一種基于CAN通訊的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白蒲江 王建軍

摘 要：文章首先介紹了液力緩速器控制算法開發(fā)對測控系統(tǒng)的需求 然后介紹了測控技術(shù)的原理及常用方法 最后結(jié)合液力緩速器控制系統(tǒng)進(jìn)行了測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：液力緩速器;算法;測控系統(tǒng)

中圖分類號：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-41-03

Abstract： The market need on Measure control System of retarder control system are introduced firstly， Then the principles and methods of Measure technology? are described; At last， design based on retarder control system are achieved and applied.

Keywords： Retarder; Algorithm; Measurement and control system

CLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-41-03

前言

傳統(tǒng)的重型車輛制動(dòng)依靠行車主制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。在復(fù)雜的工況下 比如：長下坡制動(dòng) 平路頻繁制動(dòng)等 行車主制動(dòng)較一般工況制動(dòng)強(qiáng)度大幅增加 如：制動(dòng)器的加快磨損 制動(dòng)襯片加速衰退等 達(dá)到某種嚴(yán)重程度 可導(dǎo)致主制動(dòng)的失靈 造成交通事故。為了提高車輛安全性 越來越多的車輛匹配緩速器 控制系統(tǒng)作為緩速器的大腦 具有重要作用如圖1。

在緩速器控制系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用中 需要采用閉環(huán)控制算法能實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制以滿足駕駛員各種操作下的扭矩控制需求。該方式基于壓力傳感器信號實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)械本體壓力輸出 扭矩輸出 實(shí)現(xiàn)整車車輛車速維持、降低等。隨著車輛安全性的要求提高 控制系統(tǒng)開展了非冗余故障容錯(cuò)方案、冗余故障容錯(cuò)方案等在回路控制系統(tǒng)的應(yīng)用 新設(shè)計(jì)的算法考慮了故障前后的平滑切換、故障后的扭矩及壓力調(diào)節(jié)。由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境限制 這些控制算法在車輛上很難實(shí)現(xiàn)測試 因此有必要設(shè)計(jì)仿真程度高的測試系統(tǒng)供控制系統(tǒng)測試使用。

CAN 總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最早是由德國Bosch公司推出 用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN 總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò) 廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)場總線領(lǐng)域中 CAN 總線得到了計(jì)算機(jī)芯片商的廣泛支持 他們紛紛推出直接帶有 CAN 接口的微處理器（MCU）芯片。 為實(shí)現(xiàn)被控對象模型的搭建 結(jié)合國際主流開發(fā)趨勢 采用了基于MATLAB環(huán)境 Simulink工具開發(fā)的方案。MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。其中Simulink是MATLAB最重要的組件之一 它提供了一種動(dòng)態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境 目前已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和處理。

本文旨在以Simulink的強(qiáng)大集成環(huán)境為基礎(chǔ) 基于CAN 、模擬采集、IO控制器接口的微處理器（MCU） 建立一種用于緩速器控制系統(tǒng)的測控系統(tǒng)。

1 測控系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)如圖2所示虛線框內(nèi)為測控系統(tǒng)部分 實(shí)線框內(nèi)為控制系統(tǒng)部分。

主要由仿真單元（被控對象模型）、數(shù)據(jù)采集軟件及配置軟件、USB2CAN、壓力測量單元組成。

壓力測量單元單元用于實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)械部分壓力 用于仿真控制的壓力輸入。

仿真控制單元（被控對象模型）用于運(yùn)行被控對象受力模型 基于系統(tǒng)壓力 經(jīng)過模型計(jì)算后 為控制系統(tǒng)仿真車速、轉(zhuǎn)速等信號。

采集及配置單元的配置界面通過CAN通訊板卡與各單元交互 配置被控對象受力模型等 數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 采集數(shù)據(jù)及信號切換的實(shí)現(xiàn)

從圖1 圖2對比可看出 為了實(shí)現(xiàn)傳感器1的壓力信號各種工況下控制系統(tǒng)的非冗余故障容錯(cuò)方案的測試與評價(jià) RCU在真實(shí)系統(tǒng)中與傳感器1直接連接 現(xiàn)在測控系統(tǒng)經(jīng)過信號模式控制后與傳感器1連接。模式控制通過電子回路切換實(shí)現(xiàn)RCU與傳感器1線路（正常模式、開路模式、短路模式）連接 通過程序控制可實(shí)現(xiàn)模式間的周期和隨機(jī)切換。

測控環(huán)境下 機(jī)械部分安裝的傳感器2（監(jiān)測）與壓力測控單元的模擬電路連接。該傳感器處于正常模式 能如實(shí)反映機(jī)械部分的壓力。采集單元對傳感器2處理 通過A/D轉(zhuǎn)換后 傳遞給處理單元 處理單元計(jì)算后 將結(jié)果通過通訊單元接口 廣播到CAN總線。

3 仿真控制的實(shí)現(xiàn)

仿真控制分為兩部分 一部分是被控對象模型 一部分是配置模塊。

為了實(shí)現(xiàn)壓力信號各種模式下扭矩控制效果的評價(jià) 需要為被控對象建立仿真模型 該模型能計(jì)算出對應(yīng)壓力下的扭矩、車速、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

式中 m為行車總質(zhì)量 v為車速 為液力緩速器制動(dòng)力 為空氣阻力 為滾動(dòng)摩擦阻力 為坡度阻力。由于在模型的建立中主要考慮的是緩速器的恒速控制模型 因此認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)和行車主制動(dòng)不參與制動(dòng)過程中 并且在行車過程中路面不打滑 車輪與路面附著力良好。

對于公式（1）進(jìn)行MATLAB/Simulink模型搭建 如圖3所示：

圖3中液力緩速器的子模塊 根據(jù)液力緩速器臺架實(shí)驗(yàn)氣壓、轉(zhuǎn)速（10個(gè)氣壓下）和扭矩的關(guān)系曲線 根據(jù)插值的原理 可以得到任何轉(zhuǎn)速和氣壓下的扭矩對應(yīng)關(guān)系 由于氣壓或者扭矩上升到要求值有一定的延遲 因此在扭矩輸出后增加一個(gè)慣性延遲 使得模型更加接近于實(shí)際。

最初設(shè)計(jì)時(shí) 仿真被控對象模型的運(yùn)行 配置等在PC機(jī)的Matlab/Simulink環(huán)境上實(shí)現(xiàn) 運(yùn)行期間 與RCU控制系統(tǒng)通過KVASER通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互 結(jié)果 由于PC機(jī)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)性等原因 導(dǎo)致控制系統(tǒng)的信號不能實(shí)時(shí)獲取 從而不能滿足閉環(huán)仿真測試要求。為了解決此問題 將被控對象模型的計(jì)算和配置分成兩個(gè)模塊開發(fā)。

被控對象的方法是：先在Matlab環(huán)境下搭建模型 再通過Matlab的代碼生成功C語言的代碼 然后將該代碼裝載到嵌入式控制系統(tǒng)上。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) 通過控制器的CAN通訊能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速扭矩的實(shí)時(shí)計(jì)算及與其它設(shè)備的交互。該方法便于模型的擴(kuò)展與優(yōu)化 提高了開發(fā)效率。

配置部分對實(shí)時(shí)性要求不高 因此在PC機(jī)通過搭建上位機(jī)界面、后臺處理開發(fā)實(shí)現(xiàn) PC機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的交互仍采用KVASER通訊模塊實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)界面與操作者進(jìn)行交互 可配置車輛車重、道路坡度、初始車速等信息 道路坡度有支持配置為兩種形式：給定坡度 正弦波坡度 后臺處理將界面數(shù)據(jù)進(jìn)行一定計(jì)算處理后 先調(diào)用庫函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞到串口 然后通過通訊板卡傳送到CAN總線上 控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)根據(jù)需要獲取必要的信號。同時(shí) 控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)也會(huì)將轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力等信號廣播到總線上。配置數(shù)據(jù)采集儀等記錄和監(jiān)測系統(tǒng) 能實(shí)現(xiàn)測試環(huán)境下數(shù)據(jù)的采集及分析需要。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在測試系統(tǒng)搭建完成 以某車型配XXX緩速器來測試該測控系統(tǒng)的功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測試時(shí) 首先在上位機(jī)配置車輛信息。

接著 運(yùn)行測試用例 進(jìn)行必要的手動(dòng)模擬操作 配置不同傳感器模式（故障或正常）。根據(jù)用例要求 將完成壓力

故障下、制動(dòng)1檔逐級換到最高擋的操作 壓力故障到正常交替下最高擋等工況模擬。測試期間 位于系統(tǒng)中的RCU控制器按照其策略（容錯(cuò)、正常壓力扭矩控制）運(yùn)行 運(yùn)行后測控系統(tǒng)得到的各種數(shù)據(jù)（RCU數(shù)據(jù)、測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)）發(fā)送到總線上。基于CAN數(shù)據(jù)記錄儀等采集設(shè)備記錄所需的壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等信號。

最后 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出 測試用例所運(yùn)行的所有功能均被實(shí)現(xiàn)。通過上述測試可以看到 該測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信迅速、準(zhǔn)確;測量及切換系統(tǒng)實(shí)時(shí)、可靠;仿真模型仿真度高。綜合判斷 該系統(tǒng)能滿足控制系統(tǒng)全工況測試的需要 符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

針對某控制系統(tǒng)冗余故障容錯(cuò)方案不能驗(yàn)證的問題 提供了比較完善的解決方法 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的壓力及扭矩評價(jià)與測試 試驗(yàn)表明整個(gè)測試系統(tǒng)運(yùn)行良好 為提升控制系統(tǒng)性能提供了幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜秀霞，張偉，李平康.基于DCS與Matlab的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)[J].測控系統(tǒng).2008年07期.

[2] 許秀玲，汪曉東.傳感器故障診斷方法研究[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2004年03期.

[3] 程軍.重型汽車控制系統(tǒng)的通訊與診斷協(xié)議[J].汽車電器.2001年01期.

[4] 陽憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M]北京：清華大學(xué)出版社著， 2003-06.

[5] 白蒲江，劉小龍.一種液力緩速器控制系統(tǒng)自診斷設(shè)計(jì)研究[J].汽車維修.2014年09期.

[6] 趙紅利.基于Simulink的汽車行駛控制系統(tǒng)數(shù)字仿真[J].重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007年5月.