液力緩速器控制系統(tǒng)開發(fā)

張 哲，張 健

Zhang Zhe，Zhang Jian

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

現(xiàn)代電子技術(shù)賦予了汽車眾多的功能，如何將這些功能協(xié)同起來使其成為一個(gè)整體，即如何對整個(gè)車輛進(jìn)行控制，決定汽車電子能否實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，帶給人們更多的便利。隨著車載網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，CAN總線技術(shù)從眾多車載網(wǎng)絡(luò)中脫穎而出，成為應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一。

1 技術(shù)簡介

SAE J 1939協(xié)議是一類專用于商用車、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等的CAN總線通信協(xié)議，波特率可達(dá)250 kb/s，是一種傳輸速率較高的C類通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。主要提供電控系統(tǒng)間的信息交換，其中包括電控裝置的診斷數(shù)據(jù)，還可支持電控系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)性閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

主要研究開發(fā)液力緩速器的控制系統(tǒng)，解決重型貨車在下長坡時(shí)，摩擦力產(chǎn)生的熱能造成摩擦副溫度升高，制動(dòng)性能嚴(yán)重下降的問題；對緩速器控制器加入CAN總線通信控制，使緩速器控制器與車載其他電控單元進(jìn)行通信并實(shí)現(xiàn)車輛信息共享，最終實(shí)現(xiàn)對車輛的整體控制。通過信號(hào)傳感器（轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器等），獲取力矩、轉(zhuǎn)速和氣壓等參數(shù)并發(fā)送至LabVIEW監(jiān)控界面，繪制氣壓變化規(guī)律曲線和不同擋位下制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

液力緩速器控制系統(tǒng)主要包括傳感器、緩速器控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件開發(fā)

3.1 搭建系統(tǒng)各模塊電路

液力緩速器控制器接收發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻液壓系統(tǒng)、GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及T10FS轉(zhuǎn)矩傳感器等發(fā)出的CAN報(bào)文，控制器通過一定控制算法求得PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）波占空比控制執(zhí)行器動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)緩速器制動(dòng)。

基于16位微控制器MC9S12XS128搭建了液力緩速器ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）的硬件電路。該硬件電路主要包括最小系統(tǒng)電路、CAN收發(fā)器電路、比例閥和開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)電路等。其中最小系統(tǒng)電路主要由MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）、時(shí)鐘電路、電源電路以及 BDM（Background Debugging Mode，背景調(diào)試模式）下載器電路等模塊構(gòu)成。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 液力緩速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)主要元器件

3.2.1 微控制器

微控制器芯片MC9S12XS128由16位中央處理單元（CPU12X）、128 kB Flash EEPROM、8 kB RAM、8 kB Data Flash組成，可以滿足電磁閥控制模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。同時(shí)集成了多種外圍功能模塊：2路異步串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）、1路同步串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、1路8通道輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）、16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ATD）和1個(gè)8通道PWM）。MC9S12XS128具有91個(gè)獨(dú)立的數(shù)字I/O口，其中某些數(shù)字I/O口具有中斷和喚醒功能。另外還具有1個(gè)CAN 2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)兼容模塊（MSCAN）[1]。

3.2.2 CAN收發(fā)器

CAN收發(fā)器是協(xié)議控制器（MCU中MSCAN寄存器）和物理傳輸線路之間的接口。CAN收發(fā)器選擇Philips PCA82C250芯片，符合ISO 11989標(biāo)準(zhǔn)，波特率最高達(dá)1 Mb/s，抗寬范圍的共模干擾和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），可適應(yīng)-40～125℃的環(huán)境溫度，適用于汽車車載網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)控制領(lǐng)域。PCA82C250有3種不同工作模式：高速模式、斜率控制模式和待機(jī)模式，可通過 Rs（Resistance slope，電阻斜率）控制引腳提供。

3.2.3 傳感器

溫度傳感器采用的是 RTD（Resistance Temperature Detector，電阻式溫度檢測器），使用線性化曲線（Callendar-Van Dusen方程）來計(jì)算RTD的溫度；比例閥的控制氣壓使用壓力傳感器進(jìn)行測試，其型號(hào)為 PG1300-1.6MPA-GB-A，通過使用4～20 mA電流環(huán)路，傳感器可將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流；液力緩速器的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)利用F2iS轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行測試，該傳感器同時(shí)配備了一套測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，并且集成了信號(hào)處理單元，支持CAN2.0B傳輸協(xié)議，其CAN總線波特率高達(dá)1 Mb/s，通過讀取CAN總線的報(bào)文幀，便可測得轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)。

4 SAE J 1939協(xié)議

SAE J 1939協(xié)議作為專用于商用車、建筑機(jī)械等的CAN總線通信協(xié)議，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層以CAN2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)，此外還定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議[3]。

4.1 物理層

物理層是實(shí)現(xiàn)ECU與總線相連的電路。CAN總線的物理連接如圖3所示，總線兩端均串入1個(gè)范圍在118～130 ?的終端電阻（額定值為120 ?），用來抑制反射作用。使用屏蔽雙絞線作為CAN總線的傳輸介質(zhì)，由于控制器 MCU采用 MC9S12XS128，內(nèi)部集成有CAN控制器（MSCAN模塊），因而無需考慮獨(dú)立CAN控制器的設(shè)計(jì)，只需設(shè)計(jì)CAN總線接口電路，其功能是實(shí)現(xiàn)TTL電平與CAN總線電平的轉(zhuǎn)換。

圖3 CAN總線的物理連接

4.2 數(shù)據(jù)鏈路層

SAE J 1939的消息幀格式遵循CAN2.0B規(guī)范，但其只針對CAN2.0B的擴(kuò)展幀格式，并全面定義了標(biāo)準(zhǔn)化的通信。標(biāo)準(zhǔn)幀格式消息可以在網(wǎng)絡(luò)中存在，但標(biāo)準(zhǔn)幀設(shè)備不響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)管理消息，不支持標(biāo)準(zhǔn)化通信。在SAE J 1939/21（數(shù)據(jù)鏈路層文檔）中，定義了消息幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼規(guī)則，主要負(fù)責(zé)將CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符重新分組定義，使標(biāo)識(shí)符ID能夠描述報(bào)文的全部特征。

4.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于 ISO/OSI參考模型的頂層，主要用于用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間的信息交換。在貨車、客車等交通運(yùn)輸工具中，應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)用層協(xié)議便是SAE J 1939。

SAE J 1939協(xié)議的應(yīng)用層詳細(xì)規(guī)定了車輛控制與通信所用到的各種參數(shù)，包括 SPN（Suspect Parameter Number，可疑參數(shù)編號(hào)）和 PGN（Parameter Group Number，參數(shù)群編號(hào)）。在應(yīng)用層技術(shù)要求中，對報(bào)文格式、ISO拉丁字符集、參數(shù)范圍、傳輸重復(fù)率、發(fā)動(dòng)機(jī)及緩速器參數(shù)的命名規(guī)則等方面都有具體的規(guī)定和描述。

5 控制器制動(dòng)性能試驗(yàn)

將所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行液力緩速器臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證其功能與可靠性。采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析液力緩速器的制動(dòng)性能，從而驗(yàn)證是否滿足基本性能要求。

5.1 試驗(yàn)臺(tái)架及測試系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)臺(tái)架主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、變速箱、液力緩速器、負(fù)載電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、液力緩速器控制器及相關(guān)測試裝置組成。測試系統(tǒng)主要由氣壓傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器以及NI-DAQ數(shù)據(jù)采集卡組成。所設(shè)計(jì)的液力緩速器控制器如圖4所示。

圖4 液力緩速器控制器

在測試系統(tǒng)中，氣壓傳感器采用 PG1300-1.6MPA-GB-A，輸出的信號(hào)為4～20 mA電流；溫度傳感器采用PT1000，輸出電阻信號(hào)；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采用 F2iS型號(hào)轉(zhuǎn)矩傳感器，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送至CAN總線；NI-DAQ數(shù)據(jù)采集卡采用cDAQ-9174，利用NI 9207板卡測量氣壓傳感器發(fā)出的電流信號(hào)，利用NI 9226板卡測量溫度傳感器發(fā)出的電阻信號(hào)。測試系統(tǒng)的上位機(jī)界面采用LabVIEW編寫，包括信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理以及存儲(chǔ)，上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

5.2 性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)液力緩速器控制器的功能與可靠性，根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)和性能要求，以及控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，進(jìn)行基本性能試驗(yàn)、瞬時(shí)加載和卸載試驗(yàn)和溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)[3]。基本性能試驗(yàn)主要測量液力緩速器的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖6所示。瞬時(shí)加載和卸載試驗(yàn)主要測試緩速器加載和卸載的響應(yīng)速度。溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)主要測試溫度變化對制動(dòng)力矩的影響，獲得緩速器制動(dòng)時(shí)對冷卻液壓系統(tǒng)的需求。試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的制動(dòng)時(shí)對冷卻液壓系統(tǒng)的需求。試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的控制器滿足制動(dòng)能力需求，并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖6 緩速器在各擋位100℃油溫時(shí)力矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

6 結(jié)束語

CAN總線技術(shù)以其通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性能強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)勢在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，也為日趨復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)之間的信息通信和共享提供了基礎(chǔ)。通過CAN總線技術(shù)，物理層搭建、數(shù)據(jù)鏈路層配置和應(yīng)用層設(shè)計(jì)制定了液力緩速器控制器的通信協(xié)議，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器的合理性和可靠性。

[1]張陽，昊曄，騰勤，等. MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]羅峰，孫澤昌. 汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]陳波. 電控液力緩速器性能試驗(yàn)方法的研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2007.