NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM SERIJSKEGA HIBRIDNEGA VOZILA … · 2017-11-28 · I NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM SERIJSKEGA HIBRIDNEGA VOZILA – PLATFORMA PROGRAMSKE OPREME ZA UPRAVLJANJE

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Mitja Osek

NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM

SERIJSKEGA HIBRIDNEGA VOZILA –

PLATFORMA PROGRAMSKE OPREME ZA

UPRAVLJANJE Z ENERGIJO

Magistrsko delo

Maribor, oktober 2014

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Smetanova ulica 17 2000 Maribor, Slovenija

NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM SERIJSKEGA

HIBRIDNEGA VOZILA – PLATFORMA

PROGRAMSKE OPREME ZA UPRAVLJANJE Z

ENERGIJO

Magistrsko delo

Študent: Mitja Osek

Študijski program: UN Mehatronika

Mentor FERI: dr. Miran Rodič

Mentor FS: dr. Karl Gotlih

Lektorica: mag. prev. Lea Cibrić

I

NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM SERIJSKEGA HIBRIDNEGA

VOZILA – PLATFORMA PROGRAMSKE OPREME ZA

UPRAVLJANJE Z ENERGIJO

Ključne besede: hibridno električno vozilo, upravljanje z energijo, upravljanje z močjo,

CAN, nadzorno vodenje, nadzorni sistem, digitalni signalni krmilnik, hranilniki energije

UDK KLASIFIKACIJA: 681.11.032:629.3.05(043.2)

Povzetek

V magistrskem delu je opisana izdelava platforme programske opreme za upravljanje z

energijo in močjo v serijskem hibridnem električnem vozilu. Sistem za oskrbo z energijo

obsega baterijo, superkondenzator in podaljševalec dosega, možno je tudi regenerativno

vračanje energije v primeru zaviranja (generatorski režim delovanja pogonskega motorja).

Nadzorni sistem za upravljanje z energijo mora zagotavljati ustrezne krmilne signale

posameznim komponentam ter zajemati informacije o njihovem stanju (temperature, toki,

napetosti) in režimu delovanja. Zagotovljeno mora biti tudi posredovanje podatkov

uporabniku in ostalim komponentam. Komponente so med seboj energetsko povezane prek

enosmerne zbiralke, informacijsko pa prek komunikacijskega vodila CAN. Delovanje

sistema je predstavljeno in analizirano z uporabo simulacijskih modelov. Krmilni sistem je

zasnovan na zmogljivem digitalnem signalnem krmilniku z vso potrebno periferijo za

izvedbo projekta.

II

POWER AND DRIVELINE SYSTEM OF A SERIES HYBRID

VEHICLE – SOFTWARE PLATFORM FOR ENERGY

MANAGEMENT

Key words: hybrid electric vehicle, energy management, power management, CAN,

supervisory control, supervision system, digital signal controller, energy storage

Abstract

This thesis describes the development of software platform for energy and power

management in a serial hybrid electric vehicle. Its system for power supply consists of

accumulator battery, supercapacitor and range extender. It is also possible to return

energy through regenerative braking when electromotor in the drivetrain is working as

generator. The control system for energy management should ensure appropriate control

signals to individual components and include information about their conditions

(temperature, currents, voltages) and mode of operation. It should also provide the

information to user/developer and other components. Components are energetically

connected together via DC link. Information distribution is performed by the CAN bus.

System operation is presented with the use of simulation models. The control system is

based on high performance digital signal controller with all required peripheral devices.

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema dr. Miranu Rodiču in

dr. Karlu Gotlihu za pomoč pri delu, strokovne

nasvete ter usmerjanje pri izdelavi magistrskega

dela. Prav tako se zahvaljujem svojim staršem za

vso podporo v času študija in nastajanja

magistrskega dela, ter vsem, ki so mi pri delu

kakorkoli pomagali s koristnimi nasveti.

Napajalni in pogonski sistem serijskega hibridnega vozila – platforma programske opreme za upravljanje z energijo

1

KAZALO

1 Uvod .............................................................................................................................. 1

1.1 Opredelitev splošnega področja magistrskega dela ................................................ 1

1.2 Opredelitev magistrskega dela ................................................................................ 2

1.3 Struktura magistrskega dela .................................................................................... 3

2 Hibridna električna vozila (HEV) ................................................................................. 4

3 Zgodovina hibridnih vozil ............................................................................................. 5

4 Konfiguracije hibridnih vozil ........................................................................................ 7

4.1 Serijsko hibridno vozilo .......................................................................................... 7

4.2 Paralelno hibridno vozilo ........................................................................................ 8

4.3 Kombinirano hibridno vozilo .................................................................................. 9

4.4 Kompleksno hibridno vozilo ................................................................................ 10

5 Klasifikacija hibridnih vozil glede na stopnjo hibridizacije ........................................ 12

5.1 Mikro hibridno vozilo (Micro Hybrid) ................................................................. 12

5.2 Blago hibridno vozilo (Mild Hybrid) .................................................................... 12

5.3 Polno hibridno vozilo (Full Hybrid) ..................................................................... 13

6 Nadzorni sistem za upravljanje z energijo ................................................................... 14

6.1 Model sistema ....................................................................................................... 14

6.2 Modeli pretvornikov ............................................................................................. 16

6.3 Režimi delovanja in shema za upravljanje z energijo ........................................... 21

6.3.1 Stanje BATT .................................................................................................. 22

6.3.2 Stanje CAP .................................................................................................... 23

6.3.3 Stanje REGEN ............................................................................................... 24

6.3.4 Stanje RANGE_EX ....................................................................................... 25

6.3.5 Simulacijski rezultati ..................................................................................... 26

7 CAN (Controller Area Network – področno omrežje krmilnikov) ............................. 28

7.1 CAN standard ....................................................................................................... 29

7.1.1 Fizična plast ................................................................................................... 31

7.1.2 Nivoji vodila po standardu ISO 11898 .......................................................... 33

7.1.3 Podatkovno-povezovalna plast ...................................................................... 34


2

7.1.4 Podatkovni okvir CAN standarda .................................................................. 34

8 Strojna oprema uporabljena za CAN komunikacijski sistem ...................................... 37

8.1 Digitalni signalni krmilnik TMS320F28335 ........................................................ 37

8.1.1 Digitalni signalni procesor TMS320F28335 ................................................. 37

8.1.2 Periferne naprave TMS320F28335 ............................................................... 38

8.1.3 Enhanced Controller Area Network (eCAN) modul ..................................... 38

8.2 Oddajno/sprejemna naprava SN65HVD230 ......................................................... 39

8.2.1 Izdelava vezja za oddajno/sprejemno napravo SN65HVD230 ..................... 40

8.2.2 Microchip CAN BUS Analyzer tool ............................................................. 42

9 Razširjena CAN (eCAN) komunikacija v Matlab/Simulinku ..................................... 46

10 Programiranje komunikacije CAN v Matlab/SIMULINK – u in prikaz delovanja .... 59

10.1 Opis delovanja naprave gospodar ..................................................................... 59

10.2 Opis delovanja naprave suženj .......................................................................... 62

10.3 Prikaz delovanja ................................................................................................ 65

11 Sklep ............................................................................................................................ 71

12 Literatura ..................................................................................................................... 73

13 Priloge .......................................................................................................................... 75

Priloga A .............................................................................................................................. 76

Priloga B .............................................................................................................................. 77

............................................................................................................................................. 78


1

KAZALO SLIK

Slika 4.1: Shema serijskega hibridnega vozila [1] ................................................................ 8

Slika 4.2: Shema paralelnega hibridnega vozila [1] .............................................................. 9

Slika 4.3: Shema kombiniranega hibridnega vozila [1] ...................................................... 10

Slika 4.4: Shema kompleksnega hibridnega vozila [1] ....................................................... 11

Slika 5.1: Klasifikacija hibridnih vozil [1] .......................................................................... 13

Slika 6.1: Shema sistema ..................................................................................................... 15

Slika 6.2: Shema sistema vodenja z vsemi pripadajočimi podsistemi ................................ 16

Slika 6.3: Model dvosmernega pretvornika [2] ................................................................... 17

Slika 6.4: Model enosmernega pretvornika [2] ................................................................... 17

Slika 6.5: Model napetostnega regulatorja [2]..................................................................... 18

Slika 6.6: Model električnega podsistema ........................................................................... 19

Slika 6.7: Shema za nadzor akumulatorske baterije in superkondezatorja.......................... 20

Slika 6.8: Shema za nadzor pogonskega elektromotorja ..................................................... 20

Slika 6.9: Shema za nadzor sklopa podaljševalca dosega ................................................... 21

Slika 6.10: Stateflow diagram za upravljanje z energijo ..................................................... 22

Slika 6.11: Stanje BATT s podstanji ................................................................................... 23

Slika 6.12: Stanje CAP s podstanji ...................................................................................... 24

Slika 6.13:Stanje REGEN s podstanji ................................................................................. 25

Slika 6.14: Stanje RANGE_EX s podstanji ........................................................................ 26

Slika 6.15: Rezultati simulacije preklopov med stanji ........................................................ 27

Slika 7.1: Podatkovne hitrosti v odvisnosti od dolžine vodila ............................................ 29

Slika 7.2: Struktura ISO/OSI modela [2] ............................................................................ 30

Slika 7.3: Struktura ISO11898 [3] ....................................................................................... 32

Slika 7.4: Shema tipičnega CAN omrežja [3] ..................................................................... 33

Slika 7.5: Recesivno in dominantno stanje CAN vodila [4] ............................................... 33

Slika 7.6: Podplasti podatkovno povezovalne plasti ........................................................... 34

Slika 7.7: Sestava podatkovnega okvirja CAN [4] .............................................................. 35

Slika 7.8: Standardni podatkovni okvir z 11-bitnim identifikatorjem (CAN verzija 2.0A)

[4] ........................................................................................................................................ 36

Slika 7.9: Razširjeni podatkovni okvir z 29-bitnim identifikatorjem (CAN verzija 2.0 ali

eCAN) [4] ............................................................................................................................ 36

Slika 8.1: Razporeditev kontaktov na čipu SN65HVD230 [7] ........................................... 40

Slika 8.2: Shema vezja v orodju Altium designer ............................................................... 41

Slika 8.3: Tiskano vezje s pripadajočimi komponentami .................................................... 42

Slika 8.4: Orodje CAN bus Analyzer .................................................................................. 42

Slika 8.5: Grafični vmesnik orodja CAN bus Analyzer ...................................................... 44

Slika 8.6: Shema omrežja CAN s priključenim orodjem CAN Bus Analyzer .................... 45

Slika 9.1: Knjižnica Embedded Coder ................................................................................ 46

Slika 9.2: Blok »Target preferences« .................................................................................. 47

Slika 9.3: Nastavitve modula eCANA ................................................................................. 48


2

Slika 9.4: Okno Configuration Parameters .......................................................................... 48

Slika 9.5: Blok za konfiguracijo sprejemnega poštnega predala ......................................... 50

Slika 9.6: Blok za konfiguracijo oddajnega poštnega predala ............................................ 50

Slika 9.7: Blok za konfiguracijo in razvrščanje prekinitvenih rutin .................................... 51

Slika 9.8: Prikaz prekinitvenih rutin s CPU in PIE prekinitvenimi vektorji [9] .................. 52

Slika 9.9: Sporočilo s podatki stanja na bateriji .................................................................. 54

Slika 9.10: Signali z možnostmi nastavitev Multiplex type ................................................. 55

Slika 9.11: CAN Pack blok ................................................................................................. 55

Slika 9.12: CAN Unpack blok ............................................................................................. 56

Slika 9.13: Blok Memory Allocation .................................................................................. 57

Slika 9.14: Blok Memory Copy ........................................................................................... 58

Slika 10.1: Prikaz programske zasnove za napravo gospodar ............................................. 60

Slika 10.2. Prekinitvena rutina za branje poštnega predala stanje....................................... 61

Slika 10.3: Prekinitvena rutina za branje poštnega predala s podatki z baterije ................. 61

Slika 10.4: Prožen (enabled) podsistem za pošiljanje zahteve o podatkih na bateriji ......... 62

Slika 10.5: Prikaz programske zasnove za napravo suženj ................................................. 63

Slika 10.6: Podsistem prekinitvene rutine za branje podatkov iz poštnega predala za

sprejem krmilnih podatkov iz naprave gospodar ................................................................. 64

Slika 10.7: Podsistem, prožen s podatkom msg_req za pošiljanje želenih podatkov nazaj na

gospodarja ............................................................................................................................ 65

Slika 10.8: Uporabniški vmesnik programskega okolja Code Composer Studio ............... 66

Slika 10.9: Fotografija CAN omrežja dveh naprav ............................................................. 67

Slika 10.10: Oddajni in sprejemni okvir na vodilu .............................................................. 67

Slika 10.11: Napaka pri sprejemu ....................................................................................... 68

Slika 10.12: Standardni okvir CAN ..................................................................................... 69

Slika 10.13: Razširjeni okvir CAN ...................................................................................... 69

Slika 10.14: Merjenje odzivnega časa ................................................................................. 70


3

UPORABLJENI SIMBOLI

ik – tok na k – tem pretvorniku

Edc – energija na enosmerni zbiralki

pk – energija k – tega pretvornika

v – hitrost vozila

Vdiff – razlika napetosti na enosmerni zbiralki

UPORABLJENE KRATICE

HEV – hibridno električno vozilo

ICE – Internal Combustion Engine (motor z notranjim zgorevanjem)

CAN – Controller Area Network (področno omrežje krmilnikov)

eCAN – modul razširjenega področnega omrežja krmilnikov

DSP – digitalni signalni procesor

DSK – digitalni signalni krmilnik

ISO – International Standard Organization

ID – identifikator

CCS – Code Composer Studio

AC – Alternating Current (izmenični tok)

DC – Direct Current (enosmerni tok)

USB – Universal Serial Bus (univerzalno serijsko vodilo)

CANH – CAN High

CANL – CAN Low

GPIO – General Purpose Input/Output (splošno namenski vhod/izhod)

ADC – Analog to Digital Converter (analogno digitalni pretvornik)

PWM – Pulse Width Modulation (pulzno širinska modulacija)

RAM – Random Access Memory (Bralno pisalni pomnilnik)


4

JTAG – Joint Test Action Group

CMOS – Complementary Expansion

SPI – Serial Peripheral Interface

SCI – Serial Communication Interface

UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter

LED – Light Emitting Diode

ESD – Electrostatic Discharge

CSMA – Carrier Sense Multiple Access

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers


1

1 Uvod

1.1 Opredelitev splošnega področja magistrskega dela

Živimo v obdobju, ko se tehnološke spremembe dogajajo zelo hitro in jih je zelo

veliko na vseh področjih. Pri tem še posebno izstopa avtomobilska industrija. Včasih je

avtomobil predstavljal razkošje, dandanes pa nujo, brez katere si težko predstavljamo

življenje. Tako nam trg ponuja ogromno modelov avtomobilov različnih cenovnih

razredov in znamk. Še vedno prevladujejo avtomobili z motorji z notranjim zgorevanjem, v

zadnjih letih pa opažamo porast električnih in hibridnih avtomobilov, ki že predstavljajo

resno konkurenco avtomobilom z motorji z notranjim zgorevanjem.

Racionalno razpolaganje z energijo in energijskimi viri je ena izmed tematik, ki se

pojavlja po celem svetu in v vseh gospodarskih panogah (avtomobilska industrija,

energetska industrija, kmetijstvo itd.). Cilj je doseči čim manjšo porabo virov in energije s

čim večjim izkoristkom.

V zadnjih 30-ih letih smo s pomočjo tehnološkega napredka in razvoja prišli v dobo, v

kateri imamo možnost razpolagati z različnimi viri energije na mnogo načinov. Prav tako

imamo možnost omejevanja porabe »umazanih« konvencionalnih virov energije (nafta,

bencin, olje itd.) zaradi hitrega napredka alternativnih tehnologij in virov energije (vetrne

elektrarne, hidroelektrarne, gorivna celica, biogoriva itd.) ter človeške ozaveščenosti do

varovanja okolja. Le tako si lahko omogočimo zdravo in udobno bivanje na našem planetu.

Korak k temu so vsekakor hibridna vozila, saj je glavna lastnost le-teh ravno manjša

poraba goriva oziroma energije pri enaki uporabnosti oziroma namembnosti. Beseda hibrid

v grobem poimenuje nekakšnega križanca med dvema vrstama. Zato lahko rečemo, da je

hibridno vozilo vsako vozilo, ki uporablja dva ali več različnih virov energije. Tako lahko

izkoristimo le najboljše lastnosti vsakega posameznega vira, kar pomeni prihranek energije

in s tem posledično tudi manjšo obremenitev za okolje. Izraz hibridno vozilo je zelo širok

pojem, vendar se bo v tem delu nanašal zgolj na hibridne avtomobile. Hibridni avtomobil v


2

našem primeru pomeni avtomobil na električni pogon s podporo konvencionalnega motorja

z notranjim zgorevanjem. Tako dobimo vozilo z večjim dometom pri manjši porabi, kar

preprosto rečeno pomeni večji izkoristek.

Hibridna in električna vozila so znana že dobro stoletje, vendar so tehnološke omejitve

zavirale uporabo in razvoj takšnih vrst vozil. Dandanes jih je vse več in njihova uporabnost

se kaže na vseh področjih. Prav zato smo se tudi mi odločili, da malce prispevamo k

njihovemu razvoju in promociji.

1.2 Opredelitev magistrskega dela

Osnovni namen magistrskega dela je raziskati področje razvoja in uporabe

hibridnih vozil v Sloveniji in po svetu, ter prispevati svoje znanje, čas in izkušnje v razvoj

lastnega hibridnega sistema, ki bo koristen tudi za druge uporabnike.

Izdelati je bilo potrebno platformo programske opreme za upravljanje z energijo v

serijskem hibridnem električnem vozilu in postaviti nadzorni sistem, ki zagotavlja ustrezne

krmilne signale posameznim komponentam ter zajema informacije o njihovem stanju. S

pomočjo simulacij in modelov, ki so približen posnetek realnega stanja, smo simulirali

preklapljanje med režimi delovanja in opazovali obnašanje celotnega sistema hibridnega

vozila. S pomočjo CAN vodila smo informacijsko povezali želene komponente ter

omogočili komunikacijo med njimi z ustrezno programsko in strojno opremo. Prav tako

smo pripravili ustrezno dokumentacijo programske opreme za prihodnje delo na projektu.

Delo temelji na predhodnem delu na projektu oziroma je njegova dopolnitev. V delu

smo se na edinstven način lotili reševanja problema (delovanja našega hibridnega sistema).

Pri načrtovanju smo morali slediti tudi nekaterim standardom. Eden od teh standardov je

CAN, ki je standardizirano komunikacijsko vodilo v avtomobilski industriji (izvedba je

sicer naša stvar, vendar se moramo držati nekaterih okvirjev). Pri sami logiki vodenja smo

imeli nekoliko bolj proste roke, saj se je bilo treba zanašati na lastne izkušnje in znanje.

Veliko časa in energije je bilo treba vložiti v preizkušanja, testiranja in tudi diskusijo, saj je

prav to namen takšnega dela.


3

1.3 Struktura magistrskega dela

Magistrsko delo je v grobem razdeljeno na dva dela (teoretični in empirični

oziroma praktični del). V teoretičnem delu so opisana splošna dejstva o hibridnih vozilih,

njihovi zgodovini, konfiguracijah itd. V drugem poglavju teoretičnega dela je opisana

logika in koncept delovanja našega nadzornega sistema. Opisani so standardi in

programska oprema, ki zajema delovanje CAN komunikacije.

V praktičnem delu smo se zanašali predvsem na lastno interpretacijo problemov in

rešitev. Pri delu smo uporabljali predvsem programsko orodje Matlab/Simulink in tudi

programski jezik C/C++. Rezultate smo predstavili s pripadajočimi grafi simulacij in z

dejanskimi prikazi delovanja (npr. delovanje CAN vodila v realnem času).


4

2 Hibridna električna vozila (HEV)

Pojem hibridno električno vozilo (HEV) se najpogosteje nanaša na vrsto vozila, ki

združuje pogonski sklop konvencionalnega motorja z notranjim zgorevanjem (ICE) in

pogonski sklop elektromotorja. Cilj hibridnega sistema je doseči čim manjšo porabo goriva

in s tem povezan čim manjši izpust toplogrednih plinov ter čim boljše karakteristike vožnje

(odzivnost, pospeševanje itd.). Kot električni viri energije se lahko uporabijo baterije,

superkondenzatorji ali pa oboji skupaj, kakor je tudi v našem sistemu.

Najpogostejša znana oblika hibridnega električnega vozila je hibridni osebni

avtomobil, obstajajo pa tudi avtobusi, razna terenska vozila, vlaki, mopedi itd. V nasprotju

s konvencionalnimi avtomobili z motorji z notranjim zgorevanjem je pri hibridnih vozilih

več možnosti za izboljšanje ekonomičnosti goriva in energije (npr. regenerativno zaviranje,

»Start & Stop« funkcija, optimizacija delovnega področja motorja z notranjim

zgorevanjem, zmanjšanje velikosti motorja z notranjim zgorevanjem).

Do leta 2000 smo poznali dve osnovni konfiguraciji hibridnih vozil (serijsko in

paralelno hibridno vozilo), vendar se je z razvojem število konfiguracij povečalo. Tako

danes poznamo štiri konfiguracije, ki so opisane v naslednjih poglavjih.


5

3 Zgodovina hibridnih vozil

Splošno mnenje je, da so hibridna vozila nekaj novega, vendar to ne drži. Leta

1898, nekaj več kot deset let po tem, ko je Karl Benz izumil tako imenovan prvi sodobni

avtomobil, je glavni inženir v podjetju »Electric Storage Company« iz Philadelphije, Justus

B. Entz, testiral svoj izum. Ta izum ni bil nič drugega kot kombinirano vozilo z električnim

in bencinskim virom energije, ki je bilo zagotovo prvo vozilo s takšno konfiguracijo na

svetu. Žal je vozilo med testno vožnjo zajel ogenj in je bilo uničeno. Po tem dogodku Entz

iz neznanih razlogov ni več izdelal podobnega vozila. [1]

V zgodnjih letih so bili električni avtomobili, parni avtomobili in avtomobili z

motorji z notranjim zgorevanjem zelo konkurenčni. Razlog za združevanje električnih

pogonov in pogonov z notranjim zgorevanjem je bilo povečanje dometa vozila zaradi slabe

avtonomije baterij. Začetek 20. stoletja ni bil le začetek moderne avtomobilske industrije,

temveč tudi obdobje mnogih poskusov, konceptov in načrtov prvih hibridnih vozil. Lohner

– Porsche, Auto – Mixte, Mercedes – Mixte in Krieger so le nekateri primeri elektro-

bencinskih avtomobilov, ki so bili izdelani, vendar zaradi različnih okoliščin nikoli niso

postali priljubljeni.

Baker in Woods (proizvajalca električnih avtomobilov) sta leta 1917 neodvisno

razvila elektro-bencinski avtomobil. Woods`-ov avtomobil imenovan »Woods` Dual«, je

bil sestavljen iz sklopa (elektromotorja in bencinskega motorja), čigar maksimalna moč je

bila 10,4 kW. 4-valjni motor in elektromotor – generator sta bila vezana zaporedno v

sprednjem delu vozila. Med motorjema je bila nameščena magnetna sklopka, v zadnjem

delu vozila pa 24-celična, 48 V baterija oziroma akumulator. Takšna razporeditev je

omogočala vožnjo samo z motorjem z notranjim zgorevanjem, samo z elektromotorjem ali

z obojim hkrati. Vozilo je dosegalo maksimalno hitrost 56 km/h, kapaciteta baterije pa je

zadoščala za 48 km. Prav tako kot pri današnjih hibridnih avtomobilih, je bilo mogoče

zaradi generatorskega delovanja elektromotorja (npr. pri vožnji po hribu navzdol) energijo

regenerativno vračati v baterijo. Po eksperimentiranju in testiranju sta Baker in Woods

opustila razvoj hibridnih vozil, saj so bila ta vozila za tiste čase preveč kompleksna,

predraga za vzdrževanje ter pretežka v primerjavi z vozili z motorji z notranjim


6

zgorevanjem. Leta 1917 je Woods` prodal za 2950 $ avtomobilov, kar je precej več kot so

do takrat zaslužili s prodajo bencinskih avtomobilov. [1]

Literatura po letu 1917 ne omenja nadaljnjih hibridnih konceptov vse do obdobja

med letoma 1960 in 1970, ko so se inženirji in inovatorji ponovno odločili povečati domet

električnih avtomobilov. Veliko zanimivih konceptov je bilo predstavljenih v 70-ih in

poznejših letih. Tukaj lahko omenimo koncept Range Extender družbe »McKee

Engineering«. Pri vožnji v urbanih območjih je bilo vozilo možno voziti samo na elektriko

in ga polniti v navadnih 230 V vtičnicah, ko se je pojavila potreba po večjem dometu, pa

so preprosto priključili bencinski agregat, ki je bil nameščen v prikolici avtomobila. [1]

Do leta 1997, ko je Toyota Prius šla v prodajo na Japonskem, je bilo izdelanih več

prototipov ali manjših serij hibridnih avtomobilov. Prva generacija Priusa je postala prvo

serijsko hibridno vozilo. Toyota ima sedaj s tretjo generacijo Priusa prodanih že več kot

milijon hibridnih avtomobilov po svetu. Prav tako tudi skoraj vsi drugi proizvajalci

avtomobilov prodirajo na trg z različnimi modeli hibridnih avtomobilov (BMW, Lexus,

VW itd.).


7

4 Konfiguracije hibridnih vozil

V tem poglavju so opisane štiri najpogostejše oblike konfiguracij hibridnih vozil.

Mehanska energija je označena s črnimi puščicami, medtem ko je električna energija

označena z rdečimi puščicami. Puščice prav tako prikazujejo možne smeri prehajanja

električne energije. Naše vozilo je serijsko hibridno vozilo. Dobro poznavanje

konfiguracije je ključno pri načrtovanju vodenja in samem vodenju hibridnega sistema.

4.1 Serijsko hibridno vozilo

Konfiguracijo serijskega hibridnega vozila je najlažje opisati kot električno vozilo

združeno s pomožnim virom energije (ICE), ki služi kot povečevalnik dometa (»range

extender«). Generator pretvarja mehansko energijo v električno, ki je usmerjena

neposredno v elektromotor ali pa se shranjuje v baterijo oziroma superkondenzator.

Elektromotor lahko v primeru regenerativnega zaviranja deluje kot generator (zaviranje z

elektromotorjem; vožnja po klancu navzdol). Ker motor z notranjim zgorevanjem ni

direktno povezan s pogonsko osjo in njegova izhodna moč ni neposredno povezana s

trenutno potrebo po energiji, ga lahko uporabljamo v katerikoli točki obratovanja

(optimalni točki obratovanja), s čimer bistveno zmanjšamo porabo goriva in emisije

toplogrednih plinov. Druga prednost takšne konfiguracije je v tem, da ne potrebujemo

sklopke, s čimer zmanjšamo mehanske izgube zaradi trenja. Serijsko hibridno vozilo tako

sestavljajo trije stroji: motor z notranjim zgorevanjem, elektromotor in generator, pri čemer

mora biti izhodna moč elektromotorja tolikšna, da premaguje vse upore pri vožnji vozila,

kar pa pomeni večjo težo vozila nasproti vozilom z motorji z notranjim zgorevanjem.

Shemo serijskega hibridnega vozila lahko vidimo na spodnji sliki (Slika 4.1Slika 4.1).


8

MOTOR Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM (ICE)

GENERATOR

BATERIJA

POGONSKI ELEKTROMOTOR/

GENERATOR

KONČNI POGON – KOLESA AVTOMOBILA

Slika 4.1: Shema serijskega hibridnega vozila [1]

4.2 Paralelno hibridno vozilo

Če lahko rečemo, da je serijsko hibridno vozilo električno vozilo z dodatnim

energijskim virom (ICE), lahko rečemo, da je paralelno hibridno vozilo konvencionalno

vozilo z motorjem z notranjim zgorevanjem, z dodatnim, s prenosom spojenim električnim

motorjem. Takšna konfiguracija omogoča, da vozilo poganja le motor z notranjim

zgorevanjem, le elektromotor ali pa oba hkrati, kot prikazuje spodnja slika (Slika 4.2).

Običajno z elektromotorjem pokrivamo območja, ko hitro potrebujemo zelo veliko

energije (npr. pri pospeševanju). Prednost takšne konfiguracije je, da ne potrebujemo

motorjev s tako veliko močjo kot pri serijskem hibridnem vozilu. Zato imamo le dva

motorja, ki pa sta manjša in lažja kot pri serijskem hibridnem vozilu. Slabost paralelnega

hibridnega vozila je potreba po sklopki, saj je motor z notranjim zgorevanjem dejansko

povezan s pogonsko gredjo.


9

BATERIJA



GENERATOR


SKLOPKA

Slika 4.2: Shema paralelnega hibridnega vozila [1]

4.3 Kombinirano hibridno vozilo

Kot že pove samo ime, je kombinirano hibridno vozilo nekakšna kombinacija med

serijskim in paralelnim hibridnim vozilom, vendar ima več skupnega s paralelnim.

Kombinirano hibridno vozilo ima tako mehansko kot električno povezavo z dvema

električnima strojema; eden služi kot pogonski elektromotor in kot vir energije pri

regenerativnem zaviranju, drugi pa kot generator za polnjenje baterij ter na primer za

funkcijo »Start and Stop«. Primer kombiniranega hibridnega vozila je Toyota Prius.

Spodnja slika (Slika 4.3) prikazuje shemo kombiniranega hibridnega vozila. [1]


10


PLANETNO GONILO/MENJALNIK

GENERATOR

BATERIJA


GENERATOR


Slika 4.3: Shema kombiniranega hibridnega vozila [1]

4.4 Kompleksno hibridno vozilo

Kompleksno hibridno vozilo je, kot že nakazuje ime, bolj kompleksna od ostalih

treh konfiguracij. Konfiguracija (Slika 4.4) je podobna kot pri kombiniranemu hibridnem

vozilu, vendar lahko vidimo dodatni elektromotor. Značilnost te konfiguracije je, da

imamo na vsaki pogonski osi svoj elektromotor, ki lahko služi kot motor ali generator. Ta

oblika konfiguracije omogoča, da tri pogonske naprave sočasno poganjajo vozilo. Med

zaviranjem tako oba elektromotorja (generatorski režim) omogočata polnjenje baterije.

Prav tako takšna konfiguracija pomeni pogon na vsa štiri kolesa. [1]


11


PLANETNO GONILO/MENJALNIK

GENERATOR

BATERIJA


GENERATOR A


SPREDAJ


GENERATOR B


ZADAJ

Slika 4.4: Shema kompleksnega hibridnega vozila [1]


12

5 Klasifikacija hibridnih vozil glede na stopnjo hibridizacije

Pri tej klasifikaciji gre za razvrščanje HEV v skladu z njihovo stopnjo hibridizacije.

Ta razvrstitev je razdeljena na mikro (Micro), blaga (Mild) in polna (Full) hibridna vozila

(HV) ter se ne ukvarja z zgradbo in razporejanjem energije med komponentami.

5.1 Mikro hibridno vozilo (Micro Hybrid)

Najnižja stopnja hibridizacije, imenovana mikro hibrid, zajema vozila z motorji z

notranjim zgorevanjem, opremljena z majhnim električnim motorjem, ki omogoča »Start

and Stop« funkcijo. Z glavno gredjo je ponavadi povezan prek jermena ali pa je pritrjen

direktno nanjo in za svoje delovanje ne potrebuje visokoenergetskega vira ali zapletene

elektronike (napetost sistema je pod 42 V). Skupna električna moč za mikro hibridno

vozilo je omejena na približno 5 kW. [1]

5.2 Blago hibridno vozilo (Mild Hybrid)

Blago hibridno vozilo ima podobne lastnosti kot mikro hibridno vozilo, vendar sta

elektromotor in električni sistem pri blagem hibridu večja in močnejša. S tem so večje tudi

električne napetosti in moči, ki se gibljejo od 5–20 kW. Pri tej veji hibridnih vozil je že

implementirano regenerativno zaviranje s pomočjo EM (generatorski način), EM pa prav

tako zagotavlja dovolj navora za pomoč ICE med pospeševanjem. [1]


13

5.3 Polno hibridno vozilo (Full Hybrid)

V polnem hibridnem vozilu so združene vse lastnosti značilne za hibridna vozila

(regenerativno zaviranje, »Start and Stop« funkcija, »Boost« funkcija). Napetost sistema in

moči so večje kot pri blagem hibridu (20 kW in več). Z večjimi močmi je omogočena

vožnja samo na električni pogon (čeprav le na kratkih razdaljah in zmernih hitrostih). [1]

START & STOP FUNKCIJA

REGENERATIVNO ZAVIRANJE

POMOČ PRI POSPEŠEVANJU

ELEKTRIČNI POGON

Mikro HV Blago HV Polno HV

Stroški nakupa

Prihranek goriva

Po

večanje

fun

kcion

alno

sti

Slika 5.1: Klasifikacija hibridnih vozil [1]


14

6 Nadzorni sistem za upravljanje z energijo

Nadzorni sistem za upravljanje z energijo mora zagotavljati ustrezne krmilne

signale posameznim komponentam ter zajemati informacije o njihovem stanju

(temperature, toki, napetosti) in režimu delovanja. Cilj je v vsakem trenutku zagotoviti

zanesljivo distribucijo energije vsaki posamezni komponenti v sistemu. Ker je naš sistem

hibridni avtomobil, moramo prav tako zagotoviti varno in robustno delovanje v vsaki

možni nastali situaciji. Ker zadeve nismo mogli preizkusiti na realnem preizkuševališču,

smo se poskusili kar se da približati nekaterim situacijam. Tako smo definirali pet glavnih

stanj oziroma režimov, v katerih smo s pomočjo določenih pogojev preklapljali med njimi

ter opazovali vrednost napetosti na enosmerni zbiralki (DC linku) in tokove na

pretvornikih vseh enot v sistemu, kar bo opisano v naslednjih poglavjih.

6.1 Model sistema

Hibridni avtomobil oziroma njegov princip delovanja predstavlja kompleksen

sistem, saj imamo v vsakem trenutku možnost več različnih virov na eni strani ter

porabnikov energije na drugi strani. Od vsakega načrtovalca je odvisno, kako bo potekala

distribucija energije posameznim komponentam. Naš sistem je sestavljen iz štirih

pretvornikov (C1, C2, C3 in C4), priklopljenih na enosmerno zbiralko (Slika 6.1). Na vsak

pretvornik je priklopljena enota (baterija, superkondenzator, pogonski elektromotor in

podaljševalec dosega), ki deluje bodisi kot čist vir energije, bodisi čisto breme ali pa kar

oboje. Tako lahko glede na lastnosti priklopljene enote distribucija energije poteka

enosmerno ali dvosmerno. C1 predstavlja pretvornik baterije, C2 pretvornik

superkondenzatorja, C3 pa pogonskega elektromotorja. Vsi trije lahko delujejo dvosmerno,

kar pomeni da lahko te komponente delujejo kot vir ali kot breme, glede na potrebe in želje

načrtovalca. Pretvornik C4 predstavlja pretvornik podaljševalca dosega, ki lahko deluje

samo enosmerno, in sicer kot čist vir energije.


15

C1DC/DC

NADZORNI SISTEM

C4AC/DC

C3AC/DC

C2DC/DC

CAN

GENERATOR3 - FAZNI VIR


POGONSKI EM3 - FAZNI VIR/BREME

BATERIJAVIR/BREME

SUPERKONDENZATORVIR/BREME

Slika 6.1: Shema sistema

Celotna shema vodenja z vsemi podsistemi, ki so opisani v naslednjih poglavjih, je

predstavljena na spodnji sliki (Slika 6.2). Diagram stanj predstavlja centralni sistem

vodenja, ostali podsistemi pa predstavljajo sklop hibridnega vozila v obliki, ki je primerna

za fazo načrtovanja vodenja in razvoj platforme za nadzor energije.


16

Slika 6.2: Shema sistema vodenja z vsemi pripadajočimi podsistemi

6.2 Modeli pretvornikov

Modeli pretvornikov predstavljajo idealne pretvornike, kar pomeni, da pretvorniki

delujejo brez napak. V modelih je simuliran vklop in izklop pretvornika s pomočjo časovne

zakasnitve ter prehodno obnašanje tokovno kontroliranega pretvornika ob normalnem

delovanju.

Model tokovno reguliranega dvosmernega pretvornika je prikazan na spodnji sliki

(Slika 6.3). V samem modelu lahko opazimo dve veji; ko pretvornik deluje kot vir energije

ali kot breme. Za potrebe načrtovanja vodenja smo modele predstavili kot člene 1. reda. Za

simulacijo vklopa in izklopa pretvornika smo uporabili časovne zakasnitve. Časovne

zakasnitve smo uporabili zaradi varnosti, saj zagotavljajo, da je tok na pretvorniku enak nič

preden preklopi iz enega v drugo stanje (npr. iz stanja, ko pretvornik deluje kot vir, v

stanje, ko deluje kot breme, ali obratno) [2].


17

Slika 6.3: Model dvosmernega pretvornika [2]

Na podoben način je modeliran tudi enosmerni pretvornik (Slika 6.4), v našem primeru kot

vir.

Slika 6.4: Model enosmernega pretvornika [2]

Vsi pretvorniki so priklopljeni na enosmerno zbiralko, katere napetost mora biti

regulirana, zato morajo imeti vsi pretvorniki, ki lahko delujejo kot viri, možnost napetostne

regulacije. Samo eden pretvornik mora biti napetostno reguliran, medtem ko so ostali

regulirani tokovno.


18

Slika 6.5: Model napetostnega regulatorja [2]

Za zagotavljanje tokovnega ravnovesja na enosmerni zbiralki smo se ravnali po

dobro znani Kirchhoffovi formuli:

∑ 𝑖𝑘4𝑘=1 = 0 (6.1)

kjer ik predstavlja tok k – tega pretvornika iz oziroma na enosmerno zbiralko. Vsota vseh

tokov na enosmerni zbiralki je vedno 0.

Enačba za še boljšo interpretacijo in povezavo z izrazom upravljanje energije v hibridnem

sistemu je:

𝑑𝐸𝑑𝑐

𝑑𝑡= ∑ 𝑝𝑘

4𝑘=1 (6.2)

kjer Edc predstavlja energijo na enosmerni zbiralki, pk pa je energija k – tega pretvornika,

priklopljenega na zbiralko. Če pretvornik deluje kot vir energije, je tok iz pretvornika

pozitiven, medtem ko je negativen, če pretvornik deluje kot breme.

Na spodnji sliki je predstavljen model električnega podsistema (Slika 6.6).

Pretvorniki so predstavljeni kot idealni tokovni viri. Vrednost upora R predstavlja upornost

enosmerne zbiralke, kondenzator C pa je namenjen glajenju kratkotrajnih sunkov porabe.

Takšna oblika omogoča nadomestitev idealnih tokovnih virov z bolj natančnimi modeli

komponent, kar je zelo ugodno za nadaljnji razvoj in delo na projektu.


19

Slika 6.6: Model električnega podsistema

Za podatek o energiji na komponentah smo sestavili preproste sheme, ki nam glede

na zahteve krmilnega sistema simulirajo oziroma podajajo razpoložljivo energijo (P_a) na

posameznih komponentah. Vhodni podatki v podsisteme so podatki, ki jih določa nadzorni

algoritem (diagram stanj).

Podatki, pomembni za vodenje baterije, so podatki o stanju, režimu delovanja

baterije (1 = baterija deluje kot vir in 0 = baterija deluje kot breme) ter stopnji

napolnjenosti baterije. Za vrednost razpoložjivega toka, ko baterija deluje kot vir, smo

izbrali vrednost 100 A, ko deluje kot breme, pa maksimalni polnilni tok 30 A (podatek

Load_On je v primerih delovanja kot breme nastavljen na 1). Podatke o razpoložljivih

tokovih in stanju baterije smo si za potrebe načrtovanja vodenja izmislili, v realnem

sistemu pa je potrebno te podatke meriti. Prav tako je za ohranjanje baterijskih

karakteristik potrebno posvetiti več pozornosti samemu polnjenju baterije (baterijo

moramo polniti s konstantnim tokom, dokler ne doseže nekega nivoja napetosti, potem pa

ponavadi preidemo na polnjenje s konstantno napetostjo ali z manjšim tokom).

Za podsistem superkondezatorja (Slika 6.7) smo uporabili enako strukturo kot pri

podsistemu baterije, s tem da je pri načrtovanju vodenja superkondenzatorja potrebno

upoštevati drugačne karakteristike kot pri bateriji (npr. lahko ga polnimo z višjim tokom

kot baterijo).


20

Slika 6.7: Shema za nadzor akumulatorske baterije in superkondezatorja

Podsistem za nadzor pogonskega elektromotorja (Slika 6.8) prav tako zajema podatek o

stanju, v katerem deluje, in krmilni podatek, če elektromotor deluje kot vir napajanja ali

kot breme.

Slika 6.8: Shema za nadzor pogonskega elektromotorja


21

Pri nadzoru sklopa podaljševalca dosega (Slika 6.9) (ki edini lahko deluje kot čisti vir

energije) smo določili le podatek o razpoložljivem toku iz generatorja, ki ga v realnem

sistemu poganja motor z notranjim zgorevanjem (ICE), ki vedno deluje v območju

optimalnega izkoristka. Ta vrednost je v primeru normalnega delovanja konstantna.

Slika 6.9: Shema za nadzor sklopa podaljševalca dosega

6.3 Režimi delovanja in shema za upravljanje z energijo

Nadzorni program za upravljanje z energijo smo izdelali s pomočjo diagrama v

Matlabovem orodju Stateflow (Slika 6.10), v katerem smo definirali pet osnovnih stanj

oziroma režimov delovanja, ki bodo opisani v naslednjih poglavjih. Osnovi pogoj za

prehod med stanji je bila spremenljivka stanje, ki smo jo generirali s pomočjo bloka

»Repeating Sequence Stair«. Vsako stanje je trajalo 1 sekundo. Standby predstavlja stanje,

ko je sistem oziroma vozilo v mirujočem stanju oziroma stanju pripravljenosti in so vsi

parametri nastavljeni na osnovno vrednost 0. V stanju Standby je potreba po energiji enaka

nič in vse enote v sistemu so izklopljene.


22

Slika 6.10: Stateflow diagram za upravljanje z energijo

Na prehodu v vsako stanje definiramo vrednosti, ki so značilne za tisto stanje. Tako

je z vsakim stanjem pogojeno, katera naprava v sistemu bo vklopljena (On), katera naprava

bo delovala kot breme (Load_On), katera kot vir (Source) in katera bo regulirala napetost

na enosmerni zbiralki (Voltage_ctr).

6.3.1 Stanje BATT

Stanje BATT (Slika 6.11) predstavlja delovanje sistema, ko je glavni vir energije

akumulatorska baterija (baterija prav tako skrbi za regulacijo napetosti na enosmerni

zbiralki) in porabnik pogonski elektromotor. Superkondenzator predstavlja pomožni

oziroma dodatni vir energije. V podstanju Battery_S baterija zagotavlja vso energijo

sistemu. Ko baterija ni zmožna zagotavljati potrebne energije (pogoj P_d > P_a[0]) in je

stanje napolnjenosti superkondenzatorja zadovoljivo (CapS > 1), zagotovimo preostanek

potrebne energije s pomočjo superkondenzatorja (podstanje Battery_HC).


23

Režim delovanja BATT bi v praksi predstavljal enakomerno vožnjo, v primeru

nenadnega pospeševanja oziroma prehitevanja pa bi si pomagali s superkondenzatorjem, če

bi seveda bilo možno. To bi lahko predstavljalo nekakšno »Boost« funkcijo, ki je ena

izmed lastnosti polnega hibrida.

Slika 6.11: Stanje BATT s podstanji

6.3.2 Stanje CAP

Stanje CAP (Slika 6.12) predstavlja režim delovanja, ko je glavni vir energije

superkondenzator, breme pa je pogonski elektromotor. Podobno kot pri prejšnjem stanju,

imamo tudi tukaj opcijo zagotavljanja preostanka potrebne energije z baterijo.

Režim delovanja CAP bi v praksi predstavljal pospeševanje vozila iz mirujočega

stanja, saj je superkondenzator s svojimi lastnostmi (visoka dinamika) bolj primeren za

takšne situacije kot baterija (zaradi relativno visoke notranje upornosti dinamično

delovanje negativno vpliva na življenjsko dobo in izkoristek baterije).


24

Slika 6.12: Stanje CAP s podstanji

6.3.3 Stanje REGEN

Stanje REGEN (Slika 6.13) oziroma regeneracija predstavlja režim delovanja, ko

pogonski elektromotor deluje kot glavni vir energije oziroma generator, bremeni pa sta

akumulatorska baterija in superkondenzator. V osnovi je regeneracija zasnovana tako, da v

primeru zaviranja vedno sprva polnimo superkondenzator, šele nato baterijo. Razlog za

takšno logiko je spet v karakteristikah kondenzatorja, saj v primeru zaviranja dobimo v

kratkem času veliko količino energije. V primeru, da je superkondenzator v trenutku

zaviranja že poln, polnimo baterijo, če je to seveda potrebno. V primeru, ko sta baterija in

superkondenzator napolnjena, prožimo mehansko zavoro (Mech_brake).

Stanje regeneracije je prav tako ena izmed glavnih lastnosti hibridnih vozil, saj

omogoča vračanje energije pri zaviranju. Regenerativno vračanje energije se v praksi

dogaja pri zaviranju s pedalom za zavoro ali pa pri zaviranju s pomočjo elektromotorja

(npr. pri vožnji po klancu navzdol).


25

Slika 6.13:Stanje REGEN s podstanji

6.3.4 Stanje RANGE_EX

Stanje RANGE_EX (Slika 6.14) predstavlja režim delovanja, ko je glavni vir

energije generator, ki je gnan z motorjem z notranjim zgorevanjem. Možni porabniki so

baterija, superkondenzator in pogonski elektromotor. Zato sta v tem stanju definirani tudi

dve podstanji ( REX_MOVE in REX_STOP), ki predstavljata situaciji, ko se vozilo giblje

(v > 0) ali ko miruje (v = 0). Tako v primeru, ko vozilo miruje, vedno najprej polnimo

superkondenzator, šele nato baterijo. Baterijo polnimo v primeru, če je superkondenzator

poln. V stanju REX_MOVE predstavlja glavno breme pogonski elektromotor. Ker motor z

notranjim zgorevanjem vedno deluje v območju optimalnih obratov, imamo na generatorju

vedno konstantni vir energije. Zato moramo v primeru, ko ne porabimo energije na

pogonskem elektromotorju, višek energije porabiti za polnjenje superkondenzatorja ali

baterije.

V praksi se med vožnjo v generatorskem načinu običajno uporabijo določene

omejitve (zmanjšana odzivnost plina, omejitev strmine pospeševanja), saj nam generator

predstavlja sekundarni vir energije in ni namenjen daljši in dinamični vožnji.


26

Slika 6.14: Stanje RANGE_EX s podstanji

6.3.5 Simulacijski rezultati

Na spodnji sliki (Slika 6.15) lahko vidimo rezultate simulacije oziroma preklope

med stanji, definiranimi v simulaciji. Vsako stanje traja eno sekundo in je predstavljeno s

številko (0 – Standby, 1 – BATT, 2 - CAP, 3 – REGEN in 4 – RANGE_EX ). Časovni

potek preklopov med stanji lahko vidimo v prvem oknu. Za potrebe načrtovanja

upravljanja z energijo je edini pogoj za preklope med stanji predstavljal simulirani signal

stanje. V realnem sistemu so pogoji za prehajanje med stanji lahko pritisk pedala za plin

(predstavlja referenčno vrednost potrebe po energiji), izbira drugačnega profila vožnje,

napolnjenost baterije oziroma kondenzatorja itd. V oknih I_Conv1 – I_Conv4 lahko

vidimo obnašanje tokov na pretvornikih. Z modro črto je označen referenčni tok, medtem

ko je z rdečo črto prikazan dejanski tok na pretvornikih oziroma enosmerni zbiralki. Za

referenčno napetost na enosmerni zbiralki je izbrana vrednost 250 V.

V stanju 0 je tako vrednost toka na vseh pretvornikih enaka 0. Ko preidemo v

stanje 1, opazimo na pretvorniku I_Conv3 (pretvornik pogonskega elektromotorja)

negativen tok, ker pogonski elektromotor deluje kot breme. Na pretvorniku I_Conv1

(pretvornik baterije) tok naraste na vrednost, potrebno za premagovanje bremena. Pri

vklopu baterije opazimo manjši padec napetosti na enosmerni zbiralki (okno U_DC), kar je

normalno zaradi obnašanja regulatorjev in zaradi trenutne potrebe po energiji (v bistvu gre


27

za odziv na stopnico). Podobno stanje opazimo pri stanju 2, ko je glavni vir napajanja

superkondenzator. V stanju 3 (stanje regeneracije) pogonski elektromotor deluje kot vir

energije, zato je tok pozitiven, medtem ko baterija deluje kot breme in je tok negativen.

Baterija se polni, ker pogoji za polnjenje superkondenzatorja niso izpolnjeni. V stanju 4

(RANGE_EX) je glavno breme pogonski elektromotor (negativen tok na pretvorniku

pogonskega motorja). Ker z napajanjem pogonskega elektromotorja ne porabimo vse

energije, se preostanek energije porabi za polnjenje baterije oziroma superkondenzatorja,

če je ta prazen. Preklop v stanje 4 povzroči velik padec napetosti na enosmerni zbiralki.

Razlog za ta padec je tokovna omejitev regulatorja, ki je namenjena zaščiti pretvornika.

Ker je potreba po energiji maksimalna (napajanje pogonskega elektromotorja in polnjenje

baterije), regulator ne uspe zagotoviti potrebnega toka za regulacijo napetosti.

Slika 6.15: Rezultati simulacije preklopov med stanji

Z uporabo simulacije smo raziskali in preizkusili različne režime delovanja pod

različnimi pogoji. Tako je možno odpraviti večino napak in pomanjkljivosti v času

načrtovanja, da zagotovimo robusten in varen sistem za upravljanje energije oziroma

vodenje.


28

7 CAN (Controller Area Network – področno omrežje

krmilnikov)

CAN je bil razvit v podjetju BOSCH v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, bolj

natančno leta 1986, in sicer kot nadgradnja klasičnih serijskih vodil. Zaradi hitrega,

zanesljivega in robustnega delovanja je hitro zasedel pomembno vlogo tako v avtomobilski

industriji kot tudi v drugih industrijskih panogah, predvsem v avtomatiki. Glavna razlika

med CAN in ostalimi tradicionalnimi omrežji, kot sta npr. USB in Ethernet, je v tem, da

prek CAN ne pošiljamo dolgih podatkovnih blokov pod nadzorom centralne krmilne enote,

ampak več krajših sporočil, kot so npr. napetost baterije, tok kondenzatorja ali hitrost

vozila na celotno omrežje, kar omogoča obstojnost podatkov v vsaki enoti v omrežju. [3]

Glavne lastnosti CAN:

Možnost več nadzornih naprav na vodilu (Multimaster): Ko je vodilo prosto,

lahko začne katerakoli enota, ki priključena nanj, oddajati sporočilo. Enota, ki

začne prva oddajati sporočilo, dobi pravico za oddajanje. V primeru, ko začneta

dve enoti sočasno oddajati sporočilo, dobi pravico do oddajanja tista, katere

identifikator (pozneje ID) ima najvišjo prioriteto.

Naključni dostop do vodila s procesom izogibanja trkom: Najvišja prioriteta je

določena z ID-jem. ID ne določa destinacije, kamor hočemo poslati sporočilo,

ampak določa prioriteto sporočila in s tem zaporedje, v katerem poteka dostop do

vodila. Ko torej dve ali več enot začnejo sočasno oddajati sporočilo, pride do

arbitraže (trkov) podatkov. Vsaka enota ima v svojem ID-ju unikaten bitni zapis

oziroma arbitražno polje. Enota, ki »zmaga« v arbitraži oziroma ima v arbitražnem

polju dominantno stanje, lahko oddaja sporočilo takoj, medtem ko druge enote

prenehajo s pošiljanjem podatkov in se postavijo v fazo sprejemanja.

Fleksibilnost in preprostost sistema: Preprosto dodajanje in odstranjevanje enot

iz omrežja brez programskih in strojnih sprememb ter brez sprememb v aplikacijski

plasti ali katerikoli drugi enoti v omrežju.

Visoke hitrosti prenosa podatkov: Gre za možnost nastavitve hitrosti (do 1Mb/s

pri sukanih paricah) glede na potrebe in velikost omrežja. Vse enote v omrežju


29

morajo imeti enako komunikacijsko hitrost (v nasprotnem primeru pride do napake

v omrežju). Hitrost je odvisna tudi od dolžine vodila, kot je prikazano na spodnji

sliki (Slika 7.1).

Slika 7.1: Podatkovne hitrosti v odvisnosti od dolžine vodila

Zaznavanje in odpravljanje napak: Vsaka enota v omrežju ima možnost

odkrivanja in odpravljanja napak. V primeru odkrite napake enota o njej takoj

obvesti vse druge naprave. Če pride do napake pri oddajanju sporočila, se oddajanje

prisilno prekine in enota obvesti vse naprave v omrežju o napaki ter poskuša s

ponovnim oddajanjem, dokler sporočilo ni poslano brez napak.

Povezljivost: CAN omogoča priklop poljubnega števila enot v omrežje. Edini

omejitvi sta časovni zamik prenosa sporočil in električna upornost vodnikov. Tako

je z večjim številom naprav zmanjšana hitrost prenosa podatkov.

CAN protokol so kaj kmalu po iznajdbi tudi standardizirali (leta 1993), tako da

danes poznamo CAN protokol kot del standarda ISO11898.

7.1 CAN standard

CAN je serijsko komunikacijsko vodilo, standardizirano s strani ISO (International

Standardization Organization). Sprva je bil razvit samo za avtomobilsko industrijo z


30

namenom zmanjšanja kompleksnosti ožičenja v avtomobilih in njegove nadomestitve s

preprostim dvožičnim vodilom, ter kot podpora porazdeljenemu sprotno-časovnemu

krmiljenju v avtomobilih. Zaradi velikih hitrosti prenosa, zmožnosti samostojnega

diagnosticiranja, popravljanja podatkovnih napak in velike odpornosti na elektromagnetne

motnje, se je CAN standard razširil tudi na druga področja (medicina, letalstvo, vesoljska

tehnologija in proizvodna industrija). [4]

CAN komunikacijski protokol ISO 11898 (Slika 7.3) opisuje, kako deluje prenos

informacij med napravami v omrežju ter skladnost protokola z večplastnim modelom OSI

(Open Systems Interconnection). Standardiziran je bil leta 1993. ISO 11898 definira dve

najnižji plasti (od sedmih obstoječih) ISO/OSI modela – to sta fizična plast (physical layer)

in podatkovno-povezovalna plast (data-link layer).

ISO/OSI plastni model (Slika 7.2) sam po sebi ni standard, ampak le priporočilo

mednarodne organizacije ISO o ureditvi komunikacijskega protokola za medsebojno

povezljivost dveh komunikacijskih sistemov. Za CAN komunikacijo je danes pomembna

tudi aplikacijska plast, ki je namenjena vzpostavitvi komunikacije z višje ležečim

specifičnim aplikacijskim protokolom (npr. CANopen, DeviceNET, CAN Kingdom).

Standard ISO 11898 ne zajema aplikacijske plasti. [4]

Slika 7.2: Struktura ISO/OSI modela [2]


31

7.1.1 Fizična plast

Dejanska komunikacija med napravami povezanimi s fizičnim medijem je

definirana v najnižji, fizični plasti ISO/OSI modela. Fizično plast lahko razdelimo na dve

podplasti. V prvo podplast spadajo od medija odvisna določila, medtem ko v drugo plast

spadajo od medija neodvisna določila. Prva podplast zajema določila in standarde o

lastnostih fizičnih medijev, mehanskih priključkih medijev in obliki ter vrsti signalov.

Druga podplast pa opisuje postopke povezovanja računalnikov, krmilnikov ali drugih

naprav omrežja ter sinhronizacijo, zaščitno kodiranje in dekodiranje. [4]

Nekateri najbolj znani standardi fizične plasti v avtomobilski industriji so

naslednji [5]:

ISO11898-2 definira visoko hitrost (podatkovna hitrost do 1Mbit/s) dostopa

medija (oddajno/sprejemne naprave) na vodilo in nekatere značilnosti od

medija odvisnega vmesnika, kot sta dvožično vodilo in karakteristična

impedanca vodila 120 Ω.

ISO11898-3 definira nizke hitrosti in toleranco napak od medija odvisnih

vmesnikov oziroma naprav za izmenjavo digitalnih informacij med

elektronskimi krmilnimi napravami pri vozilih, ki uporabljajo CAN

komunikacijo pri hitrostih prenosa podatkov od 40 do 125 kbit/s.

ISO11898-5 definira fizično plast (uporaba v vozliščih) s hitrostjo prenosa

podatkov do 1Mbit/s. Opisuje nekatere lastnosti od medija odvisnih

vmesnikov, ki so skladne s standardom ISO 8802-2 in predstavlja razširitev

standarda ISO11898-2. Poudarek je na nizki porabi energije v stanju

pripravljenosti na vodilu oziroma ko na vodilu ne poteka komunikacija.


32

APLIKACIJSKA PLAST

PODATKOVNO-POVEZOVALNA

PLAST

KRMILJENJE LOGIČNE POVEZAVE

DOSTOP DO FIZIČNEGA MEDIJA

FIZIČNA PLAST

FIZIČNO SIGNALIZIRANJE

PRIKLJUČEK FIZIČNEGA MEDIJA

OD MEDIJA ODVISEN VMESNIKODDAJNO/SPREJEMNA

NAPRAVA

CAN VODILO

DSP ali

mikrokrmilnik

krmilnik CAN

Slika 7.3: Struktura ISO11898 [3]

S CAN standardom je definirano fizično signaliziranje, medtem ko podplast

povezanosti fizičnega medija in podplast od medija odvisnega vmesnika nista definirani.

Tako lahko uporabnik izbira med različnimi oddajno/sprejemnimi napravami ter

transportnimi mediji, dokler izpolnjuje zahteve podplasti fizične signalizacije. Podplast

fizičnega signalizirjanja zajema kodiranje in dekodiranje podatkov, bitno usklajevanje in

sinhronizacijo. Podplast povezanosti fizičnega medija zajema karakteristike

oddajno/sprejemne naprave, podplast od medija odvisnega vmesnika pa priključke in vrsto

ožičenja. Mednarodna Organizacija ISO je zato standardizirala različne fizične plasti, ki

zajemajo podplasti od medija odvisnega vmesnika in podplast povezanosti fizičnega

medija za zagotavljanje kompatibilnosti med CAN sprejemniki in oddajniki. Shema

tipičnega CAN omrežja je prikazana na spodnji sliki (Slika 7.4). [4]


33

VOZLIŠČE 1

DSP ali MIKROKRMILNIK

krmilnik CAN

ODDAJNO/SPREJEMNA NAPRAVA

CANH

CANL

VOZLIŠČE 2


krmilnik CAN


VOZLIŠČE 3


krmilnik CAN


VOZLIŠČE n


krmilnik CAN


Slika 7.4: Shema tipičnega CAN omrežja [3]

7.1.2 Nivoji vodila po standardu ISO 11898

CAN standard določa dve logični stanji oziroma nivoja vodila. To sta recesivno in

dominantno stanje. ISO 11898 definira razliko napetosti za predstavitev recesivnega in

dominantnega stanja na vodilu. Recesivno oziroma dominantno stanje proizvaja

oddajno/sprejemna naprava. Oddajno/sprejemna naprava spada v podplast povezanosti

medija fizične plasti. Na spodnji sliki sta prikazani dominantno in recesivno stanje. [4]

Slika 7.5: Recesivno in dominantno stanje CAN vodila [4]


34

7.1.3 Podatkovno-povezovalna plast

Podatkovno-povezovalna plast je druga plast v strukturi ISO/OSI modela in

služi za prenos okvirjev med dvema točkama. Osnova naloga podatkovno-

povezovalne plasti je, kot pove že ime, varen in transparenten prenos podatkov med

napravami v sistemu, sestavljanje podatkovnih okvirjev sporočil ter tudi odkrivanje

napak pri prenosu po prenosnem mediju. Kot lahko vidimo na spodnji sliki (Slika

7.6), lahko tudi podatkovno-povezovalno plast razdelimo v dve podplasti. Prva

podplast se imenuje krmiljenje logične povezave, katere naloge so filtriranje

sporočil, upravljanje z obremenitvami, javljanje preobremenitev, upravljanje s

povezavami in krmiljenje pretoka podatkov. Naloge druge podplasti, ki se imenuje

dostop do fizičnega medija, pa so uokvirjanje podatkov, zaznavanje in javljanje

napak, kodiranje okvirjev ter krmiljenje dostopa do vodila s pomočjo CSMA

protokolov (protokoli z vgrajenimi mehanizmi za detekcijo in razreševanje kolizij).

PODATKOVNO-POVEZOVALNA

PLAST

KRMILJENJE LOGIČNE POVEZAVE

DOSTOP DO FIZIČNEGA MEDIJA

Slika 7.6: Podplasti podatkovno povezovalne plasti

7.1.4 Podatkovni okvir CAN standarda

Pri CAN komunikaciji lahko po vodilu pošiljamo štiri vrste sporočil oziroma

okvirjev. To so podatkovni okvir (ang. Data frame), oddaljeni okvir (ang. Remote frame),

preobremenitveni okvir (ang. Overload frame) in okvir napake (ang. Error frame).

Najpogosteje rabljeni okvir je podatkovni okvir. Naloge ostalih okvirjih se koristijo le ob

točno določenih dogodkih, kot so napake, preobremenitve in zahteve. Na spodnji sliki

(Slika 7.7) je prikazana sestava podatkovnega okvirja. [4]

Podatkovni okvir je sestavljen iz naslednjih segmentov[4]:


35

zastavica za začetek okvirja (SOF ali ang. Start of Frame)

arbitražno polje (ang. Arbitration field);

krmilno polje (ang. Control field)

podatkovno polje (ang. Data field)

polje ciklične redundančne kode (CRC, ang. Cyclic Redundant Code field)

polje potrditve (ang. Acknowledge (ACK) field)

polje konca okvirja (EOF, ang. End of frame field)

Slika 7.7: Sestava podatkovnega okvirja CAN [4]

Naloga podatkovno-povezovalne plasti je sestavljanje podatkovnih okvirjev

sporočil. Skozi zgodovinski razvoj CAN komunikacije in z zviševanjem hitrosti ter

količine poslanih podatkov so se dogajale tudi nekatere spremembe na področju sestave

podatkovnih okvirjev. Tako poznamo prvo verzijo CAN standarda (ISO 11519) z nizkimi

hitrostmi prenosa (do 125 kbit/s) in uporabo standardnega 11-bitnega identifikatorja.

Druga verzija ISO11898:1993 prav tako zahteva uporabo 11-bitnega identifikatorja in

predpisuje hitrosti nad 125 kbit/s. To verzijo CAN standarda so poimenovali standardni

CAN verzija 2.0A. Nadgradnja le-tega je standard ISO11898:1995, ki so ga poimenovali

razširjeni CAN verzija 2.0B ali s kratico eCAN. Ta verzija prav tako predpisuje

podatkovne hitrosti nad 125 kbit/s in uporabo razširjenega 29-bitnega identifikatorja. Pri

našem delu smo se ravnali po zadnji verziji standarda. Glede na identifikator CAN 2.0A

tako omogoča 211

oziroma 2.048 različnih identifikatorjev, medtem ko razširjeni CAN

2.0B omogoča 229

oziroma okoli 537 milijonov različnih identifikatorjev sporočil. V

našem delu smo hkrati uporabljali obe obliki okvirjev. Na spodnjih slikah sta prikazani

sestavi obeh podatkovnih okvirjev CAN. [4]


36

Slika 7.8: Standardni podatkovni okvir z 11-bitnim identifikatorjem (CAN verzija 2.0A)

[4]

Slika 7.9: Razširjeni podatkovni okvir z 29-bitnim identifikatorjem (CAN verzija 2.0 ali

eCAN) [4]


37

8 Strojna oprema uporabljena za CAN komunikacijski sistem

8.1 Digitalni signalni krmilnik TMS320F28335

Digitalni signalni krmilniki so oblika mikrokrmilnikov, ki imajo prednosti

mikrokrmilnika ter digitalnega signalnega procesorja (DSP-ja). Tako dosežemo hitre

odzivne čase pri prekinitvah in dostop do različnih perifernih naprav ter možnost delovanja

v sprotnem času z možnostjo velikega števila matematičnih operacij.

Digitalni signalni krmilnik TMS320F28335 je implementiran na nadzorno karto, ki

je del eksperimentalnega paketa iz družine F283x (imenovana tudi Delfino) proizvajalca

Texas Instruments. Karta je prek 100-pinskega DIMM konektorja priklopljena na

priključitveno karto, na kateri imamo prek kontaktnih pinov dostop do GPIO, ADC in

PWM signalov. Na priključitveni karti imamo tudi dostop do reguliranih 3,3V in 5V

napetosti, ki smo jih potrebovali za napajanje oddajno/sprejemnih naprav in digitalnih

izolatorjev.

8.1.1 Digitalni signalni procesor TMS320F28335

Procesor TMS320F28335 je visoko integriran in zmogljiv procesor primeren tudi

za bolj zahtevne krmilne aplikacije. Procesor omogoča bogato periferijo z enoto za

računanje s plavajočo vejico (floating point) ter FLASH in RAM pomnilnikoma.

Glavne značilnosti procesorja TMS320F28335 so naslednje [6]:

visoko zmogljiva statična CMOS tehnologija

o 150 MHz (čas cikla 6,67 ns)

o nizka poraba

JTAG Boundary Scan podpora

visoko zmogljiv 32-bitni procesor

na čipu integriran spomin

krmiljenje sistema in ure


38

trije zunanji viri prekinitve

razširitveni blok perifernih prekinitev (PIE), ki podpira 45 perifernih prekinitev

trije 32-bitni časovniki

serijski periferni priključek (SPI, UART, SCI, eCAN)

12-bitni 16-kanalno analogno-digitalni pretvornik

do 56 namenskih vhodov/izhodov (GPIO)

nastavitve stanj nizke porabe energije in varčevanja z energijo (IDLE, STANDBY,

HALT)

razvojna orodja vključujejo ANSI C/C++ prevajalnik/zbirni jezik/povezavo, Code

Composer Studio IDE, DSP/BIOS in JTAG Scan krmilnike

8.1.2 Periferne naprave TMS320F28335

Na TMS320F28335 lahko najdemo več perifernih naprav oziroma modulov. To so

npr. modul analogno digitalnega pretvornika (ADC), moduli pulzno-širinske modulacije

(PWM), modul serijskega perifernega vmesnika (SPI), splošno namenski digitalni vhodi in

izhodi (GPIO), moduli, ki so nam služili za prižiganje LED diod, trije 32-bitni CPE

časovniki ter za nas najbolj pomembna modula razširjenega področnega omrežja

krmilnikov (eCANA in eCANB), ki sta v naslednjem poglavju tudi bolj podrobno opisana.

8.1.3 Enhanced Controller Area Network (eCAN) modul

Razširjen krmilnik področnega omrežja (eCAN) je implementiran v F28xxx

digitalni signalni procesor, ki je kompatibilen s standardom CAN 2.0B. Uporablja

preizkušen protokol za serijsko komunikacijo z ostalimi krmilniki v elektromagnetno

onesnaženih okoljih. Z 32 popolnoma nastavljivimi poštnimi predali (mailbox-i)

predstavlja eCAN modul večstranski in robustni serijski komunikacijski vmesnik [1]. Na

karti TMS320F28335 najdemo dva modula eCAN, in sicer eCANA in eCANB, ki sta

idealna za testiranje in razvoj aplikacij povezanih s CAN komunikacijo.

Glavne lastnosti eCAN modulov so naslednje [6]:

• popolna kompatibilnost s CAN protokolom verzije 2.0B


39

• bitne hitrosti do 1 Mbit/s

• 32 poštnih predalov, ki imajo naslednje lastnosti:

o nastavljivi kot sprejemni ali oddajni, odvisno od potrebe in želja

načrtovalca omrežja

o nastavljivi s standardnim (11-bitnim) ali razširjenim (29-bitnim)

identifikatorjem

o programirljivi sprejemni filter

o podpirajo daljinske in podatkovne okvirje

o podpirajo od 0 do 8 zlogov podatkov

o uporabljajo 32-bitno časovno oznako za oddajna in sprejemna sporočila

o ščitijo proti sprejemu novih sporočil

o omogočajo dinamično programiranje prioritete oddanega sporočila

o uporabljajo programirljivo prekinitveno shemo z dvema nivojema

prekinitev

o uporabljajo programirljivo prekinitev za sprejemna in oddajna sporočila

po definiranem izteku časa

• možnost nizke porabe v času neaktivnosti (low power mode)

• programirljivo zbujanje (wake-up) pri aktivnosti na vodilu

• avtomatski odziv na zahtevo sporočila

• avtomatski ponovni prenos okvirja v primeru izgube arbitraže ali napake

• 32-bitni števec časovnih oznak, ki je sinhroniziran s specifičnim sporočilom

• možnost samotestiranja (povratna zanka sprejema svoje oddajno sporočilo)

8.2 Oddajno/sprejemna naprava SN65HVD230

Oddajno/sprejemna naprava SN65HVD230 je namenski čip proizvajalca Texas

Instruments za uporabo v aplikacijah, v katerih obstaja potreba po CAN serijski

komunikaciji. Čip je namenjen za uporabo s 3,3 V digitalnimi signalnimi procesorji (DSP-

ji) s CAN krmilnikom (v našem primeru TMS320F28335) ali podobnimi napravami.

Oddajno/sprejemna naprava poleg CAN vodila predstavlja del fizične plasti v strukturi

standarda ISO11898 in je popolnoma v skladu s standardom. Glavna naloga O/S naprave je


40

merjenje razlike napetosti (Vdiff) na vodilu s pomočjo česar lahko določi recesivno ali

dominantno stanje na vodilu. Vsaka oddajno/sprejemna naprava v CAN komunikacijskem

sistemu predstavlja vozlišče, vsako vozlišče pa ponavadi predstavlja eno napravo ali senzor

v sistemu.

Slika 8.1: Razporeditev kontaktov na čipu SN65HVD230 [7]

Lastnosti oddajno/sprejemne naprave SN65HVD230 [7]:

napajalna napetost 3,3 V

signalne hitrosti do 1Mbit/s

ESD zaščita presega 16 kV HBM

visoka vhodna impedanca omogoča priključitev do 120 naprav na vodilo

izklopljena naprava ne moti vodila

popolna skladnost s standardom ISO11898

majhna poraba v stanju pripravljenosti (370 µA)

termalna zaščita

8.2.1 Izdelava vezja za oddajno/sprejemno napravo SN65HVD230

Za načrtovanje vezja oddajno/sprejemne naprave smo uporabili programsko

opremo Altium designer, tiskanino pa smo izdelali s klasično tehniko osvetljevanja in

jedkanja. Izdelali smo dve identični vezji za dve napravi (gospodar in suženj). Pri izbiri

komponent smo se držali proizvajalčevih podatkovnih listov (datasheet).

V obe vezji smo vključili 120 Ω zaključna upora, ker pri dveh napravah vsaka

naprava predstavlja končno točko v sistemu. Naloga zaključnih uporov je preprečiti

oziroma zmanjšati odboj (refleksijo) signalov, ki bi lahko vodila do motenj


41

komunikacijskih signalov. Poznamo več možnosti vezave zaključnih uporov. V našem

primeru smo uporabili standardno vezavo. Upor R5 (10 kΩ) predstavlja upor za nadzor

strmine izhodnega signala D, ki je proporcionalen toku na kontaktu tega signala. Omejitev

strmine je pomembna pri omejevanju elektromagnetnih emisij v omrežje. Proti ozemljitvi

smo vezali tudi gladilni kondenzator z kapacitivnostjo 4,7 µF. Digitalni signalni izolator

ISO7221A je namenjen galvanski ločitvi potencialov in zaščiti oddajno/sprejemne naprave

v primeru prenapetostnih nihanj, D1 in D2 LED diodi pa sta namenjeni indikaciji napajanja

na oddajno/sprejemni napravi in na izolatorju ISO7221A.

Napajalna napetost, uporabljena za napajanje čipa SN65HVD 230, je 3,3V, medtem

ko je napajalna napetost izolatorja ISO7221A 5 V. Obe priključni napetosti nam ponuja

eksperimentalni set TMS320C2000.

Slika 8.2: Shema vezja v orodju Altium designer


42

Slika 8.3: Tiskano vezje s pripadajočimi komponentami

8.2.2 Microchip CAN BUS Analyzer tool

CAN BUS Analyzer tool (Slika 8.4) je preprosto in poceni orodje za analizo in

razvoj CAN komunikacijskih omrežij in sistemov. Orodje je popolnoma kompatibilno s

standardoma CAN 2.0B in ISO11898-2. Na CAN omrežje ga lahko priklopimo preprosto s

pomočjo DB9 konektorja ali prek vijačnega terminala. Z uporabo orodja lahko poleg

spremljanja podatkov na CAN vodilu podatke oddajamo tudi s pomočjo 5V

oddajno/sprejemne naprave MCP2551, ki je integrirana v orodju.

Slika 8.4: Orodje CAN bus Analyzer

Na samem ohišju imamo več svetlečih diod (LED), ki nam prikazujejo stanje na

CAN vodilu. Tako lahko na diodah na desni strani ohišja gledamo, kdaj je sporočilo na

CAN vodilo oddano (CAN TX), kdaj sprejeto (CANRX) in kdaj pride do napake pri

pošiljanju sporočila (CAN ERR). Do napake pri pošiljanju sporočila je v našem primeru


43

prišlo, ko smo na vodilo oddajali sporočilo iz ene karte, na drugi strani pa ni bilo odgovora

o prejetem sporočilu, ker nismo vklopili karte ali pa smo imeli napako v programu. Na ta

način lahko hitro in brez osciloskopa preverimo dogajanje na vodilu. Za boljšo analizo

moramo vklopiti uporabniški vmesnik ali pa prek vijačnih priključkov priklopiti osciloskop

in opazovati promet na CAN vodilu. Prek vijačnega priključka 2 se lahko priklopimo

direktno v omrežje ter aktivno oddajamo in sprejemamo sporočila, katerih lastnosti

nastavimo v uporabniškem vmesniku. LED diode na levi strani ohišja nam služijo kot

indikacija napajanja (napajanje je možno prek USB-kabla ali 9-24V namenskega

napajalnika) in indikacija USB komunikacije s PC-jem.

Orodje nam omogoča izvajanje naslednjih funkcij [8]:

spremljanje prometa na CAN vodilu

oddajanje sporočil na CAN vodilo; funkcija enojnega pošiljanja sporočila,

periodičnega pošiljanja ali periodičnega pošiljanja z omejitvijo ponovitev

skupinsko oddajanje sporočil v določenem zaporedju

shranjevanje rezultatov v pregledni obliki z vsemi potrebnimi podatki

uporaba integriranega 120 Ω zaključnega upora po potrebi

Prek uporabniškega vmesnika (Slika 8.5) imamo vpogled na dogajanje na CAN.

Obstajata dva načina spremljanja podatkov. Eden način je »Rolling trace«, ki nam

posreduje vse podatke na CAN v zaporedju kot se pojavljajo, medtem ko nam »Fixed

trace« zabeleži samo koliko različnih podatkov se prenaša prek vodila. V obeh oknih lahko

opazujemo vsebino podatkov, ID ter časovno periodo pošiljanja in sprejemanja podatkov.

Za prikaz podatkov lahko izberemo šestnajstiški ali desetiški prikaz.

Za oddajanje sporočil smo uporabili okno »Transmit«, ki se nahaja v zavihku

»Tools«. Za oddajanje sporočila moramo nastaviti ID sporočila in vsebino sporočila, v

primeru, da želimo poslati več sporočil hkrati, pa tudi periodo ter število ponovitev.


44

Slika 8.5: Grafični vmesnik orodja CAN bus Analyzer

Okno »Hardware setup« nam omogoča dostop do nastavitev orodja CAN bus

Analyzer tool. V prvem oknu nastavimo hitrost prenosa podatkov, v drugem izberemo

način delovanja orodja, v tretjem oknu pa po potrebi omogočimo delovanje zaključnega

upora (v primeru, da nam orodje predstavlja zadnjo enoto v sistemu). Sami zaključnega

upora nismo uporabili, saj smo zaključne upore integrirali v vezji, ki smo ju pripravili za

oddajno/sprejemni napravi SN65HVD230.

V našem primeru smo orodje Can Bus Analyzer priključili v omrežje CAN prek

DB9 konektorja, kot je prikazano na spodnji sliki (Slika 8.6). Tako je orodje predstavljalo

tretjo enoto oziroma napravo poleg naprav gospodar in suženj, katerih delovanje je opisano

v naslednjih poglavjih. Prav tako smo na orodje prek vijačnega priključka 2 (kontakta 4 =

Rx in 5 = Tx) priklopili tudi osciloskop, prek katerega smo opazovali oddana in sprejeta

sporočila vseh enot, priključenih na CAN vodilo. Medtem ko je potekala komunikacija

med gospodarjem in sužnjem, smo z orodjem generirali naključna sporočila z različnimi

naslovi (ID-ji) in vsebino, ter jih kot testna sporočila pošiljali na CAN vodilo. Pošiljamo

lahko tako sporočila s standardnim identifikatorjem kot tudi z razširjenim, če pred ID

številom zapišemo črko »x«. Kot lahko vidimo na sliki posnetka grafičnega vmesnika

(Slika 8.5), smo v tem primeru generirali sporočilo s standardnim identifikatorjem 200, ki

smo ga vpisali v polje ID. V polje DLC (Data Length Code) smo vpisali želeno dolžino

sporočila. Možne vrednosti podatkov so od 0 do 8 zlogov (do 64 bitov), glede na potrebe in


45

želje načrtovalca. V našem primeru je bila dolžina sporočila 4 zloge, od katerih je vsak

zlog predstavljal celo število (števila 1, 2, 3 in 4). V polje Period smo zapisali število 100,

kar pomeni, da je sporočilo oddano vsakih 100 msek. V polje Repeat smo vpisali vrednost

50, kar pomeni, da je bilo sporočilo s klikom na gumb Send poslano na CAN omrežje 50-

krat. V oknu za spremljanje prometa smo nato opazovali pošiljanje sporočila na CAN

omrežje ter pošiljanje podatkov (Rx) iz naprav gospodar in suženj. Glede na to, da smo

sporočila iz orodja pošiljali samo kot primer testa, ti podatki niso bili pomembni oziroma

uporabni za samo izvajanje programa vodenja enote baterijskega sklopa. Glavni namen

uporabe orodja CAN Bus Analyzer je bila analiza in odpravljanje napak na omrežju CAN.

Naprava GOSPODAR

DSP (TMS320F28335)

krmilnik CAN

Oddajno/Sprejemna naprava

SN65HVD230

CANH

CANL

CAN Bus Analyzer tool NapravaSUŽENJ

Zaključna upora integrirana v vezja

oddajno/sprejemnih naprav

DSP (TMS320F28335)

krmilnik CAN

Oddajno/Sprejemna naprava

SN65HVD230

RxDx USB

Slika 8.6: Shema omrežja CAN s priključenim orodjem CAN Bus Analyzer


46

9 Razširjena CAN (eCAN) komunikacija v Matlab/Simulinku

Za načrtovanje in izdelavo razširjene komunikacije CAN smo uporabili programski

paket MATLAB/Simulink, saj omogoča preprosto interakcijo z napravami iz družine

C2000 (v našem primeru digitalni signalni krmilnik TMS320F28335) proizvajalca Texas

Instruments, ker so knjižnice za delo s temi procesorji integrirane v samem

MATLAB/Simulinku. Tako lahko prek knjižnice Embedded Coder (Slika 9.1) po potrebi

dostopamo do grafičnih blokov, ki so namenjeni konfiguraciji in vodenju vseh perifernih

naprav na krmilni karti TMS320F28335. V naslednjih poglavjih bodo opisani vsi bloki, s

pomočjo katerih smo vzpostavili komunikacijo CAN v realnem času.

Slika 9.1: Knjižnica Embedded Coder

Pri sestavljanju programa v MATLAB/Simulinku je potrebno paziti na osnovno

konfiguracijo in nastavitve parametrov za naš ciljni sistem, saj se v primeru napačnih

nastavitev program ne prevede pravilno in ne generira primerne kode. Z uporabo bloka

Target Preferences tako konfiguriramo strojno opremo in nastavimo podatke za

generiranje kode. Ko v model dodamo blok Target Preferences (Slika 9.2), se nam

avtomatsko odpre okno, v katerem določimo, s katerim programskim okoljem, na kateri

karti in na katerem procesorju bomo izvajali program. V našem primeru je programsko

okolje Code Composer Studio 3.3, karta iz družine C2000 proizvajalca Texas Instruments

in procesor TMS320F28335, ki je integriran na tej karti. Kot podatek frekvence sistemske

ure smo pustili privzeto vrednost za naš procesor. S spreminjanjem te vrednosti ne moremo


47

vplivati na dejansko vrednost frekvence sistemske ure na procesorju. Podatek o frekvenci

je potrebno vpisati le za namen pravilnega generiranja kode. V zavihku Memory lahko

dostopamo do fizičnega pomnilnika na karti, v zavihku Section pa lahko uporabnik določi,

kje bodo locirani odseki programa v pomnilniku. Za naprave, ki so podprte s strani

MATLAB/Simulinka, so parametri teh dveh zavihkov nastavljeni samodejno, in sicer

glede na izbrano strojno opremo.

Slika 9.2: Blok »Target preferences«

V zavihku Peripherals (Slika 9.3) lahko dostopamo do nastavitev vseh perifernih

naprav, ki jih podpira DSP. Če želimo dostopati do razširjenega CAN omrežja, moramo

obkljukati oblaček Enhanced CAN mode. Prav tako lahko po želji določimo, na katerem

kontaktu bomo sprejemali in oddajali sporočila. Privzeti nastavitvi na modulu eCANA sta

(Tx) GPIO31 za oddajni kontakt in (Rx) GPIO30 za sprejemni kontakt, na modulu eCANB

pa sta to kontakta GPIO8 in GPIO10. S spreminjanjem parametrov TSEG1, TSEG2 in

BRP lahko vplivamo na nastavitve bitne hitrosti sistema CAN.


48

Slika 9.3: Nastavitve modula eCANA

Za potrebe izvajanja programa v realnem sistemu moramo prav tako nastaviti

nekatere parametre v Configuration parameters (Slika 9.4). Za tip solverja (numerična

metoda integracije) moramo izbrati Fixed-step in pa diskretni solver, ki ne dopušča

nikakršnih zveznih stanj.

Slika 9.4: Okno Configuration Parameters


49

Z blokoma eCAN Receive in eCAN Transmit konfiguriramo poštne predale na

željenem modulu. Vsak modul (eCANA in eCANB) ima možnost konfiguracije 32 poštnih

predalov. Vsak poštni predal lahko deluje kot sprejemni ali oddajni.

V zavihku Module izberemo modul, na katerem želimo konfigurirati poštni predal.

Izbiramo lahko med CAN_A in CAN_B. V oknu Mailbox number vpišemo številko

poštnega predala, ki ga želimo konfigurirati. V Message identifier vpišemo 29-bitni

identifikator za razširjeni CAN ali 11-bitni identifikator za standardni CAN. Izbiramo

lahko med binarnim (bin2dec(' ')), heksadecimalnim (hex2dec(' ')) ali celoštevilskim

zapisom identifikatorja. V oknu Sample time določimo čas tipanja, če je bilo sporočilo

sprejeto. V našem primeru smo vse sprejemne bloke obravnavali v prekinitvenih rutinah, ki

se izvajajo asinhrono glede na izvajanje programa, zato mora biti ta čas nastavljen na -1

(inherited, podedovan). Če ga nastavimo na katerokoli drugo vrednost, se nam program ne

prevede in nam javi napako. V oknu Data type izberemo tip podatkov, ki jih želimo

prejemati. Na voljo imamo celoštevilske spremenljivke tipa uint8/16/32 ali

CAN_MESSAGE TYPE. V našem primeru smo uporabili podatke CAN_MESSAGE

TYPE, saj je to edina možnost, ki jo lahko uporabimo, če uporabljamo bloka CAN Pack in

CAN Unpack, ki sta opisana v naslednjih poglavjih. Vrednost Initial Output definira

začetno vrednost v modulu pred prejetjem sporočila. Z obkljukanim oblačkom Output

message length nam blok ponudi tretji izhod, ki nam javlja dolžino sporočila v bitih, z

obkljukanim zadnjim oblačkom pa sprožimo prekinitveno rutino ob prejetem sporočilu.

Izbiramo lahko med dvema globalnima prekinitvenima registroma CANGIF0 in CANGIF1

na vsakem modulu.


50

Slika 9.5: Blok za konfiguracijo sprejemnega poštnega predala

Blok za konfiguracijo oddajnega poštnega predala (Slika 9.6) ima dodano možnost

Enable blocking mode, ki omogoči pošiljanje sporočil tako dolgo, dokler ne prejme

informacije o uspešnem prenosu sporočila.

Slika 9.6: Blok za konfiguracijo oddajnega poštnega predala

Blok Hardware Interrupt (Slika 9.7) omogoča konfiguracijo in asinhrono proženje

prekinitev. Na karti imamo možnost dostopa do 96 prekinitev, od katerih je 58 zasedenih.

Ostale prekinitve so namenjene delu z vsemi perifernimi napravami na razvojni karti. S

tem blokom vplivamo direktno na registre za prekinitve želenih perifernih naprav. V


51

našem primeru smo uporabljali prekinitve, ki smo jih prožili pri prejetem sporočilu na

modul eCANA ali eCANB.

V okno CPU interrupt numbers in PIE interrrupt numbers vpišemo vrednost

prekinitvenega vektorja (Slika 9.8), s katerim definiramo, na kateri periferni enoti bomo

prožili prekinitev. V oknu Simulink task priorities določimo prioritete izvajanja prekinitev.

Nižja številka pomeni višjo prioriteto izvajanja, kar pomeni, da se bo prekinitvena rutina s

prioriteto 30 izvedla pred prekinitvijo s prioriteto 33. Zastavica »preemption« pomeni, da

je izvajanje prekinitvene rutine mogoče prekiniti, če je rutina »non-preemptible«, ni

prekinljiva.

Slika 9.7: Blok za konfiguracijo in razvrščanje prekinitvenih rutin


52

Slika 9.8: Prikaz prekinitvenih rutin s CPU in PIE prekinitvenimi vektorji [9]

S pomočjo bloka CAN Pack (Slika 9.11) omogočimo pretvorbo signalov v obliko,

primerno za CAN sporočilo. Kot vhod v blok lahko uporabimo katerikoli signal (raw data,

manually specified signals in CANdb specified signals). Pri podatkih raw data je za vhod v

blok zahtevana nepredznačena osem-bitna celoštevilska vrednost spremenljivke (uint8).

Vrsta podatkov CANdb specified signals nam omogoča uvoz podatkovne baze s sporočili

in definicijo signalov. V našem primeru smo uporabili vrsto podatkov manually specified

signals. Glede na to, koliko signalov definiramo, toliko različnih vhodov nam ponudi blok.

V našem primeru so to bili signali V_Batt (napetost na bateriji), I_batt (tok na bateriji),

I_load_Batt (tok na bateriji, ko deluje kot breme) in msq_req (signal sužnju za pošiljanje

želenih podatkov). Izhodni signal iz bloka predstavlja CAN sporočilo. V polje »Name«

vtipkamo želeno ime signala, v polju Identifier type izberemo standardni ali razširjeni

podatkovni okvir, v polju Identifier pa številko identifikatorja v celoštevilski (npr. 250) ali

heksadecimalni vrednosti z uporabo hex2dec funkcije.

V oknu Length definiramo dolžino sporočila, ki je lahko dolgo največ 8 zlogov

oziroma 64 bitov. Vrednost, ki jo definiramo v tem oknu, mora biti popolnoma enaka

vrednosti dolžine vseh signalov, ki jih definiramo v tabeli. Pri izbiri podatkov moramo

tako upoštevati dolžine le-teh. Na spodnji sliki (Slika 9.9) lahko vidimo primer sporočila o

informaciji na bateriji, ki ga pošlje naprava suženj. Sporočilo je sestavljeno iz štirih


53

podatkov, ki so definirani kot celoštevilske predznačene (signed) in nepredznačene

(unsigned) spremenljivke. Vsak podatek smo definirali kot posamezen zlog dolžine 8

bitov, razen podatka msg_req, ki je dolg le 1 bit. Dolžina podatka msg_req je 1 bit, ker je

njegova vrednost lahko le 1 ali 0. Pri izbiri dolžine podatkov je potrebno vedeti kakšne

podatke bomo pošiljali, da ne obremenjujemo procesorja po nepotrebnem. Prav tako je

potrebno pri definiciji podatka presoditi, kako natančno meritev dejansko potrebujemo.

Tako v primeru našega podatka Vbatt (napetost na bateriji) ni smiselno definirati dolžino

podatka z 32 biti, saj vemo, da bo napetost na bateriji znašala največ 230V in najmanj

vrednost večjo od 0V pri kateri še ne pride do uničenja baterije, te vrednosti pa pokrijemo

z dolžino osmih bitov ali manj. Če operiramo s števili s plavajočo vejico z enojno

natančnostjo (tip single), je dolžina podatka 32 bitov, pri podatkih s plavajočo vejico z

dvojno natančnostjo (tip double) pa 64 bitov. Pri operiranju s števili s plavajočo vejico se

je pri definiciji podatkov potrebno ravnati po standardu IEEE, ki je tehnični standard za

računanje s plavajočo vejico. Pri operiranju z matematično zahtevnejšimi funkcijami je

dobro upoštevati omejitve procesorja. Procesor TMS320F28335 omogoča operiranje s

plavajočo vejico z enojno natančnostjo. Za prikaz delovanja in samo testiranje nismo

uporabljali podatkov s plavajočo vejico, ampak smo uporabili le celoštevilske

spremenljivke.


54

Slika 9.9: Sporočilo s podatki stanja na bateriji

Okence Remote frame nam omogoča uporabo oddaljenega okvirja. Pri definiciji

signala v tabeli signalu določimo ime, začetni in končni bit ter dolžino (št. bitov) sporočila.

V oknu Byte order izberemo način zlaganja podatkov (Big Endian ali Little

Endian). V našem primeru smo izbrali način zlaganja podatkov Little Endian, kar pomeni,

da se pri shranjevanju podatkov v pomnilnik na prvo mesto zapiše najmanj pomemben

zlog (LSB) in na zadnje mesto najbolj pomemben zlog (MSB). Pri metodi Big Endian je

zadeva ravno obratna, in sicer se najmanj pomemben zlog zapiše na zadnje mesto, medtem

ko se najbolj pomemben zlog napiše na prvo mesto v pomnilniku. Pomembno je, da na

sprejemni in oddajni strani izberemo enako metodo zlaganja podatkov, saj v nasprotnem

primeru na sprejemni strani ne moremo prebrati podatkov. V našem primeru noben signal

ni presegel dolžine enega zloga, ker smo za prikaz delovanja uporabili samo celoštevilske

spremenljivke (tipa int8 in uint8), zato izbira metode ni bila pomembna za samo delovanje

in izvajanje programa.

V oknu Data type izberemo tip podatkov, ki jih želimo prenašati. Izbiramo lahko

med predznačenimi ali nepredznačenimi celoštevilskimi spremenljivkami tipa signed in

unsigned ter med realnimi spremenljivkami tipa single in double. V našem primeru so bili


55

vsi podatki definirani kot predznačena cela števila (tip int) in nepredznačena cela števila

(tip unsigned int).

Z nastavitvijo Multiplex type izberemo, kako pogosto zajemamo signale v CAN

sporočilo glede na časovni korak (v našem primeru Standard, ki omogoča zajemanje

podatkov v vsakem časovnem koraku). Signal označen z možnostjo Multiplexor je prav

tako poslan v vsakem časovnem koraku, s tem da je pod določenim pogojem poleg njega

poslan tudi signal, pri katerem označimo možnost Multiplexed. Pogoj nastavimo v oknu

Multiplex value. Samo en signal je lahko definiran kot Multiplexor.

Na spodnji sliki (Slika 9.10) smo definirali tri signale. Signal A je poslan v vsakem

časovnem koraku (Standard). Signal B je definiran kot Multiplexor, kar pomeni, da bo

poslan prav tako v vsakem časovnem koraku, s tem da je njegova vrednost pogoj za Signal

C, ki bo poslan s signalom B, ko bo njegova vrednost 10 (okno Multiplex value).

Slika 9.10: Signali z možnostmi nastavitev Multiplex type

Prav tako imamo možnost omejitve fizične vrednosti signala (Min in Max) in

pretvorbe fizičnega signala v raw value s pomočjo parametrov Factor in Offset.

Slika 9.11: CAN Pack blok


56

S pomočjo bloka CAN Unpack (Slika 9.12) na sprejemni strani omogočimo branje

signalov iz prejetega CAN sporočila. Nastavitve signalov morajo biti popolnoma enake

njihovim definicijam v bloku CAN Pack, sicer sprejem ni pravilen. CAN Unpack blok nam

poleg nastavitev sporočila omogoča tudi dodatne izhode, prek katerih lahko spremljamo

vrednost identifikatorja, status oddaljenega okvirja, dolžino sporočila, status o prejetem

sporočilu, status o napaki na vodilu in čas.

Slika 9.12: CAN Unpack blok

S pomnilniškimi bloki vplivamo na registre fizičnega pomnilnika našega

procesorja. S pomočjo blokov definiramo, kam bomo podatke shranili (lokacija je

predhodno definirana) in od kod jih bomo po potrebi jemali. Memory Allocate blok (Slika

9.13) dodeli spremenljivki, ki jo definiramo v bloku Memory copy (Variable name), mesto

v fizičnem pomnilniku. Za spremenljivko moramo določiti ime ter tip in dolžino podatkov,

ki jih želimo shraniti. V našem primeru smo uporabili le to funkcijo, blok pa nam po

potrebi omogoča tudi dostop do pomnilniškega odseka, ki ga definiramo v bloku Target

Preferences ter poravnavanje spremenljivk (Variable alignment), če je to potrebno.


57

Slika 9.13: Blok Memory Allocation

V našem primeru smo uporabili dve obliki blokov Memory Copy (Slika 9.14). Na

eni strani blok, čigar vrednost smo kopirali iz bloka CAN Unpack (copy from input port) in

na drugi strani blok, v katerem smo klicali spremenljivko (copy from specified adress), ki

smo jo definirali v prvem bloku in njene podatke pošiljali na izhod drugega bloka oziroma

na vhod CAN Pack bloka. Za bloke, ki smo jih uporabili v prekinitvenih rutinah, smo

morali zaradi asinhronega izvajanja prekinitev nastaviti čase tipanja na -1. Pri blokih, ki

smo jih uporabljali za klicanje vrednosti, smo za čas tipanja nastavili vrednost na 1 ms, kar

pomeni, da je blok vsako milisekundo bral vrednost v fizičnem pomnilniku.


58

Slika 9.14: Blok Memory Copy


59

10 Programiranje komunikacije CAN v Matlab/SIMULINK –

u in prikaz delovanja

CAN je multimaster vodilo, kar pomeni, da lahko vsaka naprava deluje kot

gospodar, če je prioriteta sporočila, ki ga želi oddati, višja kot prioritete ostalih naprav, ki

želijo dostopati do vodila. V našem primeru smo imeli za namen testiranja priklopljeni dve

napravi, od katerih je ena delovala kot gospodar in je imela funkcijo naprave za nadzor in

krmiljenje celotnega sistema, druga pa kot suženj, ki je na podlagi zahtevanih podatkov od

gospodarja izvrševala pošiljanje podatkov. Druga naprava (suženj) je vsako sekundo

oddala podatek o stanju, ki je imel najvišjo prioriteto, in je simuliral pogojni podatek za

preklop med stanji na karti gospodar.

V tem delu smo pripravili komunikacijo, pri kateri je prva naprava (prvi

sprejemno/oddajni modul) predstavljala nadzorni sistem, druga naprava pa sklop baterijske

enote s senzorji v našem hibridnem avtomobilu. Za prikaz delovanja smo iz druge naprave

pošiljali namišljene podatke, kot sta napetost in tok na bateriji. Po želji bi lahko pošiljali

tudi katerikoli drugi podatek iz nekega senzorja na baterijskem sistemu. Za tako malo

podatkov smo se odločili, ker je namen platforme predstaviti možnosti delovanja, ne pa

opisati natančen sistem, dve napravi pa sta dovolj za testiranje in razvoj komunikacijskega

sistema CAN.

10.1 Opis delovanja naprave gospodar

Naprava gospodar vsako sekundo prejme podatek o stanju. Vsaki trenutek, ko

prejme podatek o stanju, se sproži prekinitvena rutina, ki prebere vrednost s poštnega

predala, ki je nastavljen za sprejem podatka o stanju. Na podlagi prejetega podatka o stanju

prožimo digitalne izhode na razvojni karti F28335 in prek LED vmesnika opazujemo

preklope med stanji. Podatek o stanju 1 zapišemo v pomnilniški blok Stanje (Memory

copy), ki shrani vrednost direktno v fizični pomnilnik. Prebran podatek (iz spominskega

bloka Stanje 1) o stanju 1 sproži podsistem (Enabled Subsystem), ki predstavlja pošiljanje

nadzornih podatkov (zelena barva) za baterijo glede na zahtevo gospodarja. To pomeni

naslednje: če pridemo v režim delovanja BATT, na baterijo pošljemo podatek o režimu


60

delovanja baterije (1 = baterija deluje kot vir), podatek o vklopu baterije, podatek, da

regulator baterije deluje kot napetostni, in podatek msg_req, ki je sprožilec za pošiljanje

želenih podatkov na karti suženj. Ko gospodar zahteva podatke o stanju na bateriji, se

sproži nova prekinitvena rutina, ki prebere vrednost na poštnem predalu, konfiguriranem

za sprejem podatkov o dogajanju na bateriji. Prav tako prejme podatek o sprejetem

sporočilu msg_rec, ki proži digitalne izhode na LED vmesniku. S tem je komunikacijski

krog zaključen.

Slika 10.1: Prikaz programske zasnove za napravo gospodar


61

Na spodnji sliki (Slika 10.2) so prikazani podsklop prekinitvene rutine za poštni predal

Stanje, konfiguracija digitalnih izhodov za proženje LED vmesnika in zapis vrednosti

stanja 1 v spominski blok Stanje.

Slika 10.2. Prekinitvena rutina za branje poštnega predala stanje

Na spodnji sliki (Slika 10.3) je prikazan podsklop prekinitvene rutine, v kateri se preberejo

vrednosti podatkov z baterije in se zapišejo v spominske bloke, s pomočjo katerih prožimo

diode na LED vmesniku.

Slika 10.3: Prekinitvena rutina za branje poštnega predala s podatki z baterije


62

Na spodnji sliki (Slika 10.4) je prikazan podsistem, prožen s podatkom stanje = 1. Diagram

stanj (stateflow) smo uporabili kot prikaz možnosti programiranja s tem orodjem na

realnem sistemu. V diagramu stanj smo definirali samo dve stanji, ki nam glede na vhodni

podatek prožita izhod 1 ali 0. Ko je stanje 1, dobimo na izhodu 1, kar pomeni, da se bodo

prenašali podatki z neko vrednostjo, če je pa stanje različno od 1, se prenašajo podatki z

vrednostjo 0. V našem primeru do tega scenarija ne more priti, saj imamo v višjem nivoju

kot pogoj vstopa v ta podsistem stanje 1.

Slika 10.4: Prožen (enabled) podsistem za pošiljanje zahteve o podatkih na bateriji

10.2 Opis delovanja naprave suženj

Ko naprava suženj sprejme podatek msg_req, se sproži prekinitvena rutina, ki bere

vrednost na poštnem predalu, nastavljenem za sprejem krmilnih podatkov za baterijo iz

naprave gospodar. Na podlagi krmilnih podatkov se določi režim delovanja baterije ter se

izvede zapis vrednosti toka in napetosti oziroma razpoložljive moči baterije v spominske

bloke. Na podlagi podatka msg_req (pri prejemu sporočila iz gospodarja se zapiše v

pomnilnik) se prav tako proži podsistem (Slika 10.5) za pošiljanje informacij nazaj na

gospodarja.


63

Slika 10.5: Prikaz programske zasnove za napravo suženj

Na spodnji sliki (Slika 10.6) je prikazan podsistem prekinitvene rutine za branje

podatkov iz poštnega predala, nastavljenega za sprejem krmilnih podatkov za baterijo iz

gospodarja. Za vrednost napetosti in toka smo izbrali konstantne vrednosti tipa int

(integer), po potrebi pa je možno izbrati katerikoli tip podatkov, ki jih podpirata bloka CAN

pack oziroma CAN unpack, ki sta opisana v prejšnjih poglavjih. Na podlagi podatka o

napetosti smo nato s pomočjo pogojnega bloka IF določili opisno vrednost napetosti na

bateriji (0 = battery low, 1 = batery OK or full or low, 2 = battery OK), kot smo jo

uporabljali pri simulaciji algoritma vodenja. Glede na podatek o režimu delovanja baterije

pa smo pošiljali podatek o razpoložljivem toku baterije (v primeru delovanja baterije kot

vir je tok pozitiven, v primeru delovanja kot breme pa je tok negativen). Na podlagi teh

podatkov smo prožili diode na LED vmesniku.


64

Slika 10.6: Podsistem prekinitvene rutine za branje podatkov iz poštnega predala za

sprejem krmilnih podatkov iz naprave gospodar

Na spodnji sliki (Slika 10.7) je prikazan podsistem, prožen s podatkom msg_req. Ko na

vhod bloka (na enable) dobimo signal msg_rec = 1, se sproži pošiljanje podatkov, ki jih s

pomočjo pomnilniških blokov kličemo iz fizičnega pomnilnika. Če na izhodu iz

podsistema ne postavimo vrednosti pomnilniškega bloka msg_rec na 0, zadnja vrednost v

pomnilniku msg_req ostane na 1, kar povzroči, da se podsistem za pošiljanje izvaja v

neskončnost, to pa pomeni pošiljanje podatkov tudi, ko zahteva ni bila poslana.


65

Slika 10.7: Podsistem, prožen s podatkom msg_req za pošiljanje želenih podatkov nazaj na

gospodarja

10.3 Prikaz delovanja

Z ukazom Build model sprožimo prevajanje modela iz Simulinka v C kodo, ki jo s

pomočjo programskega okolja Code Composer Studio (CCS) prenesemo na krmilniško

karto in jo izvajamo na procesorju TMS320F28335, ki je implementiran na tej karti.

Program se generira v pregledno drevesno strukturo v uporabniškem vmesniku CCS (Slika

10.8). Tako imamo pregled in dostop do konfiguracijskih delov programa, kot tudi do

glavnega programa main. S tem imamo omogočeno razhroščevanje in po želji tudi

poseganje v program glede na potrebe.


66

Slika 10.8: Uporabniški vmesnik programskega okolja Code Composer Studio

Na sliki (Slika 10.9) je fotografija sistema, na katerem smo preizkušali CAN

komunikacijo. S številkami so označene enote, ki so opisane v prejšnjih poglavjih. S

številko 1 je označena naprava gospodar, na katero je priklopljen LED vmesnik za

spremljanje podatkov, ki jih pošiljamo z naprave suženj, ki pa je označena s številko 2. S

številkama 3 in 4 sta označeni oddajno/sprejemni napravi SN65HVD230, s številko 5

orodje CAN bus Analyzer, s številko 6 pa CAN vodilo (preplet žic). Ker sta naš sistem

predstavljali dve neodvisni napravi, smo morali programa izvajati na ločenih računalnikih.

S pomočjo osciloskopa smo analizirali dogajanje na CAN vodilu. Tako smo posneli nekaj

različnih stanj, ki so prikazana na spodnjih slikah.


67

Slika 10.9: Fotografija CAN omrežja dveh naprav

Na sliki (Slika 10.10) sta prikazana oddajni (modra) in sprejemni (rdeča) CAN okvir.

Osciloskop je bil priklopljen na D (driver) kontakt naprave gospodar in R (reciever)

kontakt naprave suženj. Pri oddajnem signalu lahko opazimo zadnji bit, ki ga sprejemni

signal nima. To je bit, ki se imenuje EOT (End of Transmission) bit ali bit, ki javlja konec

oddajanja okvirja.

Slika 10.10: Oddajni in sprejemni okvir na vodilu

1

2 3

4

5

6


68

Na sliki (Slika 10.11) lahko vidimo napako na CAN vodilu, in sicer napako pri sprejemu.

Naprava oddaja sporočilo tako dolgo, dokler ne dobi odgovora o prejetem sporočilu. Do

napake je prišlo, ker smo na sprejemni napravi narobe vpisali vrednost identifikatorja v

blok za sprejem, zato se komunikacija ni izvedla.

Slika 10.11: Napaka pri sprejemu

Na spodnjih slikah je prikazana razlika med posnetim standardnim okvirjem z 11-bitnim

identifikatorjem (Slika 10.12) in razširjenim okvirjem z 29-bitnim identifikatorjem (Slika

10.13). Takoj lahko opazimo razliko v dolžini sporočila, kljub enakim podatkom, ki jih

prenaša. Modra črta predstavlja signal CAN high, rdeča pa CAN low. Razlika v napetostih

(Vdiff) med CAN_H in CAN_L je cca. 1,8 V, kar ustreza CAN standardu, ki narekuje, da

mora ta napetost znašati več kot 1,5 V za določitev dominantnega stanja na vodilu.


69

Slika 10.12: Standardni okvir CAN

Slika 10.13: Razširjeni okvir CAN

Na sliki (Slika 10.14) je prikazana meritev časa od poslane zahteve po podatkih do sprejete

vrednosti na digitalnem izhodu. Z rdečo črto je prikazan okvir, v katerem smo iz karte

gospodar poslali zahtevo po podatkih o napetosti in toku na bateriji. Z modro črto je

označen vklop digitalnega izhoda po prejetem podatku iz sužnja. Izmerjeni čas je bil 682

µs. Meritev smo ponovili večkrat in pri vseh meritvah je bil ta čas v rangu 1 ms.


70

Slika 10.14: Merjenje odzivnega časa


71

11 Sklep

V magistrskem delu smo raziskali področje delovanja hibridnih vozil, njihove

konfiguracije, zgodovino ter sam način vodenja in komunikacije med komponentami. Za

optimalno delovanje hibridnega vozila je za načrtovalca sistema potrebno dobro

poznavanje komponent in njihovih zmogljivosti, poznavanje zmožnosti in omejitev izbrane

konfiguracije ter sposobnost predvidevanja morebitno nastalih situacij v različnih režimih

delovanja.

V prvem delu magistrskega dela smo se spoznali z osnovnimi pojmi in

komponentami hibridnih vozil. Na podlagi teh informacij smo izdelali algoritem vodenja

za serijsko hibridno vozilo. V tej fazi razvoja smo definirali le stanja, ki so najbolj značilna

za takšno konfiguracijo. V nadaljnjem razvoju bo tako možno po potrebi dodati še več

stanj, ki jih bo potreboval načrtovalec sistema. Prav to je v končni fazi zanimivo, saj lahko

vsak posameznik določi, na kakšen način bo hibridno vozilo delovalo in kako bo potekala

distribucija energije do posameznih komponent. Ker projekt še ni v stopnji možnosti

priklopa in preizkusa na realnem sistemu, smo s simulacijo, izdelano v Matlab/Simulinku,

preizkušali delovanje sistema pod različnimi pogoji. Platforma programske opreme za

upravljanje z energijo tako vsebuje možnost simuliranja delovanja pretvorniških enot pod

različnimi pogoji ter možnost simulacije z bolj natančnimi modeli komponent, ki jih v

sklopu tega projekta nismo izdelali. Z natančnimi modeli komponent lahko poleg algoritma

vodenja simuliramo tudi obnašanje vsake posamezne komponente (polnjenje/praznjenje

akumulatorskih baterij, poraba goriva motorja z notranjim zgorevanjem itd.). Prav tako

lahko s pomočjo simulacij pravilno dimenzioniramo celotni sistem in preprečimo

morebitne napake pri preizkusu na realnem preizkuševališču oziroma vozilu.

V drugem delu je bila realizirana CAN komunikacija med dvema napravama.

Dobra distribucija krmilnih podatkov je za kompleksni sistem, kot je hibridno vozilo,

velikega pomena. Za programiranje procesorja TMS230F28335 smo uporabili knjižnice

Matlab/Simulinka, ki so kompatibilne za delo z napravami tega tipa proizvajalca Texas

Instruments. V Simulinku smo s pomočjo programskih blokov pripravili programski kodi,

ki smo ju s pomočjo programskega okolja CCS uporabili pri delovanju v realnem času. Pri

tem smo prek Simulinka dostopali do razširjenega eCAN modula ter ostalih perifernih enot


72

(GPIO, PWM) ki nam jih ponuja procesor. Tako smo pokazali možnost blokovnega

programiranja, ki za načrtovalca predstavlja drugačno ter tudi bolj prijazno okolje za

izdelavo programa in same logike delovanja. CAN komunikacijo smo poskusili pripraviti

tako, da jo je možno takoj povezati z algoritmom vodenja, saj smo pripravili dve napravi,

od katerih ena predstavlja komponento akumulatorske baterije, ki je sestavni del našega

vozila in predstavlja eno enoto v sistemu vodenja. Tako lahko na isti princip dodamo še

ostale tri naprave (podaljševalec dometa, generator in pogonski elektromotor) in zadeve

preizkusimo na realnem preizkuševališču. Definirati bo potrebno le podatke, ki jih želimo

spremljati in jih po potrebi dodati tudi v shemo vodenja.

S pomočjo orodja CAN bus Analyzer proizvajalca Microchip smo predstavili

poceni in preprosto možnost uporabe orodja za analizo CAN omrežij, saj nam uporabniški

vmesnik omogoča vpogled na dogajanje v CAN omrežju brez uporabe dragih osciloskopov

in podobnih naprav.

V sklopu magistrskega dela je tako realizirana platforma za razvoj vodenja in

komunikacije hibridnega avtomobila ter pripravljena vsa potrebna dokumentacija za

nadaljnje delo. V prihodnosti bo potrebno algoritem vodenja preizkusiti na realnem

sistemu z vsemi komponentami ter vse enote povezati v CAN komunikacijsko omrežje.


73

12 Literatura

[1] E. Grunditz , E. Jansson : Modeling and Simulation of a Hybrid Electric Vehicle for

Shell Eco – marathon and Electric Go – kart, Master of Science Thesis in Electric

Power Engineering, Department of Energy and Environment, CHALMERS

UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Performed at Division of Electric Power

Engineering and QRTECH LAB, Göteborg 2009, Sweden; Dostopno na

http://www.chalmers.se/en/staff/Pages/emma-grunditz.aspx [10.9.2013]

[2] M. Rodič, M. Truntič, D. Drevenšek, M. Milanovič: Power management approach

for hybrid multi-input/multi-output converter, 14th International Power Electronics

and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, 6-8 Sept., 2010, CDROM,

Paper No. RS-136, pp. T6-6 - T6-13.

[3] S. Corrigan: Introduction to the Controller Area Network (CAN); SLOA101A,

Avgust 2002, revidirano Julij 2008, Dostopno na:

http://www.ti.com/lit/an/sloa101a/sloa101a.pdf [4.11.2014]

[4] I. Majcen: Brezžično področno vodilo CAN, Maribor: Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru, 2008. Dostopno na:

http://dkum.uni-mb.si/IzpisGradiva.php?id=9112 [4.11.2014]

[5] ISO11898: Wikipedia, Dostopno na http://en.wikipedia.org/wiki/ISO_11898

[4.11.2014]

[6] Dušan Gleich, Marko Malajner, Iztok Majcen, Karl Benkič: Navodila za vajo 5 pri

predmetih Sistemi daljinskega vodenja in Komunikacije v avtomatiki; Fakulteta za

elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru, Laoratorij za

obdelavo signalov in daljinskega vodenja, april 2007. Dostopno na:

https://www.yumpu.com/sl/document/view/27708531/navodila-za-vajo-laboratorij-

za-obdelavo-signalov-in-daljinska- [4.11.2014]

[7] Texas Instruments: 3.3-V CAN transcievers; SLOS346K, Marec 2001, revidirano

Februarja 2011 Dostopno na: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn65hvd230.pdf

[4.11.2014]

[8] Microchip Technology Inc.: CAN bus analyzer user's guide DS51848B; 2011.

Dostopno na: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/51848B.pdf

[4.11.2014]

http://www.chalmers.se/en/staff/Pages/emma-grunditz.aspx

http://www.ti.com/lit/an/sloa101a/sloa101a.pdf

http://dkum.uni-mb.si/IzpisGradiva.php?id=9112

http://en.wikipedia.org/wiki/ISO_11898

https://www.yumpu.com/sl/document/view/27708531/navodila-za-vajo-laboratorij-za-obdelavo-signalov-in-daljinska-

https://www.yumpu.com/sl/document/view/27708531/navodila-za-vajo-laboratorij-za-obdelavo-signalov-in-daljinska-

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn65hvd230.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/51848B.pdf


74

[9] Texas Instruments: TMS320F28335, TMS320F28334, TMS320F28332,

TMS320F28235, TMS320F28234, TMS320F28232 Digital Signal Controllers

(DSCs); SPRS439M, Junij 2007, revidirano Avgust 2012. Dostopno na:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f28335.pdf [4.11.2014]

[10] M.Vajs: Izdelava programske opreme za štiri-kvadrantno vodenje PMSM s

pomočjo Matlab/Simulinka, Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in

informatiko Univerze v Mariboru, 2012. Dostopno na: http://dkum.uni-

mb.si/IzpisGradiva.php?id=38822 [4.11.2014]

[11] C. Farcas, D. Petreus, I. Ciocan and N. Palaghita: Modeling and Simulation of

Supercapacitors; Department of Applied Electronics, Faculty of Electronics,

Telecommunications and Information Technology, Technical University of Cluj-

Napoca, Cluj-Napoca, Romania;SIITME2009 – 15th International Symposium for

Design and Technology of Electronics Packages; Dostopno na

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5407373&url=http%3A%2

F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D5407373

[4.11.2014]

[12] M. Knauff, J. McLaughlin, Dr. C. Dafis in ostali: Simulink Model of a Lithium-Ion

Battery for the Hybrid Power System Testbed; Dostopno na

http://power.ece.drexel.edu/Students/Knauff/Simulink%20Model%20of%20a%20L

ithium-

Ion%20Battery%20for%20the%20Hybrid%20Power%20System%20Testbed.pdf

[4.11. 2014]

[13] D. McDonald: Electric Vehicle Drive Simulation with MATLAB/Simulink;

Dostopno na

http://people.cst.cmich.edu/yelam1k/asee/ASEE_North_Central_Section/Events_fil

es/Full%20Papers/McDonald.pdf [4.11.2011]

[14] A.Jarushi and N. Schofield: Modelling and Analysis of Energy Source

Combinations for Electric Vehicles; Dostopno na

https://www.escholar.manchester.ac.uk/uk-ac-man-scw:123309 [4.11.2014]

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f28335.pdf



http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5407373&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D5407373

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5407373&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D5407373

http://power.ece.drexel.edu/Students/Knauff/Simulink%20Model%20of%20a%20Lithium-Ion%20Battery%20for%20the%20Hybrid%20Power%20System%20Testbed.pdf



http://people.cst.cmich.edu/yelam1k/asee/ASEE_North_Central_Section/Events_files/Full%20Papers/McDonald.pdf

http://people.cst.cmich.edu/yelam1k/asee/ASEE_North_Central_Section/Events_files/Full%20Papers/McDonald.pdf

https://www.escholar.manchester.ac.uk/uk-ac-man-scw:123309


75

13 Priloge

Priloga A: Naslov in kratek življenjepis avtorja

Priloga B: izjava o ustreznosti zaključnega dela 2x, izjava o avtorstvu, izjava o istovetnosti

tiskane in elektronske verzije zaključnega dela in objavi osebnih podatkov diplomantov

Priloga C: CD s programsko opremo naprav gospodar in suženj, ter s programsko opremo

za izvedbo simulacij


76

Priloga A

Naslov avtorja

Mitja Osek

Žibernik 21

3250 Rog. Slatina

Kratek življenjepis:

Rojen: 18.5.1988, v Celju

Šolanje: 2. OŠ Rogaška Slatina

Šolski center Rogaška Slatina (program gimnazija)

UM FERI (1. bolonjska stopnja smer mehatronika)


77

Priloga B


78


79


80

Documents

NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM SERIJSKEGA HIBRIDNEGA VOZILA … · 2017-11-28 · I NAPAJALNI IN POGONSKI SISTEM SERIJSKEGA HIBRIDNEGA VOZILA – PLATFORMA PROGRAMSKE OPREME ZA UPRAVLJANJE