液力緩速器控制系統開發

張 哲，張 健

Zhang Zhe，Zhang Jian

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

現代電子技術賦予了汽車眾多的功能，如何將這些功能協同起來使其成為一個整體，即如何對整個車輛進行控制，決定汽車電子能否實現更強大的功能，帶給人們更多的便利。隨著車載網絡的高速發展，CAN總線技術從眾多車載網絡中脫穎而出，成為應用最為廣泛的現場總線之一。

1 技術簡介

SAE J 1939協議是一類專用于商用車、建筑機械、農業機械等的CAN總線通信協議，波特率可達250 kb/s，是一種傳輸速率較高的C類通信網絡協議。主要提供電控系統間的信息交換，其中包括電控裝置的診斷數據，還可支持電控系統間的實時性閉環控制。

2 系統設計思想

主要研究開發液力緩速器的控制系統，解決重型貨車在下長坡時，摩擦力產生的熱能造成摩擦副溫度升高，制動性能嚴重下降的問題；對緩速器控制器加入CAN總線通信控制，使緩速器控制器與車載其他電控單元進行通信并實現車輛信息共享，最終實現對車輛的整體控制。通過信號傳感器（轉矩轉速傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器等），獲取力矩、轉速和氣壓等參數并發送至LabVIEW監控界面，繪制氣壓變化規律曲線和不同擋位下制動力矩與轉速的關系曲線。

液力緩速器控制系統主要包括傳感器、緩速器控制器和執行機構3部分，結構如圖1所示。

3 硬件開發

3.1 搭建系統各模塊電路

液力緩速器控制器接收發動機系統、冷卻液壓系統、GPS數據采集系統以及T10FS轉矩傳感器等發出的CAN報文，控制器通過一定控制算法求得PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）波占空比控制執行器動作，以實現緩速器制動。

基于16位微控制器MC9S12XS128搭建了液力緩速器ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）的硬件電路。該硬件電路主要包括最小系統電路、CAN收發器電路、比例閥和開關閥驅動電路等。其中最小系統電路主要由MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）、時鐘電路、電源電路以及 BDM（Background Debugging Mode，背景調試模式）下載器電路等模塊構成。硬件電路結構如圖2所示。

圖1 液力緩速器控制系統結構

圖2 硬件電路結構

3.2 系統主要元器件

3.2.1 微控制器

微控制器芯片MC9S12XS128由16位中央處理單元（CPU12X）、128 kB Flash EEPROM、8 kB RAM、8 kB Data Flash組成，可以滿足電磁閥控制模塊數據存儲的需求。同時集成了多種外圍功能模塊：2路異步串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）、1路同步串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、1路8通道輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）、16通道12位A/D轉換器（Analog-to-Digital Converter，ATD）和1個8通道PWM）。MC9S12XS128具有91個獨立的數字I/O口，其中某些數字I/O口具有中斷和喚醒功能。另外還具有1個CAN 2.0A/B標準兼容模塊（MSCAN）[1]。

3.2.2 CAN收發器

CAN收發器是協議控制器（MCU中MSCAN寄存器）和物理傳輸線路之間的接口。CAN收發器選擇Philips PCA82C250芯片，符合ISO 11989標準，波特率最高達1 Mb/s，抗寬范圍的共模干擾和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），可適應-40～125℃的環境溫度，適用于汽車車載網絡及工業控制領域。PCA82C250有3種不同工作模式：高速模式、斜率控制模式和待機模式，可通過 Rs（Resistance slope，電阻斜率）控制引腳提供。

3.2.3 傳感器

溫度傳感器采用的是 RTD（Resistance Temperature Detector，電阻式溫度檢測器），使用線性化曲線（Callendar-Van Dusen方程）來計算RTD的溫度；比例閥的控制氣壓使用壓力傳感器進行測試，其型號為 PG1300-1.6MPA-GB-A，通過使用4～20 mA電流環路，傳感器可將信號轉換為電流；液力緩速器的轉矩轉速信號利用F2iS轉矩傳感器進行測試，該傳感器同時配備了一套測量轉速系統，并且集成了信號處理單元，支持CAN2.0B傳輸協議，其CAN總線波特率高達1 Mb/s，通過讀取CAN總線的報文幀，便可測得轉矩轉速信號。

4 SAE J 1939協議

SAE J 1939協議作為專用于商用車、建筑機械等的CAN總線通信協議，其物理層和數據鏈路層以CAN2.0B協議為基礎，此外還定義了網絡層和應用層的協議[3]。

4.1 物理層

物理層是實現ECU與總線相連的電路。CAN總線的物理連接如圖3所示，總線兩端均串入1個范圍在118～130 ?的終端電阻（額定值為120 ?），用來抑制反射作用。使用屏蔽雙絞線作為CAN總線的傳輸介質，由于控制器 MCU采用 MC9S12XS128，內部集成有CAN控制器（MSCAN模塊），因而無需考慮獨立CAN控制器的設計，只需設計CAN總線接口電路，其功能是實現TTL電平與CAN總線電平的轉換。

圖3 CAN總線的物理連接

4.2 數據鏈路層

SAE J 1939的消息幀格式遵循CAN2.0B規范，但其只針對CAN2.0B的擴展幀格式，并全面定義了標準化的通信。標準幀格式消息可以在網絡中存在，但標準幀設備不響應網絡管理消息，不支持標準化通信。在SAE J 1939/21（數據鏈路層文檔）中，定義了消息幀的數據結構和編碼規則，主要負責將CAN擴展幀的29位標識符重新分組定義，使標識符ID能夠描述報文的全部特征。

4.3 應用層

應用層位于 ISO/OSI參考模型的頂層，主要用于用戶、軟件、網絡終端等之間的信息交換。在貨車、客車等交通運輸工具中，應用最為廣泛的應用層協議便是SAE J 1939。

SAE J 1939協議的應用層詳細規定了車輛控制與通信所用到的各種參數，包括 SPN（Suspect Parameter Number，可疑參數編號）和 PGN（Parameter Group Number，參數群編號）。在應用層技術要求中，對報文格式、ISO拉丁字符集、參數范圍、傳輸重復率、發動機及緩速器參數的命名規則等方面都有具體的規定和描述。

5 控制器制動性能試驗

將所設計的控制器進行液力緩速器臺架試驗，驗證其功能與可靠性。采集試驗數據，分析液力緩速器的制動性能，從而驗證是否滿足基本性能要求。

5.1 試驗臺架及測試系統構成

試驗臺架主要由驅動電機、聯軸器、變速箱、液力緩速器、負載電機、冷卻系統、液壓系統、液力緩速器控制器及相關測試裝置組成。測試系統主要由氣壓傳感器、溫度傳感器、轉矩轉速傳感器以及NI-DAQ數據采集卡組成。所設計的液力緩速器控制器如圖4所示。

圖4 液力緩速器控制器

在測試系統中，氣壓傳感器采用 PG1300-1.6MPA-GB-A，輸出的信號為4～20 mA電流；溫度傳感器采用PT1000，輸出電阻信號；轉矩轉速傳感器采用 F2iS型號轉矩傳感器，將轉矩轉速信號發送至CAN總線；NI-DAQ數據采集卡采用cDAQ-9174，利用NI 9207板卡測量氣壓傳感器發出的電流信號，利用NI 9226板卡測量溫度傳感器發出的電阻信號。測試系統的上位機界面采用LabVIEW編寫，包括信號的采集、數據的處理以及存儲，上位機界面如圖5所示。

圖5 上位機界面

5.2 性能試驗

為了驗證所設計液力緩速器控制器的功能與可靠性，根據其運行特點和性能要求，以及控制系統動態性能指標，進行基本性能試驗、瞬時加載和卸載試驗和溫度穩定性試驗[3]。基本性能試驗主要測量液力緩速器的轉矩-轉速特性曲線，如圖6所示。瞬時加載和卸載試驗主要測試緩速器加載和卸載的響應速度。溫度穩定性試驗主要測試溫度變化對制動力矩的影響，獲得緩速器制動時對冷卻液壓系統的需求。試驗表明所設計的制動時對冷卻液壓系統的需求。試驗表明所設計的控制器滿足制動能力需求，并具有良好的動態響應特性。

圖6 緩速器在各擋位100℃油溫時力矩隨轉速變化曲線

6 結束語

CAN總線技術以其通信實時性強、性能強和可靠性高等優勢在汽車電子領域的應用越來越廣泛，也為日趨復雜的汽車電子系統之間的信息通信和共享提供了基礎。通過CAN總線技術，物理層搭建、數據鏈路層配置和應用層設計制定了液力緩速器控制器的通信協議，并通過臺架試驗驗證了控制器的合理性和可靠性。

[1]張陽，昊曄，騰勤，等. MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統開發[M]. 北京：電子工業出版社，2012.

[2]羅峰，孫澤昌. 汽車CAN總線系統原理、設計與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[3]陳波. 電控液力緩速器性能試驗方法的研究[D]. 長春：吉林大學，2007.