testing of the driving control system was made by using the Matlab/Simulink software combined with CANcaseXL bus analyzer.The results of the simulation and testing show the validity of CAN bus communication protocol and control system.

all electric vehicle；driving control；CAN bus；J1939 protocol;hardware-in-loop testing

U469.72；TP391.9；TP336；TP273

：A

：1674-5124（2014)03-0105-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.028

2013-10-11；

：2013-12-29

四川省應用基礎研究項目（2010JY0042）四川省高校科技創新團隊項目（KYTD201003）西華大學研究生創新基金項目（YCJJ201267）

易 威（1986-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業方向為汽車電子控制技術。