智能功率器件在非公路礦用自卸車上的應用

潘連玉陽 陳 毅 張旭龍

(長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064)

0 引言

傳統非公路礦用自卸車的電控系統均采用繼電器驅動，電器的控制相互獨立。而電磁繼電器在吸合及斷開時容易造成觸點的燒蝕，可靠性低，且不具有故障診斷功能。本文以NXP公司的LPC1766BD100芯片為主控制器，與BTS系列智能功率器件相結合，設計了基于CAN總線的非公路礦用自卸車的電控系統。該系統不僅可通過CAN總線控制各個負載，也可將各個負載的故障狀態及時的反饋給主控制器，并在中控屏上顯示。

(1)BTS系列智能功率器件

智能功率器件是一種把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的開關器件。

BTS系列智能功率器件具有大功率開關速度快，待機電流低，工作頻率高，無噪聲，無觸點，可靠性高，壽命長等特點。它可以給出故障信號，方便的和單片機接口，具有短路保護，過壓保護，過溫關斷，防止靜電放電保護及負載開路檢測等功能。其種類很多，適合不同的功率控制應用。

圖2 系統架構

一般的BTS智能功率器件如圖1所示。其中，IN引腳為控制信號輸入端，ST引腳用作狀態反饋輸出，這兩個引腳可直接與單片機的I/O相連接。Vbb接車載電源，OUT為輸出接負載。器件工作時，由IN口輸入高電平，器件將Vbb端到OUT端導通。若工作時發生故障，則ST引腳輸出由高電平轉為低電平，并結合各引腳狀態來判斷故障原因。

(2)CAN總線協議介紹

CAN總線是一種串行通信網絡，能有效地支持高安全等級的分布實時控制。CAN總線的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路接線都可以使用CAN，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。

1 系統總體功能設計

系統架構如圖2所示。中央控制器采用NXP公司生產的LPC1766FBD100作為主控制器，該單片機具有ARM Cortex-M3內核，最高主頻高達100MHz，擁有兩通道CAN接口，適合作為動力CAN總線和電器CAN總線之間通信的網關。CAN總線分為兩部分，將動力CAN總線和電器儀表CAN總線隔離，以免相互干擾。動力CAN總線負責包括對發動機和變速箱狀態的監控和控制，電器儀表CAN總線具有電器儀表控制、舉升缸控制和后橋車燈組控制等功能。

2 硬件設計

以舉升液壓缸驅動及后橋車燈組驅動為例，說明硬件及軟件設計過程。舉升液壓缸控制選擇的是英飛凌公司生產的BTS5210G智能功率開關，它具有兩通道輸入輸出，可分別控制和故障診斷，互不干擾相互獨立。

對舉升液壓缸換向電磁閥的控制由主控制器承擔，當收到用戶對的操作指令時，主控制器對智能功率開關給出控制信號，智能功率開關閉合電磁閥動作電路，換向電磁閥動作。硬件電路如圖3所示。其中IN和ST信號可由單片機通用輸入輸出接口直接給出和讀出。在負載端配備上拉電阻R12和R13，當輸入信號為低電平時，進行負載開路檢測。

圖3 舉升液壓缸控制硬件電路圖

后橋車燈組控制模塊選用STM8S208MB單片機作為CAN總線節點對后橋所有電器進行控制，可對BTS系列器件故障引腳的狀態進行判斷，通過CAN總線將故障信息傳輸至中央微控制器，再由中央MCU將故障信息在顯示屏中顯示出來。智能功率開關選用英飛凌公司生產的BTS724G，其具有四通道輸入輸出，兩個復用ST引腳，故障類型可由真值表確定。硬件電路圖如圖所示。

圖4 后橋車燈組硬件電路圖

3 軟件設計

對舉升液壓缸換向電磁閥的控制圖，流程圖如下

圖5 舉升液壓缸程序設計流程圖

舉升缸控制模塊根據駕駛員對貨廂的舉升或回落命令，進入中斷服務程序。在中斷服務程序中，先進行一次故障診斷，確定有無負載開路故障，確定工作正常后對智能功率開關發出相應指令，使其輸入控制引腳IN維持高電平，此時舉升缸換向閥開始動作并持續。再次進行故障診斷，可以檢測出短路故障，過壓故障等。若有故障，停止工作并反饋故障類型。后橋控制器的程序流程圖如下

當系統上電后，分別初始化各個模塊，以查詢方式接收來自CAN總線的控制命令。在總線空閑或者沒有特定報文的時候對各個電器模塊進行定時輪檢，能及時發現故障器件，確保每個器件都處于正常狀態。

4 結論

本文將智能功率器件與CAN總線相結合，改進了非公路礦用自卸車上電控系統。設計方案實現了對各個負載的直接驅動能力及快捷有效的保護，增加了電控系統的穩定性，減少了線束，布線變得簡單。選用的主控制器性能高，為將來系統功能拓展提供了方便。駕駛員可以通過顯示屏時刻了解自卸車當前的工作狀態，電控系統故障的確定和排除更加方便。

圖6 后橋車燈組控制程序流程圖

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