一種基于CAN通訊的測控系統設計

白蒲江 王建軍

摘 要：文章首先介紹了液力緩速器控制算法開發對測控系統的需求 然后介紹了測控技術的原理及常用方法 最后結合液力緩速器控制系統進行了測控系統的設計。

關鍵詞：液力緩速器;算法;測控系統

中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-41-03

Abstract： The market need on Measure control System of retarder control system are introduced firstly， Then the principles and methods of Measure technology? are described; At last， design based on retarder control system are achieved and applied.

Keywords： Retarder; Algorithm; Measurement and control system

CLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-41-03

前言

傳統的重型車輛制動依靠行車主制動裝置實現。在復雜的工況下 比如：長下坡制動 平路頻繁制動等 行車主制動較一般工況制動強度大幅增加 如：制動器的加快磨損 制動襯片加速衰退等 達到某種嚴重程度 可導致主制動的失靈 造成交通事故。為了提高車輛安全性 越來越多的車輛匹配緩速器 控制系統作為緩速器的大腦 具有重要作用如圖1。

在緩速器控制系統實際工程應用中 需要采用閉環控制算法能實現精確的壓力控制以滿足駕駛員各種操作下的扭矩控制需求。該方式基于壓力傳感器信號實現調節機械本體壓力輸出 扭矩輸出 實現整車車輛車速維持、降低等。隨著車輛安全性的要求提高 控制系統開展了非冗余故障容錯方案、冗余故障容錯方案等在回路控制系統的應用 新設計的算法考慮了故障前后的平滑切換、故障后的扭矩及壓力調節。由于實際應用環境限制 這些控制算法在車輛上很難實現測試 因此有必要設計仿真程度高的測試系統供控制系統測試使用。

CAN 總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一。最早是由德國Bosch公司推出 用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。CAN 總線的應用范圍遍及從高速網絡到低成本的多線路網絡 廣泛應用于控制系統中的各檢測和執行機構之間的數據通信。現場總線領域中 CAN 總線得到了計算機芯片商的廣泛支持 他們紛紛推出直接帶有 CAN 接口的微處理器（MCU）芯片。 為實現被控對象模型的搭建 結合國際主流開發趨勢 采用了基于MATLAB環境 Simulink工具開發的方案。MATLAB是由美國Mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。其中Simulink是MATLAB最重要的組件之一 它提供了一種動態建模、仿真和綜合分析的集成環境 目前已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和處理。

本文旨在以Simulink的強大集成環境為基礎 基于CAN 、模擬采集、IO控制器接口的微處理器（MCU） 建立一種用于緩速器控制系統的測控系統。

1 測控系統構成

系統如圖2所示虛線框內為測控系統部分 實線框內為控制系統部分。

主要由仿真單元（被控對象模型）、數據采集軟件及配置軟件、USB2CAN、壓力測量單元組成。

壓力測量單元單元用于實時監測機械部分壓力 用于仿真控制的壓力輸入。

仿真控制單元（被控對象模型）用于運行被控對象受力模型 基于系統壓力 經過模型計算后 為控制系統仿真車速、轉速等信號。

采集及配置單元的配置界面通過CAN通訊板卡與各單元交互 配置被控對象受力模型等 數據采集軟件實時記錄運行數據。

2 采集數據及信號切換的實現

從圖1 圖2對比可看出 為了實現傳感器1的壓力信號各種工況下控制系統的非冗余故障容錯方案的測試與評價 RCU在真實系統中與傳感器1直接連接 現在測控系統經過信號模式控制后與傳感器1連接。模式控制通過電子回路切換實現RCU與傳感器1線路（正常模式、開路模式、短路模式）連接 通過程序控制可實現模式間的周期和隨機切換。

測控環境下 機械部分安裝的傳感器2（監測）與壓力測控單元的模擬電路連接。該傳感器處于正常模式 能如實反映機械部分的壓力。采集單元對傳感器2處理 通過A/D轉換后 傳遞給處理單元 處理單元計算后 將結果通過通訊單元接口 廣播到CAN總線。

3 仿真控制的實現

仿真控制分為兩部分 一部分是被控對象模型 一部分是配置模塊。

為了實現壓力信號各種模式下扭矩控制效果的評價 需要為被控對象建立仿真模型 該模型能計算出對應壓力下的扭矩、車速、轉速等數據。

車輛運動學方程為：

式中 m為行車總質量 v為車速 為液力緩速器制動力 為空氣阻力 為滾動摩擦阻力 為坡度阻力。由于在模型的建立中主要考慮的是緩速器的恒速控制模型 因此認為發動機和行車主制動不參與制動過程中 并且在行車過程中路面不打滑 車輪與路面附著力良好。

對于公式（1）進行MATLAB/Simulink模型搭建 如圖3所示：

圖3中液力緩速器的子模塊 根據液力緩速器臺架實驗氣壓、轉速（10個氣壓下）和扭矩的關系曲線 根據插值的原理 可以得到任何轉速和氣壓下的扭矩對應關系 由于氣壓或者扭矩上升到要求值有一定的延遲 因此在扭矩輸出后增加一個慣性延遲 使得模型更加接近于實際。

最初設計時 仿真被控對象模型的運行 配置等在PC機的Matlab/Simulink環境上實現 運行期間 與RCU控制系統通過KVASER通訊模塊實現數據交互 結果 由于PC機上運行的實時性等原因 導致控制系統的信號不能實時獲取 從而不能滿足閉環仿真測試要求。為了解決此問題 將被控對象模型的計算和配置分成兩個模塊開發。

被控對象的方法是：先在Matlab環境下搭建模型 再通過Matlab的代碼生成功C語言的代碼 然后將該代碼裝載到嵌入式控制系統上。系統運行時 通過控制器的CAN通訊能實現轉速扭矩的實時計算及與其它設備的交互。該方法便于模型的擴展與優化 提高了開發效率。

配置部分對實時性要求不高 因此在PC機通過搭建上位機界面、后臺處理開發實現 PC機與嵌入式系統的交互仍采用KVASER通訊模塊實現。上位機界面與操作者進行交互 可配置車輛車重、道路坡度、初始車速等信息 道路坡度有支持配置為兩種形式：給定坡度 正弦波坡度 后臺處理將界面數據進行一定計算處理后 先調用庫函數將數據傳遞到串口 然后通過通訊板卡傳送到CAN總線上 控制系統、測控系統根據需要獲取必要的信號。同時 控制系統、測控系統也會將轉速、扭矩、壓力等信號廣播到總線上。配置數據采集儀等記錄和監測系統 能實現測試環境下數據的采集及分析需要。

4 系統應用

在測試系統搭建完成 以某車型配XXX緩速器來測試該測控系統的功能是否達到設計要求。測試時 首先在上位機配置車輛信息。

接著 運行測試用例 進行必要的手動模擬操作 配置不同傳感器模式（故障或正常）。根據用例要求 將完成壓力

故障下、制動1檔逐級換到最高擋的操作 壓力故障到正常交替下最高擋等工況模擬。測試期間 位于系統中的RCU控制器按照其策略（容錯、正常壓力扭矩控制）運行 運行后測控系統得到的各種數據（RCU數據、測試系統數據）發送到總線上。基于CAN數據記錄儀等采集設備記錄所需的壓力、轉速、扭矩等信號。

最后 進行數據分析。經過數據分析得出 測試用例所運行的所有功能均被實現。通過上述測試可以看到 該測控系統的數據通信迅速、準確;測量及切換系統實時、可靠;仿真模型仿真度高。綜合判斷 該系統能滿足控制系統全工況測試的需要 符合設計要求。

5 結束語

針對某控制系統冗余故障容錯方案不能驗證的問題 提供了比較完善的解決方法 實現了系統的壓力及扭矩評價與測試 試驗表明整個測試系統運行良好 為提升控制系統性能提供了幫助。

參考文獻

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