摘 要： 介紹了一種帶有 CAN 總線控制模塊的汽車繼電器控制系統的研制，敘述了該系統的硬件與軟件設計。系統以 PIC18F2480 單片機和 CAN 總線收發器為控制核心，采用優化的混合式控制方案，可無弧接通與分斷大電流，并實現智能控制和實時保護的功能。 關鍵詞： 汽車繼電器；CAN總線；混合式控制方案；單片機 [b][align=center]Research of High-Current Automobile Relay Control System Based on CAN Bus WANG Zhi-qiang, LIU Xiang-jun （College of Electrical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China）[/align][/b] Abstract: Introduction was made to a type of automobile relay control system with CAN bus control module. The hardware and soft-ware design were discussed in detail. The control core based on PIC18F2480 microcontroller and CAN bus transceiver was built with an optimized hybrid control plan. The relay could switch high-current circuit with non-arc to realize the functions of intelligent control and real-time guard. Key words: automobile relay; CAN bus; hybrid control plan; microcontroller 0 引言 隨著汽車產業的迅猛發展，人們對乘坐汽車的安全性、舒適性和多功能性的要求日益提高。目前汽車電氣系統存在以下問題：（1）汽車在存儲、運輸以及停駛時存在蓄電池電流泄漏問題，影響蓄電池的使用壽命。（2）當汽車發生故障或猛烈碰撞造成短路時，如果不能有效地將蓄電池與整個電氣系統斷開，則存在起火甚至爆炸的危險。 汽車電源總開關是安裝在蓄電池與汽車電氣系統之間的一個非常重要的元件，可在汽車發生故障和駕駛員離開汽車時切斷主電路電源，有效保護蓄電池和汽車電氣系[1] 。目前電源總開關有電磁式開關和蓄電池繼電器兩種，其安裝在蓄電池附近，控制開關安裝在駕駛員附近儀表板上，操作方便[2] 。但電磁式開關是手動操作開關，對故障不能起到實時保護作用，而一般繼電器的觸頭容量有限，切斷短路電流時會產生電弧，嚴重時會產生熔焊現象，使得開關損壞或者電氣壽命縮短。 如今車載電器越來越多，各種信號控制線使得線束的長度加長、質量大、復雜程度越來越高，同時電路故障率也會隨之上升，整車硬件成本、生產效率也會相應增加。而CAN總線的應用可以解決這些問題，CAN總線在汽車上的應用日趨成熟。通過CAN總線，汽車電器的控制將實現智能化。 因此，開發一種帶有CAN總線控制模塊且可通斷大電流的電源總開關成為當務之急。本文對基于CAN總線的大電流汽車繼電器進行了研究，實現了無弧通斷、短路保護和智能控制的功能。 1 基本原理 本文設計的基于CAN總線的大電流汽車繼電器采用單線圈的磁保持繼電器作為本體。磁保持繼電器的優點是只需要幾毫秒的脈沖驅動，就可以使開關處于接通或分斷狀態，因此需要的功率很小，線圈發熱也可以忽略不計。磁保持繼電器本身不能切換大電流，本文將電力電子器件與磁保持繼電器相結合，通過合理選擇電力電子器件的導通和關斷時間，使磁保持繼電器實現無弧通斷功能。整體結構如圖1所示。 現有的混合式控制方案的思想是將電力電子器件與觸頭并聯，由電力電子器件承擔觸頭接通和分斷等瞬態過程時的主電路電流，由觸頭承擔穩態時的主電路電流[3] 。從而避免觸頭因彈跳和開斷大電流產生電弧，其中激磁線圈電流、MOSFET驅動脈沖、觸頭電壓三者的時序如圖2所示。 MOSFET工作在高頻導通模式，在保證可靠性的前提下應盡量減少MOSFET的導通時間，以減少發熱，提高使用壽命。因此，本文對現有的混合式控制方案進行優化，采用斜率計算等數學方法，將MOSFET起始導通時刻控制在圖2中的A點附近，大大縮短了MOSFET的導通時間。 該繼電器系統采用單片機和CAN總線收發器為智能控制模塊的核心。模塊通過CAN總線接收來自汽車中央控制單元的指令，并將當前繼電器有關參數通過CAN總線發送給中央控制單元，實現智能控制，起到實時控制和保護的功。 2 硬件設計 本文設計的繼電器采用PIC18F2480單片機和CAN總線收發器MCP2551構成智能控制模塊的核心。PIC18F2480自帶CAN通信模塊與CAN總線收發器一起構成CAN總線通信模塊[4] 。 功能電路主要由DC/DC隔離變換電路、MOSFET驅動電路、線圈驅動電路、線圈采樣電路和電流采樣信號處理電路等組成。硬件電路的整體組成框圖如圖3所示。 為了實現主電路與控制電路的電氣隔離，MOSFET的驅動采用光耦隔離驅動，因此驅動電路電源與單片機系統電源必須相互隔離。本文電源系統的設計采用DC/DC隔離變換器，得到兩路相互隔離的電源系統。 主電路電流采樣是實現短路實時保護的關鍵，智能控制模塊通過A/D采樣，計算出主電路電流大小，從而決定繼電器的相應動作。為了實現高精度、快速的電流檢測，本文采用ACS754電流傳感器作為主電路電流檢測元件。ACS754是高精度、雙向的電流傳感器，能將主電路電流大小線性換算成0～5V的邏輯電平。 3 軟件設計 磁保持繼電器的吸合時刻和釋放時刻的準確判斷是軟件需要解決的關鍵問題。軟件主要包括總線命令識別子程序、激磁線圈電流采樣子程序和主電路電流采樣子程序等[5] 。 軟件流程圖如圖4所示。具體流程如下：當繼電器處于分斷狀態時，智能控制模塊處于等待接收命令狀態。當繼電器處于閉合狀態時，智能模塊相隔一定的時間采樣主電路的電流，并判斷電流是否超過短路電流的設定閾值，決定是否執行保護動作。正常狀態時，將電流參數通過CAN總線發送給中央控制單元，以便在儀表上顯示。繼電器接通和分斷命令的接收采用中斷方式。識別命令后，根據命令調用接通（分斷）子程序。當主電路由于短路造成電流過大時，模塊自動調用分斷子程序，實現短路保護。 4 基于CAN總線的大電流汽車繼電器的實現 為了驗證方案的可行性，本文將JE12-G型磁保持繼電器作為本體，同時用PC機模擬汽車中央控制單元，給繼電器的智能控制模塊發送指令以及接收來自模塊的有關參數。采用Visual Basic6.0軟件建立一個控制系統，由于PC機沒有CAN總線接口，所以指令數據的傳送必須通過RS232/CAN智能協議轉換器。 PC機模擬控制系統的主界面如圖5所示。主界面顯示的波形是主電路的電流波形，其中縱坐標是電流，橫坐標是時間，每單位格時間為0.5s（系統工作時，波形自動從右向左移動，所以橫坐標原點不一定是零時刻）。圖5是在主電路電壓42V、電流10A時，突然將電流加到短路電流閾值60A時，繼電器實現短路保護的電流波形。通過實驗證明，帶有CAN總線控制模塊的大電流汽車繼電器能在不同負載電流的條件下實現可靠接通和分斷，有效地實現繼電器無弧通斷和實時保護的功能。 5 結語 帶有總線控制功能的汽車大電流繼電器，采用優化的混合式控制方案，實現智能控制。將其作為汽車電氣系統的電源總開關，能夠克服當前電磁式電源總開關的缺點，可靠地保護汽車電氣系統，具有很好的應用前景。 [align=center][b] 參考文獻[/b][/align] [1] 古永棋.蓄電池新型電源總開關[J].汽車電器，1995（3）：10-12. [2] 古永棋，趙明.新型蓄電池電源總開關的研究[J].客車技術與研究，1995，17（1）：16-20. [3] 任曉霞，林春陽，劉向軍.基于單片機控制的42V混合式汽車繼電器[J].低壓電器，2008（3）：29-32. [4] 陽憲惠.現場總線技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2000. [5] 李學海.PIC單片機實用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002. 原文請點擊下載： 基于CAN總線的大電流汽車繼電器控制系統的研究