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支持CAN總線的電動車輔助逆變電源的設計
支持CAN總線的電動車輔助逆變電源的設計摘要:現(xiàn)代電動車輛中電控技術應用廣泛,各類設備運行參數(shù)共享成為整車系統(tǒng)的特點。CAN總線的數(shù)據(jù)交換速度高、抗噪性強,成為車輛內(nèi)部通信網(wǎng)絡的首
摘要:現(xiàn)代電動車輛中電控技術應用廣泛,各類設備運行參數(shù)共享成為整車系統(tǒng)的特點。CAN總線的數(shù)據(jù)交換速度高、抗噪性強,成為車輛內(nèi)部通信網(wǎng)絡的首選。介紹了集成CAN控制器的高性能微處理器P8xC592的功能和特點及其在電動車輔助三相逆變電源中的應用。
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電動車由于儲能設備容量有限,在運行過程中對電能流向管理十分嚴格。精確的電能管理可以延長車輛運行里程,減少電池充電頻率,從而節(jié)約運行成本。車載能量管理系統(tǒng)需要隨時監(jiān)控電池電壓、電機輸出功率以及其它設備的用電情況。同時,電動車電子控制系統(tǒng)的動態(tài)信息必須具有實時性,各子系統(tǒng)需要將車輛的公共數(shù)據(jù)實行共享,如電機轉速、車輪轉速、油門踏板位置等。但不同控制單元的控制周期不同,數(shù)據(jù)轉換速度、各控制命令的優(yōu)先級也不同,因此需要一種具有優(yōu)先權競爭模式的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡,并且本身具有極高的通信速率。此外,作為一種載人交通工具,電動汽車必須具有極高的運行穩(wěn)定性,整車通訊系統(tǒng)必須具有很強的容錯能力和快速處理能力。 德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題,開發(fā)出一種CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場總線通訊結構,廣泛應用在常規(guī)燃油汽車上,如BENZ、BMW、PORSCHE。同時,CAN總線也被認為是電動車最佳通訊結構,我國"863計劃"關于電動汽車的說明中已經(jīng)明確提出,新申報的電動車開發(fā)項目必須采用CAN總線通訊模式。 CAN總線結構是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網(wǎng)絡。 |
圖1為一個典型的電動汽車CAN總線結構示意圖,包括整車動力部分的主電機控制器、電池組管理系統(tǒng)、人機界面顯示系統(tǒng)等多個設備,這些子系統(tǒng)之間通過CAN 進行數(shù)據(jù)通訊和命令傳輸。每個節(jié)點設備都能夠在脫離CAN總線的情況下獨立完成自身系統(tǒng)的運行,從而滿足車輛運行安全性的需要。同時,CAN 總線也不會因為某個設備的脫離而出現(xiàn)系統(tǒng)結構崩潰的現(xiàn)象。
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1 P8xC592芯片介紹 在電動車用輔助逆變電源的設計中,控制電路不僅要支持CAN總線通訊,還要對負載電壓、電流等模擬量進行檢測,進行各種邏輯判斷,并驅動其它芯片完成三相逆變功能。因此簡單選擇一個單獨的CAN控制器是不夠的,最方便的選擇是使用帶有在片CAN功能的控制器。 P8Xc592是由PHILIPS公司開發(fā)生產(chǎn)的8位微處理器,主要包括: ·一個80C51中央處理單元(CPU) ·兩個標準的16位定時/計數(shù)器 ·包括四個捕獲和三個比較寄存器的16位定時器/計數(shù)器 ·具有8路模擬量輸入的10位A/D變換器 ·兩路分辨率為8位的脈沖寬度調制輸出 ·具有兩級優(yōu)先權的15個中斷源 ·五組8位I/O端口和一組與A/D變換器模擬量輸入共用的8位輸入口 ·與內(nèi)部RAM進行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器 ·具有總線故障管理功能的1Mbps CAN控制器 ·與標準80C51兼容的全雙工UART P8xC592共有68個管腳,其中包括6個8位I/O口,P0~P3與80C51相同,但P1可以用作一些特殊功能,包括4個捕獲輸入端、外部計數(shù)器輸入端、外部計數(shù)器復位輸入端和CAN接口的CTX0和CTX1輸出端。并行I/O口P4的功能與P1、P2和P3相同。P5口是不具有輸出功能的并行輸入口,主要用作A/D變換器的模擬量輸入端。 P8xC592內(nèi)含CAN控制器,包括為實現(xiàn)高性能串行網(wǎng)絡通信所必需的所有硬件,從而能夠控制通信流順利通過CAN協(xié)議的局域網(wǎng)。為了避免出現(xiàn)混亂,芯片中增加的CAN控制器對于CPU是作為能夠雙方獨立工作的存儲器映像外圍設備出現(xiàn)的,即可以把P8xC592簡單地設想為兩個獨立工作器件的集成體。如果關閉CAN控制器部分的功能,該芯片可以僅作為帶有模擬量A/D轉換的普通8位單片機使用。 |
啟用CAN控制器的功能,主要借助四個特殊功能寄存器(SPR)實現(xiàn),CPU對CAN控制器的控制及其訪問都通過它們完成,接口結構如圖2所示。這四個特殊功能寄存器分別為:(1)地址寄存器(CANADR),CPU通過CANADR讀/寫CAN控制器的驗收碼寄存器;(2)數(shù)據(jù)寄存器(CANDAT),CANDAT對應由CANADR指向的CAN控制器內(nèi)部寄存器;(3)控制寄存器(CANCON),它具有兩個功能,讀CANCON意味著訪問CAN控制器的中斷寄存器,寫CANCON意味著訪問命令寄存器;(4)狀態(tài)寄存器(CANSTA),具有兩個功能,讀CANSTA是訪問CAN控制器的狀態(tài)寄存器,寫CANSTA是為后續(xù)的DMA傳輸設置內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM的地址。此外,DMA邏輯允許CAN控制器與CPU在片主RAM之間的高速數(shù)據(jù)交換。
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2 逆變電源系統(tǒng)硬件構成 電動車用輔助三相逆變電源從結構上可以分為三個部分:(1)DC/DC多路電源--自動適應直流輸入端的大范圍電壓浮動,為系統(tǒng)的其它電路提供彼此隔離且電壓穩(wěn)定的低壓電源;(2)主控制板--檢測各路輸出的電壓、電流,根據(jù)運行情況智能調整逆變電路的輸出,通過CAN總線參與整車數(shù)據(jù)通訊;(3)主功率逆變電路--由高度集成的三相逆變模塊IPM組成,完成主電路的逆變功能。 系統(tǒng)基本結構圖如圖3所示,其中未標出給系統(tǒng)各器件供電的DC/DC多路電源。 |
DC/DC多路電源采用開關電源的標準設計,配合具有不同變比的多抽頭高頻變壓器,對外輸出5V、12V、20V等多路隔離直流電。同時考慮到電動車電池組電壓的波動范圍相對較大(充滿時為400V,使用過程中可能降低到280V),在設計中選擇了適當?shù)碾娐方Y構,取得較好的輸入電壓適應能力。 控制板是整個系統(tǒng)的核心,采用了P8xC592單片機系列中無片內(nèi)ROM的P80C592、脈寬調制專用芯片SA8282、CAN總線收發(fā)器82C250以及主電路電壓、電流數(shù)據(jù)采樣模塊等。 控制板通過SA8282專用芯片向三相逆變模塊IPM提供6路PWM信號。SA8282芯片由MITEL公司開發(fā)生產(chǎn),其特點是控制簡單、頻率精度高、運行可靠性高,它支持標準的8位MOTEL復用數(shù)據(jù)總線,可以方便地和單片機交換數(shù)據(jù)。單片機只需對芯片內(nèi)部的5個數(shù)據(jù)寄存器賦值,就可以完成對PWM波形輸出的初始化和實時控制。SA8282芯片為標準28腳雙列直插式封裝,管腳RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB輸出三相可獨立控制的TTL驅動信號,可對應驅動三相逆變橋上的六路IGBT。 將SA8282專用芯片與IPM連接后,P80C892只需要在啟動時對其進行初始化,三相輸出達到預定值后,SA8282即可以獨立驅動IPM模塊。只有在調整PWM輸出時,P80C592才需要對SA8282進行控制。同時,SA8282芯片的SET TRIP管腳能夠響應IPM發(fā)出的故障信號,迅速關斷所有PWM波形輸出,對逆變電路進行快速保護,并通過TRIP狀態(tài)輸出管腳通知P80C592單片機,確保系統(tǒng)安全。 分布于主電路直流輸入端和三相輸出端的數(shù)據(jù)采集模塊可對各路電壓、電流進行采樣,經(jīng)P80C592進行A/D變換后保存到數(shù)據(jù)存儲器中,便于CPU判斷系統(tǒng)輸入/輸出是否正常,并進行相應操作。 CAN總線收發(fā)器82C250是CAN 控制器和物理總線間的接口,最初為汽車高速通信設計,具有許多針對車輛應用設計的結構。其特點包括:有效減小汽車環(huán)境瞬間干擾對信號的影響,具有保護總線能力;防護電池與地之間發(fā)生短路;支持低電流待機方式等,因此十分適合電動車輔助逆變電源的需要。將82C250與P80C592的CAN接口輸入、輸出端相連,便構成了輔助逆變電源對外通訊的接口,如圖4所示。 |
3 逆變電源系統(tǒng)軟件設計 輔助三相逆變電源的控制軟件通過8051匯編語言編制,在完成其控制功能外,力求程序的合理與簡化,以適應電動汽車對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求,控制流程如圖5所示。 |
系統(tǒng)上電運行后,單片機P80C952首先對SA8282芯片的初始化寄存器進行數(shù)據(jù)初始化,然后根據(jù)負載電機的特點執(zhí)行軟啟動程序。當三相輸出電壓達到預定值時,三相逆變電源即進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。此后控制程序將循環(huán)檢測各線路的電壓、電流情況,根據(jù)情況修改SA8282控制寄存器參數(shù),調整PWM輸出,從而改變?nèi)噍敵觥@?,電動車運行一段時間后,電池組電壓下降,導致逆變電源的三相輸出電壓低于設定值,P80C592檢測到該現(xiàn)象后,通過SA8282提高電壓輸出幅值,確保電源輸出的穩(wěn)定。 同時,控制程序還將定期檢測數(shù)據(jù)存儲器中的控制參數(shù)。若整車控制系統(tǒng)通過CAN通訊修改了逆變電源的運行參數(shù),P80C592將根據(jù)新的運行參數(shù)調整輸出。 控制程序中的三個中斷程序分別為:數(shù)據(jù)采樣程序、CAN總線通訊程序和故障處理程序。 數(shù)據(jù)采樣程序通過芯片內(nèi)部計數(shù)器定時觸發(fā),對逆變電源的輸入、輸出線路進行數(shù)據(jù)采樣,經(jīng)模/數(shù)轉換后存入數(shù)據(jù)存儲器,交給CPU進行運行狀況判斷。 |
CAN總線通訊程序包含若干子程序,其基本程序結構如圖6所示。當通訊程序觸發(fā)后,P80C592的CAN控制器根據(jù)命令字執(zhí)行相關任務。當上位機請求數(shù)據(jù)時,將逆變電源的各項運行參數(shù)傳輸給整車系統(tǒng);當上位機查詢節(jié)點狀態(tài)時,將當前CAN節(jié)點狀態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送出去;當上位機要求修改運行參數(shù)時,將接收的控制參數(shù)存入數(shù)據(jù)存儲器。 故障處理程序具有最高的中斷優(yōu)先權,即將P80C592的外部中斷0(INT0)管腳與SA8282芯片的TRIP管腳相連。當逆變電路發(fā)生故障時,IPM會發(fā)出故障信號給SA8282芯片,由后者在第一時間關斷PWM輸出,并向P80C592發(fā)出中斷信號,觸發(fā)故障處理程序。故障處理程序首先將SA8282關閉;然后通過CAN總線通知上位機有故障發(fā)生,并將故障代碼和當前系統(tǒng)運行參數(shù)寫入報文同時發(fā)送;最后控制單片機將整個系統(tǒng)關閉,實現(xiàn)安全關機。 CAN通信網(wǎng)絡的引入為電動車的全局優(yōu)化控制提供了條件,車輛的每個子系統(tǒng)都因此成為整車控制中的智能節(jié)點。采用集成CAN控制器的P8xC592單片機作為控制核心,結合SA8282專用PWM波形發(fā)生芯片設計出的電動車用輔助三相逆變電源,不僅安全穩(wěn)定性高,還能夠充分參與整車的數(shù)據(jù)交換和控制。對于采用不同CAN總線協(xié)議的電動車輛,只需適當修改控制程序中有關CAN通訊的部分程序段,就可以順利接入整車系統(tǒng),使該逆變電源具有更強的通用性。 |
參考文獻 [1]. P8xC592 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/P8xC592_539084.html. [2]. 80C51 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/80C51_103447.html. [3]. ROM datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html. [4]. SA8282 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/SA8282_595510.html. [5]. TTL datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html. [6].葛 林.CAN通信網(wǎng)絡在汽車中的應用研究.汽車技術, 2000;(11):1~4 [7]. 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計.北京:北京航空航天大學出版社,1996 [8]. 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計.北京:北京航空航天大學出版社,1990 [9]. 運動控制IC及功率調節(jié)IC技術應用手冊, MITEL,1998 |
來源:零八我的愛
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