摘 要

汽车工业的快速发展极大改善交通运输条件，为人们的出行提供便利。但是随着汽车大量普及，其带来的环境问题和能源安全隐患日益突出。为解决行业发展瓶颈，各国都制定新能源汽车发展计划，研究动力多元化、能源使用效率高、排放污染少的电动汽车。电动汽车的三大核心技术分别为电池、电机和电控。研究电机驱动技术，尤其是电机控制的应用技术具有良好的前景，本文主要研究电机控制与通信方面内容。

论文分析了国内外电动汽车发展的现状，研究了CAN总线通信原理和美国汽车工程师协会制定的J1939协议，并为整车监控系统设计了应用层协议。在分析驱动电机的运行原理和工作性能后，设计了控制的硬件系统。研究整车的基本控制策略，设计一套基本控制流程，对局部策略进一步研究。使用LabVIEW和Codewarrior软件建立监控系统的软件系统，完成系统软件和硬件设计。

研究结果表明：搭建的电机仿真模型和控制模型实现对电机的工作原理和性能描述，对电机的转矩和转速都有有效的控制效果。设计的电路具有可行的结构，可以对电机进行控制。上位系统具备所设计的通信功能和数据解析功能，可以与下位机进行通信数据。

本文的研究特色：使用J1939协议编写底层的控制程序和控制程序，使电机控制器兼容于整车的通信网络中。完成整车监控系统上位系统和下位机系统，对通信原理的掌握可应用其他部件的通信控制中。

关键词：J1939；CAN通信；无刷直流电机

Abstract

The rapid promotion of automobile industry greatly improved transport conditions and people’s traveling convenience. But with the large number of popular vehicle, its environmental problems and energy security risks have become increasingly prominent. In order to solve the bottleneck of development of the industry, countries have promoted new energy vehicle development plan, researching diversified power, high energy efficiency, less pollution emission electric vehicles. Three core technologies of electric vehicles are batteries, electrical and electronic control. The paper researches motor drive technology, especially the application of motor control technology has good prospects, mainly studying the control of motor and communication.

The paper analyzes the present situation of development of electric vehicles, researches the principle of CAN bus communication and the J1939 protocol produced by Automotive Engineers and the American Association, designing the application layer protocol for vehicle monitoring system. After analyzing the operation principle and performance of the drive motor, control system hardware has been designed. Basic vehicle control strategy is designed as a basic control flow of local strategies for further study. The usage of Codewarrior and LabVIEW software is to build the control system software system to complete the system software and hardware design.

The results show that: the motor simulation model and control model are built to achieve the working principle and performance of the motor, the motor torque and speed have been under effective control. The circuit design has a workable structure, and the motor can be controlled. The designed host system with communication has capabilities of communication and the function of data analysis, and the next crew can communicate data with host system.

The feature of this article: Using the J1939 protocol write low-level control program and a control program, the motor controller is compatible with the vehicle's communication network. Completing vehicle monitoring system host system and slave system, master communication principle can be applied to other components of the communication control.

Key Words： J1939; CAN communication; brushless DC motor

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3本文的结构安排 3

第2章 电动汽车组成及CAN通信 4

2.1 电动汽车的组成 4

2.2 CAN总线通信的原理 5

2.2.1 CAN总线的分层结构 5

2.2.2 CAN总线的数据和传送原理 6

2.3 J1939通信协议的介绍 8

2.3.1 J1939通信协议的分层结构 8

2.3.2 J1939通信协议的编写规则 9

2.4 应用层通讯协议设计 10

2.4.1 参数设计 10

2.4.2 参数组设计 12

2.5 本章小结 13

第3章 驱动电机的原理、建模及仿真 14

3.1 原理结构 14

3.2 数学模型 16

3.3 直接转矩控制 17

3.3.1 电压的矢量空间 17

3.3.2 电压的矢量空间与定子磁链关系 18

3.3.3 转矩的观测与控制 19

3.4 软件仿真计算 19

3.4.1 仿真模型建立 20

3.4.2 仿真计算分析 23

3.5 本章小结 24

第4章 整车控制策略开发 25

4.1 整车控制器的基本结构 25

4.2 基本控制策略 26

4.2.1 驱动控制策略 26

4.2.2 能量管理策略 27

4.2.3 安全控制策略 27

4.3 控制策略开发 27

4.3.1 基本控制流程开发 27

4.3.2 起步控制策略开发 29

4.4 本章小结 31

第5章 整车监控系统硬件设计 32

5.1 总体硬件结构设计 32

5.2 MCU外围电路设计 32

5.3 驱动电路设计 34

5.3.1 功率管的选取 34

5.3.2 全桥驱动电路 35

5.3.3 驱动芯片的选取 35

5.4 检测电路及过流保护电路设计 36

5.4.1 相电压检测电路设计 36

5.4.2 相电力检测电路设计 37

5.4.3 过流保护设计 38

5.5 PCB图设计 39

5.6 本章小结 40

第6章 整车监控系统软件设计 41

6.1 整体设计 41

6.2上位机系统设计 41

6.2.1通讯模块设计 42

6.2.2 数据解析模块设计 43

6.2.3 监控界面设计 45

6.3 下位机系统设计 46

6.3.1 主程序 46

6.3.2 脉冲捕捉中断子程序 47

6.3.3 通信子程序 49

6.3.4 实时中断子程序 50

6.3.5 PI调节子程序 51

6.4 本章小结 52

第7章 总结与展望 53

7.1 研究总结 53

7.2 研究展望 53

参考文献 54

致谢 55

1. 绪论

1.1研究背景及研究意义

自2009年起，我国成为全球第一大汽车消费市场。繁荣的汽车市场产生巨大的能源需求，据统计国内原油进口依存度在2009年首次超过50%的警戒线，并持续高位状态^[1]。而同时期的国内原油消费中，交通运输业所占比重达到40%以上^[2]。汽车行业的发展改善了人们的出行条件，与此同时大量的石油消耗引发了能源问题。相比能源问题，环境问题给民众带来的感受更加直接。汽车的尾气排放是引发酸雨、雾霾、噪音等环境问题的一个重要因素，北京市环保部门发布的报告显示，雾霾的颗粒里汽车尾气约占22.2%。可吸入颗粒物一般的口罩无法防护，可直接进入人体呼吸道，可能引发呼吸类疾病，甚至引发癌症等疾病。各国政府都制定一系列的环保政策，引导和驱动汽车企业开发减排技术。此外，汽车尾气中CO2排放也加剧了全球变暖问题。欧盟在2007年发布的数据显示，汽车排放的温室气体占总排放的18%。2015年，在全球气候大会巴黎会议上，各国在碳排放上取得一定共识，未来各国面临的碳排放压力会变大，会制定更加严格的政策。

汽车行业的快速发展带来生活上的便利，也加大了石化能源的使用。大量的原油消耗带来了能源安全的问题，过多的尾气排放则影响人们的生活环境。社会公众对汽车排放照成的环境问题的关注度提升，政府也在完善环保的政策。传统汽车的发动起效率无法再大幅提升，要达到日益提高的排放要求，必须加装复杂的尾气处理系统。这不仅增加汽车成本，且减排效果很难大幅提升，碳排放问题也无法解决的。电动汽车具有解决这两大问题的潜力，尤其是纯电动汽车实现了零排放的要求。