基于CAN總線(xiàn)的并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車(chē)控制系統(tǒng)

    目前，我國(guó)城市公共交通主要依賴(lài)公交車(chē)，站間距離一般在500～1000米。公交車(chē)在每站間有數(shù)次剎車(chē)和啟動(dòng)，在交通流量的高峰期，剎車(chē)和啟動(dòng)更加頻繁，帶來(lái)能源浪費(fèi)、尾氣污染加劇、部件壽命縮短等一系列問(wèn)題。

    本課題研究的控制系統(tǒng)，可使并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車(chē)充分利用制動(dòng)能量，在頻繁剎車(chē)和啟動(dòng)的路況，可以明顯提高車(chē)輛啟動(dòng)、加速和減速特性，改善車(chē)輛排放，降低油耗，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)及剎車(chē)裝置的壽命。而且與混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)相比，該系統(tǒng)在成本，技術(shù)成熟度，可靠性，維護(hù)性等方面均占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

    并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系中有兩種或兩種以上的動(dòng)力源可同時(shí)或單獨(dú)提供動(dòng)力，有兩個(gè)或兩個(gè)以上相應(yīng)的執(zhí)行元件可同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，該動(dòng)力傳動(dòng)系主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、主減速器、液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá)組成。并聯(lián)形式保留傳統(tǒng)車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)鏈，只是在原傳動(dòng)鏈上增加了由液壓泵/馬達(dá)和液壓蓄能器組成的能量再生系統(tǒng)，從而形成雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

    目前，并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車(chē)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如圖1所示。

    車(chē)輛在啟動(dòng)和加速時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力，釋放蓄能器中儲(chǔ)存的能量；車(chē)輛減速和制動(dòng)時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供輔助制動(dòng)力，并向蓄能器中儲(chǔ)存能量。

    圖1 并聯(lián)液壓混合動(dòng)力車(chē)結(jié)構(gòu)原理圖

    2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，同時(shí)，CAN總線(xiàn)也被認(rèn)為是混合動(dòng)力車(chē)最佳通訊結(jié)構(gòu)，本文采用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)搭建控制系統(tǒng)。

    圖如下圖2所示，控制系統(tǒng)采用分布式控制，共有5個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，主要分布在車(chē)上控制量和采集量密集的地方，包括主控制模塊、液壓系統(tǒng)測(cè)控模塊、液壓充液控制模塊、車(chē)輛信息采集模塊以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊。

    圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    主控制模塊控制器采用配備了智能PC104 CAN控制卡的PC104計(jì)算機(jī)，其他模塊控制器采用以P80C592單片機(jī)為核心構(gòu)成。P80C592芯片本身集成有CAN控制器，A/D轉(zhuǎn)換器，看門(mén)狗，使用該芯片使各控制節(jié)點(diǎn)小型化成為可能，在它的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了外圍模擬量和數(shù)字量的輸入和輸出，便于過(guò)程控制。

    3 控制系統(tǒng)的通訊管理

    3.1 CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)地址分配

    對(duì)于以上述P80C592和PC104結(jié)構(gòu)CAN通訊卡為硬件基礎(chǔ)的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)形式，節(jié)點(diǎn)之間通訊報(bào)文所用到的信息幀有兩種：數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的幀起始位之后都包括有標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）組成的仲裁場(chǎng)。標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度為11（ID.10～I(xiàn)D.0）位，包含信息幀目標(biāo)地址特征。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是“顯性”電平，用以標(biāo)記幀類(lèi)型。

    節(jié)點(diǎn)報(bào)文接收器的接收濾波器由兩部分組成：接收碼寄存器（ACR）和接收屏蔽寄存器（AMR）。此兩個(gè)寄存器均為8位：驗(yàn)收碼位（AC.7～AC.0），驗(yàn)收屏蔽位（AM.7～AM.0）。當(dāng)信息幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符最高8位（ID.10～I(xiàn)D.3）滿(mǎn)足下列等式：

    〔（ID.10～I(xiàn)D.3）=（AC.7～AC.0）〕或（AM.7～AM.0）=11111111B

    則該信息幀將被報(bào)文接收器接收。

    對(duì)于本系統(tǒng)的5個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，定義各節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼如下：

    1#：ACR=81H，AMR=BEH；

    2#：ACR=82H，AMR=BDH；

    3#：ACR=84H，AMR=BBH；

    4#：ACR=88H，AMR=B7H；

    主機(jī)：ACR=A0H，AMR=9FH；

    根據(jù)上述節(jié)點(diǎn)地址分配，各節(jié)點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)對(duì)其它任意節(jié)點(diǎn)組合的信息發(fā)送。如主機(jī)對(duì)1#、2#、3#節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，則主機(jī)發(fā)送信息幀的標(biāo)識(shí)符高8位可寫(xiě)為：87H或07H。

    可見(jiàn)對(duì)報(bào)文接收器而言，ID.10=0或1沒(méi)有區(qū)別。但根據(jù)CAN總線(xiàn)協(xié)議，顯性位“0”將比隱性位“1”具有更高的總線(xiàn)優(yōu)先權(quán)。定義ID.10=0的信息幀為“快速幀”，ID.10=1的信息幀為“普通幀”。

    因此，上述地址分配方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）容易實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)其他點(diǎn)任意組合的信息發(fā)送；

    （2）各節(jié)點(diǎn)具有不同的優(yōu)先級(jí)，從1#到5#到主機(jī)優(yōu)先級(jí)依次降低，保證發(fā)往關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信號(hào)不被阻塞；

    （3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩種地址編碼，且優(yōu)先級(jí)不同，保證關(guān)鍵指令首先被接收。

    3.2通訊方式及信息幀分類(lèi)

    由于分布式控制通訊量較大，對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)和規(guī)定相應(yīng)的協(xié)議將有利于軟件的標(biāo)準(zhǔn)化，提高編程效率和程序的可靠性。首先，依據(jù)CAN總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，定義以C語(yǔ)言描述的CAN信息幀格式：

    struct CAN_MSG

    ｛

    unsigned char CAN_FLAG；

    unsigned char CAN_DLC；

    unsigned char CAN_DATA[8]；

    ｝；

    其中CAN_FLAG是信息目標(biāo)標(biāo)識(shí)符，CAN_DLC含遠(yuǎn)程幀信號(hào)位、幀定義描述和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度信息，CAN_DATA為8字節(jié)數(shù)據(jù)。

    依據(jù)信息的流向、總線(xiàn)優(yōu)先級(jí)和作用的不同，將通訊信息分為5類(lèi)，其具體定義如下（按優(yōu)先級(jí)從低到高排列）：

    （1）遠(yuǎn)程幀：由主機(jī)以一定節(jié)拍發(fā)往各控制器，擊活相應(yīng)控制器的狀態(tài)幀發(fā)送。目的是使主機(jī)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)獲得電動(dòng)車(chē)的狀態(tài)信息，同時(shí)減少因各控制器自動(dòng)發(fā)送狀態(tài)幀而引起總線(xiàn)阻塞。

    格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)編碼；CAN_DLC=0xF0；CAN_DATA為空。

    （2）狀態(tài)幀：由控制器發(fā)往主機(jī)或其他控制器。狀態(tài)幀返回當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)和采集量信息，作為上層控制器執(zhí)行下一步規(guī)劃的標(biāo)志。

    格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼；CAN_DLC=0xE8；CAN_DATA[0]為狀態(tài)或信息數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，確定后續(xù)數(shù)據(jù)的含義；CAN_DATA[1]～ CAN_DATA[7]為數(shù)據(jù)。

    （3）間接命令幀：由主機(jī)發(fā)往控制器，或由某運(yùn)行復(fù)合動(dòng)作元的控制器發(fā)往其他控制器。間接命令幀含有復(fù)合動(dòng)作元或動(dòng)作元指令，接收方必須對(duì)命令進(jìn)行分解才能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)外設(shè)動(dòng)作的控制元指令。

    格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼；CAN_DLC=0x60+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；CAN_DATA[0]為狀態(tài)或信息數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，確定后續(xù)數(shù)據(jù)的含義；CAN_DATA含有具體指令信息。

    （4）直接命令幀：發(fā)送方向同間接命令幀。但該命令幀所含命令將被接收方直接執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)控制元?jiǎng)幼?，因此，?yīng)具有比間接命令幀更高的優(yōu)先級(jí)。

    格式：CAN_FLAG采用“快速幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼；CAN_DLC=0x20+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；CAN_DATA含有具體指令信息。

    （5）緊急命令幀：從檢測(cè)到緊急狀態(tài)的控制發(fā)往其他相關(guān)控制器。此命令具有最高優(yōu)先級(jí)，用以在檢測(cè)到緊急狀態(tài)時(shí)，快速執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作、避免事故發(fā)生。該命令將被接收方直接運(yùn)行。

    格式：CAN_FLAG采用“快速幀”點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多編碼；CAN_DLC=0x00+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；CAN_DATA含有具體指令信息。

    3.3 軟件設(shè)計(jì)

    CAN總線(xiàn)為分布式控制提供了良好的硬件基礎(chǔ)，使各節(jié)點(diǎn)的通訊不再是制約分布式控制實(shí)現(xiàn)的主要因素。整個(gè)系統(tǒng)從本質(zhì)上說(shuō)已經(jīng)不存在主、從節(jié)點(diǎn)之分，整個(gè)系統(tǒng)的控制的控制已經(jīng)從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)的單一控制（這種體系結(jié)構(gòu)要求上位機(jī)具有大容量的程序存儲(chǔ)器和高運(yùn)算速度，必然造成上位機(jī)的大型化），轉(zhuǎn)化為各節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)控制，整加了系統(tǒng)控制的靈活性，也同時(shí)降低了對(duì)主節(jié)點(diǎn)的要求。

    圖3 控制器1#，3#輸入輸出參數(shù)

    如上圖3所示，車(chē)輛信息采集模塊采集車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位信號(hào)（前進(jìn)、空檔、倒車(chē)）、油門(mén)踏板及剎車(chē)踏板的狀態(tài)及幅度。液壓系統(tǒng)測(cè)控模塊采集蓄能器的壓力，控制離合器的吸合與斷開(kāi)，通過(guò)油路控制（4個(gè)開(kāi)關(guān)量）實(shí)現(xiàn)油路分配控制，最后通過(guò)液壓泵/馬達(dá)控制實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)回收/釋放功能及強(qiáng)度。

    各節(jié)點(diǎn)控制器均能獨(dú)立完成部分命令分解和調(diào)用底層指令的功能。這樣，對(duì)于某一動(dòng)作元而言，節(jié)點(diǎn)控制器將充當(dāng)“命令主機(jī)”。下面以“液壓系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)”這一復(fù)合動(dòng)作元執(zhí)行時(shí)，1#，3#控制器流程圖（如圖4，圖5所示）為例，說(shuō)明各控制器在分布式控制系統(tǒng)中的作用。可以看出，在該指令執(zhí)行過(guò)程中，3#控制器充當(dāng)了1#控制器的“命令主機(jī)”。

    采用分布式控制方式，可以將主機(jī)從繁瑣的邏輯控制過(guò)程中解放出來(lái)，對(duì)于主機(jī)的小型化、產(chǎn)品化有重要作用。

    圖5 3#控制器軟件流程

    4 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

    硬件可靠性方面的工作很多，主要有以下兩點(diǎn)：

    （1）雙時(shí)限看門(mén)狗：系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器均采用了雙時(shí)限看門(mén)狗電路。雙時(shí)限看門(mén)狗有兩個(gè)定時(shí)器：一個(gè)為短定時(shí)器（用單片機(jī)P80C592內(nèi)帶的），一個(gè)為長(zhǎng)定時(shí)器（外部看門(mén)狗定時(shí)器MAX705）。短定時(shí)器定時(shí)為T(mén)1，長(zhǎng)定時(shí)器定時(shí)為T(mén)2，0

    這樣，當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，如果這個(gè)死循環(huán)包含短定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句而不包含長(zhǎng)定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句，那么長(zhǎng)定時(shí)器終將溢出，使單片機(jī)復(fù)位。巧妙安排長(zhǎng)定時(shí)器FeedDog語(yǔ)句的位置，可保證出現(xiàn)死機(jī)的概率極低。

    （2）CAN總線(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾性：為了增強(qiáng)CAN 總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，P80C592的CTX0和CRX0并不直接與82C250 的TXD和RXD相連，而設(shè)計(jì)為是通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)上各CAN 節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。應(yīng)該特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源是完全隔離的，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用的是兩個(gè)小功率DC/DC電源隔離模塊。實(shí)現(xiàn)這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜和成本，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

    82C250與CAN總線(xiàn)的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線(xiàn)相連，電阻可起到一定的限流作用保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P的小電容，可以起到濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

    另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器還配置了電源指示燈，總線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)指示燈，可在一定程度上讓用戶(hù)了解控制器的狀況。

    軟件可靠性設(shè)計(jì)中，在各節(jié)點(diǎn)控制器程序中，每處需要等待的程序分支都設(shè)置了定時(shí)器。當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行條件仍不能滿(mǎn)足，控制器將取消當(dāng)前任務(wù)，并向主機(jī)報(bào)警

    5 結(jié)論

    本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了采用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的液壓混合動(dòng)力車(chē)控制系統(tǒng)，構(gòu)建了基于CAN總線(xiàn)的分布式電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，確定了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并根據(jù)所提出的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了控制軟件，最后對(duì)系統(tǒng)軟硬件可靠性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

    根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)已經(jīng)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試運(yùn)行，并完成了各種功能測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，對(duì)緊急指令的響應(yīng)速度快，并能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，能夠很好的滿(mǎn)足液壓混合動(dòng)力車(chē)的運(yùn)行需求。