基于CAN 總線電傳動(dòng)車輛輔助電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

滑 娟，翟二寧

（1.咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.兵器工業(yè)部202 研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 引言

電傳動(dòng)自卸車輛的輔助電氣主要完成車輛儀表、燈光、雨刮、液壓邏輯等控制功能以及為整車弱電設(shè)備提供電源[1]。傳統(tǒng)的輔助電氣主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，此類模式中，保險(xiǎn)、組合開關(guān)、翹板開關(guān)等常用元器件同繼電器進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)各邏輯功能[2]。這種模式原理簡(jiǎn)單但存在著整車線束數(shù)量多、檢修困難、難以維護(hù)保養(yǎng)等諸多弊端。針對(duì)以上問題，進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)新的輔助電氣模式，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者，對(duì)此進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[3]針對(duì)電傳動(dòng)車輛的燈光控制電路進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)單獨(dú)控制系統(tǒng)，提高了控制精度；文獻(xiàn)[4]針對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的儀表進(jìn)行分析，提供系統(tǒng)與主電路的融合性；文獻(xiàn)[5]采用總線控制對(duì)輔助電路進(jìn)行模塊化集成設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]采用試驗(yàn)?zāi)M相相結(jié)合的方法對(duì)輔助電路控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對(duì)電傳動(dòng)自卸車輛輔助電氣系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式存在的問題，提出了分布集中式的輔助電氣模式；對(duì)輔助電氣系統(tǒng)布線進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)各部分功能和布置的不同，采用分布式和傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式相結(jié)合的方法，降低整車線束的復(fù)雜程度；對(duì)輔助電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)控制器和端口程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)主控制器線路和液壓控制器線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其滿足整車的使用需求；對(duì)輔助電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，選取機(jī)油壓力檢測(cè)和整車緊急雙移線試驗(yàn)進(jìn)行各輔助電路測(cè)試。

2 分布式系統(tǒng)布置

計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，分布式系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越普遍，大量的應(yīng)用證明分布式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)[7]，兩種布置方式，如圖1 所示。

圖1 兩種不同控制系統(tǒng)布置方式Fig.1 Two Different Control System Layouts

由圖可知，傳統(tǒng)布置方式精度低，而且容易受到干擾，整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性受到影響；而分布式布置方式各單元并列布置[8]，相互直接獨(dú)立存在，不會(huì)相互干擾，簡(jiǎn)化整體的復(fù)雜程度，提高可靠性。

3 輔助電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 布線設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)布線示意圖Fig.2 System Wiring Diagram

針對(duì)傳統(tǒng)輔助電氣控制模式原理簡(jiǎn)單但存在著整車線束數(shù)量多、檢修困難、難以維護(hù)保養(yǎng)等諸多弊端的問題，設(shè)計(jì)采取分布集中式的輔助電氣模式。這種模式中，輔助電氣的供電，保險(xiǎn)、繼電器以及續(xù)流二極管等元件被集中放置在中央配電盒中，配電盒的布置依據(jù)各用電設(shè)備的位置分布中央配電盒以就近原則布置在車身各處，車輛燈光、雨刮等布線相對(duì)簡(jiǎn)單的原件依然采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，而儀表、液壓閥組等控制邏輯復(fù)雜，布線量較大的原件采用獨(dú)立控制器控制的模式，布線示意圖，如圖2 所示。

圖中，在儀表臺(tái)、弱電控制柜以及液壓控制箱分別布置了配電盒，各自為附近的用電設(shè)備提供電源、保險(xiǎn)、以及繼電器。主控制器布置在弱電控制柜內(nèi)，可以直接采集駕駛室內(nèi)的踏板、手柄的信號(hào)，車輛其他信號(hào)通過重裝插件由車輛各處引入弱電控制柜。液壓控制器布置在距離液壓閥組附近的液壓控制柜內(nèi)，設(shè)置有一個(gè)液壓配電盒，該盒為液壓控制器、閥塊、傳感器等設(shè)備提供+24V 電源。同時(shí)，在配電盒內(nèi)設(shè)計(jì)有并連在電磁閥上的續(xù)流二極管，以保護(hù)控制器的I/O。各控制器箱之間僅有現(xiàn)場(chǎng)總線（即CAN總線）連線和+24V電源連線，這大大減少了整車布線的長(zhǎng)度[9]。

分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是現(xiàn)今車輛通訊系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，乘用車中已被廣泛使用。該類型以近年來(lái)發(fā)展迅速的電子計(jì)算機(jī)科學(xué)為依托，旨在提高整車系統(tǒng)效率，降低整車線束的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)診斷，降低維護(hù)成本。在日后的設(shè)計(jì)中，工程車輛也將逐步向該種形式靠攏，燈光、空調(diào)、雨刮等輔助設(shè)備也將由行車控制器進(jìn)行控制，這樣可以進(jìn)一步減少車輛布線長(zhǎng)度，降低維護(hù)成本。

3.2 輔助電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 控制器選型

設(shè)計(jì)中，輔助電氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由主控制器、液壓控制器與外圍傳感器組成。主控制器和液壓控制器均需要具有多組數(shù)字/模擬量輸入/輸出接口以及CAN 總線接口，以可以滿足采集數(shù)量大、處理速度高的設(shè)計(jì)要求[10]。由于車輛工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，因此對(duì)控制器的防護(hù)等級(jí)也有一定要求，其主要參數(shù)：供電電壓：9-32VDC；編程環(huán)境：Codesys R 2.3、C/C++；CAN2.0B：2 組（總線波特率：125kbit/s～1Mbit/s）；RS232 通訊接口：1 組；LIN 總線：1 組；模擬量輸入：16 個(gè)；模擬量/開關(guān)量輸入：12 個(gè)；開關(guān)量/頻率輸入：8 個(gè)；開關(guān)量輸入：4 個(gè)；開關(guān)量輸出：31 個(gè)；模擬量輸出：4 個(gè)；5V參考電源：2 個(gè)。

液壓控制器的需求與主控制器類似，不同的是，由于液壓控制器主要負(fù)責(zé)液壓設(shè)備的控制，因此在I/O 數(shù)量上相比主控制器要少一些，為了方便日后維護(hù)、便于優(yōu)化升級(jí)，其主要參數(shù)：供電電壓：9-32VDC；編程環(huán)境：Codesys R 2.3、C/C++；CAN2.0B：2 組（總線波特率：125kbit/s～1Mbit/s）；RS232 通訊接口：1 組；LIN 總線：1 組；模擬量輸入：16 個(gè)；電流檢測(cè)輸入/開關(guān)量輸出：4 個(gè)；脈沖輸入/開關(guān)量輸入/模擬量輸入：4 個(gè)；開關(guān)量輸入：8 個(gè)；PWM 輸出/開關(guān)量輸出/開關(guān)量輸入/脈沖輸入：8 個(gè)；開關(guān)量輸出/模擬量輸入：8 個(gè)；5V 參考電源：2 個(gè)。

由上可以看到，主控制器和液壓控制器均在Codesys 環(huán)境中編譯，程序的可移植性較好，兩個(gè)控制器均有部分端口為復(fù)用端口，需要在程序中進(jìn)行配置。

3.2.2 電氣系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

主控制器與液壓控制器的線路原理圖，如圖3 所示。圖中可以看到，主控制器和液壓控制器的I/O 端口根據(jù)功能的不同進(jìn)行區(qū)分，主控制器主要負(fù)責(zé)行車相關(guān)信號(hào)的采集，其中包括機(jī)械制動(dòng)信號(hào)、檔位信號(hào)、加速踏板信號(hào)等。采集信的號(hào)分為數(shù)字量和模擬量?jī)煞N，數(shù)字量中又分為電壓信號(hào)（0～5）V，電流信號(hào)（4～20）m A）和電阻信號(hào)。根據(jù)傳感器類型的不同，需要配置相應(yīng)主控制器端口，完成信號(hào)采集[11]。除此以外，與車輛行駛有關(guān)的報(bào)警燈也由主控制器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)主控制器判定車輛出現(xiàn)故障時(shí)，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)報(bào)警燈，提示駕駛員檢查。設(shè)計(jì)中為了更好的進(jìn)行車輛工況判定，在車輛四個(gè)懸架上預(yù)留了壓力傳感器，通過采集四個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)車輛的承重為以后通過傳感器數(shù)據(jù)判定車輛的軸荷打下基礎(chǔ)。

圖3 控制器線路原理圖Fig.3 Controller Circuit Schematic

3.2.3 控制器端口程序設(shè)計(jì)

主控制器和液壓控制器的模擬量采集十分類似，以加速踏板信號(hào)采集為例，主控制器215 端口為模擬量輸入端口[12]，加速踏板的供電由控制器的5V 參考電源端口提供，主控制器采集215 端口的電壓值并將其轉(zhuǎn)換為頻率油門模塊的占空比輸入，發(fā)送至頻率油門模塊。

液壓傳感器的I/O 端口與主控制器類似，不同的是，液壓控制器所采集的量多與液壓系統(tǒng)有關(guān)。通過液壓傳感器參數(shù)，液壓控制器負(fù)責(zé)完成液壓系統(tǒng)的邏輯控制，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢。液壓控制器的另一主要功能是通過驅(qū)動(dòng)液壓電磁閥實(shí)現(xiàn)自卸車輛貨斗動(dòng)作。當(dāng)液壓控制器檢測(cè)到操作手柄動(dòng)作后，根據(jù)液壓邏輯，完成對(duì)輸出端口的控制，驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。其邏輯，如表1所示。

表1 舉升油缸控制邏輯Tab.1 Lifting Cylinder Control Logic

表中電磁鐵a-y2 分別對(duì)應(yīng)圖中的各個(gè)電磁鐵，當(dāng)操作手柄被推至相應(yīng)位置后，液壓控制器根據(jù)上表中的關(guān)系驅(qū)動(dòng)相應(yīng)端口。電磁閥將按設(shè)定邏輯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)功能[13]。需要注意的是，當(dāng)貨斗進(jìn)入懸浮狀態(tài)時(shí)，貨斗液壓油缸將全部泄壓，此時(shí)貨斗會(huì)快速下落，該工況屬于危險(xiǎn)工況，因此液壓控制器檢測(cè)到駕駛員將操作手柄推至懸浮位時(shí)將發(fā)送確認(rèn)信息至儀表，由駕駛員確認(rèn)后方能驅(qū)動(dòng)電磁閥。其判定流程圖，如圖4 所示。

圖4 舉升油缸控制流程Fig.4 Lifting Cylinder Control Process

上述程序中，控制器檢測(cè)是否全車斷電，當(dāng)斷電后啟動(dòng)定時(shí)器，時(shí)間為6.5s 左右，此段時(shí)間內(nèi)控制器通過控制放油電磁鐵將蓄能器中的液壓油放凈，而后關(guān)閉。

4 輔助電路仿真實(shí)驗(yàn)

圖5 輔助電氣仿真試驗(yàn)電路Fig.5 Auxiliary Electrical Simulation Test Circuit

整個(gè)輔助回路的設(shè)計(jì)過程也遵循了模塊化簡(jiǎn)介化和總線化的方式，為的是信號(hào)的控制更加集中，通信線路的更加簡(jiǎn)化[14]。主要原理圖，如圖5 所示。燈光按鈕接口電路，如圖5（a）所示。報(bào)警指示燈和PWM 輸出，如圖5（b）所示。手柄和報(bào)警開關(guān)的連接電路，如圖5（c）所示。油門踏板和制動(dòng)踏板以及幾個(gè)主要的壓力值，如圖5（d）所示。壓力傳感器和溫度電阻信號(hào)，如圖5（e）所示。根據(jù)上面的原理，為了保證順暢的信號(hào)流，搭建了通用型試驗(yàn)臺(tái)[15]。試驗(yàn)臺(tái)包括儀表臺(tái)、控制箱、燈光傳感器箱和踏板固定座等四個(gè)主要的組成部分，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過LMS SCADAS 多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和示波器共同檢測(cè)，如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.6 Test Bench Physical Map

4.1 機(jī)油壓力

機(jī)油泵壓力輔助電路系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如表2 所示。

表2 機(jī)油壓力值對(duì)比Tab.2 Comparison of Oil Pressure Values

由表內(nèi)對(duì)比可知，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間誤差＜1%，滿足使用要求，存在誤差的原因是，實(shí)測(cè)中引入了流量計(jì)和壓力傳感器等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中省略了這部分外部油道，流量應(yīng)該比實(shí)際試驗(yàn)中的流量偏小，因此其誤差在合理范圍內(nèi)。

4.2 緊急雙移線試驗(yàn)

圖7 緊急雙移線試驗(yàn)測(cè)試Fig.7 Emergency Double Shift Line Test

緊急雙移線試驗(yàn)是車輛運(yùn)行的極限工況，最能檢測(cè)輔助電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通過恒定的目標(biāo)車速對(duì)固定車速進(jìn)行設(shè)置，車速為30km/h，各監(jiān)測(cè)信號(hào)，如圖7 所示。

由圖中分析結(jié)果可知，試驗(yàn)開始后，駕駛員在2s 左右開始踩油門踏板并維持在最大開度位置，經(jīng)過約7s 加速后穩(wěn)定在30km/h，實(shí)際運(yùn)行軌跡與理想雙移線運(yùn)行軌跡有較好的吻合。車燈、各項(xiàng)壓力均顯示為正常，能夠?qū)崿F(xiàn)前面介紹的關(guān)于各種輔助回路的控制機(jī)理，順暢的信號(hào)流，CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)能夠保證正確的通信，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性得到實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

對(duì)電傳動(dòng)自卸車輛的輔助電氣提出了分布集中式的輔助電氣模式，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了回路試驗(yàn)分析，結(jié)果可知：

（1）輔助電氣的供電，保險(xiǎn)、繼電器以及續(xù)流二極管等元件被集中放置在中央配電盒中，配電盒的布置依據(jù)各用電設(shè)備的位置分布中央配電盒以就近原則布置在車身各處，車輛燈光、雨刮等布線相對(duì)簡(jiǎn)單的原件依然采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，而儀表、液壓閥組等控制邏輯復(fù)雜，布線量較大的原件采用獨(dú)立控制器控制的模式；

（2）機(jī)油泵轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度和機(jī)油壓力的檢測(cè)準(zhǔn)確度高，誤差小于1%；整車實(shí)際運(yùn)行軌跡與理想雙移線運(yùn)行軌跡有較好的吻合；輔助電路能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的控制機(jī)理，順暢的信號(hào)流，CAN總線的網(wǎng)絡(luò)能夠保證正確的通信，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性得到實(shí)現(xiàn)；

（3）分布集中式的輔助電氣模式提高整車系統(tǒng)效率，降低整車線束的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)診斷，降低維護(hù)成本，為此類設(shè)計(jì)提供參考。