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基于CAN总线的并联液压混合动力车控制系统
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1 引言

   目前,我国城市公共交通主要依赖公交车,站间距离一般在500~1000米。公交车在每站间有数次刹车和启动,在交通流量的高峰期,刹车和启动更加频繁,带来能源浪费、尾气污染加剧、部件寿命缩短等一系列问题。

  本课题研究的控制系统,可使并联液压混合动力车充分利用制动能量,在频繁刹车和启动的路况,可以明显提高车辆启动、加速和减速特性,改善车辆排放,降低油耗,延长发动机及刹车装置的寿命。而且与混合动力电动车相比,该系统在成本,技术成熟度,可靠性,维护性等方面均占有相当的优势。

  并联式液压混合动力车的动力传动系中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力,有两个或两个以上相应的执行元件可同时驱动负载,该动力传动系主要由发动机、变速箱、主减速器、液压蓄能器和液压泵/马达组成。并联形式保留传统车的动力传动链,只是在原传动链上增加了由液压泵/马达和液压蓄能器组成的能量再生系统,从而形成双动力驱动。

  目前,并联液压混合动力车技术已经比较成熟,如图1所示。

  车辆在启动和加速时,液压驱动系统提供辅助动力,释放蓄能器中储存的能量;车辆减速和制动时,液压驱动系统提供辅助制动力,并向蓄能器中储存能量。

基于CAN总线的并联液压混合动力车控制系统

  图1 并联液压混合动力车结构原理图

  2 控制系统网络结构

  CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,优越性是显而易见的,同时,CAN总线也被认为是混合动力车最佳通讯结构,本文采用CAN总线网络来搭建控制系统。

图如下图2所示,控制系统采用分布式控制,共有5个节点控制器,主要分布在车上控制量和采集量密集的地方,包括主控制模块、液压系统测控模块、液压充液控制模块、车辆信息采集模块以及发动机控制模块。

基于CAN总线的并联液压混合动力车控制系统

  图2 控制系统网络结构

  主控制模块控制器采用配备了智能PC104 CAN控制卡的PC104计算机,其他模块控制器采用以P80C592单片机为核心构成。P80C592芯片本身集成有CAN控制器,A/D转换器,看门狗,使用该芯片使各控制节点小型化成为可能,在它的基础上扩展了外围模拟量和数字量的输入和输出,便于过程控制。

  3 控制系统的通讯管理

  3.1 CAN总线节点地址分配

  对于以上述P80C592和PC104结构CAN通讯卡为硬件基础的CAN总线网络形式,节点之间通讯报文所用到的信息帧有两种:数据帧和远程帧。数据帧和远程帧的帧起始位之后都包括有标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。标识符的长度为11(ID.10~ID.0)位,包含信息帧目标地址特征。RTR位在数据帧中必须是“显性”电平,用以标记帧类型。

  节点报文接收器的接收滤波器由两部分组成:接收码寄存器(ACR)和接收屏蔽寄存器(AMR)。此两个寄存器均为8位:验收码位(AC.7~AC.0),验收屏蔽位(AM.7~AM.0)。当信息帧的报文标识符最高8位(ID.10~ID.3)满足下列等式:

  〔(ID.10~ID.3)=(AC.7~AC.0)〕或(AM.7~AM.0)=11111111B

  则该信息帧将被报文接收器接收。

  对于本系统的5个网络节点,定义各节点的验收码和验收屏蔽码如下:

  1#:ACR=81H,AMR=BEH;

  2#:ACR=82H,AMR=BDH;

  3#:ACR=84H,AMR=BBH;

  4#:ACR=88H,AMR=B7H;

  主机:ACR=A0H,AMR=9FH;

  根据上述节点地址分配,各节点均可实现对其它任意节点组合的信息发送。如主机对1#、2#、3#节点同时发送信息,则主机发送信息帧的标识符高8位可写为:87H或07H。

  可见对报文接收器而言,ID.10=0或1没有区别。但根据CAN总线协议,显性位“0”将比隐性位“1”具有更高的总线优先权。定义ID.10=0的信息帧为“快速帧”,ID.10=1的信息帧为“普通帧”。

  因此,上述地址分配方法具有以下优点:

  (1)容易实现单点对其他点任意组合的信息发送;

  (2)各节点具有不同的优先级,从1#到5#到主机优先级依次降低,保证发往关键节点的信号不被阻塞;

  (3)每个节点都有两种地址编码,且优先级不同,保证关键指令首先被接收。

  3.2通讯方式及信息帧分类

  由于分布式控制通讯量较大,对信息进行分类和规定相应的协议将有利于软件的标准化,提高编程效率和程序的可靠性。首先,依据CAN总线协议标准,定义以C语言描述的CAN信息帧格式:

  struct CAN_MSG

  {

  unsigned char CAN_FLAG;

  unsigned char CAN_DLC;

  unsigned char CAN_DATA[8];

  };

  其中CAN_FLAG是信息目标标识符,CAN_DLC含远程帧信号位、帧定义描述和数据帧长度信息,CAN_DATA为8字节数据。

  依据信息的流向、总线优先级和作用的不同,将通讯信息分为5类,其具体定义如下(按优先级从低到高排列):

  (1)远程帧:由主机以一定节拍发往各控制器,击活相应控制器的状态帧发送。目的是使主机能在规定的时间内获得电动车的状态信息,同时减少因各控制器自动发送状态帧而引起总线阻塞。

  格式:CAN_FLAG采用“普通帧”点对点编码;CAN_DLC=0xF0;CAN_DATA为空。

(2)状态帧:由控制器发往主机或其他控制器。状态帧返回当前命令执行状态和采集量信息,作为上层控制器执行下一步规划的标志。

  格式:CAN_FLAG采用“普通帧”点对点、点对多编码;CAN_DLC=0xE8;CAN_DATA[0]为状态或信息数据标识,确定后续数据的含义;CAN_DATA[1]~ CAN_DATA[7]为数据。

  (3)间接命令帧:由主机发往控制器,或由某运行复合动作元的控制器发往其他控制器。间接命令帧含有复合动作元或动作元指令,接收方必须对命令进行分解才能产生驱动外设动作的控制元指令。

  格式:CAN_FLAG采用“普通帧”点对点、点对多编码;CAN_DLC=0x60+DLC,DLC等于有效数据的字节数;CAN_DATA[0]为状态或信息数据标识,确定后续数据的含义;CAN_DATA含有具体指令信息。

  (4)直接命令帧:发送方向同间接命令帧。但该命令帧所含命令将被接收方直接执行,驱动控制元动作,因此,应具有比间接命令帧更高的优先级。

  格式:CAN_FLAG采用“快速帧”点对点、点对多编码;CAN_DLC=0x20+DLC,DLC等于有效数据的字节数;CAN_DATA含有具体指令信息。

  (5)紧急命令帧:从检测到紧急状态的控制发往其他相关控制器。此命令具有最高优先级,用以在检测到紧急状态时,快速执行相应动作、避免事故发生。该命令将被接收方直接运行。

  格式:CAN_FLAG采用“快速帧”点对点、点对多编码;CAN_DLC=0x00+DLC,DLC等于有效数据的字节数;CAN_DATA含有具体指令信息。

  3.3 软件设计

  CAN总线为分布式控制提供了良好的硬件基础,使各节点的通讯不再是制约分布式控制实现的主要因素。整个系统从本质上说已经不存在主、从节点之分,整个系统的控制的控制已经从传统网络中主节点的单一控制(这种体系结构要求上位机具有大容量的程序存储器和高运算速度,必然造成上位机的大型化),转化为各节点的协调控制,整加了系统控制的灵活性,也同时降低了对主节点的要求。

基于CAN总线的并联液压混合动力车控制系统

  图3 控制器1#,3#输入输出参数

  如上图3所示,车辆信息采集模块采集车速、发动机转速、档位信号(前进、空档、倒车)、油门踏板及刹车踏板的状态及幅度。液压系统测控模块采集蓄能器的压力,控制离合器的吸合与断开,通过油路控制(4个开关量)实现油路分配控制,最后通过液压泵/马达控制实现液压系统回收/释放功能及强度。

各节点控制器均能独立完成部分命令分解和调用底层指令的功能。这样,对于某一动作元而言,节点控制器将充当“命令主机”。下面以“液压系统运行调节”这一复合动作元执行时,1#,3#控制器流程图(如图4,图5所示)为例,说明各控制器在分布式控制系统中的作用。可以看出,在该指令执行过程中,3#控制器充当了1#控制器的“命令主机”。

基于CAN总线的并联液压混合动力车控制系统

  图4 1#控制器流程

  采用分布式控制方式,可以将主机从繁琐的逻辑控制过程中解放出来,对于主机的小型化、产品化有重要作用。

    4 系统的可靠性设计

  硬件可靠性方面的工作很多,主要有以下两点:

  (1)双时限看门狗:系统的每个节点控制器均采用了双时限看门狗电路。双时限看门狗有两个定时器:一个为短定时器(用单片机P80C592内带的),一个为长定时器(外部看门狗定时器MAX705)。短定时器定时为T1,长定时器定时为T2,0

  这样,当程序进入某个死循环,如果这个死循环包含短定时器FeedDog语句而不包含长定时器FeedDog语句,那么长定时器终将溢出,使单片机复位。巧妙安排长定时器FeedDog语句的位置,可保证出现死机的概率极低。

  (2)CAN总线系统的抗干扰性:为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力,P80C592的CTX0和CRX0并不直接与82C250 的TXD和RXD相连,而设计为是通过高速光耦6N137后与82C250相连这样就很好的实现了总线上各CAN 节点间的电气隔离。应该特别说明的一点是,光耦部分电路所采用的两个电源是完全隔离的,否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离采用的是两个小功率DC/DC电源隔离模块。实现这些部分虽然增加了节点的复杂和成本,但是却提高了节点的稳定性和安全性。

  82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30P的小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。

  另外,每个节点控制器还配置了电源指示灯,总线数据收发指示灯,可在一定程度上让用户了解控制器的状况。

  软件可靠性设计中,在各节点控制器程序中,每处需要等待的程序分支都设置了定时器。当规定时间内运行条件仍不能满足,控制器将取消当前任务,并向主机报警

  5 结论

  本文的创新点在于设计了采用CAN总线网络结构的液压混合动力车控制系统,构建了基于CAN总线的分布式电动车控制系统硬件平台,确定了系统的网络协议,并根据所提出的分布式结构设计了控制软件,最后对系统软硬件可靠性进行了设计。

  根据本文所设计的串联式混合动力电动车控制系统已经在试验台上进行了试运行,并完成了各种功能测试。经试验证明,该控制系统性能稳定,工作可靠,对紧急指令的响应速度快,并能对历史数据进行保存,能够很好的满足液压混合动力车的运行需求。

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