基于CAN总线的大电流汽车继电器控制系统的研究
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电工电气(2 o 0 9 No 1)基于C A 总线的大电流汽车继电器控铷系统的研究 基于C A N 总线的大电流汽车继电器控制系统的研究 王志强,刘向军(福 州大学 电气工程与自动化学院,福建 福州 3 5 0 1 0 8)摘要:介 绍 了一种;特有 c A N总线控制模块 的汽车继 电器控制系统 的研制,叙述 了该系统 的硬件 与软件设计。系统以P I c l 8 F 2 4 8 O单片机和 c A N总线收发器为控制核心,采用优化的混合式控制方案,可无弧接通 与分 断大 电流,并实现 智能控制和 实时保护 的功能。关键词:汽车继 电器;c A N总线;混合 式控制方案;单片机 中图分类号:T M 5 8;T P 3 3 6 文献标识码:A 文章编号:Re s e a r c h 0 f Hi g h Cur r e nt Aut 0 m 0 bi l e Re l a y C0 nt r 0 l S vs t e m Ba s e d 0 n CAN Bus wANG z h i-q i a n g,L I u xi a n g-j u n t C o i te g e o f E t e c t r c d l E n g i n e e r i n gA t l t o md t o n,F u z h 0 u U n v e r s i ,F t l z h o“3 5 0 o 8 Ch md)Ab s t r a c t:I n t r o d u c t j o n wa s ma d e t o a t y p e o f a u t 0 mob i l e r e l a y c o n t r ol s ys t e m wi t h CAN bu s c o n t r ol mo du 1 e Th e h a r d wa r e a nd s Of t wa I _e d e s i g n we r e di s c u s s e d i n d e t a i l Th e c o n t I 0 l c 0 r e b a s e d o n PI C l 8 F2 4 8 0 mi c r 0 c o n t r o l l e r a n d CAN b us t r a n s c e i v e r wa s b u i l t wi t h a n o p t i m i z e d h yb r i d c o n t r o I p1 a n Th e r e 1 a y c ou 1 d s wi t c h hi g h c u r r e n t c i r c ui t wi t h n o n a r c t o r e a z e t h e f lu n c t i o ns 0 f i n t e l l i g e n t c o n t r ol a n d r e a l t i m e g ua r d Ke y wor d s:a u t O mo b i l e r e l a y;CAN b u s;h y b r i d c o nt r o l p1 a n;m i c r o c o n t m l l e r O 引言 随着汽车产业的迅猛发展,人们对乘坐汽车的 安全性、舒适性和多功能性的要求 日益提高。目前 汽车电气系统存在以下 问题:(1)汽车在存储、运 输 以及停驶时存在蓄 电池 电流泄漏问题,影响蓄电 池的使用寿命。(2)当汽车发生故障或猛烈碰撞造 成短路时,如果不能有效地将蓄 电池与整个 电气系 统断开,则存在起火甚至爆炸 的危险。汽车 电源总开关是安装在蓄 电池与汽车电气系 统之 问的一个非常重要的元件,可在汽车发生故障 和驾驶员离开汽车时切断主电路 电源,有效保护蓄 电池和汽车电气系统。目前 电源总开关有电磁式 开关和蓄电池继电器两种,其安装在蓄电池附近,控 制开关安装在驾驶员附近仪表板上,操作方便。但 电磁式开关是手动操作开关,对故障不能起到实时 保护作用,而一般继 电器的触头容量有限,切断短 路电流时会产牛电弧,严重时会产生熔焊现象,使 得开关损坏或者电气寿命缩短。如今车载 电器越来越多,各种信号控制线使得 线束的长度加长、质量大、复杂程度越来越高,同 时电路故障率也会随之上升,整车硬件成本、生产 效率也会相应增加。而C A N 总线的应用可以解决这 些问题,C A N 总线在汽车上的应用 日趋成熟。通过 C A N 总线,汽车电器的控制将实现智能化。因此,开发一种带有C A N 总线控制模块且可通 断大电流的电源总开关成为当务之急。本文对基于 C A N 总线的大电流汽车继 电器进行了研究,实现 了 无弧通断、短路保护和智能控制的功能。l 基本原理 本文设计的基于C A N 总线的大 电流汽车继 电器 采用单线圈的磁保持继电器作为本体。磁保持继 电 器的优点是只需要几毫秒 的脉冲驱动,就可以使开 关处于接通或分断状态,因此需要的功率很小,线 圈发热也可以忽略不计。磁保持继电器本身不能切 作者简介:王忐强(1 9 8 2 一),男,硕士研究生,研究方向为电机 电器智能测试技术。一8 一 基于C A N 总线的大电流汽车继电器控锄系统的研究 电工电|【(2 0 0 9 N o 1)换大电流,本文将 电力电子器件与磁保持继电器相 结合,通过合理选择 电力电子器件的导通和关断时 间,使磁保持继 电器实现无弧通断功能。整体结构 如图1 所示。图1整体 结构 图 现有的混合式控制方案的思想是将 电力 电子器 件与触头并联,由电力 电子器件承担触头接通和分 断等瞬态过程时 的主 电路 电流,由触头承担稳态 时的主 电路 电流。从而避免触头因弹跳和开断大 电流产生电弧,其中激磁线圈电流、M 0 S F E T 驱动脉 冲、触头 电压三者的时序如 图2 所示。图2激磁 线 圈电流、M 0 S F E T 驱动 脉 冲和触 头 电压 时序 图 M 0 S F E T 工作在高频导通模式,在保证可靠性的 前提 下应尽量减少M 0 s F E T 的导通 时问,以减少发 热,提高使用寿命。因此,本文对现有的混合式控 制方案进行优化,采用斜率计算等数学方法,将 M 0 S F E T 起始导通时刻控制在 图2 中的A 点附近,大大 缩短了M 0 S F E T 的导通时间。该继 电器系统采用单片机和C A N 总线收发器为 智能控制模块的核心。模块通过c A N 总线接收来 自 汽车中央控制单元的指令,并将当前继 电器有关参 数通过C A N 总线发送给中央控制单元,实现智能控 制,起到实时控制和保护的功能。2 硬 件设计 本文设计 的继 电器采用P I c l 8 F 2 4 8 0 单片机和 C A N 总线 收发器M C P 2 5 5 l 构成 智能控 制模块 的核 心。P I C l 8 F 2 4 8 0 自带C A N 通信模块与C A N 总线收发器 一起构成C A N 总线通信模块。功能电路主要由D C D C 隔离变换 电路、M 0 S F E T 驱动 电路、线 圈驱动 电路、线 圈采样 电路和 电流 采样信号处理 电路等组成。硬件 电路 的整体组成 框图如图3 所示。D c D C隔离变换器 汽年 巾央 控制单元 蓄电池 露H M T I I 警 甄l 菌 匿 咩 图3硬件 电路 整体组 成框 图 为了实现主电路与控制电路的电气隔离,M 0 S F E T 的驱动采用光耦隔离驱动,因此驱动 电路 电源与单 片机系统电源必须相互隔离。本文电源系统的设计 采用D C D C 隔离变换器,得到两路相互隔离的电源 系统。主 电路 电流采 样 是 实现 短 路实 时 保护 的关 键,智能控制模块通过A D 采样,计算出主电路电 流大小,从而决定继 电器的相应动作。为了实现 高精度、快速 的电流检测,本文采用A C S 7 5 4 电流 传感器作 为主 电路 电流检测元件。A C S 7 5 4 是高精 度、双 向的电流传感器,能将主 电路 电流大小线 性换算成0 5 V 的逻辑电平。3 软件设 计 磁保持继 电器 的吸合时刻和释放时刻的准确判 断是软件需要解决的关键 问题。软件主要包括总线 一9 一 电工电气(2 0 0 9 N o 1)基于C A N 总线的大电流汽车继电器控翩系统的研究 命令识别子程序、激磁线圈电流采样子程序和主 电 路电流采样子程序等。软件流程图如 图4 所示。具体流程如下:当继 电器处于分断状态时,智能控制模块处于等待接收 命令状态。当继电器处于闭合状态时,智能模块相 隔一定的时间采样主 电路的电流,并判断电流是否 超过短路 电流的设定阈值,决定是否执行保护动 作。正常状态 时,将 电流参数通过C A N 总线发送给 中央控制单元,以便在仪表上显示。继电器接通和 分断命令的接收采用 中断方式。识别命令后,根据 命令调用接通(分断)子程序。当主电路由于短路造 成电流过大 时,模块 自动调用分断子程序,实现短 路保护。主程序 调用初始化子程序 l Y 面 画 接通命令 分断命令 调用继电器 l I 调用继电器 接通子程序 f 1 分断了 序 作时,波形 自动从右向左移动,所 以横坐标原点不 一定是零时刻)。图5 是在主电路电压4 2 V、电流1 0 A 时,突然将电流加到短路电流阈值6 0 A 时,继电器实 现短路保护的电流波形。通过实验证明,带有c A N 总 线控制模块的大电流汽车继电器能在不同负载 电流 的条件下实现可靠接通和分断,有效地实现继电器无 弧通断和实时保护的功能。5 结语 叶 1 断 场 恢 复l“将电流值发送给 l I 调用继电器 l(中断返回 中央控制单元l 1 分断子程序 l a)主程序 b)中断服务程序 图4主程序与中断服务程序流程图 4 基于C AN总线的大电流汽车继电器的实现 为了验证方案的可行性,本文将-7 E 1 2 G 型磁保 持继电器作为本体,同时用P c 机模拟汽车 中央控 制 单元,给继 电器 的智能控制模块发送指令 以及 接收来 自模块的有关参数。采用V i s u a l B a s i c 6 0 软件建立一个控制系统,由于P c 机没有C A N 总线接 口,所以指令数据的传送必须通过R S 2 3 2 C A N 智能 协议转换器。P C 机模拟控制系统 的主界面如图5 所示。主界 面显示的波形是主 电路的电流波形,其中纵坐标是 电流,横坐标是时间,每单位格时问为0 5 s(系统工 一1 0一 图5模拟控制系统主界面 带有总线控制功能的汽车大电流继电器,采用 优化的混合式控制方案,实现智能控制。将其作为 汽车电气系统的电源总开关,能够克服当前 电磁式 电源总开关的缺点,可靠地保护汽车 电气系统,具 有很好的应用前景。参考文献 1 古永 棋 蓄 电池 新型 电源 总开关 J 汽 车 电器,1 9 9 5(3):1 0 1 2 2 古永棋,赵 明 新型蓄 电池 电源 总开关的研究 J 客车技术与研究,1 9 9 5,l 7(1):l 6 2 0 3 任晓霞,林春阳,刘 向军 基于单片机控制的4 2 V 混 合式汽车继 电器 J 低压电器,2 0 0 8(3):2 9 3 2 4 阳宪惠 现场总线技术及应用 M 北京:清华大学 出版社,2()(】0 5 李学海 P I c 单片机实用教程 M 北京:北京航空航 天大学出版社,2 O O 2 收稿 日期:2 O O 8 0 9 2 2
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