CAN智能節(jié)點下拖拉機動力換擋變速器控制系統(tǒng)研究

王 毅，魯力群，孫 萌，倪慧亭，尹永芳

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

目前，CAN(controller area network)總線技術已從汽車領域擴展到農(nóng)機領域，在國外，CAN總線技術已廣泛應用于拖拉機整車通信，技術較為成熟。而我國拖拉機目前還沒有采用CAN總線通信技術，中國農(nóng)業(yè)大學、南京農(nóng)業(yè)大學等研究單位對拖拉機CAN總線協(xié)議的應用層進行了相關理論研究，但對于網(wǎng)絡分布式控制及網(wǎng)絡管理等方面研究還較為缺乏，基于CAN總線的拖拉機控制系統(tǒng)還沒有形成市場化產(chǎn)品[1-4]。

CAN總線控制系統(tǒng)有2種拓撲結構：集散式控制和分布式控制。目前，總線控制的拖拉機普遍采用整車控制器(vehicle control unit，VCU)對各個控制對象進行集散式控制，以集中的監(jiān)視和操作達到掌握全局的目的；在分布式控制系統(tǒng)中，多個智能節(jié)點連接到CAN總線上，實現(xiàn)各控制系統(tǒng)的信息共享。變速器控制單元(transmission control unit，TCU)是CAN總線網(wǎng)絡上的重要節(jié)點，對TCU智能節(jié)點的研究可以提高和改善動力換擋拖拉機控制系統(tǒng)的特性，因此，開展對拖拉機通信網(wǎng)絡和TCU智能節(jié)點的研究，對提高動力換擋拖拉機控制系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。設計了整車雙CAN通信網(wǎng)絡拓撲結構，針對動力換擋變速器智能節(jié)點進行了電路和輸入信號設計，并對其電液系統(tǒng)進行了仿真分析和研究。

1 CAN節(jié)點

美國汽車工程學會(SAE)將車內(nèi)通信網(wǎng)絡分為4種類型：A類適合低速環(huán)境(<10 kbps)，用于提高方便性的應用，如車窗、車門、車燈等設備的控制；B類適合中速環(huán)境(10～25 kbps)，用于一般信息傳遞，如車內(nèi)空調(diào)和加熱單元控制；C類適合高速環(huán)境(125 kbps～1 Mbps)，用于實時控制，如動力系統(tǒng)控制；D類適合速度大于1 Mbps的環(huán)境，用于多媒體應用和X-by-wire應用等[5]。電控單元之間的通信可以根據(jù)通信帶寬和通信速度的要求選擇不同的通信網(wǎng)絡，低速CAN總線和高速CAN總線分別屬于B類和C類總線，在汽車領域應用廣泛，總線控制技術同樣適用于拖拉機等農(nóng)機，New Holland、Ford等公司已有成熟的產(chǎn)品[6]。

1.1 整車網(wǎng)絡結構設計

本文設計了一種雙CAN總線網(wǎng)絡，采用了并列式和層次式并存的混合通信網(wǎng)絡拓撲結構[7-8](圖1)，低速CAN總線可靠性高，網(wǎng)絡速度要求低，用于連接燈光、儀表、遠程控制模塊和精準作業(yè)控制模塊等節(jié)點；高速CAN總線連接驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電液提升系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等；2條CAN總線通過VCU(網(wǎng)關)實現(xiàn)整車資源共享并進行數(shù)據(jù)交換。VCU是整車管理系統(tǒng)的核心，對各種信息進行分析處理并發(fā)出指令，協(xié)調(diào)拖拉機各控制單元及電氣設備的工作。雙CAN總線網(wǎng)絡可以實現(xiàn)拖拉機信息的分層控制，降低總線沖突，協(xié)調(diào)通信配置，解決拖拉機因線束繁多造成的電氣復雜和檢修困難等問題[9-11]。

圖1 拖拉機整車雙CAN通信網(wǎng)絡拓撲結構示意圖

1.2 節(jié)點方案設計

拖拉機整車通信網(wǎng)絡是由許多分布在高速、低速總線上的CAN智能節(jié)點組成，網(wǎng)關連接2條總線形成一個局域網(wǎng)。圖2是VCU與高速CAN總線和低速CAN總線的連接示意圖，整車控制器作為網(wǎng)關，處理來自其他智能節(jié)點的信息并發(fā)出控制信號，通常由MCU、CAN控制器和CAN收發(fā)器(驅(qū)動器)、光電隔離電路等組成。

1.3 節(jié)點電路設計

CAN智能節(jié)點MCU選擇Freescale的MC9S08DZ60芯片，收發(fā)器采用TJA1040，MC9S08DZ60芯片包括集成的CAN控制器、SCI、SPI和TPMx等接口，CAN智能節(jié)點電路原理圖如圖3所示。

圖2 整車控制器VCU與總線連接示意圖

圖3 CAN智能節(jié)點電路原理圖

CAN智能節(jié)點電路主要由3部分組成，帶CAN控制模塊的MC9S08DZ60控制芯片、2個6N137光電隔離電路和2個CAN收發(fā)器芯片TJA1040，MC9S08DZ60主要負責內(nèi)部CAN控制模塊的初始化，CAN報文的產(chǎn)生、傳輸及報錯等；CAN控制器和CAN收發(fā)器之間增加由6N137構成的光電隔離電路，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；TJA1040收發(fā)器作為CAN控制模塊與CAN總線之間的中繼單元，可以驅(qū)動CAN總線，使報文在總線上傳輸，采用2個TJA1040驅(qū)動器，可以增強總線容錯能力[12]，一個節(jié)點可以接受2條總線上傳來的不同信息，同時一個節(jié)點的信息發(fā)送到2條總線，實現(xiàn)信息傳輸備份，從而保證任何一條總線出故障時仍能正常通信。

2 動力換擋電磁閥及其電液控制

2.1 換擋電磁閥原理及其電液控制系統(tǒng)

換擋電磁閥(電液比例換向閥)是離合器調(diào)壓系統(tǒng)中的核心元件，通過調(diào)節(jié)控制輸入的PWM信號，實現(xiàn)對壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)，控制離合器的接合與分離，實現(xiàn)對油壓的連續(xù)控制，其結構如圖4所示，調(diào)節(jié)螺釘決定了預設壓力，線圈通電產(chǎn)生磁場，吸引銜鐵靠近，球閥左移，壓力油向離合器油路充油，電流大小決定了磁場的強弱，決定了進油口打開的程度。

1.調(diào)節(jié)螺釘; 2.調(diào)整彈簧; 3.閥套; 4.線圈; 5.銜鐵; 6.閥體; 7.閥擋板; 8.閥芯; 9.進油球閥

拖拉機動力換擋變速器電液控制技術的核心是利用適當?shù)拈y來實現(xiàn)對油壓的精準控制，上層是控制策略。圖5為動力換擋變速器電液控制系統(tǒng)原理圖，動力換擋電磁閥采用電液比例換向閥，接同一壓力源P1，合適的控制策略以及調(diào)速閥和蓄能器的合理設置，可以形成合適的換擋點,以減小液壓沖擊和防止動力中斷。

圖5 動力換擋變速器電液控制系統(tǒng)原理圖

2.2 控制策略

輸入信號的形式?jīng)Q定了換擋離合器的油壓特性，圖6所示為理想的換擋離合器油壓特性曲線，以L擋換M擋為例，在t0時刻發(fā)出換擋信號時，離合器電磁閥迅速打開到一定程度，在t1時刻達到壓力pcp，此壓力可推動活塞開始接觸摩擦片，壓力繼續(xù)增加，接合離合器開始傳遞轉矩，分離離合器由接合處于滑磨階段，t2時刻，分離離合器完全分離，接合離合器油壓繼續(xù)升高至pcf，達到系統(tǒng)壓力pms。

圖6 換擋離合器油壓特性曲線

根據(jù)理想的換擋離合器油壓接合特性建立了換擋電磁閥分段函數(shù)輸入信號(圖7)，把離合器油缸活塞位移作為反饋信號，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，然后對系統(tǒng)進行仿真。

圖7 換擋電磁閥輸入信號曲線

變速器控制系統(tǒng)TCU會根據(jù)輸入信號(車速、牽引力、滑移率等)按一定的控制策略確定合適的換擋時刻，控制策略有傳統(tǒng)控制和現(xiàn)代智能控制，現(xiàn)代智能控制又包括模糊換擋控制、神經(jīng)網(wǎng)絡換擋控制、專家系統(tǒng)等。

3 建模與仿真分析

3.1 模型的建立

AMESim(advanced modeling environment for simulation of engineering system)是一個多學科領域仿真平臺，可進行機電液復雜控制系統(tǒng)的仿真分析[13-14]。根據(jù)動力換擋變速器電液控制原理圖，在AMESim中建立其模型(圖8)，包括4組動力換擋電磁閥和濕式離合器，此模型檢驗換擋電磁閥開關特性、濕式離合器的響應特性和換擋過程壓力響應特性。

圖8 動力換擋變速器電液控制AMESim模型示意圖

為了進一步實現(xiàn)離合器柔順換擋，穩(wěn)定進入離合器的流量，在換擋電磁閥與離合器油缸之間增加調(diào)速閥，以其中的一組離合器為例，建立了AMESim模型(圖9)，2個模型在仿真時假設液壓油為理想油液，不考慮管道阻力和液壓缸的死區(qū)特性，并忽略系統(tǒng)泄漏和發(fā)熱[15]。

圖9 動力換擋濕式離合器AMESim模型示意圖

3.2 仿真結果分析

評價換擋品質(zhì)的指標通常有液壓沖擊度、滑磨功、輸出軸轉矩等，良好的換擋品質(zhì)要求換擋迅速、平穩(wěn)、無沖擊，且對動力傳遞影響小，盡量使動力不中斷[16]。沖擊度表示車輛縱向加速度對時間的導數(shù)，其大小主要受離合器油缸內(nèi)油壓變化曲線的影響，離合器摩擦片之間的總間隙為5～8 mm[17]，活塞推動離合器片移動，因此，活塞行程的變化能反映離合器接合和分離過程。

已有大量文獻對換擋過程的影響因素進行了分析和仿真，如系統(tǒng)主油壓、電磁力、節(jié)流孔直徑、閥芯質(zhì)量等因素對離合器油壓特性的影響，得出了各參數(shù)最佳數(shù)值范圍，對提高換擋品質(zhì)有很大的幫助[19-22]。本文不考慮調(diào)速閥、離合器等部件的結構參數(shù)變化，研究換擋重疊時間對換擋離合器液壓沖擊的影響。

對系統(tǒng)模型仿真了一次換擋過程，對離合器油缸活塞位移進行考察，仿真結果如圖10(a)，其中實線表示離合器1油缸活塞的位移，虛線表示離合器2 油缸活塞的位移，在0.3 s時收到換擋信號，活塞在壓力油的作用下開始發(fā)出動作，換擋電磁閥在0.4 s時開始泄油，即離合器2開始分離，泄油時間持續(xù)1.0 s，而離合器1在2.0 s時完全結合，因此，換擋重疊時間為1.0 s。

液壓沖擊即換擋過程引起的系統(tǒng)壓力波動，可以將離合器1和2的壓力疊加視為系統(tǒng)壓力波動，將重疊時間設為0.3 s，分別仿真0.3、0.4、0.5 s開始泄壓的壓力沖擊，用AMEplot加載每次仿真的液壓沖擊曲線(圖10(b))，離合器2油缸在0.3 s開始泄壓，液壓沖擊達2.48 MPa，離合器2油缸在0.5 s開始泄壓，液壓沖擊降到1.09 MPa，此情況下，車輛動力不會中斷，但有一定的降低，而在0.4 s開始泄壓，壓力波動為0.63 MPa，既沒有過大的壓力沖擊，又不會影響車輛的動力性能。

上一步的仿真確定了離合器2油缸的最佳泄壓時刻為0.4 s，進一步考察換擋重疊時間不同產(chǎn)生的液壓沖擊。仿真了離合器2油缸在0.4 s開始泄壓，泄壓時間為0.2、0.3、0.4和0.5 s的液壓沖擊情況(圖10(c))，換擋重疊時間為0.4 s時，壓力波動最小為0.48 MPa。通過以上仿真得出，系統(tǒng)的換擋過程離合器2油缸在0.4 s開始泄壓，泄壓時間持續(xù)0.4 s，系統(tǒng)的壓力沖擊達到最小。

圖10 換擋過程仿真分析曲線

4 結論

1) 文中設計的雙CAN總線的優(yōu)勢在于：可以實現(xiàn)拖拉機信息的分層控制、降低總線沖突、實現(xiàn)總線容錯能力等，是未來拖拉機通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向之一。

2) 硬件電路特點是在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間增加由6N137構成的光電隔離電路，減少電磁干擾，采用2個TJA1040驅(qū)動器可以增強總線容錯能力，一個節(jié)點可以接受2條總線傳來的不同信息，同時一個節(jié)點的信息發(fā)送到2條總線，實現(xiàn)信息備份，從而保證任何一條總線出現(xiàn)故障時仍能正常通信。

3) 設計了換擋電磁閥輸入信號，仿真表明：離合器油壓特性曲線接近理想狀況。對換擋重疊時間進行仿真，結果顯示離合器泄油時刻為0.4 s且換擋重疊時間為0.4 s時，系統(tǒng)受到的液壓沖擊最小為0.48 MPa，對車輛動力性能影響很小。

仿真結果可以為拖拉機智能換擋控制策略的建立提供參考，不足之處在于只從液壓沖擊對換擋品質(zhì)進行了評價，由于離合器接合過程存在滑磨損失，產(chǎn)生的熱量會導致摩擦片溫度升高、表面磨損等問題，進一步的換擋品質(zhì)研究可以采用離合器摩擦片滑磨功及溫度等影響因素進行評價。