支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计.docx

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支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计

2015届毕业设计说明书

支持CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

王思宇

指导教师：

黄海波职称实验师

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1105班

完成时间：

2015年6月6日

摘要

现代电子控制技术广泛利用于电动车行业，因为它的电动车之间的参数共享，使它广受电动车行业的青睐。

因为有数据交换效率高和抗噪声能力强的CAN总线，使它成为了首选的电动车内部通信网络。

文中介绍的电动车三相逆变电源即为电动车车载辅助逆变电源，并称为“辅助电源”,辅助电源为电动车各个部门之间交流电机提供了负载。

如电动车的空调系统中的压缩机，方便转向助力油泵、电动车刹车气泵和冷却水循环中的水泵，等。

在设计电动车辅助电源时它要求：

（1）在行驶的过程中保持逆变辅助发动机的运行稳定，可以根据上位机提出的要求做出相应的工作状态；

（2）在电动车负载电源发生故障时，比如：

（发动机发生短路现象），需要断开输出，进行安全关机。

通过CAN的控制总线，发生出来的故障需要向各个节点和上位机进行报告，并对总线中每个发生的故障做出操作，如：

在位于电动车上显示系统显示出系统做出的预警告示信息,提醒驾驶员减速。

并通过电动车电源管理系统发出指令关闭辅助逆变电源的输入，接收其错误代码和保存当前电动车运行数据，来方便维修人员排除故障。

要实现电动车的辅助逆变电源的基本功能，可以选择一个变频器进行改装,,从底层开始进行开发和加强电动车上各种智能化节点的优化,这样有利于直接选择支持电动车CAN总线接口的所需要的控制芯片,在控制芯片选好后做好控制程序的集成来满足CAN总线的通讯要求,最后用开环仿真可以很好的来实现设计中的故障系统，最后通过上传总线控制，来进行故障管理，实现CAN总线的电动车辅助逆变电源的设计。

关键词：

逆变器;电源;控制器;

ABSTRACT

Modernelectroniccontroltechnologyiswidelyusedintheelectricvehicleindustryanditiswidelyfavoredbytheelectricvehicleindustrybecauseparametersofelectricvehicleisshared.BecauseCANbushashighefficiencyindataexchangeandstrongabilityinantinoise,itbecamethepreferredinternalcommunicationnetworkofelectricvehicle.

Thethree-phaseinverterofelectricvehicleintroducedinthispaperisvehicleauxiliaryinverterofelectricinverteranditisknownasthe"auxiliaryelectricalpowersource”,whichprovidesloadtoACmotoramongvariousdepartmentsoftheelectricvehicle,suchasthecompressoroftheelectricvehicle’sairconditioningsystem,powersteeringpump,brakeairpumpofelectricvehicleandwaterpumpincoolingwatercycle.Inthedesignofelectricvehicle’sauxiliarypower,itrequires:

（1）keepstableoperationoftheinverterauxiliaryengineintheprocessoftravailingandcorrespondingworkingconditioncanbemadeaccordingtotherequirementsofhostcomputer;

（2）whentheloadpowerfailureofelectricvehiclesuchasengineshort-circuithappens,theoutputneedstobedisconnectedtosecuresafeshutdown.FaulthappenedneedstothevariouspanelpointsandthehostcomputerthroughtheCANbuscontrolandeveryfaultinthebusneedstobeoperated,suchasearlywarningsignsindisplaysystemofelectricvehicletoremindthedrivertoslowdown.Moreover,Issuingadirectivetoturnofftheinputofauxiliaryinverterpower,receivingitserrorcodeandsavingthecurrentrunningdataofelectricvehiclewouldbeconductedthroughpowersupplymanagementsystemofelectricvehicletofacilitatetroubleshootingofmaintenancepersonnel.

Torealizethebasicfunctionsoftheelectricvehicle’sauxiliaryinverter,afrequencyconvertercanbechosentomakemodification.DevelopingandstrengtheningtheoptimizationofintelligentpanelpointfromthegroundischoosingthechipthatcansupporttheCANbusoftheelectricvehicle.Afterchoosingtheidealchip,goodintegrationofcontrolprogramcanbemadetomeetthecommunicationrequirementoftheCANbus.Finally,faultsysteminthedesigncanbesecuredbyopen-loopsimulation,faultmanagementcanbedonebyuploadingbuscontrolanddesignofelectricinverterpowerofCANbuscanberealized.

KeywordsInverter;Thepowersupply;Thecontroller

1绪论

1.1选题背景及意义

根据现在社会的发展，有效能源的不断枯竭，如果人类在这样没有遏制的持续下去的话，将在不久的将来给人类带来不可预知的灾难。

同时，能源消耗，会造成不可逆的环境影响，如：

空气污染等。

而这种不可再生资源的如：

石油资源，会随着社会的发展，汽车制造水平不断提高，人们生活水平的提高，使汽车作为交通出行的重要手段，更多的汽车资源将快速消耗，增加环境污染，还会造成能源短缺等问题。

目前中国的汽车产销量居世界第一，由此消耗的能源和环境的破坏更为严重。

因为电动车储存设施内的基本存储容量有限，所以要加强在电动车在运行程的功率流严格管理，使其达到管理要求。

有了良好的电池的管理，就能加强车辆的行驶里程，从而减少电池使用过多导致的电池充电次数增加，并节省出电动车运行过多的运行费用。

电动车能量管理于电动车的电机功率，电池的电压和其它电动车中需要用电的设备。

在德国有一家公司为了解决现代汽车中众多的数据交换问题和控制问题，研发出一个可以发展总线通信结构（控制器局域网），广泛应用于传统燃油汽车，如宝马，保时捷，和奔驰。

同时，被认为是最好的电动汽车CAN总线通信结构，在我国推出的“863计划”里就提出过关于电动汽车CAN总线通信模式，要求CAN总线通信模式是所有新申报的电动汽车开发项目里必须使用的[1]。

CAN总线是管理实时控制的串行和一种可以很有效的支持分开各个部分控制的通信网络，是一个典型的CAN总线结构的电动汽车原理图，其中包括了主电机控制器的车辆动态部分，电动车的电池管理，以及仪表台显示系统等用电设备，在这些众多的子系统中，它们之间通过数据通信和下达命令的传输。

可以使设备可以在每个节点可以在自己的系统总线下独立运作，来满足电动车辆安全的需要。

同时，CAN总线是不会导致结构坍塌的系统装置[2]。

1.2逆变电源概况

逆变电源的硬开关PWM为供电方式。

电源变换技术的发展是基于现代微电子技术和电力电子技术的发展为前提，基于现代电力电子器件和一个新的电路，随着生产的需要和发展的增长。

对于变换AD/DA而言，由原设备的电机发电机组，由于量高，效率低，性能差，已基本被淘汰，70的采用晶闸管变频器设备由于自身的缺陷所控制的现代转换装置取代。

由于新的电力电子器件的不断涌现，成熟，双零开关脉宽调制电路的谐振电路的不断完善，新的功率转换技术被广泛应用的新型电力转换装置就高功率小，频率高，可靠性和模块化，数字化，智能化方向发展。

目前国外电源的发展大约有4代：

第一代是直流电机电源，电源耗能大且使用效率低；第二代为"自藕+硅整流"式的直流电源，使用自藕变压器调整输入电压，再由大功率硅整流管来整流，最后有低效率精度纹波等，但它的技术指标差；第三代则为可控硅电源，它的高效率功率范围宽，是目前使用广泛的电源；第四是开关型直流电源，它的体积小，而且高精度纹波系数使得可靠性高，决定了它将成为未来电动车直流电机驱动和电镀电解行业的主体使用电源。

1949年中国电力行业开始发展，经过几个阶段的发展后，慢慢的发展为机械，邮电，铁路等行业都有电源的生产和开发，具有很好的开发能力，和生产能力。

同时国外大量的公司进入中国，加强了竞争，逐渐加剧了电子技术发展，电子设备已由原来的静止独立系统发展为便携式综合系统。

电子设备中的电源部分，也由集中式向分布式发展，不断向着高效小型化，数字化，绿色和其他方向发展。

在电力工业中的电源产业和电源的相关技术：

具有高度智能化技术，同步整流技术，变频电源转换技术，全谐振高频软开关技术的数字控制技术，电磁兼容的相关技术有：

脉冲宽度调制技术，微机控制技术和智能充电技术、并联功率因数校正技术、保护集成技术，变频调速控制技术，网络技术，智能监控技术，等先进技术，如PWM（DC/DC）可以使源软开关谐振拓扑的效率变得越来越高。

1.3论文研究内容的章节安排

论文结构和论文章节安排如下：

第1章介绍了CAN总线的电动车辅助逆变电源设计的背景和意义，设计出论文的研究内容的章节安排。

第2章对研究的电动车辅助逆变电源进行整体方案的论证,最后确定最终方案。

第3章硬件系统设计,设计完成逆变电源的硬件电路设计工作，包括P80C592芯片介绍，复位电路，晶振电路，电源电路，CAN总线通信电路等设计。

第4章软件系统设计，对软件系统的整体设计思想进行说明，然后对主控程序软件、故障处理子程序、CAN总线通信等相关的分别进行了设计。

2整体研究方案

2.1电源设计方案

该章针对逆变电源的各种要求，以实际的电动汽车的具体参数要求和安全指标为准则，通过硬件设计及软件编程相结合的方式设计出一个操作性强、稳定性强的电源。

通过查阅相关的技术资料，进行汇总分析，设计出以下逆变电源的设计方案。

该方案主要由两部分组成：

一是主电路，二是控制部分[3]。

在主电路设计，参考了逆变器结构后，确定采用了二重单相全桥逆变器连接。

两逆变器直流环节是不一样的电压，电压UDC是逆变器直流环节，逆变器的直流母线电压为3UDC。

电压3UDC为直流侧逆变器的直流侧的电压.输电电压波形组成共有9个级别：

±2UDC、±4UDC、±3UDC、±UDC、0。

由于波形输出比单个逆变器波形输出更加完善,是工作频率较高的主逆变器，是从一个操作频率较低的逆变电源而产生的，这样可以大大降低开关损耗。

在参考变化比较缓慢的波形发展阶段，只有主逆变器，可以很好的跟踪参考信号；作为参考信号的变化很快，需要辅助逆变器和逆变器必须同时工作，并更加快速简单的精确到跟踪参考信号。

根据设计中的主电路，经过选择采用了全桥结构式电路。

控制电路以TI公司的DSP芯片TMS320F240专用电机控制是全数字控制器的核心。

LF和CF作为输出滤波电感和电容器，在滤芯系列RL和RC寄生电阻，分别。

考虑到精度和控制生产成本，电动车的电阻采样系统，主控制电路和子控制电路系统。

为输出电感取样电阻RC，RS1和RS2为取样电阻。

使采样电流和电压信号输入到A/D转换器的DSP口。

DSP的驱动电路中，PWM输出通道的PWM信号控制其IGBT的驱动[4]。

该设计采用滞环完全数字化控制，是一个具有滞环的全数字控制部分。

滞环控制精度高，反应快，输出电压不含特定频率的谐波分量。

跟踪度高，精度高，反应快的特点，利用DSP数字控制来实现。

对于文中的主逆变器，采用了滞环控制逆变器主电路。

为了获得稳定的阈值电平，以实现精确的时间控制，监管者需要外部参考电压源的使用。

集成精密电压参考adp5134，节省大量的成本和电路板面积的方法解决了这个问题。

当启用了vih_en输入（0.9V的最小值）以上，设备退出关机模式和管理模块的开放，但监管机构不会被激活。

使一个精确的内部参考电压输入电压（通常为0.97V）比较。

一旦启用引脚精密电压高于阈值，调节器被激活时，输出电压开始上升。

过渡处的输入电压和温度，参考电压变化±3%只。

这确保了在小范围内精确的时序控制，解决遇到的问题时，采用分立元件。

2.2系统总体设计方案的确定

电源是电子设备的动力部分，是一个通用性很好的电子产品。

它已被广泛应用于各个行业和日常生活当中，其质量的优劣对电子设备的可靠性有很大影响，其效率和承载其应用范围直接关系它的应用相关的范围。

方波逆变器是一种低成本，极其简单的变换方法，它适用于各种整流性负载，但适用于变压器负载不是很好，有很大的噪音。

逆变电源的发展方向，主要为重量轻，结构紧凑，高效率。

文中介绍的逆变器电源电路采用集成芯片，可以使电路结构更加简单，制造成本低，性能变稳定。

因此，这种电路是一个控制简单，稳定的可靠性和更好性能的电路。

随着市场竞争加剧，高性能逆变电源具有高的性价比。

要选择正规的专业厂车载逆变器产品生产或经销代理,系统框图如图1所示。

图1系统框图

3硬件电路设计

3.1逆变电源硬件构成

电动车三相逆变辅助电源基本上可分成三个部分：

（1）主控板–用来查出电路之间所有的输出电流，电压，在按照其系统运行情况来调节主控板的逆变电路输出；

（2）直流/直流路电源–找到合适的DC输入的电压，但可能浮动大，所以针对浮动大的电压对其他电路系统提供之间的隔离，使电路低电压电源的得到稳定；（3）主电源逆变电路–由三相辅助逆变模块组成的集成，通过集成模块很好完成对逆变器的主电路的功能要求[5]。

输出脉冲宽度的调整：

8引脚和9引脚的PWM脉冲宽度控制底层的一端。

集成电路U1电压误差经过放大后反馈到U2的反向输入端，比较器的正输出端，比较输入电容器CT的锯齿波，看出两者之间的不同。

方波脉冲SG3525A来控制输出放大管的内部循环（如图3所示）。

接地所需要的引脚电容设计，9针直流/直流高压直流电压所产生的反馈电压与调节输出的电压逐步稳定。

如图2所示，在误差放大器芯片SG3525A中，引脚有1，2，9。

R7，R1，C1，C2是外部电阻器和电容器。

SG3525A的16引脚5V为输出参考电压。

电阻R3，R4，和U1逆算子，R4/R3可以静态放大，但是要使精度准确就必须控制它的定值。

放大倍数太大所引起振荡，会引入C1、R5，所以误差放大器也是不完全的比例积分控制器，通过静态误差的放大，导致动态误差减小而放大倍数，但精度不会受到影响，因此减少超调振荡所造成的误差。

系统的基本结构如图2所示，这是明显的组成部分的系统供电的直流/直流电源。

逆变器的输入端（＋12V，4.5AH），电源频率的方波电压输出是（50Hz，220V）。

其主控制电路和电路图可以根据（图1）所示，是一个典型的二次转型：

直流/直流转换器、直流/交流逆变器的过程。

经过12V直流电压由推挽逆变换成高频的方波，由高频变压器带来的升压，整流滤波后出来直流电压保证其有效性；在由桥式变换为方波逆变的形式，逆变的直流电压的值因如果比220V方波电压大的话，就采取驱动负载。

怎么使系统进行稳定有效的运行，需要采取直流高压和直流侧电压，电压，流信号，送入SG3525A，通过关闭脉冲的电压调节器或调节脉冲占空比，过流、欠压保护，等。

周期中断定时器T1时，同时也开始A/D转换器，电压和电流的反馈取样，T2的A/D转换结束后，双闭环控制算法的实现直到时间T3。

T4在定时器下溢中断之间的计算值比较CMPRx加载时间。

如系统结构图2所示。

图2系统基本结构图

标准的直流/直流电源开关电源的设计，再加上有不的相等比例，使多抽头变压器各路的输出比例分别为20V直流电，12V直流电，5V直流隔离。

电池电压的波动幅度大的话,例（满的为400V，在使用的情况下应会下降到270V上下），所以在设计时选择合适的电路结构是很重要的，这样才能更好地满足输入电压的要求。

整个系统的核心是电动车的控制板，单片机使用的82C50芯片，脉冲宽度调制，CAN总线收发器82C250和初级电路的电压和电流数据采集模块。

通过SA8282芯片的三相逆变器模块提供6路PWM信号控制面板。

SA8282芯片由MITEL公司研制生产的，它的特点有：

1操控起来方便，2对使用频率精度要求非常高，3使用程序安全，另外它可以使8路复用总线得到支持，可以与芯片系统方便的数据互换。

单片机内芯片5个数据寄存器进行分配数值，就能完成对PWM输出波形。

SA8282为标准的28引脚双列直插式封装，其管脚中的rpht，rphb，ypht，yphb，北石海泰，bphb等TTL信号可以控制三相输出，可对应三相桥上的IGBT六路。

位于三相输入和输出数据采集模块直流主电路可以对每个电压，电流，和A/D转换后保存在数据采集器P80C592芯片，CPU系统的输出/输入查看满足了要求没有，而系统会做出来相应的行动。

82c50是CAN总线收发器可以控制器和物理总线之间的接口，原本为车辆系统应用与许多电动车设计结构的通信设计。

功能包括：

瞬间有效降低干扰信号和环境对系统所发生出来的信号影响，还具有总线保护的实力；具有短路保护能力等，因此满足于电动三相逆变电源的需求。

CAN82c250接口与P80C592连接输入和输出端口的接口，变成辅助逆变电源的外部接口。

3.2P80C592芯片介绍

在逆变电源的设计中，不仅检测负载电压和电流的模拟，同时还支持CAN总线通信控制电路逻辑，电动车三相逆变器的功能可以用使芯片很好的来实现其功能。

选一个电光动车的CAN控制器是不可用的,如果在加一个带有CAN功能的控制器那样就能满足其要求。

80C592芯片是8位微处理器，由德国飞利浦公司所生产，其中包括了：

一个80C51中的央处理单元（CPU）

具有两个标准的16位计数器/定时器

其中包括四抓三寄存器的16位计数器/定时器

具有8路模拟输入的10位A/D转换器

具有8位脉宽调制输出，双通道的分辨率

具有两级优先级的15个的中断源

5个8位I/O端口，和一组A/D模拟输入常见的8位输入端口转换器

可以使用内部RAM控制器DMA数据传输

具有总线故障管理功能1Mbps的CAN控制器

与标准80C51兼容，全双工UART的通信方式

P80C592有68个引脚的P80C592，包括6位I/O口,P0和P3端口功能一样，但P1可满足于特殊的功能的要求，包括4中输出/入端，

（1）计数器输入端子;

（2）外部输入端子;（3）捕获输入端子;（4）外部计数器复位。

CAN接口ctx0和CTX1输出端口。

通过I/O口的并行，使P1和其他4个的功能不同，P2和P3P4，P5则是不带输出功能的并行输入，但是是A/D转换器的模拟转换功能[6]。

80C592内嵌CAN的控制器，包括所有的高性能串行通信所需的硬件，能够控制流量顺利通过局域网CAN协议。

使其更加清楚的避免混淆，添加到芯片控制器的CPU能够独立开展工作，作为存储图像的外围设备，可以简单地看作是P80C592的两个单独的设备集成。

CAN控制器的部分功能假如不能实现，则该芯片只能作为个普通的单片机使用，但它具有模拟量A/D转换功能。

电动车CAN控制器的功能，要由四个特殊功能寄存器方式（SPR）去实现，CPU可以通过完整的界面结构控制他们的访问。

这四个特殊功能寄存器分别为：

（1）（CANDAT）数据寄存器；

（2）（CANADR）地址寄存器；（3）（CANCON）控制寄存器；（4）（CANSTA）状态寄存器。

还有，DMA逻辑和CPU允许可以在高速数据交换同时做为主内存控制器。

3.3复位电路模块

当电路处于稳定状态，发挥直流电容的作用，+5V隔离，和复位按钮的状态左，底部的电路部分没有电压差产生的，所以以下部分和GND电位相等键和电容器C11，电压为0V。

这是高水平停下来，低水平的正常工作，所以正常工作电压为0V电压完全可以。

再分析从没有上电的瞬间，电容器C11以上是5V电压，下面是0V电压，当电容器C11用于充电，充电离子从上往下，负电子充电，当电容器在电路等效的一根线上，所有的电压都加在了R31电阻上，所以第一口位置是+5V电压，电容充电越来越多，充满时，电流会越来越小，在RST端电压等于电流乘以电阻R31，将越来越小，直到电容器完全填满，线上不再存在电流这段时间，电压为0V和GND RST。

从过程来看，设计添加的电路，单片机系统上电，RST引脚会先呆一小会儿，然后高到低水平，这个过程是在复位过程。

”短时间内“每个单片机是不完全相同的，51单片机的手册上写的是不少于2小时的机器周期时间。

按复位（手动复位）有2个过程，在你按下按钮，RST电压为0V，按下按键电路传导和电容器将在瞬间放电时，RST电压值改为4700.vcc/（4700+18），将在高电压位。

当你释放按钮，上电复位，第一电容器充电电流减小到后过程的第一电压0V。

时间往往有几百毫秒，这时就有足够的时间重置。

两端电压（5V和GND之间没有电源）可直接连接，会有瞬间的大电流冲击时，可能会导致在局部范围内的电磁干扰，为了抑制由高电流引起的干扰，选择了电容放电电路，在一系列的18欧电阻电流。

复位电路电路图如图所示3。

图3复位电路模块

3.4指示灯电路模块

PIC单片机IO引脚的接地，LED灯的电源由5V供电，有1K的限流电阻。

对相应引脚写1