FlexRay總線在工程車輛中的應用研究

卞永明,蔣 佳,徐新明,朱利靜,趙芳偉,金 本

(同濟大學 機械工程學院,上海 201804)

FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標.2000年FlexRay聯(lián)盟成立,到2009年共有7個核心成員:寶馬、博世、戴姆勒、飛思卡爾、通用、恩智浦半導體和大眾.FlexRay是繼CAN和LIN(Local Interconnect Network)之后的最新研發(fā)成果,可以有效地管理多重安全和舒適功能,譬如,FlexRay適用于線控操作(X-by-Wire).相對于其他車載通信協(xié)議,FlexRay有更靈活的數(shù)據(jù)通信方式,更快的數(shù)據(jù)傳輸速率,更全面的拓撲選擇,更完善的容錯機制.因此,FlexRay總線已經被廣泛應用于各種乘用車輛[1,2].

隨著線控技術越來越多地應用于車載控制系統(tǒng),傳統(tǒng)的機械液壓控制機構已經逐步被替代.目前,線控制動系統(tǒng)、線控轉向系統(tǒng)和線控油門控制系統(tǒng)已經被應用于許多廠商的汽車設計中,使汽車操控的性能得以大大提高,發(fā)動機的燃油經濟型、乘坐舒適性以及駕駛安全性都得到了很大程度的改善.為了適應這個趨勢,同時研究FlexRay總線在全電力驅動工程車輛中的性能,本文主要對FlexRay總線在全電力驅動裝載機上的工程應用進行了研究.

1 全電驅動裝載機簡介

本文所介紹的全電力驅動裝載機是在常林ZL15B輪式裝載機的基礎上進行電氣化改造的.該裝載機動力源由原先的柴油發(fā)動機改為3臺永磁同步電機,分為前橋和后橋驅動.前橋的2個車輪分別通過減速機構與2個驅動電機連接,后橋通過1個差速器與驅動電機連接.其具體的結構如圖1所示.采用減速驅動型電動輪可以簡化傳動系統(tǒng),提高傳動效率,使整車布置靈活,簡化了傳統(tǒng)復雜的機械和液壓結構,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

原有裝載機的機械控制系統(tǒng)全部被電氣控制系統(tǒng)所代替,使用1個整車控制器通過CAN總線控制3臺電機驅動器.整體結構為:整車控制器是控制系統(tǒng)的主控制器,電子腳踏板作為裝載機的加速裝置,產生的模擬信號由整車控制器采集,經A/D轉換、標定等處理后,通過CAN總線將控制信號發(fā)送給永磁同步電機驅動器,驅動車輪運動.同時,電機的轉速、扭矩、溫度和控制器溫度等狀態(tài)參數(shù)也通過CAN總線,發(fā)送給帶有CAN接口的顯示器,實時顯示相關參數(shù).具體的控制系統(tǒng)結構如圖2所示.

圖1 裝載機電力驅動輪Fig.1 Electric driven wheels of loader

圖2 裝載機電控系統(tǒng)結構圖Fig.2 Electric control system structure of loader

2 FlexRay總線在全電驅動裝載機中的應用

FlexRay總線是1個為滿足未來車載通信系統(tǒng)高可靠性、高速率的要求和線控系統(tǒng)要求的總線通信標準,能夠適應任何惡劣的車載環(huán)境,為各種車輛的電控系統(tǒng)提供了1個優(yōu)秀的通信通道.它的最大特點就是在非常高的通信速率的同時,保證了系統(tǒng)非常高的可靠性要求和冗余度要求.該總線還可以對每個節(jié)點加裝總線監(jiān)控器來監(jiān)測節(jié)點的運行狀態(tài),保證總線的運行狀態(tài)不受其他錯誤節(jié)點的影響[3].因此,對于工況非常惡劣的全電驅動裝載機,FlexRay總線比CAN總線更能滿足其電控系統(tǒng)對通信總線實時性、可靠性和高通信速率的要求.

本控制系統(tǒng)選用NXP公司的LPC2294型ARM7作為整個系統(tǒng)的主控制器,在其外部外擴1個Freescalse公司的MFR4310型通信控制器作為FlexRay總線控制器,在電子腳踏板和3個永磁同步電機控制器上使用Freescale公司的MC9S12XF512作為控制芯片.電子腳踏板仍然作為裝載機的速度控制裝置,其產生的模擬信號被MC9S12XF512通過A/D模塊轉化為數(shù)字信號,然后通過 FlexRay總線傳送給 ARM(Advanced Reduced Instruction Set Computer Mahines)主控制器,ARM主控制器經過數(shù)據(jù)處理后將動作指令通過FlexRay總線發(fā)送給3個電機控制器節(jié)點,控制電機的啟動和停止狀態(tài).本系統(tǒng)將 2個FlexRay通道全部啟動,1個作為主控通道,1個作為備用冗余通道.具體的控制系統(tǒng)結構如圖3所示.

圖3 使用FlexRay總線的裝載機控制系統(tǒng)結構框圖Fig.3 Control system structure of loader using FlexRay

在該控制系統(tǒng)中,電機的轉速、扭矩、溫度和控制器溫度等狀態(tài)參數(shù)通過分節(jié)點的Freescale控制器從FlexRay總線上發(fā)送給ARM主控制器并顯示在主控制器的液晶屏上.該控制系統(tǒng)所有節(jié)點的發(fā)送和接收時隙都已經在總線啟動之前設置完畢,總線運行的時候沒有必要再像CAN總線一樣通過中斷程序來向總線上發(fā)送信息,所有的發(fā)送時間都是已經設定好,用戶只需實時更新所要發(fā)送的參數(shù)即可.這種控制方式大大地減輕了控制器的負擔,使得控制器能夠集中資源完成其他的數(shù)據(jù)處理和控制任務,性能比以CAN總線為架構的控制系統(tǒng)性能高出數(shù)倍[4].

2.1 控制系統(tǒng)主控制器的方案設計

應用FlexRay總線的全電驅動裝載機控制系統(tǒng)硬件主要由以ARM為基礎的主控制器和以MC9S12XF512為基礎的分控制器組成.主控制器的ARM芯片除了通過MFR4310型FlexRay通信控制器與分節(jié)點進行通信以外,還具有4路CAN通道,可以與分節(jié)點的內置CAN通信模塊進行通信,從而作為1個FlexRay總線的備用通信系統(tǒng).

主控制器通過FlexRay(CAN)總線接收分節(jié)點的狀態(tài)信息和發(fā)送控制命令,同時主控制器還連接了1個640mm×480mm的液晶顯示器以顯示各分節(jié)點的狀態(tài)信息,其結構如圖4所示(CTM1050是1款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片,MFR4310是FlexRay通信控制器的1種型號).

本方案中主控制器的ARM芯片為NXP公司的LPC2294.LPC2294是基于1個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器,并帶有256 kB嵌入的高速Flash存儲器.128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行.對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%,而性能的損失卻很小[5].ARM7TDMI-S處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度,這樣可使幾個操作同時進行并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作.流水線使用3個階段,因此指令分3個階段執(zhí)行:取指、譯碼和執(zhí)行.其使用了馮諾依曼(Von Neumann)結構,指令和數(shù)據(jù)共用1條32位總線,只有裝載存儲和交換指令可以對存儲器中的數(shù)據(jù)進行訪問.LPC2294具有144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、8路10位ADC、4路CAN以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的中斷.

2.2 控制系統(tǒng)分控制器的方案設計

本方案中的應用FlexRay總線的控制系統(tǒng)分控制器以Freescale的MC9S12XF512控制器為控制芯片.為了達到FlexRay總線節(jié)點上的執(zhí)行機構或傳感器對性能的要求,MC9S12XF系列微控制器已經以16位的硬件結構達到了一般32位微控制器的性能,專門為低功耗、低成本和對電磁環(huán)境敏感產品所設計.

本方案使用MC9S12XF512芯片作為分控制器的控制核心,它根據(jù)從FlexRay(CAN)總線上接收主控制器發(fā)過來的控制命令,然后進行辨別和處理,將處理后的動作結果發(fā)給電機控制器,控制電機動作,再將電機控制器發(fā)回的諸如電機的轉速、扭矩、溫度和控制器溫度等狀態(tài)參數(shù)從總線上反饋給主控制器.具體的結構如圖5所示.

圖4 主控制器結構框圖Fig.4 Structure of main controller

圖5 分控制器結構框圖Fig.5 Structure of minor controller

MC9S12XF系列微控制器最大的特點是有1個性能增強的精簡指令集內核(XGATE)協(xié)處理器.XGATE能夠處理基于C語言的程序,處理速度是S12系列MCU(Micro Control Unit)總線頻率的2倍,它的指令結構專門為數(shù)據(jù)移動、邏輯和位流處理進行了優(yōu)化.所有的外設模塊都可以使用XGATE進行數(shù)據(jù)處理.微控制器內置的FlexRay通信控制器模塊支持各種速率的數(shù)據(jù)傳輸,最高速率可達10 Mbp·s-1.FlexRay模塊可以根據(jù)消耗和EMC(Electro Magnetic Compatibility)優(yōu)化方式使用內部PLL(Phase Locked Loop)從外部4～40 MHz的晶振中獲得時鐘源信號.此外,還有1個MSCAN模塊,它帶有1個FIFO(First Input First Output)接收緩沖器陣列和1個輸入過濾器.這樣該芯片就可以同時兼容2種通信總線,與原來的CAN通信系統(tǒng)有著非常好的兼容性.本方案使用的是64管腳的MC9S12XF512芯片,封裝為LQFP(Low-profile Quad Flat Package).

3 應用FlexRay總線的裝載機控制系統(tǒng)實時性能分析

在原有使用CAN總線的全電驅動裝載機控制系統(tǒng)中,主控制器只能完成驅動電機的啟動和停止,并且將電機的參數(shù)通過CAN總線發(fā)送給顯示器進行顯示.因為CAN總線在實時性和可靠性方面的限制,控制系統(tǒng)仍然依靠原有的液壓機械控制系統(tǒng)進行轉向控制,而剎車制動則是依靠電機自身的控制來進行.控制器在通過CAN總線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時必須進入發(fā)送接收中斷或在主程序中以查詢的方式接收發(fā)送信息,這樣就消耗了很多主控制器的資源,并且其最高通信速度只有1 Mbp·s-1,使得系統(tǒng)的反應速度偏慢,滿足不了性能的要求.

FlexRay總線是專門為X-By-Wire要求開發(fā)的1款通信總線,通信速度最高能達到10 Mbp·s-1,具有雙通道冗余結構,大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性.同時FlexRay總線是時間觸發(fā)的通信總線協(xié)議,只要在總線啟動之前把通信系統(tǒng)的各個全局參數(shù)和局部參數(shù)設置好就可以與其他節(jié)點進行通信,而且在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時不需要系統(tǒng)進入中斷或查詢,極大提高了控制器內部處理器的利用率和反應速度,使得控制器的處理資源集中到控制策略及其他有用信息的處理上面.CAN總線與FlexRay總線的性能對比如表1所示.

表1 CAN與FlexRay的性能對比Tab.1 Performance comparison between CAN and FlexRay

由表1可知在應用FlexRay總線的控制系統(tǒng)中,能夠有充足的資源將轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)也改造成電控系統(tǒng),并集成到主控制器的總線網(wǎng)絡中,形成1個全線控的工程車輛,這樣就能很大地提高系統(tǒng)的可靠性、反應速度和可擴展性.同時減少了復雜巨大的機械液壓結構,節(jié)省了電力的消耗,提高了資源的利用率,也使得車輛結構的設計變得非常靈活[6].

在應用FlexRay總線的裝載機控制系統(tǒng)中,通過FlexRay總線傳送的主控制器控制命令信息和分控制器狀態(tài)信息的網(wǎng)絡延時是可以計算出來的,通過分析主控制器和1個車輪分控制器之間的通信網(wǎng)絡的實時性,可以分析整個控制系統(tǒng)的實時性.

對于常用的啟動、停止和驅動器狀態(tài)信息信號,在靜態(tài)段中設置其發(fā)送和接收時隙,設主控制器到車輪分控制器1的通信總線長度為L1,主控制器發(fā)送控制信號長度為PC,分控制器發(fā)送的狀態(tài)信息信號長度為PS,每一位的傳輸時間為tbit,主控制器發(fā)送的控制命令的延時RC和分控制器發(fā)送的狀態(tài)信息的延時RStatus為

對于一些數(shù)據(jù)量很大的消息幀,靜態(tài)幀的帶寬不足以滿足發(fā)送信息帶寬要求的時候,則要使用動態(tài)段來發(fā)送這些信息.設動態(tài)段傳送的信息長度為PD,從主控制器控制程序產生控制指令,并將其交給通信控制器進行發(fā)送,到分控制器完全接收到信息這段時間的延時為RD,則RD的值為

式中:N{H(n)}為H(n)中所有元素的數(shù)量,H(n)為具有高優(yōu)先級的信息;yi為1個二進制變量,第i個周期被延遲時為1,否則為0;Tcycle為循環(huán)周期;xuv為1個二進制變量,當周期g中有幀ID為u的L(n)(L(n)為具有低幀ID的信息)中的元素v被發(fā)送時,xuv值為1,否則為0;Cv為元素v的通信占用時間;G為動態(tài)微時隙的長度.

如上所述,整個控制系統(tǒng)的總線在靜態(tài)段和動態(tài)段的最大理論延時都能通過式(1)～(3)計算出來.在本方案中,按照全電驅動裝載機控制系統(tǒng)的實際結構和狀態(tài),所有的控制命令和狀態(tài)信息的發(fā)送全部在靜態(tài)幀中完成,每個控制命令和狀態(tài)信息的負載長度為20個字節(jié),主控制器與最遠的控制節(jié)點的總線長度為8 m,該總線的通信速率使用10 Mbp·s-1.設整個控制命令和狀態(tài)信息的最長理論延時為RSD,則其具體值為

則在本方案中,主控制器控制命令和分控制器狀態(tài)信息的最長理論延時為29.68 μ s,然后再將延時值代入系統(tǒng)的數(shù)學模型中配置相應的控制參數(shù),以達到控制系統(tǒng)的要求.

4 結論

介紹了在常林ZL-15B輪式裝載機的基礎上進行電氣化改裝的全電力驅動裝載機的結構和其控制系統(tǒng),并且描述了改裝后裝載機的主要技術指標,討論了FlexRay總線在全電力驅動裝載機上應用的可行性和主要方案,根據(jù)上述討論的應用方案分成主控制器結構和分控制器結構分別給出了對應的設計和控制方案.表明FlexRay總線在工程車輛中有著較好的應用前景.

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