小型挖掘機(jī)儀表電子控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 揚(yáng)

（南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域工程建設(shè)量的加大，推動(dòng)了挖掘機(jī)市場(chǎng)的飛速發(fā)展。小型挖掘機(jī)依靠其靈活小巧、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、功能豐富等優(yōu)勢(shì)，成為工程應(yīng)用的理想選擇。電子控制系統(tǒng)作為液壓挖掘機(jī)的重要配套系統(tǒng)，是小型挖掘機(jī)技術(shù)發(fā)展和功能改善的關(guān)鍵，一般具有控制、遠(yuǎn)程管理、監(jiān)測(cè)與報(bào)警、照明等功能[1]。國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)電控技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有較大差距，只有少數(shù)廠家生產(chǎn)的小型挖掘機(jī)選用國(guó)產(chǎn)控制器，且只具備一般監(jiān)控功能與相對(duì)簡(jiǎn)單的節(jié)能控制技術(shù)，可靠性、可擴(kuò)展性不強(qiáng)[2]。本文以沃爾沃小型挖掘機(jī)電控設(shè)備國(guó)產(chǎn)化為背景，以飛思卡爾Kinetis 系列微控制器為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于沃爾沃小型挖掘機(jī)EC60C 的儀表電子控制單元（以下簡(jiǎn)稱“IECU”）。IECU負(fù)責(zé)采集挖掘機(jī)各種工況參數(shù)，如冷卻液溫度、燃油液位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力等，并通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)工況參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、代碼鎖定和選項(xiàng)設(shè)定，同時(shí)還具備報(bào)警與工作時(shí)間保存功能。其與車載電子控制單元（以下簡(jiǎn)稱 “VECU”） 等通過CAN 總線連接在一起，共同組成了EC60C 的電子控制系統(tǒng)。該IECU 易于閱讀，可使操作狀態(tài)檢查更快捷，工作效率更高。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

IECU 以飛思卡爾MK10DN512VLL10 為控制核心，外擴(kuò)脈沖信號(hào)采集電路、開關(guān)與模擬量采集電路、鍵盤電路、CAN 總線接口電路、步進(jìn)電機(jī)與LED 驅(qū)動(dòng)電路。其使用LCD、步進(jìn)電機(jī)和LED 作為儀表顯示部件，磁電存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)，并通過CAN 總線與VECU進(jìn)行信息交互。IECU 整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

IECU 通過開關(guān)量、模擬量與脈沖信號(hào)量采集電路采集外部開關(guān)、傳感器、交流電機(jī)P 端子傳來的各種工作參數(shù)并由MCU 做相應(yīng)的判斷與處理。采集的工況參數(shù)與信號(hào)類別如表1 所示。

圖1 IECU 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of IECU system

表1 工況參數(shù)及其信號(hào)類別Tab.1 Working parameters and classification

當(dāng)要執(zhí)行某項(xiàng)操作時(shí)，操作員先通過鍵盤上的滾動(dòng)鍵與確認(rèn)鍵選擇功能菜單中對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，儀表盤上相應(yīng)的LED 指示燈便會(huì)閃爍提醒，IECU 將相應(yīng)的操作碼通過CAN 總線發(fā)送給VECU。與此同時(shí)，VECU 采集其外部開關(guān)（包括控制桿開關(guān)與手柄開關(guān)等）或傳感器的狀態(tài)，若同時(shí)滿足一定條件，則VECU會(huì)激勵(lì)電磁閥或繼電器完成相應(yīng)的操作，如自動(dòng)怠速、動(dòng)臂偏置選擇等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于ARM Cortex-M4 的Kinetis 微控制器

ARM Cortex-M4 是由ARM 開發(fā)的最新嵌入式處理器，在M3 內(nèi)核基礎(chǔ)上強(qiáng)化了運(yùn)算能力，增加了浮點(diǎn)、DSP等功能。MK10DN512VLL10 搭 載ARM Cortex-M4內(nèi)核，是Kinetis 系列微控制器的入門芯片。其最高工作頻率達(dá)100MHz，內(nèi) 置512KB 的Flash存儲(chǔ)器與128KB 的RAM，包含2 個(gè)16 位精度ADC 模塊、可編程延時(shí)模塊、8 通道PWM、SPI、CAN、UART 等豐富資源，并融合了最新的低功耗革新技術(shù)[3]。

2.2 步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的IECU 中的冷卻液溫度表和燃油油位表使用指針方式來指示。步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角與冷卻液溫度、燃油油位成正比。使用PWM 數(shù)字控制方式調(diào)速，具有抗干擾能力強(qiáng)、控制性能好、無累積誤差的優(yōu)點(diǎn)[4]。步進(jìn)電機(jī)可選擇Wellgain公司的VID29 系列步進(jìn)電機(jī)，其可選擇分步模式或微步模式驅(qū)動(dòng)。微步模式下輸出軸的步距角最小可達(dá)到（1/12）°的高精度，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可達(dá)600°/s。儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片可選擇同公司的VID66-08。該驅(qū)動(dòng)芯片可控制步進(jìn)電機(jī)以微步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)，適用于汽車儀表、航空儀表等。VID66-08 的驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Drive circuit of stepper motor

其中F(scx)A、F(scx)B 為驅(qū)動(dòng)脈沖輸入端，可用PWM驅(qū)動(dòng)。CW/CCWA、CW/CCWB 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。其中M1 用作燃油油位表，M2 用作冷卻液溫度表。

2.3 LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

EC60C 的IECU 使用發(fā)光LED 作為監(jiān)控和報(bào)警指示燈，包括安全帶指示燈、動(dòng)臂偏置指示燈、推土板浮動(dòng)指示燈等。本次設(shè)計(jì)選擇TI 公司的8 通道恒定電流吸入型LED 驅(qū)動(dòng)器TLC5916。該芯片工作于3.3V 或5V 電壓，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8 路LED，輸出恒定電流不隨負(fù)載電壓而改變。可以通過改變外部電阻來調(diào)整吸收5mA~120mA 的電流，實(shí)現(xiàn)LED 亮度靈活控制。其與MCU 采用SPI 接口相連，工作時(shí)鐘達(dá)30MHz。IECU 包括各種報(bào)警指示燈在內(nèi)總共需要驅(qū)動(dòng)15 路LED，因此將兩片TLC5916 級(jí)聯(lián)。

2.4 磁電存儲(chǔ)器

磁電存儲(chǔ)器采用ECERSPIN 公司的非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器MR25H10，其具有1MB 的存儲(chǔ)容量。該MRAM 使用簡(jiǎn)單的SPI 接口，工作時(shí)鐘高達(dá)40MHz。對(duì)于需要長(zhǎng)期保存、快速讀取與恢復(fù)的重要數(shù)據(jù)，該MRAM 是理想的存儲(chǔ)器方案。MR25H10 可以用來保存挖掘機(jī)類型號(hào)、工作時(shí)間等重要的工況參數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)程序模塊設(shè)計(jì)

（1）步進(jìn)電機(jī)指數(shù)形曲線加減速控制。常見的步進(jìn)電機(jī)加減速控制曲線有三種： 梯形曲線、指數(shù)形曲線與S形曲線[5]。其中梯形曲線實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，但其加速、勻速與減速過程過渡不光滑，會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行與使用壽命；S 形曲線的優(yōu)點(diǎn)是加速度不會(huì)突變，提高了平穩(wěn)性，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜[6]。綜合考慮算法性能與系統(tǒng)需求，此處重點(diǎn)討論指數(shù)形曲線加減速控制。

指數(shù)形曲線是從步進(jìn)電機(jī)矩頻特性推導(dǎo)而來，符合步進(jìn)電機(jī)的固有規(guī)律。其運(yùn)動(dòng)方程式為：

減速運(yùn)行階段：

其中： vm—步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行速度，τ1、τ2—決定步進(jìn)電機(jī)升降速快慢的時(shí)間常數(shù)。

（2）指數(shù)形曲線的離散化處理。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率為120°/s，最高運(yùn)行頻率為600°/s。根據(jù)實(shí)際情況留取一定裕量，取啟動(dòng)頻率為100°/s，最高運(yùn)行頻率為500°/s，代入式（1）、（2）與（3）中并加以修正得到其實(shí)際運(yùn)動(dòng)方程為：

為了能使用微控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度進(jìn)行控制，此處對(duì)指數(shù)形曲線的轉(zhuǎn)速按級(jí)差100°/s 分段離散化處理，如圖3 所示。

圖3 指數(shù)形加減速曲線的離散化Fig.3 Discretization of index-curve

設(shè)升速過程與降速過程時(shí)間相等，同為△t。為了保證總運(yùn)行時(shí)間最短，應(yīng)使加減速過程時(shí)間盡量短，勻速運(yùn)行時(shí)間盡量長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中，給定不同的值，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的加減速時(shí)間與運(yùn)行總時(shí)間。進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)速度分段點(diǎn)的時(shí)間值與該速度級(jí)運(yùn)行步數(shù)。在給定運(yùn)行角度為100°時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

從上表可以看出隨著加減速過程時(shí)間的減 小，總 運(yùn)行時(shí)間也減小。當(dāng) 減 小至5ms 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)了失步與啟動(dòng)卡死的現(xiàn)象。實(shí)際上這時(shí)加減速階段的轉(zhuǎn)速加速度已經(jīng)超過了步進(jìn)電機(jī)允許的最大加速度。因此取最佳值，τ1=6.21，τ2=5.58，可保證步進(jìn)電機(jī)在不失步的條件下總運(yùn)行時(shí)間最短。各時(shí)間分段點(diǎn)對(duì)應(yīng)的離散速度級(jí)的轉(zhuǎn)速和級(jí)步數(shù)（脈沖數(shù)）計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表2 τ值對(duì)應(yīng)的△t與總時(shí)間（運(yùn)行角度：100°）Tab.2 τ,△t and total time(angle:100°)中

（3）步進(jìn)電機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)軟件模塊主要分成兩部分： PIT 中斷處理和指數(shù)形調(diào)速曲線的軟件實(shí)現(xiàn)。周期中斷定時(shí)器PIT 可用來對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行周期性的測(cè)量，同時(shí)設(shè)定指針的目標(biāo)位置。PIT 中斷處理流程如圖4 所示。進(jìn)入PIT 中斷后，首先對(duì)冷卻液溫度傳感器、燃油油位傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行AD 采樣和濾波操作，并根據(jù)表盤量程與物理量范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算目標(biāo)位置。當(dāng)輸入信號(hào)變化很快時(shí)，PIT 的采樣周期較短，可能會(huì)出現(xiàn)下次設(shè)定目標(biāo)位置時(shí)電機(jī)還未轉(zhuǎn)到位的情況。若當(dāng)前電機(jī)仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要做進(jìn)一步判斷。若目標(biāo)位置θn小于當(dāng)前位置θcur，則表示轉(zhuǎn)動(dòng)方向與目標(biāo)位置不一致，需要先減速到停止，再反向轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。θs是電機(jī)減速到停止過程中轉(zhuǎn)過的角度。根據(jù)不同的判斷結(jié)果計(jì)算位置增量并確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。當(dāng)位置增量小于等于指數(shù)形曲線的加速與減速段的總運(yùn)行角度θa－d時(shí)，調(diào)用勻速轉(zhuǎn)動(dòng)子函數(shù)，否則調(diào)用指數(shù)形調(diào)速函數(shù)。

表3 離散速度級(jí)步數(shù)（△t=10ms）Tab.3 Discrete speed level steps(△t=10ms)

圖4 PIT 中斷處理流程Fig.4 The flow chart of PIT interruption processing

圖5 指數(shù)形加減速曲線的軟件流程Fig.5 The flow chart of indexcurve

指數(shù)形調(diào)速的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5 所示。根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果，將離散化后的各速度級(jí)轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)的級(jí)步數(shù)（脈沖數(shù)）分別存入兩個(gè)數(shù)組中。輸入一個(gè)目標(biāo)位置，先按照?qǐng)D3 計(jì)算在勻速階段步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的步數(shù)和總的級(jí)步數(shù)，接著打開PWM 及其溢出中斷，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。之后步進(jìn)電機(jī)每接收到一個(gè)PWM 脈沖就運(yùn)行一個(gè)微步（1/12）°。當(dāng)一個(gè)PWM 周期完成時(shí)就會(huì)觸發(fā)并進(jìn)入溢出中斷，在中斷中當(dāng)前速度級(jí)步數(shù)減1，總級(jí)步數(shù)減1。每到新的一級(jí)速度，需更新PWM 頻率。直到總級(jí)步數(shù)減為0，電機(jī)運(yùn)行到了指定位置，這就完成了一次指數(shù)形加減速的過程。

3.2 IECU 模式菜單設(shè)計(jì)

根據(jù)IECU 的功能需求設(shè)計(jì)了三種模式： 運(yùn)行模式、設(shè)定模式和服務(wù)模式，并以菜單結(jié)構(gòu)組織。操作者可以通過鍵盤上的上下方向鍵、SELECT 鍵與ESC 鍵在不同的功能界面間切換。

（1）運(yùn)行模式。運(yùn)行模式中的核心界面是轉(zhuǎn)速/時(shí)間界面，該界面顯示了當(dāng)前時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此外運(yùn)行模式還包括X1 流量控制等功能。按下SELECT 鍵5s，可切換至服務(wù)模式菜單界面，進(jìn)入服務(wù)模式；若按下時(shí)間不足5s，則切換至設(shè)定模式菜單界面，進(jìn)入設(shè)定模式。

（2）設(shè)定模式。在設(shè)定模式中可以重新設(shè)定當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。按ESC 鍵可以返回至轉(zhuǎn)速/時(shí)間界面。

（3）服務(wù)模式。進(jìn)入服務(wù)模式后，可以通過服務(wù)模式菜單界面選擇相應(yīng)選項(xiàng)，包括車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓和電氣系統(tǒng)的相關(guān)信息。車輛信息界面中可以重置并設(shè)定工作時(shí)間，查看當(dāng)前挖掘機(jī)型號(hào)，選擇防盜、自動(dòng)怠速、推土板浮動(dòng)等功能；發(fā)動(dòng)機(jī)界面中可以查看冷卻液溫度、燃油油位和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的具體值；液壓界面中可查看液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；電氣系統(tǒng)界面中不僅可查看電池電壓，也能對(duì)輸入輸出值，如PWM、開關(guān)量等進(jìn)行檢查。

4 結(jié)論

實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，采用上述的指數(shù)形算法可以保證燃油油位表、冷卻液溫度表指針快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式、設(shè)定模式和服務(wù)模式之間可靈活切換，方便駕駛員對(duì)挖掘機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄與設(shè)定。該IECU 界面簡(jiǎn)潔美觀，操作方便，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 魏斌，劉會(huì)娟.小型液壓挖掘機(jī)電控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 建筑機(jī)械化，2012，9.

[2] 胡凱利. 某中型液壓挖掘機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京理工大學(xué)，2010.

[3] 王宜懷，吳瑾，蔣銀珍. 嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐：ARM Cortex-M4 Kinetis 微控制器[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 廖建斌. 步進(jìn)電機(jī)式汽車儀表控制技術(shù)[J]. 汽車電器，2008，6.

[5] 曹東杰，韓峰，任云燕. 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)按S 形曲線升降頻設(shè)計(jì)[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，2.

[6] 李曉菲，胡泓，王煒. 步進(jìn)電機(jī)加減速控制規(guī)律[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19.

[7] 傅志強(qiáng). 在HCS08 系列MCU 上用軟件實(shí)現(xiàn)儀表步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)[J].電子產(chǎn)品世界，2010，5.