基于CAN總線的液壓混合動(dòng)力車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于CAN總線的液壓混合動(dòng)力車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)李世剛1 譚 彧2 謝斌2(1.北京勞動(dòng)保障職業(yè)學(xué)院北京100029;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院北京100083摘要:液壓混合動(dòng)力車是一種新型環(huán)保節(jié)能車輛,液壓輔助驅(qū)動(dòng)單元與車輛的原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同組成了混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).由于涉及到制動(dòng)能量的回收和兩種動(dòng)力共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛的情況,帶來了混合動(dòng)力分配策略的復(fù)雜性,因此必須具有一個(gè)高效的能量管理系統(tǒng)即控制系統(tǒng)?；贑AN總線技術(shù),采用CAN2.0B通訊協(xié)議對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),其硬件核心選用采用PC/104計(jì)算機(jī)+CAN通信卡組成的系統(tǒng),液壓輔助驅(qū)動(dòng)單元關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用DSP芯片TMS320LF2407構(gòu)成的系統(tǒng)。試驗(yàn)表

2、明系統(tǒng)具有較高的通訊可靠性,實(shí)時(shí)保證了車輛的安全性和最佳的能源匹配。關(guān)鍵詞:CAN總線 液壓混合動(dòng)力車 DSP 控制系統(tǒng)中圖分類號(hào):TP273;TN919.20 前言隨著社會(huì)的發(fā)展,發(fā)展節(jié)能環(huán)保車輛成汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。液壓混合動(dòng)力車輛,以液壓蓄能器和變量泵/馬達(dá)為核心組成的液壓輔助驅(qū)動(dòng)單元即剎車能量回收與利用系統(tǒng)與車輛原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)車輛,在降低汽車尾氣排放的污染和節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢(shì),使其具有很好的應(yīng)用前景。而CAN總線具有實(shí)時(shí)性高、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)機(jī)制強(qiáng)、連接簡(jiǎn)單,可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),十分適合液壓混合動(dòng)力車輛的復(fù)雜的動(dòng)力匹配和車載網(wǎng)絡(luò)的安全的要求。因此,本文基于CAN總線技術(shù)對(duì)其控制系

3、統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。1 控制系統(tǒng)的組成液壓混合動(dòng)力車輛的控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式嵌入式控制系統(tǒng),即以體積較小的PC104工控機(jī)為上位機(jī),對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高層次的優(yōu)化控制與管理;對(duì)變量泵/馬達(dá)動(dòng)力源重要節(jié)點(diǎn)采用TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器(DSP作為節(jié)點(diǎn)控制器(下位機(jī)保證及時(shí)地進(jìn)行故障檢測(cè)和處理以及進(jìn)行快速?gòu)?fù)雜的平滑算法,另外,TMS320LF2407A 的CAN控制器支持CAN2.0B協(xié)議,可進(jìn)行編程位定時(shí)和編程中斷配置,有總線喚醒功能和自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求功能;其他節(jié)點(diǎn)采用單片機(jī)作為下位機(jī)。在車輛的總線布局空間內(nèi)采用250kbps波特率,主要采用主從應(yīng)答式的通訊方式,這樣做盡管導(dǎo)致了信道利用

4、率降低,但卻能很好的保證上位機(jī)與動(dòng)力源關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間通訊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞?；贑AN總線通訊的液 機(jī)械連接液動(dòng)連接圖1基于CAN總線通訊的車輛控制系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖CAN 總線 圖2液壓泵/液壓馬達(dá)節(jié)點(diǎn)的電路方案示意圖圖3 液壓泵/液壓馬達(dá)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的主程序框架壓混合動(dòng)力車輛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要有:上位機(jī)節(jié)點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)、變量泵/馬達(dá)節(jié)點(diǎn)、油門踏板/制動(dòng)踏板節(jié)點(diǎn)、附件節(jié)點(diǎn)等。2 系統(tǒng)CAN 節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)2.1變量泵/馬達(dá)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)液壓輔助驅(qū)動(dòng)單元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成的方案示意圖如圖2所示,主要由DSP 芯片、電源電路、ADC 接口電路、CAN 總線接口電路、PWM 輸

5、出驅(qū)動(dòng)電路、I/O 接口電路等組成。液壓泵/液壓馬達(dá)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用了DSP 芯片(TI 公司的TMS 320LF 2407A ,具有運(yùn)算速度高,能耗低的優(yōu)點(diǎn),該芯片內(nèi)置CAN 控制器。TMS 320LF 2407A 的CAN 控制器支持CAN 2.0B 協(xié)議,可以在標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式下工作,以郵箱的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù),對(duì)接收郵箱配置接收屏蔽字。該控制器可以進(jìn)行編程位定時(shí)和編程中斷配置,有總線喚醒功能和自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求功能。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)送錯(cuò)誤和丟失仲裁時(shí),可以自動(dòng)重發(fā),并且有總線錯(cuò)誤診斷功能,還可以在自測(cè)試模式下工作。 該節(jié)點(diǎn)整體軟件方案將軟件建設(shè)為三層:主循環(huán)前臺(tái)程序、中斷處理后臺(tái)程序和功能模塊后臺(tái)

6、程序,這種方法可以將各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立起來,這對(duì)程序的調(diào)試非常有利。對(duì)于嵌入式控制器來說,軟件部分是其核心。軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上做到功能的完善性、系統(tǒng)的可維護(hù)性和模塊化編程。本車的軟件基于的就是這樣的設(shè)計(jì)方式,軟件以前后臺(tái)的軟件方式運(yùn)行。在前臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)的主循環(huán),主要包括控制策略的軟件實(shí)現(xiàn)和各子模塊的軟件控制;后臺(tái)是各中斷處理程序和基于物理層的控制。相互間提供良好的接口,這樣可以使軟件易于修改。液壓泵/液壓馬達(dá)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的主程序框架如圖3所示。2.2油門/制動(dòng)踏板節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的油門/制動(dòng)踏板節(jié)點(diǎn)的控制器采用8051兼容芯片P 89C 54UFPN ,P 89C 54U

7、FPN 是Philips 公司生產(chǎn)的一種8位單片機(jī)芯片其特點(diǎn)是內(nèi)核采用先進(jìn)CMOS 工藝的單片位微控制器是80C 51,CPU 時(shí)鐘頻率可達(dá)33MHz ,片上帶有16K 的FLASH ,256字節(jié)的SARAM ,可分別尋址程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各64K 空間,雙DPTR 寄存器;3個(gè)16位定時(shí)器;4個(gè)8位I/O 口;全雙工增強(qiáng)型UART ;串行編程(ISP。該節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖4所示。軟件主要由3部分子程序組成:初始化子程序;安全處理的子程序;接收數(shù)據(jù)子程序。P89C54UFPN 中的A/D 模塊初始化程序的流程如圖5所示。3. 試驗(yàn)結(jié)果在以下條件下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了通訊試驗(yàn):CAN 總線通訊波特

8、率設(shè)為100K ,通訊距離為20米,數(shù)據(jù)更新周期為0.05s ,至少有四個(gè)節(jié)點(diǎn)工作,只在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)通訊時(shí),控制器連續(xù)工作48小時(shí),通訊沒有出錯(cuò);采用液壓輔助驅(qū)動(dòng)控制策略,進(jìn)行實(shí)車(金龍XMQ6115G 客車,主要參數(shù)如下;空載質(zhì)量M 1=10780kg ,車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)d =1.3,空氣阻力系數(shù)D C =0.6,迎風(fēng)面積A =6m 2試驗(yàn),系統(tǒng)正常工作24小時(shí),通訊無錯(cuò)誤發(fā)生。參 考 文 獻(xiàn)1 饒運(yùn)濤等編著.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.62 鄔寬明.CAN 總線原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.3.3 劉和

9、平等.TMS320LF240xDSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.9.4 韓聚奎,蔣宜.CAN 總線技術(shù)在液壓混合動(dòng)力車輛上的應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005.9.5 謝斌;毛恩榮;譚彧.基于CAN 總線的拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)控制器研制J.機(jī)床與液壓,2007.5.Control System Design of Hydraulic HybridVehicle Based on CAN BusLi Shigang 1 Tan Yu 2 Xie Bin 2(1.The Beijing Vocational College of Labor and SocialSecu

10、rity 100029;2. College of Engineering, China AgriculturalUniversity, 100083Abstract : Hydraulic Hybrid Power Motor Vehicle is a newtype of environmental and energy saving vehicle. The hydraulic auxiliary drive unit, namely the braking powerregeneration and reuse system, is constructed with hydraulic

11、 accumulator and double direction reversible hydraulic pump as its core. The hydraulic auxiliary drive unit and the vehicles drive system constitute the hybrid power drive system. In view of the complexity of power distributionstrategy, which is caused by the condition of two types of power driving

12、the vehicle as well as reclamation of brake energy., a high efficient control system (energy management system is designed. On the basis CAN Bus technology, the communication protocol of CAN2.0B is used to design this system, while PC/104 computer and CAN communication card are adopted to be the systems main hardware and DSP unit TMS320LF2407 is used to make up the hydraulic auxiliary drive unit. The experiment results illustrate that this system is highly reliable on communication and ensures the safety of vehicle and optimal power distribution.Keywords : CAN B