摘 要： 介紹了一種帶有 CAN 總線控制模塊的汽車?yán)^電器控制系統(tǒng)的研制，敘述了該系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以 PIC18F2480 單片機(jī)和 CAN 總線收發(fā)器為控制核心，采用優(yōu)化的混合式控制方案，可無弧接通與分?jǐn)啻箅娏?，并?shí)現(xiàn)智能控制和實(shí)時(shí)保護(hù)的功能。 關(guān)鍵詞： 汽車?yán)^電器；CAN總線；混合式控制方案；單片機(jī) [b][align=center]Research of High-Current Automobile Relay Control System Based on CAN Bus WANG Zhi-qiang, LIU Xiang-jun （College of Electrical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China）[/align][/b] Abstract: Introduction was made to a type of automobile relay control system with CAN bus control module. The hardware and soft-ware design were discussed in detail. The control core based on PIC18F2480 microcontroller and CAN bus transceiver was built with an optimized hybrid control plan. The relay could switch high-current circuit with non-arc to realize the functions of intelligent control and real-time guard. Key words: automobile relay; CAN bus; hybrid control plan; microcontroller 0 引言 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)乘坐汽車的安全性、舒適性和多功能性的要求日益提高。目前汽車電氣系統(tǒng)存在以下問題：（1）汽車在存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及停駛時(shí)存在蓄電池電流泄漏問題，影響蓄電池的使用壽命。（2）當(dāng)汽車發(fā)生故障或猛烈碰撞造成短路時(shí)，如果不能有效地將蓄電池與整個(gè)電氣系統(tǒng)斷開，則存在起火甚至爆炸的危險(xiǎn)。 汽車電源總開關(guān)是安裝在蓄電池與汽車電氣系統(tǒng)之間的一個(gè)非常重要的元件，可在汽車發(fā)生故障和駕駛員離開汽車時(shí)切斷主電路電源，有效保護(hù)蓄電池和汽車電氣系[1] 。目前電源總開關(guān)有電磁式開關(guān)和蓄電池繼電器兩種，其安裝在蓄電池附近，控制開關(guān)安裝在駕駛員附近儀表板上，操作方便[2] 。但電磁式開關(guān)是手動(dòng)操作開關(guān)，對(duì)故障不能起到實(shí)時(shí)保護(hù)作用，而一般繼電器的觸頭容量有限，切斷短路電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生熔焊現(xiàn)象，使得開關(guān)損壞或者電氣壽命縮短。 如今車載電器越來越多，各種信號(hào)控制線使得線束的長(zhǎng)度加長(zhǎng)、質(zhì)量大、復(fù)雜程度越來越高，同時(shí)電路故障率也會(huì)隨之上升，整車硬件成本、生產(chǎn)效率也會(huì)相應(yīng)增加。而CAN總線的應(yīng)用可以解決這些問題，CAN總線在汽車上的應(yīng)用日趨成熟。通過CAN總線，汽車電器的控制將實(shí)現(xiàn)智能化。 因此，開發(fā)一種帶有CAN總線控制模塊且可通斷大電流的電源總開關(guān)成為當(dāng)務(wù)之急。本文對(duì)基于CAN總線的大電流汽車?yán)^電器進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了無弧通斷、短路保護(hù)和智能控制的功能。 1 基本原理 本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線的大電流汽車?yán)^電器采用單線圈的磁保持繼電器作為本體。磁保持繼電器的優(yōu)點(diǎn)是只需要幾毫秒的脈沖驅(qū)動(dòng)，就可以使開關(guān)處于接通或分?jǐn)酄顟B(tài)，因此需要的功率很小，線圈發(fā)熱也可以忽略不計(jì)。磁保持繼電器本身不能切換大電流，本文將電力電子器件與磁保持繼電器相結(jié)合，通過合理選擇電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，使磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)無弧通斷功能。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 現(xiàn)有的混合式控制方案的思想是將電力電子器件與觸頭并聯(lián)，由電力電子器件承擔(dān)觸頭接通和分?jǐn)嗟人矐B(tài)過程時(shí)的主電路電流，由觸頭承擔(dān)穩(wěn)態(tài)時(shí)的主電路電流[3] 。從而避免觸頭因彈跳和開斷大電流產(chǎn)生電弧，其中激磁線圈電流、MOSFET驅(qū)動(dòng)脈沖、觸頭電壓三者的時(shí)序如圖2所示。 MOSFET工作在高頻導(dǎo)通模式，在保證可靠性的前提下應(yīng)盡量減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通時(shí)間，以減少發(fā)熱，提高使用壽命。因此，本文對(duì)現(xiàn)有的混合式控制方案進(jìn)行優(yōu)化，采用斜率計(jì)算等數(shù)學(xué)方法，將MOSFET起始導(dǎo)通時(shí)刻控制在圖2中的A點(diǎn)附近，大大縮短了MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間。 該繼電器系統(tǒng)采用單片機(jī)和CAN總線收發(fā)器為智能控制模塊的核心。模塊通過CAN總線接收來自汽車中央控制單元的指令，并將當(dāng)前繼電器有關(guān)參數(shù)通過CAN總線發(fā)送給中央控制單元，實(shí)現(xiàn)智能控制，起到實(shí)時(shí)控制和保護(hù)的功。 2 硬件設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的繼電器采用PIC18F2480單片機(jī)和CAN總線收發(fā)器MCP2551構(gòu)成智能控制模塊的核心。PIC18F2480自帶CAN通信模塊與CAN總線收發(fā)器一起構(gòu)成CAN總線通信模塊[4] 。 功能電路主要由DC/DC隔離變換電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、線圈驅(qū)動(dòng)電路、線圈采樣電路和電流采樣信號(hào)處理電路等組成。硬件電路的整體組成框圖如圖3所示。 為了實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的電氣隔離，MOSFET的驅(qū)動(dòng)采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)電路電源與單片機(jī)系統(tǒng)電源必須相互隔離。本文電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用DC/DC隔離變換器，得到兩路相互隔離的電源系統(tǒng)。 主電路電流采樣是實(shí)現(xiàn)短路實(shí)時(shí)保護(hù)的關(guān)鍵，智能控制模塊通過A/D采樣，計(jì)算出主電路電流大小，從而決定繼電器的相應(yīng)動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)高精度、快速的電流檢測(cè)，本文采用ACS754電流傳感器作為主電路電流檢測(cè)元件。ACS754是高精度、雙向的電流傳感器，能將主電路電流大小線性換算成0～5V的邏輯電平。 3 軟件設(shè)計(jì) 磁保持繼電器的吸合時(shí)刻和釋放時(shí)刻的準(zhǔn)確判斷是軟件需要解決的關(guān)鍵問題。軟件主要包括總線命令識(shí)別子程序、激磁線圈電流采樣子程序和主電路電流采樣子程序等[5] 。 軟件流程圖如圖4所示。具體流程如下：當(dāng)繼電器處于分?jǐn)酄顟B(tài)時(shí)，智能控制模塊處于等待接收命令狀態(tài)。當(dāng)繼電器處于閉合狀態(tài)時(shí)，智能模塊相隔一定的時(shí)間采樣主電路的電流，并判斷電流是否超過短路電流的設(shè)定閾值，決定是否執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。正常狀態(tài)時(shí)，將電流參數(shù)通過CAN總線發(fā)送給中央控制單元，以便在儀表上顯示。繼電器接通和分?jǐn)嗝畹慕邮詹捎弥袛喾绞?。識(shí)別命令后，根據(jù)命令調(diào)用接通（分?jǐn)啵┳映绦?。?dāng)主電路由于短路造成電流過大時(shí)，模塊自動(dòng)調(diào)用分?jǐn)嘧映绦颍瑢?shí)現(xiàn)短路保護(hù)。 4 基于CAN總線的大電流汽車?yán)^電器的實(shí)現(xiàn) 為了驗(yàn)證方案的可行性，本文將JE12-G型磁保持繼電器作為本體，同時(shí)用PC機(jī)模擬汽車中央控制單元，給繼電器的智能控制模塊發(fā)送指令以及接收來自模塊的有關(guān)參數(shù)。采用Visual Basic6.0軟件建立一個(gè)控制系統(tǒng)，由于PC機(jī)沒有CAN總線接口，所以指令數(shù)據(jù)的傳送必須通過RS232/CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器。 PC機(jī)模擬控制系統(tǒng)的主界面如圖5所示。主界面顯示的波形是主電路的電流波形，其中縱坐標(biāo)是電流，橫坐標(biāo)是時(shí)間，每單位格時(shí)間為0.5s（系統(tǒng)工作時(shí)，波形自動(dòng)從右向左移動(dòng)，所以橫坐標(biāo)原點(diǎn)不一定是零時(shí)刻）。圖5是在主電路電壓42V、電流10A時(shí)，突然將電流加到短路電流閾值60A時(shí)，繼電器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的電流波形。通過實(shí)驗(yàn)證明，帶有CAN總線控制模塊的大電流汽車?yán)^電器能在不同負(fù)載電流的條件下實(shí)現(xiàn)可靠接通和分?jǐn)?，有效地?shí)現(xiàn)繼電器無弧通斷和實(shí)時(shí)保護(hù)的功能。 5 結(jié)語(yǔ) 帶有總線控制功能的汽車大電流繼電器，采用優(yōu)化的混合式控制方案，實(shí)現(xiàn)智能控制。將其作為汽車電氣系統(tǒng)的電源總開關(guān)，能夠克服當(dāng)前電磁式電源總開關(guān)的缺點(diǎn)，可靠地保護(hù)汽車電氣系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。 [align=center][b] 參考文獻(xiàn)[/b][/align] [1] 古永棋.蓄電池新型電源總開關(guān)[J].汽車電器，1995（3）：10-12. 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