第1章绪论
1.1研究脊景及意义
二十世纪，汽车工业的巨大发展引发了史无前例的交通革命，但是与此同时也带来严重的能源问题和环境问题。汽车的普及导致了石化燃料大量的消耗。目前，美国每天进口石油1200万桶，预计到本世纪二十年代初发达国家每天输入的化石燃料的总和将达到一亿桶以上。除美国以外的发达国家如曰本、西欧等国家中石油消费量的一半以上需要进口，其中曰本的石油消费几乎全部依靠进口。发达国家的主要石油来源是中东地区的海湾国家，而这一地区局势一直动荡，随时可能影响全世界经济的走向。专家预计，到2015年世界石油年产量在达到45亿吨之后将达到拐点，出现不可逆转的下降，而世界消耗的石油却以每年3%的速度持续上升⑴。能源问题已经成为了世界所有国家必须面对的严峻挑战。随着我国经济的发展，我国的石油消耗量在过去二十年出现了井喷式的增长。上世纪八十年代我国还是石油出口国，现在已经成为了仅次于美国的世界第二大石油进口国。最近几年，我国的石油消耗以每年8%的速度高速增长，而国内石油产量则增长缓慢，年增长率仅为1%到2%。由于国内的石油产量不可能在短期内大幅度增加，今后我国新增的石油需求量和产量之间的缺口将几乎全部依靠进口来满足。2011年，国内全年消耗石油4.5亿吨，其中2.5亿吨是从囯外进口的，占石油总需求的56%。在石化行业内，50%是一个国家能源安全的警戒线。目前，中国已突破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输入的比较不安全状态。
除了能源安全问题以外，汽车行业的发展还带来了巨大的环境问题。全世界温室气体排放中汽车行业占据了相当大的比例，根据欧盟2007年的数据，交通运输部门排放的温室气体达到了总排量的28%,其中总量的18%是由各种汽车排放的。美国联邦政府运输部在2005年的报告中指出，2003年交通运输行业排放的温室气体总量达到了全美当年总排放量的27%，在所有交通运输部门所排放的二氧化碳中，道路交通部门占到了 80%。⑻汽车尾气中的二氧化破和二氧化氮等温室气体严重加速了世界变暖的步伐。与此同时，汽车尾气还造成了巨大的城市空气污染。首先，汽车排放的可吸入悬浮粒子污染物会损害居民健康，可能引发支气管炎、肺癌等严重疾病，其中老人儿童和肆喘病患者更容易受到影响，引发呼吸道疾病。其次，汽车释放出的一氧化碳、碳氣化合物、氮氧化合物和疏氧化物都会对人体产生伤害。在上世纪中叶美国洛杉机市曽发生多次光化学烟雾污染事件，在1955年9月发生的一次严重光化学烟雾事件造成了两天之内四百多名65岁以上的老年人死亡。后来研究表明，汽车尾气是这场灾难的元凶。汽车尾气中大量排放的碳氢化合物、氮氧化合物和一氧化碳在高空强烈的太阳紫外线照射下生成了有毒的光化学烟雾。⑴为了抑制汽车造成的环境污染，欧洲从70年代开始逐步限制汽车污染物的排放，到目前为止陆续推行了多套汽车排放标准。我国于2007年开始实施相当于欧III标准的第三套阶段标准。[2]但是由于国内汽车数量近年来的快速增加，对单辆汽车限制污染物的意义被削弱，汽车造成的大气污染在国内不断加重。总而言之，汽车行业百年的发展给人类文明带来了巨大的进步，但是引起的资源问题和环境问题也越来越严重。在这种情况下，各国都在寻找替代传统汽车的新型低污染低耗能汽车。电动汽车成为了各国的首选，各个知名汽车厂商都在这方面投入了巨大的人力物力以进行研发与推广。
1.2国内外研究现状
事实上，电动汽车具有悠久的历史,在二十世纪早期曾经风靡一时。1881年，在世界电气展览会上法国人展示出了世界上第一台电动三轮车，至十九世纪末，西欧各国和美国都已经开发出本国的电动汽车，1912年美国的电动汽车产量达到了 3.3万辆。[3]但是随后因为当时电池材料蓄能不足，电机控制技术落后以及石油大量开釆，内燃机技术的快速发展，电动汽车很快销声匿迹。直到二十世纪七十年代随着两次石油危机，各国才逐步开始寻找内燃机汽车的替代品作为化石燃料枯竭后的主要道路交通工具，电动汽车迎来了高速发展期。目前，各国销售与在研的电动汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。美国电动汽车的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雄厚的技术积累与研发资本，借此开发出了大量具有不同特点的电动汽车和电动汽车所需要的各个技术单元。1993年美国政府主导下三大汽车公司合作开展PNGV计划（新一代汽车伙伴计划），确立了新一代汽车以轻质材料、混合动力和燃料电池为主要技术发展方向。2000年的底特律车展上，福特汽车公司展出了使用混合动力系统的Prodigy概念车，通用公司推出了由一台1.3L柴油机和两台电动机组成的概念车Precept。⑷2000年，美国政府以新的FreedomCar计划取代原有的PNGV计划，以进一步推进电动汽车的研发。
第2章电动汽车中CAN总线的应用
2.1 CAN总线概述
CAN总线（控制器局域网Controller Area Network)是由德国博世公司于上世纪80年代初为解决汽车内部电子器件之间实时通信而开发的通信协议。在建立之初，CAN总线就定位于汽车内部的现场总线，具有传输速度快、可靠性高等优点。上世纪90年代CAN总线开始在汽车电子行业内逐步推广，目前已成为汽车电子行业首选的通信协议，并且在医疗设备、工业生产、楼宇设施、交通运输等领域中取得了广泛的应用。1991年，飞利浦公司推出了 CAN2. 0版本，包括2. OA和2. 0B两个部分。其中2. OA按照1. 2版本中定义CAN的报文格式，而2. 0B版本定义了两种报文形式：11位标识符的标准报文和29位标识符的扩展报文。[13]1993年，ISO/TC22技术委员会推出了 CAN总线的国际标准IS011898和IS011519。[i4]1994年美国汽车工程师协会（Society of Automotive Engineer)选择CAN总线作为J193 9标准的基础，并于2000年推出了 J1939协议，成为了货车与客车CAN总线的通用高层协议。[15]国际用户与制造商团体（CiA)也于1996年推出了 CAN总线的应用层协议CANOPEN协议。目前基于CAN总线的高层协议已经非常成熟，大量应用在嵌入式网络之中。
第3章轮毂电机电动汽车转向差速算.........32
3.1电动汽车转向模型的建立.........33
3.1. 1汽车轮胎的力学分析.........33
3. 1.2汽车转向的动力学模型.........36
3.2基于滑转率闭环控制的转向差速.........40
3.3系统建模与仿真.........42
3.4本章小结.........43
第4章电动汽车控制系统的实现.........4
4.1电动汽车系统的整体设计.........45
4.2电动汽车系统的硬件设计.........46
4.2.1反激式电源的设计.........46
4. 2. 2主控制器的硬件设计.........48
4.3电动汽车主控制器的软件设计.........50
4.3.1电动汽车主控制器的转矩分配程序设计.........50
4. 3. 2电动汽车主控制器的CAN通信程序设计.........51
4. 3. 3电动汽车主控制器的主程序设计.........59
4.4测试结果.........60
4.5本章小结.........61
第5章全文总结.........62
结论
本课题的目标是开发一款使用轮毂电机的电动汽车，本人在项目中参与了控制系统的研发。控制系统的开发以电动汽车内部的CAN总线通信为基础，主要进行了以下的工作：
1.电动汽车CAN总线通信协议的建立。按照CANOPEN协议构建本系统的CAN总线高层协议：首先建立对象字典和通信对象，实现了 CAN总线的基本功能；其次根据本系统的控制对象的特点，按照DS302子协议设计系统的启动流程；最后依据DS402子协议建立了电机控制所需要的应用对象并配置通信对象，至此制订了适用于本系统的电动汽车CAN总线高层通信协议。
2.提出了电动汽车主控制器转矩分配算法，轮毂电机电动汽车在转向时需要使用主控制器为两轮毂电机动态分配转矩以实现两驱动轮的差速。本文首先分析了汽车轮胎模型，在此基础上建立了汽车转向行驶时的动力学模型，得出了二自由度的汽车转向动力学方程。然后提出了一款基于滑转率闭环控制的电动汽车转向差速算法，并且在MATLAB中完成仿真分析。从仿真结果可以看出该算法有效地降低了出现滑移的可能性，并且在卡姆圆中为侧向力留出了较大的裕量。
3.完成电动汽车控制系统的软硬件设计。设计并调试完成了由反激式电源和主控制器组成的硬件部分。在TMS320F28035型MCU上进行软件编程，实现了主控制器基于CAN总线的通信以及信号量的釆样与分析、轮毂电机的转矩分配控制等功能。
目前，本系统仍是最基本的电动汽车控制系统，需要的进一步的改进与完善。下一步的工作可以包括：装车调试，进一步完善转向差速算法的软件设计；更深入地研究主控制器的控制算法，加入制动刹车时的转矩控制和带制动的转向控制，实现一定的ABS/ESP的功能。
参考文献
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