基于CAN 總線電傳動車輛輔助電氣系統設計分析

滑 娟，翟二寧

（1.咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.兵器工業部202 研究所，陜西 咸陽 712000）

1 引言

電傳動自卸車輛的輔助電氣主要完成車輛儀表、燈光、雨刮、液壓邏輯等控制功能以及為整車弱電設備提供電源[1]。傳統的輔助電氣主要采用點對點模式，此類模式中，保險、組合開關、翹板開關等常用元器件同繼電器進行組合，實現各邏輯功能[2]。這種模式原理簡單但存在著整車線束數量多、檢修困難、難以維護保養等諸多弊端。針對以上問題，進行分析，設計新的輔助電氣模式，對實際設計生產具有重要意義。

國內外學者，對此進行了一定研究：文獻[3]針對電傳動車輛的燈光控制電路進行分析，設計單獨控制系統，提高了控制精度；文獻[4]針對模塊化設計的儀表進行分析，提供系統與主電路的融合性；文獻[5]采用總線控制對輔助電路進行模塊化集成設計；文獻[6]采用試驗模擬相相結合的方法對輔助電路控制進行設計。

針對電傳動自卸車輛輔助電氣系統點對點模式存在的問題，提出了分布集中式的輔助電氣模式；對輔助電氣系統布線進行設計，根據各部分功能和布置的不同，采用分布式和傳統點對點連接方式相結合的方法，降低整車線束的復雜程度；對輔助電氣系統進行設計，對控制器和端口程序進行設計，并對主控制器線路和液壓控制器線路進行設計，使其滿足整車的使用需求；對輔助電路進行仿真實驗，選取機油壓力檢測和整車緊急雙移線試驗進行各輔助電路測試。

2 分布式系統布置

計算機通信網絡發展，分布式系統應用越來越普遍，大量的應用證明分布式控制系統與傳統控制系統相比具有諸多優點[7]，兩種布置方式，如圖1 所示。

圖1 兩種不同控制系統布置方式Fig.1 Two Different Control System Layouts

由圖可知，傳統布置方式精度低，而且容易受到干擾，整個系統的準確性和可靠性受到影響；而分布式布置方式各單元并列布置[8]，相互直接獨立存在，不會相互干擾，簡化整體的復雜程度，提高可靠性。

3 輔助電氣系統設計

3.1 布線設計

圖2 系統布線示意圖Fig.2 System Wiring Diagram

針對傳統輔助電氣控制模式原理簡單但存在著整車線束數量多、檢修困難、難以維護保養等諸多弊端的問題，設計采取分布集中式的輔助電氣模式。這種模式中，輔助電氣的供電，保險、繼電器以及續流二極管等元件被集中放置在中央配電盒中，配電盒的布置依據各用電設備的位置分布中央配電盒以就近原則布置在車身各處，車輛燈光、雨刮等布線相對簡單的原件依然采用傳統的點對點連接方式，而儀表、液壓閥組等控制邏輯復雜，布線量較大的原件采用獨立控制器控制的模式，布線示意圖，如圖2 所示。

圖中，在儀表臺、弱電控制柜以及液壓控制箱分別布置了配電盒，各自為附近的用電設備提供電源、保險、以及繼電器。主控制器布置在弱電控制柜內，可以直接采集駕駛室內的踏板、手柄的信號，車輛其他信號通過重裝插件由車輛各處引入弱電控制柜。液壓控制器布置在距離液壓閥組附近的液壓控制柜內，設置有一個液壓配電盒，該盒為液壓控制器、閥塊、傳感器等設備提供+24V 電源。同時，在配電盒內設計有并連在電磁閥上的續流二極管，以保護控制器的I/O。各控制器箱之間僅有現場總線（即CAN總線）連線和+24V電源連線，這大大減少了整車布線的長度[9]。

分布式網絡設計是現今車輛通訊系統的發展趨勢，乘用車中已被廣泛使用。該類型以近年來發展迅速的電子計算機科學為依托，旨在提高整車系統效率，降低整車線束的復雜程度，實現車輛的自動診斷，降低維護成本。在日后的設計中，工程車輛也將逐步向該種形式靠攏，燈光、空調、雨刮等輔助設備也將由行車控制器進行控制，這樣可以進一步減少車輛布線長度，降低維護成本。

3.2 輔助電氣系統設計

3.2.1 控制器選型

設計中，輔助電氣系統的數據采集由主控制器、液壓控制器與外圍傳感器組成。主控制器和液壓控制器均需要具有多組數字/模擬量輸入/輸出接口以及CAN 總線接口，以可以滿足采集數量大、處理速度高的設計要求[10]。由于車輛工作環境復雜、惡劣，因此對控制器的防護等級也有一定要求，其主要參數：供電電壓：9-32VDC；編程環境：Codesys R 2.3、C/C++；CAN2.0B：2 組（總線波特率：125kbit/s～1Mbit/s）；RS232 通訊接口：1 組；LIN 總線：1 組；模擬量輸入：16 個；模擬量/開關量輸入：12 個；開關量/頻率輸入：8 個；開關量輸入：4 個；開關量輸出：31 個；模擬量輸出：4 個；5V參考電源：2 個。

液壓控制器的需求與主控制器類似，不同的是，由于液壓控制器主要負責液壓設備的控制，因此在I/O 數量上相比主控制器要少一些，為了方便日后維護、便于優化升級，其主要參數：供電電壓：9-32VDC；編程環境：Codesys R 2.3、C/C++；CAN2.0B：2 組（總線波特率：125kbit/s～1Mbit/s）；RS232 通訊接口：1 組；LIN 總線：1 組；模擬量輸入：16 個；電流檢測輸入/開關量輸出：4 個；脈沖輸入/開關量輸入/模擬量輸入：4 個；開關量輸入：8 個；PWM 輸出/開關量輸出/開關量輸入/脈沖輸入：8 個；開關量輸出/模擬量輸入：8 個；5V 參考電源：2 個。

由上可以看到，主控制器和液壓控制器均在Codesys 環境中編譯，程序的可移植性較好，兩個控制器均有部分端口為復用端口，需要在程序中進行配置。

3.2.2 電氣系統原理設計

主控制器與液壓控制器的線路原理圖，如圖3 所示。圖中可以看到，主控制器和液壓控制器的I/O 端口根據功能的不同進行區分，主控制器主要負責行車相關信號的采集，其中包括機械制動信號、檔位信號、加速踏板信號等。采集信的號分為數字量和模擬量兩種，數字量中又分為電壓信號（0～5）V，電流信號（4～20）m A）和電阻信號。根據傳感器類型的不同，需要配置相應主控制器端口，完成信號采集[11]。除此以外，與車輛行駛有關的報警燈也由主控制器負責驅動，當主控制器判定車輛出現故障時，則點亮對應報警燈，提示駕駛員檢查。設計中為了更好的進行車輛工況判定，在車輛四個懸架上預留了壓力傳感器，通過采集四個傳感器的數據實現車輛的承重為以后通過傳感器數據判定車輛的軸荷打下基礎。

圖3 控制器線路原理圖Fig.3 Controller Circuit Schematic

3.2.3 控制器端口程序設計

主控制器和液壓控制器的模擬量采集十分類似，以加速踏板信號采集為例，主控制器215 端口為模擬量輸入端口[12]，加速踏板的供電由控制器的5V 參考電源端口提供，主控制器采集215 端口的電壓值并將其轉換為頻率油門模塊的占空比輸入，發送至頻率油門模塊。

液壓傳感器的I/O 端口與主控制器類似，不同的是，液壓控制器所采集的量多與液壓系統有關。通過液壓傳感器參數，液壓控制器負責完成液壓系統的邏輯控制，并對系統進行自檢。液壓控制器的另一主要功能是通過驅動液壓電磁閥實現自卸車輛貨斗動作。當液壓控制器檢測到操作手柄動作后，根據液壓邏輯，完成對輸出端口的控制，驅動電磁閥進行相應動作。其邏輯，如表1所示。

表1 舉升油缸控制邏輯Tab.1 Lifting Cylinder Control Logic

表中電磁鐵a-y2 分別對應圖中的各個電磁鐵，當操作手柄被推至相應位置后，液壓控制器根據上表中的關系驅動相應端口。電磁閥將按設定邏輯動作，實現功能[13]。需要注意的是，當貨斗進入懸浮狀態時，貨斗液壓油缸將全部泄壓，此時貨斗會快速下落，該工況屬于危險工況，因此液壓控制器檢測到駕駛員將操作手柄推至懸浮位時將發送確認信息至儀表，由駕駛員確認后方能驅動電磁閥。其判定流程圖，如圖4 所示。

圖4 舉升油缸控制流程Fig.4 Lifting Cylinder Control Process

上述程序中，控制器檢測是否全車斷電，當斷電后啟動定時器，時間為6.5s 左右，此段時間內控制器通過控制放油電磁鐵將蓄能器中的液壓油放凈，而后關閉。

4 輔助電路仿真實驗

圖5 輔助電氣仿真試驗電路Fig.5 Auxiliary Electrical Simulation Test Circuit

整個輔助回路的設計過程也遵循了模塊化簡介化和總線化的方式，為的是信號的控制更加集中，通信線路的更加簡化[14]。主要原理圖，如圖5 所示。燈光按鈕接口電路，如圖5（a）所示。報警指示燈和PWM 輸出，如圖5（b）所示。手柄和報警開關的連接電路，如圖5（c）所示。油門踏板和制動踏板以及幾個主要的壓力值，如圖5（d）所示。壓力傳感器和溫度電阻信號，如圖5（e）所示。根據上面的原理，為了保證順暢的信號流，搭建了通用型試驗臺[15]。試驗臺包括儀表臺、控制箱、燈光傳感器箱和踏板固定座等四個主要的組成部分，試驗數據通過LMS SCADAS 多功能數據采集系統和示波器共同檢測，如圖6 所示。

圖6 試驗臺實物圖Fig.6 Test Bench Physical Map

4.1 機油壓力

機油泵壓力輔助電路系統監測值與實測值對比，如表2 所示。

表2 機油壓力值對比Tab.2 Comparison of Oil Pressure Values

由表內對比可知，系統監測值與實測值之間誤差＜1%，滿足使用要求，存在誤差的原因是，實測中引入了流量計和壓力傳感器等，監測系統中省略了這部分外部油道，流量應該比實際試驗中的流量偏小，因此其誤差在合理范圍內。

4.2 緊急雙移線試驗

圖7 緊急雙移線試驗測試Fig.7 Emergency Double Shift Line Test

緊急雙移線試驗是車輛運行的極限工況，最能檢測輔助電路系統的穩定性和準確性，通過恒定的目標車速對固定車速進行設置，車速為30km/h，各監測信號，如圖7 所示。

由圖中分析結果可知，試驗開始后，駕駛員在2s 左右開始踩油門踏板并維持在最大開度位置，經過約7s 加速后穩定在30km/h，實際運行軌跡與理想雙移線運行軌跡有較好的吻合。車燈、各項壓力均顯示為正常，能夠實現前面介紹的關于各種輔助回路的控制機理，順暢的信號流，CAN 總線的網絡能夠保證正確的通信，準確性和實時性得到實現。

5 結論

對電傳動自卸車輛的輔助電氣提出了分布集中式的輔助電氣模式，對系統進行設計，并進行了回路試驗分析，結果可知：

（1）輔助電氣的供電，保險、繼電器以及續流二極管等元件被集中放置在中央配電盒中，配電盒的布置依據各用電設備的位置分布中央配電盒以就近原則布置在車身各處，車輛燈光、雨刮等布線相對簡單的原件依然采用傳統的點對點連接方式，而儀表、液壓閥組等控制邏輯復雜，布線量較大的原件采用獨立控制器控制的模式；

（2）機油泵轉速、機油溫度和機油壓力的檢測準確度高，誤差小于1%；整車實際運行軌跡與理想雙移線運行軌跡有較好的吻合；輔助電路能夠實現設計的控制機理，順暢的信號流，CAN總線的網絡能夠保證正確的通信，準確性和實時性得到實現；

（3）分布集中式的輔助電氣模式提高整車系統效率，降低整車線束的復雜程度，實現車輛的自動診斷，降低維護成本，為此類設計提供參考。