基于CAN總線的拖拉機無級變速箱故障診斷系統研究

龔洪浪

(湖北職業技術學院，湖北 孝感 432000)

基于CAN總線的拖拉機無級變速箱故障診斷系統研究

龔洪浪

(湖北職業技術學院，湖北 孝感 432000)

基于CAN總線的無級變速箱故障診斷系統是針對農用拖拉機設計的集監測、預警及故障診斷于一身的監控系統，其以MCU微處理器為核心，主要包括CAN 總線電路、信息采集、人機交互、智能控制、報警及故障檢測等模塊，主要作用是完成對傳感器網絡節點的數據采集、分析和處理。實驗表明：測試結果與農用拖拉機變速箱實際故障情況相符，能夠精確檢測變速箱故障，為維修人員現場和遠程維修提供了便利。

拖拉機；變速箱；故障診斷；CAN總線

0 引言

“十二五”期間，隨著我國信息化、工業化和城鎮化發展步伐的加快，以及機械自動化、計算機控制系統和測試計量行業的不斷發展，使得智能控制被廣泛應用到農業生產、工業生產和高等研究等各個領域。農用拖拉機無無級變速箱任何部件出現故障問題，都導致變速箱無法工作，從而降低拖拉機的工作效率。本文基于CAN總線的農用拖拉機無級變速箱的故障診斷系統，主要包括CAN 總線電路、信息采集、人機交互顯示屏、MCU智能控制、GPRS無線傳輸、JTAG 接口協議電路和USB 電路等模塊，以實現對農用拖拉機無級變速箱的故障診斷。

1 CAN總線技術及其測量原理

1.1 CAN總線技術

控制器局域網總線(CAN，Controller Area Network)屬于現場總線的范疇，是一種用于具有國際標準的有效支持分布式控制或實時控制的串行總線，已被ISO制定為國際標準。它是一種多主總線，可以使用雙絞線或同軸電纜來傳輸信號，是被公認為最有前途的一種現場總線。CAN是20世紀80年代由Robert Bosch公司研發的一種串行總線通信協議，其通信速率可達1Mbps。由于其設計成本低、通訊可靠、實時性好，可以監測出任何錯誤，因此應用范圍非常廣，不僅應用于高速網絡和多線路網絡等領域，也被廣泛應用于各種監測和執行設備之間的通訊系統。

1.2 CAN總線結構

CAN總線參考模型分層結構主要包括物理層和數據鏈路層。其中，物理層有位編碼、位定時、同步3種方式；數據鏈路層又分為邏輯鏈路控制子層LLC和媒體訪問控制子層MAC兩種。其結構如圖1所示。

圖1 CAN總線模型分層結構圖Fig.1 The layered structure of CAN BUS model

1.3 CAN總線測量原理

農用拖拉機無級變速箱的故障診斷系統的測量采用CAN采集信號，主要是利用兩個信號采集器收集傳感器網絡信號，并傳輸給計算機，實現計算、顯示和狀態指示、聲光報警等功能。CAN總線包括控制器和收發器兩部分，主機通過ISA來訪問控制器進行數據傳輸。CAN總線測量原理如圖2所示，CAN總線和傳感器網絡數據交換示意如圖3所示。

圖2 CAN總線測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of CAN BUS

圖3 CAN總線和傳感器網絡數據交換示意圖Fig.3 Schematic diagram of data exchange between CAN BUS and sensor network

2 無級變速箱故障類型

2.1 無級變速箱內部結構

農用拖拉機無級變速箱種類比較多，結構相差也較大，但大多包括齒輪、動力軸、動力軸承、液壓泵和外殼5部分，其內部結構示意如圖4所示。

圖4 無級變速箱內部結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the internal structure of

continuously variable transmission

無級變速箱在進行擋位切換時，駕駛員首先需要踩死離合器，然后撥動檔位柄進行換擋操作，改變齒輪副傳動和輸出扭矩，從而改變車速。

2.2 無級變速箱故障類型

農用拖拉機無級變速箱結構復雜，可分為機械與液壓兩個子系統，其內部零部件多，連續工作時間長，工作環境差，所以故障率高。無級變速箱任何部件出現故障問題，都導致變速箱無法工作。另外，變速箱零部件聯系密切，某一零部件出現問題，會影響其他部件的性能。例如，傳動軸工作不正常，會導致軸承、軸環或齒輪產生不同程度損傷；反之，齒輪工作不正常，會對傳動軸產生不正常沖擊，也會引起傳動軸故障。無級變速箱零部件出現故障比重如表1所示。

表1 無級變速箱零部件出現故障比重

Table 1 The fault proportion of the components of the continuously variable transmission

出現故障的零部件故障比重/%齒輪58傳動軸承21傳動軸9液壓泵8緊固件3油箱1

在無級變速箱所有零部件中，齒輪、傳動承軸和傳動軸故障比重比較大，達到了總數的79%。因此，對農用拖拉機無級變速箱故障檢測的重點在齒輪和傳動承軸上。

變速箱齒輪工藝結構復雜，在高速、重載環境下工作時間長，故障率很大，是最容易出現問題的零部件。變速箱齒輪故障主要包括磨損、點蝕、斷齒、膠合和加工裝配故障等。

變速箱傳動軸承結構簡單，但作用很大，可以減小傳動摩擦因數和固定傳動軸。若其出現故障會使變速箱工作不穩定，大大提高變數箱震動系數，影響整體的平穩性。變速箱傳動軸承故障主要包括疲勞剝落、磨損、膠合、腐蝕、變形和加工裝配故障等。變速箱齒輪和傳動軸故障及原因之間關系如圖5所示。

圖5 變速箱齒輪和傳動軸故障及原因關系圖Fig.5 The fault and cause relationship of transmission gear and transmission shaft

3 無級變速箱故障診斷系統的設計

3.1 系統硬件結構設計

基于CAN總線的農用拖拉機無級變速箱故障診斷系統具有變速箱數據接收與故障診斷報警的軟硬件控制設備。該系統通過CAN總線與車上傳感器網絡進行連接，并將采集到的轉速信號、車速和車身振動信號傳給嵌入式控制器MCU，控制器對這些有用信號進行分析判斷，解讀變速器故障信息，最后將可能引起事故的故障信息在人機交互界面顯示和報警，讓操作員提前采取措施避免造成人員傷亡和財產損失。另外，系統會將這個數據信息上傳至SD卡存儲器，方面維修人員進行維修和保養。如果有需要可以通過GPRS無線數據傳輸模塊將信息傳送給云平臺，再經過云平臺將故障診斷信息傳送給遠程服務器，將數據信息存入數據庫，供相關單位查詢，實現對農用拖拉機無級變速箱的故障診斷。同時，還可以將CAN總線上的信息經嵌入式控制器處理后，通過互聯網采取客戶端的方式實現對農用拖拉機的遠程檢測與管理。基于CAN總線的農用拖拉機無級變速箱故障診斷系統硬件結構如圖6所示。

圖6 無級變速箱故障診斷系統硬件結構圖Fig.6 The hardware structure of the fault diagnosis system of

continuously variable transmission

無級變速箱故障診斷系統硬件平臺是整個系統重要部分之一，是CAN 總線數據采集和故障判斷系統的基礎。該系統硬件模塊主要包括CAN 總線電路、信息采集、人機交互顯示屏、MCU智能控制模塊、GPRS無線傳輸模塊、JTAG 接口協議電路和USB 電路等。這些模塊的主要作用是完成傳感器網絡節點的數據采集、分析、處理和控制等功能。

3.2 系統軟件設計

無級變速箱故障診斷系統是通過編寫程序來實現系統硬件平臺的預定功能，它與硬件系統相對應，主要是實現硬件系統中關鍵電路的功能，包括CAN總線信息傳輸、控制模塊信息采集與處理和人機交互等一系列功能的實現。軟件設計主要包括總線驅動模塊、顯示屏模塊及信息采集模塊等。CAN總線驅動模塊流程圖如圖7所示。

圖7 CAN總線驅動模塊流程圖Fig.7 The flow chart of driver module for CAN BUS

在 CAN 總線驅動程序里，首先需要初始化，定義接收、發動緩沖區和指針；然后定義指向CAN節點的指針，設置波特率；接著設置節點過濾器，使能CAN中斷并接受數據。其中，CAN總線驅動程序初始化程序結構如下：

void CAN_CfgInit(void)

{

CAN_InitTypeDef

CAN_InitStructure;

CAN_FilterInitTypeDef

CAN_FilterInitStructure;

CAN_PortInit();

CAN_DeInit(CAN1);

CAN_StructInit(&CAN_InitStructure);

CAN_InitStructure.CAN_TTCM=DISABLE;

CAN_InitStructure.CAN_ABOM=DISABLE;

CAN_InitStructure.CAN_AWUM=DISABLE;

CAN_InitStructure.CAN_NART=DISABLE;

CAN_InitStructure.CAN_TXFP=DISABLE;

CAN_InitStructure.CAN_SJW=CAN_SJW_1tq;

CAN_InitStructure.CAN_BS1=CAN_BS1_8tq;

CAN_InitStructure.CAN_Prescaler=5;

CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber=0;

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode=CAN_FilterMode_IdMask;

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale=CAN_FilterScale_32bit;

CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment=CAN_FIFO0; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation=ENABLE;

CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure);

CAN_ITConfig(CAN1,CAN_IT_FMP0, ENABLE);

}

4 實驗結果分析

為了測試無級變速箱故障診斷系統性能是否滿足農用拖拉機長時間工作要求及驗證該系統的可行性和有效性，特在某種植產業園將系統裝在一拖拉機上進行了實際測試。在拖拉機以Ⅳ擋前行時進行測量，傳動軸轉速在1 000r/ min左右，將系統采集到的轉速信號和振動信號進行時域分析，得到時域波形圖和系統處理分析圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 時域波形圖Fig.8 The time domain waveform diagram

圖9 系統處理分析圖Fig.9 The system processing analysis diagram

由圖8和圖9可以看出：系統處理分析圖中30和60時間點出現明顯的波峰。這說明，該無級變速箱Ⅳ擋位置上出現了故障。拆開變速箱后發現，齒輪磨損明顯，點蝕也比較嚴重，還出現了一處斷齒，從而引起變速箱在工作過程中出現較大幅度的振動。由此表明，測試結果與農用拖拉機變速箱的實際故障情況相符。

5 結論

本文研究的基于CAN總線的農用拖拉機無級變速箱故障診斷系統是一種具有變速箱數據接收與故障診斷報警的軟硬件控制設備，系統主要包括CAN 總線電路、信息采集、人機交互顯示屏、MCU智能控制、GPRS無線傳輸、JTAG 接口協議電路和USB 電路等模塊，可實現對農用拖拉機無級變速箱的故障診斷。該系統主要作用是完成對傳感器網絡節點的數據采集、分析和處理。實驗表明：測試結果與農用拖拉機變速箱實際故障情況相符，能夠精確檢測變速箱故障，系統測量精度高、可靠性好，為維修人員現場和遠程維修提供了便利。

[1] 初秀榮.基于CAN現場總線測控網絡系統研究[D]. 青島：青島大學,2007.

[2] 劉耀武.汽車無級變速器TCU硬件電路故障診斷系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2007.

[3] 郭光磊.基于CAN總線的分布式多軸運動控制系統通信系統設計與實現[D].北京：北京郵電大學,2008.

[4] 陸文昌.基于CAN總線的汽車發動機智能測控節點的設計[J].汽車工程,2003(5):463-466.

[5] 嚴軍.基于故障樹分析法的航空活塞發動機故障診斷專家系統研究[D].成都：電子科技大學,2010.

[6] 解洪林.AMT故障自診斷系統研究[D].濟南：山東大學,2011.

[7] 林洪瑩.基于CAN總線的分布式智能測控模塊的設計與開發[D].濟南：山東大學,2011.

[8] 鄧忠彬,張亮,李浩,等.基于CAN總線的柴油機、液力變速箱故障診斷系統的設計[J].石油儀器,2011(4):7-9，3.

[9] 趙懷皓.基于CAN總線的手動變速箱輕便換檔控制系統及操縱機構開發[D].大連：大連理工大學,2006.

[10] 趙文茂.基于車載檢測信息的發動機故障診斷專家系統的研究[D].北京：北京交通大學,2007.

[11] 邱祎.嵌入式實時操作系統RT-Thread的設計與實現[D].成都：電子科技大學,2007.

[12] 向科.CAN總線在智能儀表系統中的研究與應用[D].貴陽：貴州大學,2007.

[13] 劉海燕,劉麗娜.基于CAN總線的機場助航燈光監控系統設計[J].自動化博覽,2005(S1):82-83,100.

[14] 李光升,謝永成,呂強,等.基于CAN總線技術的車輛通訊系統[J].裝甲兵工程學院學報,2000(3): 48-52.

[15] 王光明,張曉輝,朱思洪,等.拖拉機液壓機械無級變速箱換段過程液壓故障診斷[J].農業工程學報,2015(6):25-34.

[16] 李國林,黃帥.基于CAN總線技術的電機控制研究及應用[J].電子工業專用設備,2015(9):43-47.

[17] 歐德翔,汪至中.基于CAN總線分布式控制系統智能節點的設計[J]. 自動化與儀表,2002(5):19-21，77.

[18] 李雅萍,朱乃立.基于DSP的CAN總線系統的開發應用[J].微型電腦應用,2006(11):21-25,66.

[19] 舒志兵,張杰,嚴彩忠.基于CAN總線和TCP/IP的交流伺服實驗系統的研究[J].機床與液壓,2007(12):145-148.

[20] 李自成,程善美.基于DSP交流伺服系統與CAN總線的通信設計[J].現代電子技術,2009(1):145-147.

[21] 李靜嵐.基于CAN總線伺服系統的多電機同步控制算法的研究[D].北京：中國科學院研究生院(電工研究所),2003.

[22] 王光明.拖拉機液壓機械無級變速箱的特性、控制與故障診斷研究[D].南京：南京農業大學,2014.

[23] 閆維新.無級變速器控制單元TCU的故障診斷及其網絡通訊的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2004.

[24] 王東青.拖拉機負載換擋變速箱性能的研究[D].北京：中國農業大學,2014.

[25] 王新忠,王熙,王少農,等.基于CAN總線的拖拉機故障代碼提取與解析[J].中國農機化,2016(9):124-128.

[26] 張曉輝,太健健,王光明,等.液壓機械無級變速箱換段液壓故障診斷的BP方法[J].中國農機化,2016(10):133-139.

[27] 樊兵.大功率拖拉機液壓機械無級變速箱控制器研制[D].南京：南京農業大學,2014.

[28] 李帥.變速箱異響診斷技術的研究[D].長春：長春工業大學, 2014.

[29] 張廣斌.一種變速箱綜合性能測試系統的研究與實現[D].合肥:中國科學技術大學,2012.

[30] 孟慶軍.汽車自動變速器數據采集及故障診斷系統設計[D].合肥：合肥工業大學,2009.

[31] 楊福生.無級變速器結構分析及故障診斷工程方法的研究[D].長沙：湖南大學,2014.

[32] 王尚軍.帶CAN電控汽油發動機故障診斷模擬系統的研究與試驗分析[D].廣州：華南理工大學,2012.

Research on the Fault Diagnosis System of the Tractor Based on CAN BUS

Gong Honglang

(Hubei Polytechnic Institute, Xiaogan 432000, China)

This paper studied the fault diagnosis system of CVT based on CAN BUS, designed for agricultural tractors in monitoring, early warning and fault diagnosis in a monitoring system. The system used MCU microprocessor as the core, mainly included CAN bus circuit, information acquisition, human-computer interaction, intelligent control, alarm and fault detection module. The main function of these modules is to complete the data acquisition, analysis and processing of sensor network node. The experimental results showed that the test results are consistent with the actual fault of the agricultural tractor gearbox, which can accurately detect the fault of the gearbox, and provide convenience for the maintenance personnel on site and remote maintenance.

agricultural tractor; gearbox; fault diagnosis; CAN BUS

2016-12-11

湖北省人文社會科學項目(16G295)

龔洪浪(1968-)，男，湖北孝感人，副教授，(E-mail) 1968ghl@sina.com。

TP273；S219.07

A

1003-188X(2018)02-0257-05