CAN智能節點下拖拉機動力換擋變速器控制系統研究

王 毅，魯力群，孫 萌，倪慧亭，尹永芳

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049)

目前，CAN(controller area network)總線技術已從汽車領域擴展到農機領域，在國外，CAN總線技術已廣泛應用于拖拉機整車通信，技術較為成熟。而我國拖拉機目前還沒有采用CAN總線通信技術，中國農業大學、南京農業大學等研究單位對拖拉機CAN總線協議的應用層進行了相關理論研究，但對于網絡分布式控制及網絡管理等方面研究還較為缺乏，基于CAN總線的拖拉機控制系統還沒有形成市場化產品[1-4]。

CAN總線控制系統有2種拓撲結構：集散式控制和分布式控制。目前，總線控制的拖拉機普遍采用整車控制器(vehicle control unit，VCU)對各個控制對象進行集散式控制，以集中的監視和操作達到掌握全局的目的；在分布式控制系統中，多個智能節點連接到CAN總線上，實現各控制系統的信息共享。變速器控制單元(transmission control unit，TCU)是CAN總線網絡上的重要節點，對TCU智能節點的研究可以提高和改善動力換擋拖拉機控制系統的特性，因此，開展對拖拉機通信網絡和TCU智能節點的研究，對提高動力換擋拖拉機控制系統的可靠性具有重要意義。設計了整車雙CAN通信網絡拓撲結構，針對動力換擋變速器智能節點進行了電路和輸入信號設計，并對其電液系統進行了仿真分析和研究。

1 CAN節點

美國汽車工程學會(SAE)將車內通信網絡分為4種類型：A類適合低速環境(<10 kbps)，用于提高方便性的應用，如車窗、車門、車燈等設備的控制；B類適合中速環境(10～25 kbps)，用于一般信息傳遞，如車內空調和加熱單元控制；C類適合高速環境(125 kbps～1 Mbps)，用于實時控制，如動力系統控制；D類適合速度大于1 Mbps的環境，用于多媒體應用和X-by-wire應用等[5]。電控單元之間的通信可以根據通信帶寬和通信速度的要求選擇不同的通信網絡，低速CAN總線和高速CAN總線分別屬于B類和C類總線，在汽車領域應用廣泛，總線控制技術同樣適用于拖拉機等農機，New Holland、Ford等公司已有成熟的產品[6]。

1.1 整車網絡結構設計

本文設計了一種雙CAN總線網絡，采用了并列式和層次式并存的混合通信網絡拓撲結構[7-8](圖1)，低速CAN總線可靠性高，網絡速度要求低，用于連接燈光、儀表、遠程控制模塊和精準作業控制模塊等節點；高速CAN總線連接驅動系統、傳動系統、電液提升系統、轉向系統和制動系統等；2條CAN總線通過VCU(網關)實現整車資源共享并進行數據交換。VCU是整車管理系統的核心，對各種信息進行分析處理并發出指令，協調拖拉機各控制單元及電氣設備的工作。雙CAN總線網絡可以實現拖拉機信息的分層控制，降低總線沖突，協調通信配置，解決拖拉機因線束繁多造成的電氣復雜和檢修困難等問題[9-11]。

圖1 拖拉機整車雙CAN通信網絡拓撲結構示意圖

1.2 節點方案設計

拖拉機整車通信網絡是由許多分布在高速、低速總線上的CAN智能節點組成，網關連接2條總線形成一個局域網。圖2是VCU與高速CAN總線和低速CAN總線的連接示意圖，整車控制器作為網關，處理來自其他智能節點的信息并發出控制信號，通常由MCU、CAN控制器和CAN收發器(驅動器)、光電隔離電路等組成。

1.3 節點電路設計

CAN智能節點MCU選擇Freescale的MC9S08DZ60芯片，收發器采用TJA1040，MC9S08DZ60芯片包括集成的CAN控制器、SCI、SPI和TPMx等接口，CAN智能節點電路原理圖如圖3所示。

圖2 整車控制器VCU與總線連接示意圖

圖3 CAN智能節點電路原理圖

CAN智能節點電路主要由3部分組成，帶CAN控制模塊的MC9S08DZ60控制芯片、2個6N137光電隔離電路和2個CAN收發器芯片TJA1040，MC9S08DZ60主要負責內部CAN控制模塊的初始化，CAN報文的產生、傳輸及報錯等；CAN控制器和CAN收發器之間增加由6N137構成的光電隔離電路，提高系統的抗干擾能力；TJA1040收發器作為CAN控制模塊與CAN總線之間的中繼單元，可以驅動CAN總線，使報文在總線上傳輸，采用2個TJA1040驅動器，可以增強總線容錯能力[12]，一個節點可以接受2條總線上傳來的不同信息，同時一個節點的信息發送到2條總線，實現信息傳輸備份，從而保證任何一條總線出故障時仍能正常通信。

2 動力換擋電磁閥及其電液控制

2.1 換擋電磁閥原理及其電液控制系統

換擋電磁閥(電液比例換向閥)是離合器調壓系統中的核心元件，通過調節控制輸入的PWM信號，實現對壓力的連續調節，控制離合器的接合與分離，實現對油壓的連續控制，其結構如圖4所示，調節螺釘決定了預設壓力，線圈通電產生磁場，吸引銜鐵靠近，球閥左移，壓力油向離合器油路充油，電流大小決定了磁場的強弱，決定了進油口打開的程度。

1.調節螺釘; 2.調整彈簧; 3.閥套; 4.線圈; 5.銜鐵; 6.閥體; 7.閥擋板; 8.閥芯; 9.進油球閥

拖拉機動力換擋變速器電液控制技術的核心是利用適當的閥來實現對油壓的精準控制，上層是控制策略。圖5為動力換擋變速器電液控制系統原理圖，動力換擋電磁閥采用電液比例換向閥，接同一壓力源P1，合適的控制策略以及調速閥和蓄能器的合理設置，可以形成合適的換擋點,以減小液壓沖擊和防止動力中斷。

圖5 動力換擋變速器電液控制系統原理圖

2.2 控制策略

輸入信號的形式決定了換擋離合器的油壓特性，圖6所示為理想的換擋離合器油壓特性曲線，以L擋換M擋為例，在t0時刻發出換擋信號時，離合器電磁閥迅速打開到一定程度，在t1時刻達到壓力pcp，此壓力可推動活塞開始接觸摩擦片，壓力繼續增加，接合離合器開始傳遞轉矩，分離離合器由接合處于滑磨階段，t2時刻，分離離合器完全分離，接合離合器油壓繼續升高至pcf，達到系統壓力pms。

圖6 換擋離合器油壓特性曲線

根據理想的換擋離合器油壓接合特性建立了換擋電磁閥分段函數輸入信號(圖7)，把離合器油缸活塞位移作為反饋信號，建立閉環控制系統，然后對系統進行仿真。

圖7 換擋電磁閥輸入信號曲線

變速器控制系統TCU會根據輸入信號(車速、牽引力、滑移率等)按一定的控制策略確定合適的換擋時刻，控制策略有傳統控制和現代智能控制，現代智能控制又包括模糊換擋控制、神經網絡換擋控制、專家系統等。

3 建模與仿真分析

3.1 模型的建立

AMESim(advanced modeling environment for simulation of engineering system)是一個多學科領域仿真平臺，可進行機電液復雜控制系統的仿真分析[13-14]。根據動力換擋變速器電液控制原理圖，在AMESim中建立其模型(圖8)，包括4組動力換擋電磁閥和濕式離合器，此模型檢驗換擋電磁閥開關特性、濕式離合器的響應特性和換擋過程壓力響應特性。

圖8 動力換擋變速器電液控制AMESim模型示意圖

為了進一步實現離合器柔順換擋，穩定進入離合器的流量，在換擋電磁閥與離合器油缸之間增加調速閥，以其中的一組離合器為例，建立了AMESim模型(圖9)，2個模型在仿真時假設液壓油為理想油液，不考慮管道阻力和液壓缸的死區特性，并忽略系統泄漏和發熱[15]。

圖9 動力換擋濕式離合器AMESim模型示意圖

3.2 仿真結果分析

評價換擋品質的指標通常有液壓沖擊度、滑磨功、輸出軸轉矩等，良好的換擋品質要求換擋迅速、平穩、無沖擊，且對動力傳遞影響小，盡量使動力不中斷[16]。沖擊度表示車輛縱向加速度對時間的導數，其大小主要受離合器油缸內油壓變化曲線的影響，離合器摩擦片之間的總間隙為5～8 mm[17]，活塞推動離合器片移動，因此，活塞行程的變化能反映離合器接合和分離過程。

已有大量文獻對換擋過程的影響因素進行了分析和仿真，如系統主油壓、電磁力、節流孔直徑、閥芯質量等因素對離合器油壓特性的影響，得出了各參數最佳數值范圍，對提高換擋品質有很大的幫助[19-22]。本文不考慮調速閥、離合器等部件的結構參數變化，研究換擋重疊時間對換擋離合器液壓沖擊的影響。

對系統模型仿真了一次換擋過程，對離合器油缸活塞位移進行考察，仿真結果如圖10(a)，其中實線表示離合器1油缸活塞的位移，虛線表示離合器2 油缸活塞的位移，在0.3 s時收到換擋信號，活塞在壓力油的作用下開始發出動作，換擋電磁閥在0.4 s時開始泄油，即離合器2開始分離，泄油時間持續1.0 s，而離合器1在2.0 s時完全結合，因此，換擋重疊時間為1.0 s。

液壓沖擊即換擋過程引起的系統壓力波動，可以將離合器1和2的壓力疊加視為系統壓力波動，將重疊時間設為0.3 s，分別仿真0.3、0.4、0.5 s開始泄壓的壓力沖擊，用AMEplot加載每次仿真的液壓沖擊曲線(圖10(b))，離合器2油缸在0.3 s開始泄壓，液壓沖擊達2.48 MPa，離合器2油缸在0.5 s開始泄壓，液壓沖擊降到1.09 MPa，此情況下，車輛動力不會中斷，但有一定的降低，而在0.4 s開始泄壓，壓力波動為0.63 MPa，既沒有過大的壓力沖擊，又不會影響車輛的動力性能。

上一步的仿真確定了離合器2油缸的最佳泄壓時刻為0.4 s，進一步考察換擋重疊時間不同產生的液壓沖擊。仿真了離合器2油缸在0.4 s開始泄壓，泄壓時間為0.2、0.3、0.4和0.5 s的液壓沖擊情況(圖10(c))，換擋重疊時間為0.4 s時，壓力波動最小為0.48 MPa。通過以上仿真得出，系統的換擋過程離合器2油缸在0.4 s開始泄壓，泄壓時間持續0.4 s，系統的壓力沖擊達到最小。

圖10 換擋過程仿真分析曲線

4 結論

1) 文中設計的雙CAN總線的優勢在于：可以實現拖拉機信息的分層控制、降低總線沖突、實現總線容錯能力等，是未來拖拉機通信網絡的發展方向之一。

2) 硬件電路特點是在CAN控制器和CAN收發器之間增加由6N137構成的光電隔離電路，減少電磁干擾，采用2個TJA1040驅動器可以增強總線容錯能力，一個節點可以接受2條總線傳來的不同信息，同時一個節點的信息發送到2條總線，實現信息備份，從而保證任何一條總線出現故障時仍能正常通信。

3) 設計了換擋電磁閥輸入信號，仿真表明：離合器油壓特性曲線接近理想狀況。對換擋重疊時間進行仿真，結果顯示離合器泄油時刻為0.4 s且換擋重疊時間為0.4 s時，系統受到的液壓沖擊最小為0.48 MPa，對車輛動力性能影響很小。

仿真結果可以為拖拉機智能換擋控制策略的建立提供參考，不足之處在于只從液壓沖擊對換擋品質進行了評價，由于離合器接合過程存在滑磨損失，產生的熱量會導致摩擦片溫度升高、表面磨損等問題，進一步的換擋品質研究可以采用離合器摩擦片滑磨功及溫度等影響因素進行評價。