基于CAN總線和DSP的重型汽車AMT系統(tǒng)研究

1、基于C AN總線和DSP的重型汽車A MT系統(tǒng)研究The S tudy o n He avy2D u ty Truck AM T Sys tem B a se d o n CAN bu s and D SP徐淑峰張承瑞李洪斌(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,濟(jì)南250061摘要:汽車的使用條件變化頻繁,不同條件有不同的控制目標(biāo),必須把汽車整車各控制單元聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)綜合控制。利用數(shù)字信號處理器DSP芯片T MS320LF2407A以及其內(nèi)帶的CAN模塊對重型汽車電控機(jī)械式自動變速器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和控制研究,實(shí)現(xiàn)了各電控單元之間的CAN總線數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)的控制目標(biāo)。今后應(yīng)順應(yīng)現(xiàn)代汽車的核心技術(shù)S AEJ19

2、39等協(xié)議,建立汽車ECU之間通信的應(yīng)用層協(xié)議。關(guān)鍵詞:CAN總線數(shù)字信號處理器電控機(jī)械式自動變速器S AEJ1939協(xié)議中圖分類號:TP27文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AAbstract:The actual operating conditi ons of automobiles change frequently,and different condition refers t o different comp rehensive control ai m.Thus it is necessary t o link up each contr ol unit of aut omobile to i m

3、p lement the integrated contr ol.By utilizing digital signal p r ocess or DSP chip T MS320LF2407A and the CAN module on chip,the2duty truck Aut omatic Mechanical Trans m issi on(AMTsystem is designed and researched.CAN bus data communication among each electric contr ol unit and the contr ol ai m of

4、 the system is i mp lemented.I n the future,it is i m portant to confor m the S AEJ1939p rotocol,the kernel technology of the modern automobiles,and to build app licati on layer p r ot ocol among electric contr ol units.Keywords:CAN busD igital signal p rocessorAMTS AEJ1939p r ot ocol0引言T MS320LF240

5、7A是TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器1,它專門為數(shù)字控制設(shè)計,集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體,在數(shù)字控制系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。T MS320LF2407A為高性能的控制提供先進(jìn)、可靠、高效的信號處理與控制平臺,它將數(shù)字信號處理的運(yùn)算能力與面向高性能控制的能力集于一體,可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件,可方便地修改控制策略,修正控制參數(shù),兼具故障監(jiān)測、自診斷和上位機(jī)管理與通信等功能,將成為控制系統(tǒng)開發(fā)的主流處理器。1CAN總線的特點(diǎn)及功能隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用,汽車上的ECU數(shù)量越來越多。因此,一種新的概念車上控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN(contr

6、 oller area net w ork的概念也就應(yīng)運(yùn)而生了。自上世紀(jì)80年代Bosch公司開發(fā)出CAN總線后,CAN總線得到了廣泛的應(yīng)用。T MS320LF2407A芯片自身帶有CAN模塊,是一個完全的CAN控制器1。目前CAN總線技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設(shè)計。CAN為串行通信協(xié)議,CAN總線與一般總線相比,它的數(shù)據(jù)通信有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性2。針對重型卡車安全性等諸多需要,將CAN總線應(yīng)用于重型運(yùn)載卡車電子控制系統(tǒng)勢在必行。2分步式重型汽車的AM T電控系統(tǒng)電控機(jī)械式自動變速器(AMT具有操作容易、駕駛舒適、能減少駕駛者疲勞

7、等優(yōu)點(diǎn),已成為現(xiàn)代轎車配置的一種發(fā)展方向。裝有AMT系統(tǒng)的汽車能根據(jù)路面狀況自動變速變矩,司機(jī)可以全神貫注地注視路面交通而不會被換擋搞得手忙腳亂。從而提高了行車的安全性和舒適性。對于重型卡車更需要裝配AMT控制系統(tǒng),但AMT系統(tǒng)在國內(nèi)還沒有在卡車上應(yīng)用的先例。目前,中國重汽集團(tuán)的新型豪沃重卡AMT系統(tǒng)已實(shí)驗(yàn)成功。電控機(jī)械式自動變速器是集計算機(jī)、微處理器控制、執(zhí)行電機(jī)、氣動元件、汽車傳感器等現(xiàn)代技術(shù)為一體的高科技汽車機(jī)電一體化項目。該項目不改變原車發(fā)動機(jī)、離合器和變速器主體結(jié)構(gòu),通過裝載DSP控制的自動操縱機(jī)械,取代原來由人工操作完成的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制、離合器分離與接合及變速器的選換檔等動作,最終

8、實(shí)現(xiàn)換檔全過程的自動化。發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱等各個模塊都由各自相互獨(dú)立的微處理器12基于CAN總線和D SP的重型汽車A M T系統(tǒng)研究徐淑峰,等自動化儀表第27卷第11期2006年11月PR OCESS AUT OM AT I O N I NSTRU M ENTAT I O N Vol .27No .11Nove m ber 2006來控制,各個電控單元由CAN 總線相聯(lián),實(shí)現(xiàn)各個模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。如果某一個電控單元出現(xiàn)故障,也不致于對別的電控單元產(chǎn)生影響?；贑AN 總線的分布式控制系統(tǒng)圖1 所示。圖1基于CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)Fig 11D istributed contr

9、 ol system based on CAN bus211發(fā)動機(jī)控制單元發(fā)動機(jī)控制單元需要對發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。本系統(tǒng)的研究對象使用柴油發(fā)動機(jī)。與汽油發(fā)動機(jī)不同,柴油發(fā)動機(jī)采用的是“量調(diào)節(jié)”,即發(fā)動機(jī)輸出的功率由每個做功循環(huán)中泵入汽缸中的柴油量決定。以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制裝在柴油泵上的油門拉桿即可以控制柴油泵泵入汽缸的柴油量,實(shí)現(xiàn)油門開度的調(diào)節(jié),從而得到相應(yīng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。同時還需要定時測量發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速,為自動換擋策略提供參考數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中設(shè)計的電控油門系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng),ECU 根據(jù)檢測到的指令信號控制步進(jìn)電機(jī)跟隨腳踏傳感器運(yùn)動。ECU 在每個采樣周期開始時,啟動A /D

10、轉(zhuǎn)換采樣踏板傳感器的電壓值,按照相應(yīng)的比例關(guān)系計算出步進(jìn)電機(jī)的指令位置,并計算出當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際位置;然后根據(jù)指令位置與實(shí)際位置的差值計算在這個采樣周期內(nèi)步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)動的步數(shù),根據(jù)此步數(shù)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號,按照指數(shù)加減速曲線對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制防止丟步,使步進(jìn)電機(jī)跟隨踏板傳感器信號運(yùn)動。212離合器控制單元中國重汽的重型卡車均采用氣壓傳動。在離合器電控單元中,由CPU 采集離合器踏板傳感器和離合器助力缸上安裝的直線位移傳感器的信號,輸入A /D 轉(zhuǎn)換模塊,做模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量,采用改進(jìn)的單神經(jīng)元自適應(yīng)智能P I D 控制算法,求得PI D 控制器輸出的控制量u ,控

11、制比例閥動作,從而實(shí)現(xiàn)離合器的分離和平穩(wěn)的結(jié)合。比例閥控制系統(tǒng)如圖2所示 。圖2比例閥控制系統(tǒng)Fig 12The contr ol syste m of p r oporti on valve單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位,具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力,結(jié)構(gòu)簡單并且容易計算,并且具有較強(qiáng)的魯棒性?；趩紊窠?jīng)元的PI D 控制和傳統(tǒng)PI D 控制相結(jié)合,可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PI D 控制不容易在線實(shí)時整定參數(shù)和難于對一些復(fù)雜過程和參數(shù)慢時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的不足。單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力的。而對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整有多種學(xué)習(xí)規(guī)則,本實(shí)驗(yàn)中采用的是有規(guī)則的

12、Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則,控制算法如下式所示:w i =w i +y i e u (e +e -e 1;w p =w p +y p e u (e +e -e 1;w d =w d +y d e u (e +e -e1;w 1=w i /Abs (w i +Abs (w p +Abs (w d ;w 2=w p /Abs (w i +Abs (w p +Abs (w d ;w 3=w d /Abs (w i +Abs (w p +Abs (w d ;u =u +k w 1e +w 2(e -e1+w 3(e -2e1+e 2;(1式中:y p ,y i ,y d 分別為比例、積分、微分環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)速率;

13、w p ,w i ,w d 為學(xué)習(xí)規(guī)則;w 1,w 2,w 3為加權(quán)系數(shù);u 為P I D 控制器輸出的控制量。213變速箱電控單元在本系統(tǒng)中,盡量保持原有結(jié)構(gòu)不變。因?yàn)榭ㄜ嚿显瓉砭褪菤鈩硬考?所以在變速箱電控系統(tǒng)中設(shè)計了雙氣缸選換檔機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、安全可靠。該系統(tǒng)的選換檔機(jī)構(gòu)中,雙氣缸機(jī)構(gòu)和各電磁閥的安裝示意圖如圖3所示。本文研究對象的變速箱具有10 個檔位,它與普通汽車一樣采用雙H 型結(jié)構(gòu),由換檔桿、選檔桿控制檔位的選擇與切換,選檔桿與換檔桿都有三個位置。圖3雙氣缸機(jī)構(gòu)和各電磁閥的安裝Fig 13I nstallati ons of the dual cylindermechan

14、is m and s olenoid valves214顯示模塊自動變速器電控單元采集各種輸入信號,包括整車的行使?fàn)顩r、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、司機(jī)的意愿、道路交通情況等。然后把這些信號送到DSP 進(jìn)行處理,DSP 處理后輸出控制信號,并將目前的擋位、升擋、降擋、輸出22基于CAN 總線和D SP 的重型汽車A M T 系統(tǒng)研究徐淑峰,等自動化儀表第27卷第11期2006年11月軸轉(zhuǎn)速等信息控制送到電子顯示單元。215CAN 總線與各電控單元的連接在該控制系統(tǒng)中,將發(fā)動機(jī)電控單元、離合器電控單元、變速箱電控單元以及顯示模塊用CAN 總線相連,實(shí)現(xiàn)整車電子控制單元之間的CAN 通信控制。為了提高系統(tǒng)的抗干

15、擾性,在CAN 收發(fā)器和T MS320LF2407A 之間連接上光電隔離器6N137,硬件電路原理如圖4 所示。圖4C AN 總線和T MS320LF2407A 的硬件電路框圖Fig 14Hard ware circuit of CAN bus and T MS320LF2407A在該系統(tǒng)中,以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,采用位仲裁的方式對總線進(jìn)行訪問,即在報文的開始部位發(fā)送發(fā)動機(jī)、離合器和變速箱各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志符。采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀傳送數(shù)據(jù)。各電控單元向DSP 發(fā)送其狀態(tài)信息。發(fā)動機(jī)電控單元設(shè)定的信息有發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速、油門踏板傳感器位置及進(jìn)氣溫度等。離合器電控單元設(shè)定的信息有離合器的結(jié)合位置與助力缸的

16、氣壓等。變速箱電控單元設(shè)定的信息有:變速箱中間軸的轉(zhuǎn)速、輸出軸的轉(zhuǎn)速以及目前的檔位等。DSP 向各電控單元發(fā)送執(zhí)行命令。T MS320LF2407A 的CAN 模塊具有自動回復(fù)功能,即當(dāng)CAN 控制器收到遠(yuǎn)程幀后,如果遠(yuǎn)程幀的標(biāo)志符和該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志符相同,該節(jié)點(diǎn)就發(fā)送數(shù)據(jù)幀到總線上,發(fā)送遠(yuǎn)程幀的節(jié)點(diǎn)就能夠接收到該數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)兩個節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。該設(shè)計中的遠(yuǎn)程幀也采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。DSP 向各電控單元發(fā)送遠(yuǎn)程幀要求汽車各電控單元發(fā)送自己的狀態(tài)信息到總線,然后由DSP 接收。216CAN 總線的軟件設(shè)計在軟件設(shè)計中采用模塊化結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方案,使之具有良好的可移植性,CAN 總線系統(tǒng)的初始化設(shè)計

17、是CAN 模塊軟件設(shè)計的關(guān)鍵3。該設(shè)計使用CCS(code composer studio 軟件。初始化位定時器的時候,先設(shè)置主控制寄存器MCR 中的改變配置請求位為高,即CCR =1,再設(shè)置全局狀態(tài)寄存器GSR 的改變配置使能位CCE 為高,然后設(shè)置位定時器BCR 1和BCR 2,最后對CCR 和CCE 位清0。初始化郵箱的時候,先設(shè)置郵箱方向和使能寄存器MDER 中的使能位為低,禁止郵箱工作,再設(shè)置MCR 中數(shù)據(jù)域改變請求位CDR 為高,改變數(shù)據(jù),最后把CDR 位置該低,郵箱使能位為高,使能郵箱。CAN 總線技術(shù)只是定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,今后還應(yīng)順應(yīng)現(xiàn)代汽車的核心技術(shù)CANopen 和S AEJ1939等協(xié)議,建立汽車ECU 之間通信的應(yīng)用層協(xié)議。CAN 的發(fā)送信息流程和接收信息流程分別如圖5所示。圖5C AN 總線發(fā)送/接數(shù)據(jù)流程圖Fig 15Fl owchart of sending/receiving data of CAN bus3結(jié)束語該系統(tǒng)是電控機(jī)械式自動變速器AMT 技術(shù)在國內(nèi)重型汽車上的首次應(yīng)用,并且在系統(tǒng)中引入了CAN 總線技術(shù),實(shí)現(xiàn)了車載ECU 之間的CAN 總線通信。該系統(tǒng)減輕了駕駛員的疲勞強(qiáng)度,并具有良好動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性、低污染等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1劉和平,王維俊,江渝,等.T MS320lf240x DSP C 語言開發(fā)應(yīng)用指M .北京:北京