技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器，主要用于采用两个无刷直流轮毂电动机驱动的四轮电动车，实现电动
汽车局域网络内数字仪表、
传感器、汽车电器和
电子差速驱动及转向的互联和数据交换与控制。
背景技术
[0002] 电动汽车上具有各种类型的电器、汽车仪表和传感器，传统的技术一般采用
线束方式连接传感器、仪表、电器和控制设备，这样的连接方式不仅耗费大量的有色金属资源，而且大量的线束增加了电动汽车的自重，可靠性也不能保证。
[0003] 另一方面，现有的四轮电动车一般是采用带后桥或前桥的永磁直流无刷电动机驱动，永磁直流无刷电动机直接安装在后桥或前桥上，再通过后桥或前桥上自带的传动桥、机械差速装置完成左右轮胎在不同路况下的运转和转向，以保证行车的安全性，但是，机械后桥或前桥装置挤占了电动汽车底盘以下的有限空间，对于一些特殊车辆来说在结构上是不允许的，例如需要在底盘以下安装滚动扫帚的电动清扫车辆。
[0004] 相比之下，电子差速是一种完全用电控方式控制各个
车轮的转速，使车轮可按不同速度转动，同时保证车轮不发生滑动或者滑移，以达到转向的目的，由于电子差速摈弃了传统的
离合器、减速器、传动桥、
差速器等机械部件，大大减轻了整车重量，降低了机械传动损耗，提高了机械效率。无刷直流轮毂电动机采用驱动电动机与减速器相连再带动车轮的方式，由于驱动
电机直接安装在轮毂上，所以无需后桥或前桥，除此以外，直接使用无刷直流轮毂电动机带来的优势也是显而易见的，在同样的功率需求时，驱动功率可以由两个电动机共同提供，降低了单个驱动电动机的输出功率，进而降低对功率
驱动器件的要求，可以对各个驱动电动机进行单独控制，有利于提高电动车的
操纵性和
稳定性，但带来的问题是如何实现左右轮的差速传动和转向控制。
发明内容
[0005] 技术问题
[0006] 本实用新型所提出的基于双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器，主要解决的技术问题如下：电动车上电器众多，如何减少连线，实现多个汽车电器和传感器
信号的就近连接和安装；如何用电子差速控制替代机械前桥或后桥驱动，实现左右两轮的速度协调和电子转向控制；所述的电子差速如何通过CANopen总线控制，成为车载局域网络的一个
节点；所述的电动车仪
表盘如何通过CANopen总线连接，使传感信号的接入数量减至最少。
[0007] 技术方案
[0008] 为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器，按照系统最省、整体最优、就近安装的原则，本实用新型由两大部分组成：装置在电动车前部的车头控
制模块和装置在电动车后部的车尾
控制模块，车头控制模块与车尾控制模块采用相同的封装结构，车头和车尾模块均按照国际标准化组织ISO/TC22技术委员会制订的ISO/DIS 11898号国际标准《道路车辆的高速控制局域网数字信息交换标准》设计为车载局域网控制系统，其总线底层协议遵循CAN2.0B标准，其应用层协议为CANopen，技术指标符合汽车CAN全数字式
现场总线控制设备互联规范。按此设计的方案，本实用新型所述的双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器内部集
数据采集、数据记录、实时控制于一身，系统无需繁多的线束，只需四根线，即可实现汽车内部的多主通信、信息共享、数据记录和实时控制。
[0009] 本实用新型的新颖之处在于，所述的双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器包括两个控制模块，按照接近控制的原则就近安装，其中，装置在电动车前部的为车头控制模块，装置在电动车后部的为车尾控制模块，车头控制模块与车尾控制模块通过CANopen总线连接。车头控制模块主要控制电动车前部的电器设备，包括就近接入的倾斜传感信号和转向传感信号。车尾控制模块主要控制安装在后轮胎上的左、右两个无刷直流轮毂电动机，通过霍尔信号控制电动机的无刷换相，通过左右车速传感信号完成电子差速控制和转向控制。总之，去掉机械前桥或后桥，减少线束，实现CANopen总线控制的电子差速控制，正是本实用新型着
力要解决的问题。
[0010] 其技术方案具体如下：
[0011] 一种双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器，由车头控制模块和车尾控制模块两大部分组成，其车头控制模块和车尾控制模块分别封装在相同矩形状的总线控制器壳体中，所述的总线控制器壳体一侧带有三个信号输入插座，分别是A信号输入插座、B信号输入插座和C信号输入插座，另一侧带有三个驱动输出插座，分别是F驱动输出插座、G驱动输出插座和H驱动输出插座，所述的总线控制器壳体的左右两端分别带CANopen总线前连接插座和CANopen总线后连接插座，车头控制模块与车尾控制模块之间分别通过车头控制模块上的CANopen总线前连接插座与车尾控制模块上的CANopen总线后连接插座相连接。
[0012] 所述的总线控制器壳体为铸
铝材料，壳体右侧有一个带圆孔的壳体固定右
耳，壳体左侧有一个带圆孔的壳体固定左耳，所述的总线控制器壳体一侧A信号输入插座、B信号输入插座和C信号输入插座均为矩形状的八芯信号输入插座，所述的总线控制器壳体另一侧的F驱动输出插座、G驱动输出插座和H驱动输出插座均为矩形状的八芯信号输出插座，矩形连接器插头体可直接与上述矩形状的八芯连接插座相连。
[0013] 所述的车头控制模块包括车头控制
单片机、车头电器集中驱动单元、CANopen总线前端
接口电路三部分，外接的倾斜传感器、带霍尔元件的
加速踏板、转向传感器和
刹车踏板分别与车头控制单片机的I/O引脚相连。
[0014] 所述的车尾控制模块包括车尾控制单片机、车尾电器集中驱动单元、CANopen总线后端接口电路、左轮毂电动机控制调理单元和右轮毂电动机控制调理单元，所述的车尾控制单片机内置
协处理器。
[0015] 所述的车头电器集中驱动单元的输出通过封装在总线控制器壳体上的F驱动输出插座、G驱动输出插座和H驱动输出插座分别与左前
转向灯、左前
远光灯、左前
近光灯、喇叭、
雨刮器、右前近光灯、右前远光灯、右前转向灯就近相连。
[0016] 所述的车尾电器集中驱动单元分别与左轮毂电动机控制调理单元和右轮毂电动机控制调理单元相连，左轮毂电动机控制调理单元外接左
车速传感器、左霍尔信号检测和左轮毂电动机，右轮毂电动机控制调理单元外接右车速传感器、右霍尔信号检测和右轮毂电动机，所述的车尾电器集中驱动单元的输出通过封装在总线控制器壳体上的G驱动输出插座与左后转向灯、
防盗器模块、右后转向灯就近相连，左轮毂电动机控制调理单元和右轮毂电动机控制调理单元的输出则通过封装在总线控制器壳体上的F驱动输出插座和H驱动输出插座分别与左轮毂电动机和右轮毂电动机就近相连。
[0017] 车头控制模块和车尾控制模块之间连接的通信介质为四芯多绞线，所述的CANopen总线前连接插座和CANopenN总线后连接插座均为带外
螺纹的四芯插座，分别为电源正极VCC、地GND、CANopen总线的CAN_H端和CANopen总线的CAN_L。
[0018] 所述的仪表盘是一款内部带CANopen总线接口的
指针式数字仪表，直接与CANopen总线前端接口电路相连。
[0019] 技术效果
[0020] 本实用新型所提出的双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器具有如下有益效果：
[0021] 1、本实用新型所述的车头控制模块和车尾控制模块联合的方案，用最小的成本代价解决了电动汽车仪器仪表、控制器、执行机构、传感器等低层设备间的数据通信管理问题，节省了大量的有色金属，解决了电动汽车众多线束与电器设备的联结问题，仅仅通过四根线取代汽车上繁多的线束，实现汽车局域网内的多主通讯、信息共享和实时控制。
[0022] 2、本实用新型所述的双轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器中的车尾控制模块，综合了左、右车速传感信号、转向传感信号和倾斜传感信号，利用PID调速方法对电动机转速进行闭环控制完成电子差速控制，大大提高无刷直流轮毂电动机调速响应的快速性和调速的稳定性，有利于两台无刷直流轮毂电动机转速的一致性协调。
[0023] 3、本实用新型的车头控制模块和车尾控制模块均采用了抢先式多任务调度机制，这是一种保证优先级较高的任务首先执行的方法，抢先式调度机制很好的保证了电动车运行的实时性，使诸如
刹车踏板一类优先级最高的信息能够在网络中首先或抢先运行，提高了电动汽车的安全性能。
[0024] 3、系统采用了车头控制模块和车尾控制模块对等的多主机通信授权，允许时间同步的多点接收或发送；另一方面，通信方面采用了独特的数据信号编码表示方式和CRC校验功能，因此具有错误识别功能，当校验出现格式错误时可自动重发送数据，因此本实用新型通信的漏码率极低，数据通信具有高可靠性。
[0025] 4、车头控制模块和车尾控制模块均采用了非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向总线上传送数据时，优先权较高的数据享有占用总线的使用优先，优先级别低的节点主动停止数据发送，以保证优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，高优先级的数据可在微秒内得到传输，从而大大节省了总线冲突裁决时间。
[0026] 5.车头控制模块、车尾控制模块规范了两个节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，可以多主方式工作，车头控制模块和车尾控制模块中的任意一个节点均可以在任意时刻主动向网络上的另一个节点发送信息，而不分主从通信，其通信方式灵活，其
电缆终端匹配性能好，抗干扰能力强，与常规的以太网相比，即使在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况，安全性可靠性高。
[0027] 6.本实用新型所述的双轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器能自动进行故障识别并自动恢复，具有自动纠错功能，当车头控制模块和车尾控制模块中的某个节点出现严重错误的情况下，能自动关闭切断该节点与总线的联系，保证总线上的其它节点和操作不受影响。
附图说明
[0028] 图1车头控制模块/车尾控制模块封装壳体右侧外形图；
[0029] 图2车头控制模块/车尾控制模块封装壳体左侧外形图；
[0030] 图3车头控制模块/车尾控制模块封装壳体正视图；
[0031] 图4矩形连接器插头正视图；
[0032] 图5车头控制模块电原理图；
[0033] 图6车尾控制模块电原理图。
[0034] 标号说明：
[0035] 1 总线控制器壳体 2 CANopen总线前连接插座[0036] 3a 壳体固定右耳 3b 壳体固定左耳
[0037] 4 CANopen后连接插座 5 A信号输入插座
[0038] 6 B信号输入插座 7 C信号输入插座
[0039] 8 F驱动输出插座 9 G驱动输出插座
[0040] 10 H驱动输出插座
[0041] 20 车头电器集中驱动单元 21 左前转向灯
[0042] 22 左前远光灯 23 左前近光灯
[0043] 24 喇叭 25 雨刮器
[0044] 26 右前近光灯 27 右前远光灯
[0045] 28 右前转向灯 29 仪表盘
[0046] 30 车头控制单片机 31 倾斜传感器
[0047] 32 加速踏板 33 转向传感器
[0048] 34 刹车踏板 35 CANopen总线前端接口电路[0049] 36 车头控制模块
[0050] 40 车尾控制单片机 41 车尾电器集中驱动单元[0051] 42 左后转向灯 43 防盗器模块
[0052] 44 右后转向灯 45 CANopen总线后端接口电路[0053] 46 车尾控制模块
[0054] 50 左轮毂电动机控制调理单元 51 左霍尔信号检测[0055] 52 左轮毂电动机 53 左车速传感器[0056] 60 右轮毂电动机控制调理单元 61 右霍尔信号检测[0057] 62 右轮毂电动机 63 右车速传感器[0058] 70
蓄电池组 71 DC/DC转换器
[0059] 80 矩形连接器插头体
具体实施方式
[0060] 下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式，本实用新型双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器如图1至图6所示。
[0061] 一种双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器，由车头控制模块36和车尾控制模块46两大部分组成，其要点在于：车头控制模块36和车尾控制模块46分别封装在相同矩形状的总线控制器壳体1中，所述的总线控制器壳体1一侧带有三个信号输入插座，分别是A信号输入插座5、B信号输入插座6和C信号输入插座7，另一侧带有三个驱动输出插座，分别是F驱动输出插座8、G驱动输出插座9和H驱动输出插座10，所述的总线控制器壳体1的左右两端分别带CANopen总线前连接插座2和CANopen总线后连接插座4，车头控制模块36与车尾控制模块46之间分别通过车头控制模块36上的CANopen总线前连接插座2与车尾控制模块46上的CANopen总线后连接插座4相连接。
[0062] 所述的总线控制器壳体1为铸铝材料，壳体右侧有一个带圆孔的壳体固定右耳3a，壳体左侧有一个带圆孔的壳体固定左耳3b，所述的总线控制器壳体1一侧A信号输入插座5、B信号输入插座6和C信号输入插座7均为矩形状的八芯信号输入插座，所述的总线控制器壳体1另一侧的F驱动输出插座8、G驱动输出插座9和H驱动输出插座10均为矩形状的八芯信号输出插座，矩形连接器插头体80可直接与上述矩形状的八芯连接插座相连。
[0063] 车头控制模块36包括车头控制单片机30、车头电器集中驱动单元20、CANopen总线前端接口电路35三部分，外接的倾斜传感器31、带霍尔元件的加速踏板32、转向传感器33和刹车踏板34分别与车头控制单片机30的I/O引脚相连。
[0064] 车尾控制模块46包括车尾控制单片机40、车尾电器集中驱动单元41、CANopen总线后端接口电路47、左轮毂电动机控制调理单元50和右轮毂电动机控制调理单元60，所述的车尾控制单片机40内置协处理器，其控
制动作如下：左车速传感器53与右车速传感器63定时检测左右轮毂电动机的转速分别反馈给左轮毂电动机控制调理单元50和右轮毂电动机控制调理单元60，再由车尾电器集中驱动单元41收集后送给车尾控制单片机40，车尾控制单片机40接收到车速信号后，通过PID
算法模块不断修正调整当前轮毂电动机转速，使其左右轮达到期望的转速值。
[0065] 车头电器集中驱动单元20的输出通过封装在总线控制器壳体1上的F驱动输出插座8、G驱动输出插座9和H驱动输出插座10分别与左前转向灯21、左前远光灯22、左前近光灯23、喇叭24、雨刮器25、右前近光灯26、右前远光灯27、右前转向灯28就近相连。
[0066] 车尾电器集中驱动单元41分别与左轮毂电动机控制调理单元50和右轮毂电动机控制调理单元60相连，左轮毂电动机控制调理单元50外接左车速传感器53、左霍尔信号检测51和左轮毂电动机52，右轮毂电动机控制调理单元60外接右车速传感器63、右霍尔信号检测61和右轮毂电动机62，所述的车尾电器集中驱动单元41的输出通过封装在总线控制器壳体1上的G驱动输出插座9与左后转向灯42、防盗器模块43、右后转向灯44就近相连，左轮毂电动机控制调理单元50和右轮毂电动机控制调理单元60的输出则通过封装在总线控制器壳体1上的F驱动输出插座8和H驱动输出插座10分别与左轮毂电动机52和右轮毂电动机62就近相连。
[0067] 车头控制模块36和车尾控制模块46之间连接的通信介质为四芯多绞线，所述的CANopen总线前连接插座2和CANopenN总线后连接插座4均为带
外螺纹的四芯插座，分别为电源正极VCC、地GND、CANopen总线的CAN_H端和CANopen总线的CAN_L。
[0068] 所述的仪表盘29是一款内部带CANopen总线接口的指针式数字仪表，直接与CANopen总线前端接口电路35相连，仪表盘29有三个指示式仪表，分别是车速表、
电压表和
电流表，其所指示的车速信号是车尾控制单片机40根据左车速传感器53与右车速传感器63后得出的综合速度。
[0069] 图5是车头控制模块的电原理图，图6是车尾控制模块的电原理图，图中，蓄
电池组70是电动汽车的动力源，经过DC/DC转换器71后提供车头控制模块36和车尾控制模块46所需要的
电源电压。
[0070] 本实用新型的新颖之处在于，所述的轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器包括两个控制模块，按照就近接入、接近控制的原则就近安装，其中，装置在电动车前部的为车头控制模块，装置在电动车后部的为车尾控制模块，车头控制模块与车尾控制模块通过CANopen总线连接。车头控制模块36主要控制电动车前部的电器设备，包括接入车头部分安装的倾斜传感器31、转向传感器33。车尾控制模块46一方面通过左霍尔信号检测51引导U1、V1、W1三根相线控制左轮毂电动机52的换相，另一方面通过右霍尔信号检测61引导U2、V2、W2三根相线控制右轮毂电动机62的换相，车尾控制单片机40综合左、右车速传感器信号，经PID
软件模块调整电动机的实时转速，其电子差速控制的原理如下：电动车直线前进时，由于路面高低不平和轮胎差异因素的影响，两个车轮的转速往往不同，如果不进行纠正，就会使电动车朝转速较慢的那一方转向，如果两轮车速相差较大更会引起电动车行驶的不稳定，利用PID调速方法对电动机转速进行闭环控制，以提高电动机调速响应快速性和调速稳定性，有利于两台无刷直流轮毂电动机转速的一致性协调。其转向控制的原理是，车尾控制单片机40如果测得转向的内侧车轮转速小于外侧车轮转速，在相同的时间内，内侧车轮驶过的距离比外侧车轮驶过的距离小，车尾控制单片机40会控制车体向内侧偏转，从而实现转向。
[0071] 综上所述，本实用新型所介绍的双无刷直流轮毂电动机驱动的电动车CANopen总线控制器，采用最小的成本实现了电动车数字仪表、控制器、执行机构、传感器等低层设备间的数据通信管理，解决了电动汽车众多线束与设备的联结问题，节省了大量的有色金属，系统仅仅通过四根
导线取代汽车上繁多的线束，实现汽车局域网内的多主通讯、信息共享和实时控制。本实用新型所述的车尾控制模块，还综合了左右车速传感信号、转向传感信号和倾斜传感信号，利用PID调速模块对电动机转速进行闭环控制实现了电子差速控制，大大提高无刷直流轮毂电动机调速响应的快速性和调速的稳定性，有利于两台无刷直流轮毂电动机转速的一致性协调。
[0072] 除此之外，本实用新型的车头控制模块和车尾控制模块均采用了抢先式多任务调度机制，这是一种保证优先级较高的任务首先执行的方法，抢先式调度机制很好地保证了系统运行的实时性，使优先级最高的信息能够在网络中首先运行，提高了电动汽车的安全性能。系统还采用了对等的多主机通信授权，允许时间同步的多点接收或发送；另一方面，通信方面采用了独特的数据信号编码表示方式和CRC校验功能，因此具有错误识别功能，当校验出现格式错误时可自动重发送数据，因此通信的漏码率极低，数据通信具有高可靠性。车头控制模块和车尾控制模块均采用了非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向总线上传送数据时，优先权较高的数据享有占用总线的使用优先，优先级别低的节点主动停止数据发送，以保证优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，高优先级的数据可在微秒内得到传输，从而大大节省了总线冲突裁决时间。车头控制模块和车尾控制模块之间规范了两个节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，可以多主方式下工作，车头控制模块和车尾控制模块中的任意一个节点均可以在任意时刻主动向网络上的另一个节点发送信息，而不分主从通信，其通信方式灵活，其电缆终端匹配性能好，抗干扰能力强，与常规的以太网相比，即使在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况，安全性可靠性高。系统能自动进行故障识别并自动恢复，具有自动纠错功能，当车头控制模块和车尾控制模块中的某个节点出现严重错误的情况下，能自动关闭切断该节点与总线的联系，保证总线上的其它节点和操作不受影响。
[0073] 总之，本实用新型摈弃了电动车的机械前桥或后桥，减少线束，在两个无刷直流轮毂电动机驱动的四轮电动车上实现CANopen总线控制的电子差速控制和转向控制，正是本实用新型创新的目的。
