基于CAN总线的液压混合动力车控制系统设计

1、基于CAN总线的液压混合动力车控制系统设计李世刚1 谭 彧2 谢斌2(1.北京劳动保障职业学院北京100029;2.中国农业大学工学院北京100083摘要:液压混合动力车是一种新型环保节能车辆,液压辅助驱动单元与车辆的原有驱动系统共同组成了混合动力驱动系统.由于涉及到制动能量的回收和两种动力共同驱动车辆行驶的情况,带来了混合动力分配策略的复杂性,因此必须具有一个高效的能量管理系统即控制系统。基于CAN总线技术,采用CAN2.0B通讯协议对该系统进行设计,其硬件核心选用采用PC/104计算机+CAN通信卡组成的系统,液压辅助驱动单元关键节点采用DSP芯片TMS320LF2407构成的系统。试验表

2、明系统具有较高的通讯可靠性,实时保证了车辆的安全性和最佳的能源匹配。关键词:CAN总线 液压混合动力车 DSP 控制系统中图分类号:TP273;TN919.20 前言随着社会的发展,发展节能环保车辆成汽车工业发展的一个重要方向。液压混合动力车辆,以液压蓄能器和变量泵/马达为核心组成的液压辅助驱动单元即刹车能量回收与利用系统与车辆原有驱动系统共同驱动车辆,在降低汽车尾气排放的污染和节能方面的巨大优势,使其具有很好的应用前景。而CAN总线具有实时性高、检错和纠错机制强、连接简单,可扩展性强等特点,十分适合液压混合动力车辆的复杂的动力匹配和车载网络的安全的要求。因此,本文基于CAN总线技术对其控制系

3、统进行设计。1 控制系统的组成液压混合动力车辆的控制系统是基于现场总线的分布式嵌入式控制系统,即以体积较小的PC104工控机为上位机,对系统实现高层次的优化控制与管理;对变量泵/马达动力源重要节点采用TMS320LF2407A数字信号处理器(DSP作为节点控制器(下位机保证及时地进行故障检测和处理以及进行快速复杂的平滑算法,另外,TMS320LF2407A 的CAN控制器支持CAN2.0B协议,可进行编程位定时和编程中断配置,有总线唤醒功能和自动回复远程请求功能;其他节点采用单片机作为下位机。在车辆的总线布局空间内采用250kbps波特率,主要采用主从应答式的通讯方式,这样做尽管导致了信道利用

4、率降低,但却能很好的保证上位机与动力源关键节点之间通讯数据的实时传递。基于CAN总线通讯的液 机械连接液动连接图1基于CAN总线通讯的车辆控制系统组成简图CAN 总线 图2液压泵/液压马达节点的电路方案示意图图3 液压泵/液压马达关键节点的主程序框架压混合动力车辆控制系统结构简图如图1所示。系统的网络节点主要有:上位机节点、发动机节点、变量泵/马达节点、油门踏板/制动踏板节点、附件节点等。2 系统CAN 节点的软、硬件设计2.1变量泵/马达关键节点的软、硬件设计液压辅助驱动单元节点的结构组成的方案示意图如图2所示,主要由DSP 芯片、电源电路、ADC 接口电路、CAN 总线接口电路、PWM 输

5、出驱动电路、I/O 接口电路等组成。液压泵/液压马达关键节点采用了DSP 芯片(TI 公司的TMS 320LF 2407A ,具有运算速度高,能耗低的优点,该芯片内置CAN 控制器。TMS 320LF 2407A 的CAN 控制器支持CAN 2.0B 协议,可以在标准模式和扩展模式下工作,以邮箱的形式发送和接收数据,对接收邮箱配置接收屏蔽字。该控制器可以进行编程位定时和编程中断配置,有总线唤醒功能和自动回复远程请求功能。当出现发送错误和丢失仲裁时,可以自动重发,并且有总线错误诊断功能,还可以在自测试模式下工作。 该节点整体软件方案将软件建设为三层:主循环前台程序、中断处理后台程序和功能模块后台

6、程序,这种方法可以将各个功能模块相对独立起来,这对程序的调试非常有利。对于嵌入式控制器来说,软件部分是其核心。软件的设计应该在保证系统稳定性的基础上做到功能的完善性、系统的可维护性和模块化编程。本车的软件基于的就是这样的设计方式,软件以前后台的软件方式运行。在前台运行系统的主循环,主要包括控制策略的软件实现和各子模块的软件控制;后台是各中断处理程序和基于物理层的控制。相互间提供良好的接口,这样可以使软件易于修改。液压泵/液压马达关键节点的主程序框架如图3所示。2.2油门/制动踏板节点的软、硬件设计系统的油门/制动踏板节点的控制器采用8051兼容芯片P 89C 54UFPN ,P 89C 54U

7、FPN 是Philips 公司生产的一种8位单片机芯片其特点是内核采用先进CMOS 工艺的单片位微控制器是80C 51,CPU 时钟频率可达33MHz ,片上带有16K 的FLASH ,256字节的SARAM ,可分别寻址程序存储器、数据存储器各64K 空间,双DPTR 寄存器;3个16位定时器;4个8位I/O 口;全双工增强型UART ;串行编程(ISP。该节点原理框图如图4所示。软件主要由3部分子程序组成:初始化子程序;安全处理的子程序;接收数据子程序。P89C54UFPN 中的A/D 模块初始化程序的流程如图5所示。3. 试验结果在以下条件下对控制系统进行了通讯试验:CAN 总线通讯波特

8、率设为100K ,通讯距离为20米,数据更新周期为0.05s ,至少有四个节点工作,只在实验室内进行多节点通讯时,控制器连续工作48小时,通讯没有出错;采用液压辅助驱动控制策略,进行实车(金龙XMQ6115G 客车,主要参数如下;空载质量M 1=10780kg ,车辆旋转质量换算系数d =1.3,空气阻力系数D C =0.6,迎风面积A =6m 2试验,系统正常工作24小时,通讯无错误发生。参 考 文 献1 饶运涛等编著.现场总线CAN 原理与应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.62 邬宽明.CAN 总线原理与应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.3.3 刘和

9、平等.TMS320LF240xDSP 结构、原理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.9.4 韩聚奎,蒋宜.CAN 总线技术在液压混合动力车辆上的应用J.农业机械学报,2005.9.5 谢斌;毛恩荣;谭彧.基于CAN 总线的拖拉机电液悬挂系统控制器研制J.机床与液压,2007.5.Control System Design of Hydraulic HybridVehicle Based on CAN BusLi Shigang 1 Tan Yu 2 Xie Bin 2(1.The Beijing Vocational College of Labor and SocialSecu

10、rity 100029;2. College of Engineering, China AgriculturalUniversity, 100083Abstract : Hydraulic Hybrid Power Motor Vehicle is a newtype of environmental and energy saving vehicle. The hydraulic auxiliary drive unit, namely the braking powerregeneration and reuse system, is constructed with hydraulic

11、 accumulator and double direction reversible hydraulic pump as its core. The hydraulic auxiliary drive unit and the vehicles drive system constitute the hybrid power drive system. In view of the complexity of power distributionstrategy, which is caused by the condition of two types of power driving

12、the vehicle as well as reclamation of brake energy., a high efficient control system (energy management system is designed. On the basis CAN Bus technology, the communication protocol of CAN2.0B is used to design this system, while PC/104 computer and CAN communication card are adopted to be the systems main hardware and DSP unit TMS320LF2407 is used to make up the hydraulic auxiliary drive unit. The experiment results illustrate that this system is highly reliable on communication and ensures the safety of vehicle and optimal power distribution.Keywords : CAN B