基于CANopen的汽車電子制動試驗臺控制研究

李占旗，王述勇，王劍飛

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

智能底盤技術快速發展，乘用車液壓制動控制系統正在進行著從電子穩定性控制系統（Electronic Stability Controller, ESC）向Two Box方案（ESC+電子助力制動系統E-Booster）再向One Box方案演進的過程[1]。在這個過程中，液壓執行系統與控制系統的關聯度越來越高，同時對控制系統的控制精度要求也越來越高[2]。在對電子液壓制動控制系統開發及驗證的過程中，電子制動液壓系統試驗臺的需求越來越強烈。

硬件在環（Hardware-in-the-Loop, HIL）仿真是在電控系統開發過程中的重要測試驗證手段[3]。針對電子液壓制動控制系統的硬件在環仿真測試可以基于HIL仿真系統與電子制動液壓系統試驗臺集成，共同構成面向電子液壓制動控制系統的HIL仿真測試系統平臺，實現對ESC、E-Booster、OneBox的策略驗證。

CANopen協議是基于控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）總線協議開發的一種高層應用協議，是一種工業控制常用的現場總線，具有高可靠性、高性能等優點[4]。結合CANopen協議技術特點及集成電子制動液壓試驗臺的HIL平臺需求，本文提出基于CANopen通信進行電子制動液壓試驗臺的控制實現。

1 電子制動硬件在環系統總體架構

整個控制系統主要由四部分構成：硬件在環仿真機柜、伺服驅動器、電動缸總成、上位機。CANopen通信部分由DS301協議實現，伺服控制部分由DS402協議實現。其中硬件在環仿真機柜作為主站，負責整個系統的通信及控制，此外還可以采集試驗臺位置傳感器、拉壓力傳感器、電流傳感器等信息，以形成整個系統的閉環控制。

伺服驅動器作為從站，通過CANopen通信的方式接收硬件在環仿真機柜發出的過程數據對象（Process Data Object, PDO）和服務數據對象（Service Data Objects, SDO）指令，控制電動缸在某種模式下運動，此外還將電動缸的位置、速度、電流等控制量反饋給上位機。上位機負責完成伺服驅動器與硬件在環仿真機柜間的CANopen通信協議實現及電動缸閉環邏輯控制，整個系統的總體架構，如圖1所示。

圖1 系統總體控制架構

2 CANopen通信配置

CANopen通信主要由對象字典和通訊對象兩部分組成。其中對象字典是CANopen的核心，用來描述通信設備和它的網絡行為的所有參數[5]。每個對象都有一個與之對應的對象組，對象組中包含了索引值、子索引、數據類型、是否支持PDO映射、取值范圍等。

通訊對象主要包含四部分：網絡管理報文（Network Management, NMT）、服務數據對象SDO、過程數據對象PDO、預定義報文或者特殊功能對象（同步對象SYNC（Synchronized）、緊急事件EMCY（Emergency））[6]。其中NMT為主站發送給從站的控制命令，用來控制從站啟動、停止、復位等。

服務數據對象SDO主要用于向從站中寫參數，過程數據對象PDO用作傳輸實時數據[7]。同步對象SYNC通常用作周期廣播對象，并為總線提供基本時鐘，SYNC具有高優先級，以確保恒定的時間間隔。緊急對象EMCY為事件觸發對象，由內部故障或錯誤狀況生成。

如圖2所示，驅動器的狀態包含三部分：功率禁用、故障和功能使能，當驅動器處于禁用階段時，主電關閉，可以通過CANopen/Ethernet通信將參數寫入驅動器，經過③、④、⑤狀態過渡后，驅動器進入操作使能狀態，此時主電開啟，可以正常操作電動缸，若驅動器在電動缸運行過程中檢測到任何故障，驅動器立刻進入禁用狀態。

圖2 驅動器狀態機狀態

3 系統軟硬件實現

3.1 系統硬件實現

硬件采用dSPACE HIL機柜、伺服驅動器和上位機，dSPACE機柜中的數據處理板卡DS1006，主要運行下載至實時處理器板卡中的程序，DS2211為多功能板卡，負責與伺服驅動器進行CAN通信、采集位置傳感器、拉壓力傳感器、電流傳感器信號值；PC機和dSPACE HIL機柜間通過光纖連接，主要負責CANopen通信模型和電動缸控制模型的編譯、下載至DS1006處理器板卡。由于DS2211板卡只支持CAN通信，因此SDO參數配置、PDO映射、網絡管理報文NMT、同步對象SYNC的均通過上位機中的模型實現。

3.2 系統軟件實現

系統軟件實現部分主要在MATLAB/Simulink中進行，主要包含兩部分：CANopen通信協議實現和電動缸控制實現。

3.2.1 CANopen通信協議實現

下面以RPDO2映射為例對CANopen通信流程圖進行說明，如圖3所示。

圖3 RPDO2映射流程圖

接收過程服務對象（Recevive Process Data Object, RPDO）和發送過程服務對象（Transmit Process Data Object, TPDO）映射均在初始化程序中運行，此時驅動器需要處于禁用狀態且SDO正常通信，通過查找對象字典確認映射對象的索引值等信息，PDO映射和網絡管理報文NMT、同步對象SYNC都是通過寫入SDO指令的方式實現，PDO映射指令如表1所示。

表1 PDO映射指令

初始化程序主要完成各路PDO的預定義映射，包括目標位置、軌跡速度、目標扭矩、控制字、位置實際值、狀態字等對象，PDO映射完成后，可以進行數據的實時通信，初始化程序部分如圖4所示。

圖4 CANopen通信初始化程序

3.2.2 電動缸控制實現

電動缸控制實現的前提是相關操作模式下涉及的對象均完成了PDO映射或SDO寫參數，例如在位置模式下目標位置和軌跡速度需要通過PDO映射，而軌跡加速度和軌跡減速度不要求實時變化，可以通過SDO方式寫入伺服驅動器。電動缸總體控制模型如圖5所示。

圖5 電動缸控制模型

按照電動缸控制模式可以將閉環控制模型分為三部分：位置模式模型、扭矩模式模型、速度模式模型，InitSvo為驅動器的初始化程序部分，ManualSet為手動設置模塊，可以對驅動器狀態、模式控制、速度模式、制動踏板開度等進行設定，實際傳感器反饋值來自于I/O模型的AD采集通道，此部分也經手動設置模塊傳給各個模式的控制模型。

以位置模式下的閉環控制模型為例，控制模型如圖6所示。

圖6 位置模式下閉環控制模型

制動踏板開度經過查表模塊得到位置期望值，位置傳感器反饋值經過軟件濾波后與位置期望值取偏差，此偏差值經過PID調節、死區模塊、變化率限幅后和位置期望值相加得到最終的目標位置值。由于伺服驅動器采用的是絕對位置命令，因此目標位置值和電動缸的初始位置值相加后即為輸入給伺服驅動器的位置命令，從而構成了位置模式下的外部閉環控制。

4 臺架試驗驗證

本系統上位機軟件包含兩部分：ControlDesk和WorkBench，其中ControlDesk可對模型中的變量進行實時修改和觀測，WorkBench軟件為伺服驅動器的上位機軟件，可完成電動缸參數配置、編碼器反饋類型選擇、功率大小設置等操作，還可對伺服驅動器的狀態進行監測。本測試中總線波特率為500 kb/s，驅動器節點ID為3，PDO發送周期為10 ms。

試驗臺如圖7所示，伺服驅動器和電動缸總成集成到試驗臺上，可以實現對智能底盤中制動控制系統ESC、E-Booster、OneBox的功能和安全策略驗證。

圖7 電子制動液壓試驗臺

試驗臺中電動缸代替踏板直接推動主缸推桿進行制動，同時E-Booster根據推桿輸入力進行一定比例的助力，二者共同作動實現液壓力的建立。

本文試驗中電動缸額定推力為5 000 N，主缸推桿行程為38 mm。電動缸初始位置為310 mm，采用絕對位移方式，實際位移傳感器反饋為7 mm，對應的踏板開度為0%。在E-booster有助力情況下急踩制動踏板開度100%，試驗結果如圖8所示。

圖8 位置模式控制下主缸推桿位移

在E-booster有助力的情況下，目標制動踏板初始開度為0%，實際位置反饋和目標位置保持一致，6.41 s設置目標踏板開度為100%，實際位置反饋逐漸增大至45 mm后趨于穩定，目標位置和實際位置基本一致。因此在有助力的情況下電動缸控制可以實現踏板開度的控制。

5 結束語

本文基于電子制動控制系統硬件在環仿真系統及CANopen技術特點，提出了基于CANopen通信的方式實現電子制動液壓試驗臺電動缸控制，并且和硬件在環仿真設備實現了無縫集成，通過上位機可以方便地控制和觀測液壓試驗臺電動缸的運轉。控制電動缸可以滿足帶E-Booster的電子制動液壓系統的高動態建壓、自動駕駛等智能制動需求。