电动轮车辆动力分布式控制系统总线网络设计

电动轮车辆动力分布式控制系统总线网络设计
刘秀敏;孙继卫;韩晓燕
【摘要】In the control system of electric drive wheel truck,the fieldbus network is equivalent to the neural network of the truck that can meet the smoothness of the data communication and the improvement of the information efficiency,and greatly improve the vehicle safety.According to the distributed control system characteristics of the electric drive wheel truck,it designed a fieldbus network used in the system and completed the analysis of the communication reliability of the network.An open multimaster serial communication bus-CAN bus to communicate was used in the designed fieldbus network.The design idea of the electric drive wheel truck's fieldbus network was introduced,to ensure that the truck was running the power control system of the various functional modules of the normal work was essential In the process of fault detection,the redundancy reliability research was carried out.The implementation method of redundancy design of fieldbus network was analyzed,and a new method was proposed to meet the design requirements of redundancy detection.The experiments show that the redundant system can fully meet the electric drive wheel truck in a variety of harsh conditions of the actual needs.Finally,the CANfieldbus network reliability was analyzed,and the laboratory test was carried out,which show that CANfieldbus network can not only meet the truck control system communication process time characteristics,and the system has the characteristics of fast andstable.%在
电动轮车辆整车控制过程中,总线网络相当于车辆的神经网络,保证数据通信的顺畅与信息效率的提高,大大提高车辆安全性.根据整车动力分布式控制系统特点,设计一套应用于该系统的总线网络并完成对该网络通信的可靠性分析.所设计的总线网络主要应用了一种开放式多主串行通信总线—CAN总线进行通信,介绍了电动轮车总线网络的设计思路,确保车辆运行时动力控制系统各个功能模块的正常工作至关重要.在进行故障检测的时候,进行冗余可靠性能研究,分析总线网络冗余设计的实现方法,提出了一种全新的方法来满足冗余检测的设计要求.经试验证明,该冗余系统完全能够满足电动轮车辆在各种恶劣条件下的实际需求.最后,对CAN总线网络进行了可靠性分析,经过实验室测试,CAN总线网络不仅完全可以满足车辆控制系统通信过程的时间特性要求,且系统具有速度快而且稳定的特点.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2017(000)007
【总页数】4页(P208-211)
【关键词】电动轮车辆;分布式;控制系统;总线网络;冗余设计;可靠性
【作者】刘秀敏;孙继卫;韩晓燕
【作者单位】中原工学院信息商务学院,河南郑州451191;中原工学院信息商务学院,河南郑州451191;中原工学院信息商务学院,河南郑州451191
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TP393.1;U463.23
电动轮车辆载重量大而被广泛应用于短途载重运输，实现对各电器单元快捷高效控制，是保证整车稳定高效运行前提[1]。

由于电子系统高度集成，原有传统控制不
仅远远无法满足这种需求，也大大挤占车身有效空间，随着电子单元控制而来总线网络控制在此类车辆控制中得到广泛应用和推广[2]。

因此，对电动轮车分布式控制系统的总线网络设计与可靠性研究具有重要意义。

国内外学者取得一定成果：文献[3]使用IGBT斩波调速装置，对输出的交流电压进行调节控制；文献[4]通过对电机谐波的控制实现对主回路电流的控制；文献[5]通过CMOS开关对系统初始状态的不确定性进行控制；文献[6]为实现采集开关量和输出开关量设计开关量输入输出模块板卡，还可实现速度量读入和PWM波输出。

针对电动轮车辆分布式控制系统，设计出一种应用于电动轮车分布式控制系统的总线网络，并对该网络的可靠性进行研究。

为分布式控制系统所设计的总线网络主要应用了一种开放式多主串行通信总线—CAN总线进行通信。

介绍了电动轮车辆总线网络的设计思路，为了确保车辆运行时动力控制系统各个功能模块的正常工作至关重要。

在进行故障检测的时候，进行冗余可靠性能研究，分析总线网络冗余设计的实现方法，提出了一种全新的方法来满足冗余检测的设计要求。

2.1 分布式控制系统
系统框图，如图1所示。

对比可知，分布式控制系统各个独立的控制单元作为网络节点挂接在总线上，每个控制节点都具有检测，计算的功能，同时又在不断的与其他控制节点进行通信，构成一个具有相当自动化程度的系统[7]，不仅降低了传统控制系统对中央节点的过度依赖性，同时也大大简化了现场布线与整车设计，但对系统可靠性提出较高的要求[8]。

2.2 总线网络结构
在分布式控制系统中依据如各设备重要程度、数据要求相应速度、控制器工作环境等因素，将挂接在CAN总线网络上控制单元分为相互独立3个层级[9]，将会大大减少控制单元彼此间干扰，提高总线工作效率，同时也能有效保证传输数据准确性。

所设计的电动轮车辆总线网络设计框图，如图2所示。

CAN总线网络上控制单元有：现场总线控制器（主、从控制器）、发电机励磁控
制器、各驱动轮逆变控制器、制动控制器、CAN总线光纤调制解调器、指示灯仪
表和LCD显示屏，各个控制单元相互通信，共同组成整车分布式控制系统。

该分
布式控制系统以主控制器为动力控制核心，4个CAN总线接口分别接动力控制系统、发动机ECU、从控制器和强电冗余接口，以及带有总线接口的仪表和LCD液晶屏；以从控制为辅助电气控制核心，1个CAN总线接口连接主控制器和带有总线接口的仪表和LCD液晶屏，1个LIN总线接口挂接多个辅助电气控制模块。

设
计过程中，为避免CAN2受到系统强电磁干扰，从软硬两个方面保证总线数据传
输的安全性：（1）使用光纤来提高总线传输介质的档次；（2）采取冗余总线的
方式。

在整车控制过程中，总线网络相当于车辆的神经网络。

在CAN2总线网络中，如
果只通过一条CAN总线连接，一旦某个控制模块的CAN总线接口出现故障，或
总线出现断路等问题，将会导致整个网络彻底崩溃，车辆无法正常安全的运行[10]。

因此，针对此设计冗余控制策略。

3.1 冗余设计可靠性模型
冗余设计，如图3所示。

n个单元组成并联系统的可靠度函数为：
因此，可得知并联冗余后系统的可靠性明显地升。

而且比较单个控制单元和2个
控制单元并联冗余系统，后者的平均寿命是前者的1.5倍[11]。

单个系统可靠性为：R1（t）=e-λt，平均寿命为MTBF1= 1/λ；如果选用一个冗余子系统，构成双机
冗余系统，其整体可靠性为
平均寿命为
如果选用两个冗余子系统，构成三机冗余系统，其整体可靠性为：
平均寿命为：
可发现：
因此，依据成本、效率综合考虑可知，双冗余系统最优。

3.2 冗余设计的研究与实现
冗余设计原理图，如图4所示。

硬件设计上，主控制器作为系统的控制核心，选
用带有双核处理器，4个CAN总线接口的车用控制器；强电动力总成中的控制单
元需要具有1个CPU，2个CAN总线接口，以保证冗余设计的实现。

如图4所示，主控制器具有2个CPU，每个CPU都有两个CAN总线接口CAN0，CAN1；控
制单元有一个CPU，两个CAN总线接口。

在主控制器上，CPU2作为主控制器控制动力系统的核心控制器，具有两个CAN总线接口，CAN0接口接动力系统总线CAN2，CAN1接口接冗余总线CAN4，来作为动力控制总线CAN2的冗余备份。

两路总线从接口出来后分别接入光纤调制解调器将数据帧的电平信号转化为光信号，再通过光纤将光信号输出到控制单元所在的强电动力总成之中，最后通过光纤调制解调器再将光信号转化为电平信号输出到总线上。

通过这样的步骤，主控制器发出的控制信号在经过由电平信号到光信号的转化后才经过车辆的强电环境，避免了车辆强电电磁环境的影响。

同时，CAN2、CAN4两条总线在物理上完全隔离，CAN2总线从主控制器的CAN0口输出，到各控制单元的CAN0口输入；CAN4
总线从主控制器的CAN1口输出，到各控制单元的CAN1口输入，同时在车辆线路设计过程中将两条总线的位置分别布置，以最大的可能减小两条总线同时受到一种环境的影响。

这样设计即完全避免了总线网络在使用过程中出现交叉的现象，又可以将问题网络与完好网络作清晰划分。

3.3 实验验证
在实验室，以图4所示的冗余设计原理图为依据完成实验平台的搭建和程序的编写。

根据上面的原理，为了保证顺畅的信号流，搭建了通用型试验台。

试验台包括仪表台、控制箱、灯光传感器箱和踏板固定座等四个主要的组成部分，如图5所
示。

选用TMS320F2808作为DSP控制器的核心；电源模块，24V转3.3V给F2808提供驱动电源，其中先后使用24V转5V的隔离电源和5V转3.3V的隔离电源做电压转换，电源的前端加电容滤波，保证电源信号的稳定。

DSP板选用周立功CTM8252A作为CAN收发器；液晶屏用于总线数据监测，实时显示总线上发送和接收的数据，验证总线运行情况。

试验过程：（1）检测位函数，函数f（x）以T=10ms为循环周期，以5ms从（0～1）跳变，并将该检测位关联到数据帧的某一位上。

（2）判断函数，设置看门狗函数的监测周期为100ms，判断函数监测接收到的数据帧的第8个字节的第1位的值是否在0/1跳变。

如果跳变，说明总线网络正常，冗余总线休眠；如果数值不发生变化，则总线网络断路，冗余总线启用。

（3）自动切换设置。

经总线仲裁后的时间分布，如图5所示。

Tc为主控制器的通讯周期，T为主控制器发送数据帧到各个控制器并接受各个控制器返回相应数据帧所占用的时间。

只要T＜Tc，就可以保证总线通讯的正常[12]。

由总线分析可知，波特率250K，8个字节的数据帧发送一帧需要约0.44ms，CAN2总线上从（0×141-0×159）发送完成需要7.92ms，加上各帧间的帧间隔约为0.05ms，所以总线上数据全部传输完毕最少需要时间8.77ms。

如果设置总线的时钟周期Tc=20ms，那么总线完成一个周期数据传输大概需要不到9ms，总线占用率η不到45%，在这个周期内完全可以保证总线数据传输安全可靠。

由图6（a）得到总线数据在时间轴上的分布图如图6（b）所示，CAN3称之为辅助电气总线，主控制器需要发送的数据帧有0×161（可能有0×162-0×169），传递的主要信号有需要接收的数据帧有0× 171（可能有0×172-0×179）；总线数据发送次序的规则与CAN2相同，时钟周期也选择Tc=20ms。

经过试验，实现了总线网络的自动切换。

当人为切断一条总线后，另一条总线会在100ms左右的
时间内完成切换，并继续发送数据，验证了所提出的冗余设计思想。

采用TTCAN网络来研究在总线上数据传输的时间特性，并对每一帧数据在各种波特率的条件下传输时间特性进行详细分析，以保证正常运行，如图7所示。

以上面的实验平台为基础，利用TTCAN网络的令牌方式来研究总线网络的时间特性。

各节点上发送数据的时间分布图，如图8所示。

在图7中，T1是主节点发送一帧数据所占用的时间，这个数据帧即可以设置为向4个从节点同时发送，也可以是向某一个从节点单独发送发送。

从节点按约定顺序分别向主节点返回数据。

T是主节点发送数据帧到4个从节点并分别返回数据帧所占用的通讯时间。

Tc是主节点控制器的通讯周期，保证Tc>T即可保证通讯的畅通。

在实际测量中以TI公司的TMS320F2808为CPU，主站挂接4个从节点，数据场为4个字节和8个字节时的实际测试结果，如表1所示。

不同条件下示波器记录的CAN总线信号波形，如图9所示。

对比可知，实测值与计算值存在一定偏差，这一偏差主要来自各个节点DSP在帧与帧之间的运算处理时间、单帧数据帧的结束标识的隐性位无法在示波器的屏幕上显示和示波器的测量误差，时间约为0.05ms。

CAN总线网络不仅完全可以满足车辆控制系统通信过程的时间特性要求。

针对电动轮车辆分布式控制系统特点，为其设计的总线网络主要应用了一种开放式多主串行通信总线—CAN总线进行通信，进行总线网络的结构设计，为了检验该网络是否安全可靠，我们在实验平台上分析了总线网络的时间特性。

针对电动轮车强电磁干扰、强震动等特点，在分布式控制系统的关键部位，也就是动力控制系统部分，进行了特殊的设计。

不仅在该处选用较高级的光纤作为传输介质，还完成了强电动力系统的冗余设计，有效地提高了整车运行的可靠性和实用性。

结果可知：（1）控制系统的设计合理、高效；总线网络的设计安全可靠，实时性强，数据通信畅通，工作效率高；数据链路层设计合理，总线占用率低；（2）应用光纤可以
有效提高总线网络的抗干扰能力；冗余系统设计实现简单，可靠性强，具有较强的抗干扰能力。

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