39200字硕士毕业论文基于CAN总线的电动汽车控制系统研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：39200字

论点：电动汽车,总线,汽车

论文概述：

本文所设计的电动汽车系统使用CAN总线来实现控制单元之间的通信，将CANOPEN协议应用于本系统。首先建立协议的对象字典，将所有与通信有关的参数映射到对象字典中，对象字典中的对象分为

论文正文：

第一章引言

1.1山脊景观及其意义研究
20世纪，汽车工业的巨大发展引发了前所未有的交通革命，但同时也带来了严重的能源和环境问题。汽车的普及导致石化燃料的大量消耗。目前，美国每天进口1200万桶石油，据估计，到20世纪20年代初，发达国家进口的化石燃料总量将达到每天1亿多桶。除美国以外的发达国家，如日本和西欧，需要进口一半以上的石油消费，其中日本几乎完全依赖进口。发达国家的主要石油来源是中东地区的海湾国家，那里的局势动荡不定，随时可能影响世界经济的趋势。专家预测，世界石油年产量将在2015年达到45亿吨后达到拐点，并出现不可逆转的下降，而世界石油消费量将继续以每年3%的速度增长(1)。能源问题已经成为世界上所有国家都必须面对的严重挑战。随着我国经济的发展，我国的石油消费在过去的20年里出现了突飞猛进的增长。20世纪80年代，中国仍然是一个石油出口国，现在已经成为仅次于美国的世界第二大石油进口国。近年来，中国石油消费以每年8%的速度高速增长，而国内石油产量增长缓慢，年增长率仅为1%至2%。由于国内石油产量短期内不可能大幅增加，中国新增加的石油需求和产量之间的差距将几乎完全由进口来弥补。2011年，中国全年消耗石油4.5亿吨，其中2.5亿吨从国外进口，占石油总需求的56%。在石化行业，50%是国家能源安全警戒线。目前，中国已经突破了50%的国家能源安全警戒线，这表明中国的能源消费结构已经处于依赖海外投入的相对不安全状态。
除了能源安全问题，汽车工业的发展也带来了巨大的环境问题。汽车工业占世界温室气体排放量的相当大一部分。根据欧盟2007年的数据，交通部门的温室气体排放量达到总排放量的28%，其中18%是由各种汽车排放的。美国联邦运输部(Federal Department of Transportation)在其2005年的报告中指出，2003年运输业排放的温室气体总量达到当年美国总排放量的27%，道路运输占所有运输部门排放二氧化碳的80%。(8)汽车尾气中的二氧化碳和二氧化氮等温室气体大大加快了全球变暖的步伐。同时，汽车尾气也造成了巨大的城市空空气污染。首先，汽车排放的可吸入悬浮颗粒污染物会危害居民健康，并可能导致支气管炎和肺癌等严重疾病，其中老年人、儿童和全身性哮喘患者更易患病，并引发呼吸道疾病。其次，汽车排放的一氧化碳、碳化合物、氮和氧化合物以及疏水性氧化物都会对人体造成伤害。上世纪中叶，美国洛杉矶发生了多起光化学烟雾污染事件。1955年9月的一次严重光化学烟雾事件导致400多名65岁以上的人在两天内死亡。后来的研究表明汽车尾气是这场灾难的罪魁祸首。汽车尾气中排放的大量碳氢化合物、氮氧化物和一氧化碳在高空强太阳紫外线辐射下产生有毒的光化学烟雾。(1)为了遏制汽车造成的环境污染，欧洲从20世纪70年代开始逐步限制汽车污染物的排放，至今已先后实施了多套汽车排放标准。中国于2007年开始实施相当于欧洲三级标准的第三套阶段标准。[2]然而，由于近年来国内汽车数量的快速增长，限制单一汽车污染物的重要性已经减弱，汽车造成的大气污染在中国不断加剧。总之，汽车工业在过去100年的发展给人类文明带来了巨大的进步，但由此带来的资源和环境问题也越来越严重。在这种情况下，所有国家都在寻找新的低污染低能耗汽车来取代传统汽车。电动汽车已经成为各国的首选，各大知名汽车制造商在这一领域投入了巨大的人力物力进行研发和推广。

1.2国内外研究现状
事实上，电动汽车历史悠久，在20世纪初曾风行一时。1881年，法国人在世界电气展览会上展示了世界上第一辆电动三轮车。到19世纪末，西欧国家和美国已经开发了自己的电动汽车。1912年，美国电动汽车的产量达到33，000辆。[3]但是随后，由于电池材料储能不足，电机控制技术落后和大量的油，内燃机技术迅速发展，电动汽车迅速消失。直到20世纪70年代，伴随着两次石油危机，各国才逐渐开始寻找内燃机的替代品，作为化石燃料枯竭后的主要道路运输工具。电动汽车迎来了一个快速发展的时期。目前，各国销售和开发的电动汽车主要包括纯电动汽车、混合电动汽车和燃料电池汽车。美国的电动汽车项目得到了政府的大力支持，投入了巨大的人力物力。美国三大汽车公司拥有丰富的技术积累和研发资本，开发了大量不同特性的电动汽车和电动汽车所需的各种技术单元。1993年，在美国政府的领导下，三大汽车公司联合推出了PNGV计划(新一代汽车伙伴计划)，该计划将轻质材料、混合动力和燃料电池确立为新一代汽车的主要技术发展方向。在2000年底特律车展上，福特汽车公司展示了使用混合动力系统的神童概念车。通用汽车公司推出了概念车方案，由一台1.3L柴油发动机和两台电动机组成。(4)2000年，美国政府用新的自由汽车(FreedomCar)计划取代了原来的PNGV计划，进一步推动电动汽车的研发。

第二章CAN总线在电动汽车中的应用

2.1 CAN总线概述
CAN总线(控制器局域网)是德国博世公司在20世纪80年代初开发的一种通信协议，用于解决汽车内部电子设备之间的实时通信。在成立之初，CAN总线就位于车内的现场总线上，具有传输速度快、可靠性高的优点。20世纪90年代，CAN总线开始在汽车电子行业逐渐普及。目前，CAN总线已成为汽车电子行业首选的通信协议，并已广泛应用于医疗设备、工业生产、建筑设施、交通运输等地方。1991年，飞利浦推出CAN2。0，包括2。OA和2。零件。其中，2。OA根据版本1定义了CAN消息格式。2，而版本2。0B定义了两种消息格式:11位标识符的标准消息和29位标识符的扩展消息。[13]1993年，国际标准化组织/TC22技术委员会推出了国际标准IS011898和IS011519，用于CAN总线。[I4] [i4]1994年，汽车工程师学会选择了CAN总线作为J193 9标准的基础，并于2000年推出了J1939协议，成为卡车和总线的通用高级协议。[15]国际用户和制造商组织(CiA)也在1996年推出了CAN总线应用层协议CANOPEN。目前，基于CAN总线的高层协议已经非常成熟，并广泛应用于嵌入式网络中。

第3章轮毂电机车辆转向差速的计算.........32
3.1电动车辆转向模型的建立.........33
3.1.1车辆轮胎的机械分析.........33
3.1.2车辆转向动态模型.........36
3.2基于滑移率闭环控制的转向差速器.........40[/比尔/] 3.3系统建模和仿真.........42 [/BR/] 3.4本章概述.........43 [/BR/]第4章电动汽车控制系统的实施.........4 [/BR/] 4.1电动汽车系统总体设计.........45 [/溴/]4.2电动车系统硬件设计.........46
4.2.1反激式电源设计.........46
4.2.2主控制器的硬件设计.........48
4.3电动汽车主控制器软件设计.........50
4.3.1电动车辆主控制器扭矩分配程序.........50 [/BR/] 4.3.2电动汽车主控制器的CAN通信编程.........51 [/BR/] 4.3.3电动车辆主控制器的主编程.........59[/溴/] 4.4测试结果.........60 [/BR/] 4.5本章概述.........61[/比尔/]第5章全文摘要.........62

结论

该项目的目标是开发一种使用轮毂电机的电动汽车。我参与了项目中控制系统的研究和开发。控制系统的开发是基于电动汽车内部的CAN总线通信。已经做了以下工作:
1。电动汽车CAN总线通信协议的建立。根据CANOPEN协议构建系统的CAN总线高层协议:首先，建立对象字典和通信对象，实现CAN总线的基本功能；其次，根据系统控制对象的特点，按照DS302子协议设计了系统的启动过程。最后，根据DS402子协议，建立电机控制所需的应用对象，并配置通信对象。因此，制定了适用于该系统的CAN总线高级通信协议。
2。提出了一种电动汽车主控制器转矩分配算法。在使用轮毂电机的电动汽车转向中，为了实现两个驱动轮之间的速度差，应使用主控制器动态分配两个轮毂电机的扭矩。本文首先分析了汽车轮胎模型，并在此基础上建立了汽车转向时的动力学模型，得出了汽车转向的二自由度动力学方程。然后，提出了一种基于转差率闭环控制的电动汽车转向微分算法，并在MATLAB中完成了仿真分析。从仿真结果可以看出，该算法有效地降低了打滑的可能性，并为凸轮圆的侧向力留下了很大的余量。
3。完成电动汽车控制系统的软硬件设计。设计并调试了由反激式电源和主控制器组成的硬件部分。在TMS320F28035单片机上进行软件编程，实现了基于CAN总线的主控制器通信、信号量采样分析、轮毂电机转矩分配控制等功能。
目前，该系统仍是最基本的电动汽车控制系统，需要进一步改进和完善。接下来的工作可以包括:加载和调试，进一步改进转向微分算法的软件设计；进一步研究了主控制器的控制算法，增加了制动时的转矩控制和带制动的转向控制，实现了一定的防抱死制动系统/电潜泵功能。

参考
[1]。陈全石。先进的电动汽车技术。北京:化学工业出版社。2009年
[2]。许郭凯、赵秀春、苏航。电动汽车的驾驶和控制。北京:电子工业出版社。2010年
[3]。地球电机研究所。第三次全球电动汽车浪潮中国寻求成为主导。地球电机网络。[2010-8-30]。
[4]。李·程雪。微型电动汽车控制系统的研究。杭州:浙江大学硕士论文。2007.4
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[8]。张锡铭。纯电动汽车控制系统。杭州:浙江大学硕士论文。2008.5
[9]曼弗雷德·米茨克，亨宁·沃林托维茨，陈阴三，余强。汽车动力学(第4版)。北京:清华大学出版社。2010.
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