基于CAN總線的懸浮式轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

張翠英，儀垂良，劉學峰，任冬梅，張成保

（250100山東省 濟南市 山東農(nóng)業(yè)機械科學研究院）

0 引言

發(fā)展大功率、作業(yè)能力強的重型農(nóng)業(yè)裝備是我國農(nóng)業(yè)機械的主要方向[1-2]。隨著精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求以及物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的推動，對智能重型拖拉機也提出安全、可靠、舒適、節(jié)能、高效的要求。作為智能重型拖拉機的關(guān)鍵零部件，配套驅(qū)動橋的開發(fā)成為亟需攻關(guān)的技術(shù)[3-5]。山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院研制一種全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋[6]，通過機電液控制，實現(xiàn)了驅(qū)動橋自適應(yīng)各種工況。本文主要介紹該驅(qū)動橋的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本文涉及的全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前中央傳動總成、驅(qū)動橋殼體總成、輪邊減速器總成、左懸浮搖臂總成、右懸浮搖臂總成、轉(zhuǎn)向油缸總成、液壓系統(tǒng)、電控單元等部分組成。

圖1 全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fully-independent suspended steering drive axle

懸浮式驅(qū)動橋左、右懸浮搖臂總成對稱安裝于驅(qū)動橋殼體總成的兩端，左、右上懸浮搖臂轉(zhuǎn)軸處各安裝一懸浮高度傳感器，用以實時監(jiān)測車輛顛簸的程度。在驅(qū)動橋殼體與下懸浮搖臂之間設(shè)有懸浮支撐油缸，執(zhí)行控制單元指令，用以維持車輛的動態(tài)平衡。該懸浮式轉(zhuǎn)動驅(qū)動橋的橋體為三段式結(jié)構(gòu)，可分別對左右輪進行獨立懸浮控制。

2 全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋電氣控制系統(tǒng)原理

針對國內(nèi)農(nóng)機的實際需求[7-9]，兼顧儀器的通用性、可擴展性，本文涉及的懸浮控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)2部分構(gòu)成，硬件系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)、接口控制系統(tǒng)、角度采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等。為了與主機控制系統(tǒng)匹配，控制系統(tǒng)采用具有較強的抗電磁干擾性和較高的通信速率的CAN總線技術(shù)，此技術(shù)已廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械的整機通信網(wǎng)絡(luò)中[10-12]。電氣控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Composition block diagram of electrical control system

電氣控制系統(tǒng)的控制流程是微處理器（本系統(tǒng)采用單片機STM32F103C6T6）根據(jù)霍爾角度傳感器采集懸架傳感器反饋的懸浮油缸高度，運算后輸出相應(yīng)的大小的脈沖電流去控制液壓系統(tǒng)的4個比例電磁閥的開口開度，控制懸浮油缸的進出油量調(diào)節(jié)支撐剛度。同時，霍爾角度傳感器把實時車輛顛簸程度發(fā)送給微處理器，形成閉環(huán)反饋控制。控制原理圖如圖3所示。

圖3 電氣控制原理圖Fig.3 Principle diagram of electric control

為了適應(yīng)車輛不同作業(yè)模式，支持懸浮低位機械限位模式和懸浮中位鎖止模式，方便車輛運輸、轉(zhuǎn)場和精準作業(yè)。

主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)技術(shù)指標Tab.1 Technical index of control system

3 全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋電氣控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)的設(shè)計在滿足使用要求的前提下，力求做到功能完善可靠，使用與維修方便。本文涉及的硬件系統(tǒng)一律選用技術(shù)成熟的工業(yè)級元器件，所有模塊為可拔插式。整個硬件系統(tǒng)可分為主控系統(tǒng)、接口控制系統(tǒng)、角度采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)5部分，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主板Fig.4 Control system motherboard

3.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用單片機STM32F103C6T6為核心，增加一些外圍電路，實現(xiàn)對CAN通信信息和懸浮傳感器信息的處理以及對液壓系統(tǒng)的控制，硬件設(shè)計如圖5所示。

圖5 主控系統(tǒng)電路Fig.5 Main control system circuit

通過CAN通信來接收車輛行駛速度信息，預(yù)判車輛的行駛狀態(tài)，如加速行駛、減速行駛、勻速行駛等。輸入、輸出電路都包含濾波程序，確保指令傳輸正確。通過懸浮傳感器和比例電磁閥控制器，形成整個閉環(huán)的電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)車輛的顛簸程度動態(tài)調(diào)節(jié)懸浮油缸的支撐高度，使懸浮油缸維持在預(yù)設(shè)好的平衡高度，維持車輛驅(qū)動橋左、右懸浮搖臂動態(tài)平衡，減小車輛的顛簸，進而使駕駛者擁有優(yōu)越舒適的駕駛體驗。

3.2 接口控制系統(tǒng)

接口控制系統(tǒng)由RS485接口、CAN接口、開關(guān)接口組成。開關(guān)接口使用典型光耦輸入電路，接收開關(guān)的電平變化，實現(xiàn)控制系統(tǒng)模式。CAN接口由TJA1040T芯片與外圍電路組成，接收來自系統(tǒng)外部的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)。RS485接口由TP8485E-SR芯片與外圍保護電路組成，方便系統(tǒng)的上位機調(diào)試。硬件設(shè)計如圖6所示。

圖6 接口系統(tǒng)電路Fig.6 Interface system circuit

3.3 角度采集系統(tǒng)

角度采集系統(tǒng)由2個霍爾角度傳感器與AD采集電路組成，霍爾傳感器輸出模擬信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路后由微處理器處理，實現(xiàn)讀取懸浮角度。硬件設(shè)計如圖7所示。

圖7 角度采集系統(tǒng)電路Fig.7 Angle acquisition system circuit

3.4 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)電路負責整個系統(tǒng)的供電，整個電源進線端用電源進線濾波器抑制經(jīng)電源線的傳導干擾，輸入電壓為12 V的直流電，經(jīng)直流降壓斬波電路輸出為5 V和3.3 V直流電，還有4路電流為2 A的輸出。硬件設(shè)計如圖8所示。電源具有過流、過壓保護能力，減少了電源波動對系統(tǒng)的損害。

圖8 電源系統(tǒng)電路Fig.8 Power system circuit

3.5 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)通過單片機STM32F103C6T6以IIC的方式輸出控制信號，由控制芯片轉(zhuǎn)化為電壓信號，再由四路驅(qū)動芯片根據(jù)控制電壓輸出不同的電流，實現(xiàn)對液壓比例電磁閥的獨立控制，硬件設(shè)計如圖9所示。

圖9 液壓控制系統(tǒng)電路Fig.9 Hydraulic control system circuit

4 全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋電氣控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)總體框架

為實現(xiàn)根據(jù)工作模式、載荷的變化量、顛簸程度來控制液控單元動作，以適時改變液壓系統(tǒng)對懸浮機構(gòu)的支撐剛度，有效地吸收消化各種工況、因素對車輛造成的沖擊震動，設(shè)計了如圖10所示的軟件系統(tǒng)總體模塊框圖。軟件設(shè)計的過程中充分考慮系統(tǒng)的魯棒性、可擴展性，利用成熟技術(shù)，減小技術(shù)風險。

圖10 軟件系統(tǒng)總體模塊框圖Fig.10 Overall block diagram of software system

程序開始以后，首先會對CAN通信、串口等一系列外設(shè)進行初始化，然后會判斷懸浮系統(tǒng)的工作模式。如果工作在懸浮低位機械限位模式，則會開始實時接收CAN通信傳來的車輛當前的運行信息，如車輛速度、加速度等參數(shù)，同時也通過串行通信接收霍爾角度傳感器發(fā)來的車輪懸浮信息，并以此判斷此時的路面信息。通過對所獲取的數(shù)據(jù)進行算法處理和整體運算，得到一個調(diào)整液壓系統(tǒng)的參數(shù)，并發(fā)送給液壓控制系統(tǒng)，通過脈沖電流對比例電磁閥開口開度進行調(diào)整。如果工作在懸浮中位鎖止模式，系統(tǒng)會給液壓系統(tǒng)一個特定參數(shù)，使液壓系統(tǒng)調(diào)整到預(yù)設(shè)高度后鎖止，不再適時調(diào)整驅(qū)動橋支撐強度。

4.2 調(diào)試界面設(shè)計

為方便調(diào)試與操作，設(shè)計了人機友好的調(diào)試界面。將控制板聯(lián)入系統(tǒng)以后，接好外圍設(shè)備（比例閥、霍爾傳感器、開關(guān)量等），并通過RS485接口連接至電腦，將電腦端配套軟件打開并連接好端口以后，給懸浮控制板上電，此時會顯示2個霍爾角度傳感器的角度值，分別拖動4個滑塊，就可以控制比例電磁閥輸出電流，從而調(diào)節(jié)懸浮油缸的高度。界面窗口如圖11所示。

圖11 上位機軟件界面Fig.11 Host computer software interface

4.3 提高系統(tǒng)魯棒性

由于本控制系統(tǒng)擬用于重型拖拉機上，其工作環(huán)境復(fù)雜，采用卡爾曼濾波器（Kalman·Filter，KF）估計方法，只要初始值選擇正常，就可以忽略外界干擾，確保采集的數(shù)據(jù)符合實際。系統(tǒng)使用增量式PID控制技術(shù)，使得懸浮傳感器值和液壓柱高度建立一種平衡關(guān)系，從而實現(xiàn)對懸浮油缸的支撐控制，最終實現(xiàn)車輛的平穩(wěn)運行和駕駛的舒適體驗。同時保證當微處理器發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能保持原值，車輛不會發(fā)生危險情況。

5 電磁兼容性設(shè)計

由于整個系統(tǒng)內(nèi)微處理器使用和環(huán)境的影響，會造成脈沖噪聲、放射電磁場、靜電、雷擊、電壓變動等干擾，使控制系統(tǒng)故障或失效。為解決電磁兼容性問題，主要采取了以下措施：（1）電源進線端用電源進線濾波器抑制經(jīng)電源線的傳導干擾。（2）測試電纜采用屏蔽電纜。（3）對可能引起干擾或易受干擾的信號饋線要采取屏蔽措施。（4）電路中對干擾敏感的元器件和部件要加以屏蔽。（5）合理設(shè)計數(shù)字地、模擬地、屏蔽地、電源地等各種接地關(guān)系。（6）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上對散熱孔等容易引起電磁泄漏的地方要采取屏蔽措施。

6 結(jié)論

根據(jù)全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的工作特點和要求，設(shè)計了懸浮電氣控制系統(tǒng)的框架和原理圖，并詳細設(shè)計了硬件與軟件系統(tǒng)。在懸浮電氣控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，采取了電磁兼容性措施。本文涉及的電氣控制系統(tǒng)能夠精度較高地實現(xiàn)懸浮式轉(zhuǎn)向橋全自動懸浮控制，不僅適用于重型拖拉機，還適用于聯(lián)合收獲機、旋耕機等農(nóng)業(yè)機械設(shè)備。