基于CAN總線的液壓混合動力車控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于CAN總線的液壓混合動力車控制系統(tǒng)設(shè)計李世剛1 譚 彧2 謝斌2(1.北京勞動保障職業(yè)學(xué)院北京100029;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院北京100083摘要:液壓混合動力車是一種新型環(huán)保節(jié)能車輛,液壓輔助驅(qū)動單元與車輛的原有驅(qū)動系統(tǒng)共同組成了混合動力驅(qū)動系統(tǒng).由于涉及到制動能量的回收和兩種動力共同驅(qū)動車輛行駛的情況,帶來了混合動力分配策略的復(fù)雜性,因此必須具有一個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)議對該系統(tǒng)進行設(shè)計,其硬件核心選用采用PC/104計算機+CAN通信卡組成的系統(tǒng),液壓輔助驅(qū)動單元關(guān)鍵節(jié)點采用DSP芯片TMS320LF2407構(gòu)成的系統(tǒng)。試驗表

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

3、統(tǒng)進行設(shè)計。1 控制系統(tǒng)的組成液壓混合動力車輛的控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線的分布式嵌入式控制系統(tǒng),即以體積較小的PC104工控機為上位機,對系統(tǒng)實現(xiàn)高層次的優(yōu)化控制與管理;對變量泵/馬達動力源重要節(jié)點采用TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器(DSP作為節(jié)點控制器(下位機保證及時地進行故障檢測和處理以及進行快速復(fù)雜的平滑算法,另外,TMS320LF2407A 的CAN控制器支持CAN2.0B協(xié)議,可進行編程位定時和編程中斷配置,有總線喚醒功能和自動回復(fù)遠程請求功能;其他節(jié)點采用單片機作為下位機。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與動力源關(guān)鍵節(jié)點之間通訊數(shù)據(jù)的實時傳遞。基于CAN總線通訊的液 機械連接液動連接圖1基于CAN總線通訊的車輛控制系統(tǒng)組成簡圖CAN 總線 圖2液壓泵/液壓馬達節(jié)點的電路方案示意圖圖3 液壓泵/液壓馬達關(guān)鍵節(jié)點的主程序框架壓混合動力車輛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要有:上位機節(jié)點、發(fā)動機節(jié)點、變量泵/馬達節(jié)點、油門踏板/制動踏板節(jié)點、附件節(jié)點等。2 系統(tǒng)CAN 節(jié)點的軟、硬件設(shè)計2.1變量泵/馬達關(guān)鍵節(jié)點的軟、硬件設(shè)計液壓輔助驅(qū)動單元節(jié)點的結(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)動電路、I/O 接口電路等組成。液壓泵/液壓馬達關(guān)鍵節(jié)點采用了DSP 芯片(TI 公司的TMS 320LF 2407A ,具有運算速度高,能耗低的優(yōu)點,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)模式和擴展模式下工作,以郵箱的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù),對接收郵箱配置接收屏蔽字。該控制器可以進行編程位定時和編程中斷配置,有總線喚醒功能和自動回復(fù)遠程請求功能。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)送錯誤和丟失仲裁時,可以自動重發(fā),并且有總線錯誤診斷功能,還可以在自測試模式下工作。 該節(jié)點整體軟件方案將軟件建設(shè)為三層:主循環(huán)前臺程序、中斷處理后臺程序和功能模塊后臺

6、程序,這種方法可以將各個功能模塊相對獨立起來,這對程序的調(diào)試非常有利。對于嵌入式控制器來說,軟件部分是其核心。軟件的設(shè)計應(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)的可維護性和模塊化編程。本車的軟件基于的就是這樣的設(shè)計方式,軟件以前后臺的軟件方式運行。在前臺運行系統(tǒng)的主循環(huán),主要包括控制策略的軟件實現(xiàn)和各子模塊的軟件控制;后臺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/液壓馬達關(guān)鍵節(jié)點的主程序框架如圖3所示。2.2油門/制動踏板節(jié)點的軟、硬件設(shè)計系統(tǒng)的油門/制動踏板節(jié)點的控制器采用8051兼容芯片P 89C 54UFPN ,P 89C 54U

7、FPN 是Philips 公司生產(chǎn)的一種8位單片機芯片其特點是內(nèi)核采用先進CMOS 工藝的單片位微控制器是80C 51,CPU 時鐘頻率可達33MHz ,片上帶有16K 的FLASH ,256字節(jié)的SARAM ,可分別尋址程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器各64K 空間,雙DPTR 寄存器;3個16位定時器;4個8位I/O 口;全雙工增強型UART ;串行編程(ISP。該節(jié)點原理框圖如圖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. 試驗結(jié)果在以下條件下對控制系統(tǒng)進行了通訊試驗: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 ,至少有四個節(jié)點工作,只在實驗室內(nèi)進行多節(jié)點通訊時,控制器連續(xù)工作48小時,通訊沒有出錯;采用液壓輔助驅(qū)動控制策略,進行實車(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,系統(tǒng)正常工作24小時,通訊無錯誤發(fā)生。參 考 文 獻1 饒運濤等編著.現(xiàn)場總線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)在液壓混合動力車輛上的應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005.9.5 謝斌;毛恩榮;譚彧.基于CAN 總線的拖拉機電液懸掛系統(tǒng)控制器研制J.機床與液壓,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