基于CANopen的汽車電子制動試驗臺控制研究

李占旗，王述勇，王劍飛

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

智能底盤技術(shù)快速發(fā)展，乘用車液壓制動控制系統(tǒng)正在進(jìn)行著從電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（Electronic Stability Controller, ESC）向Two Box方案（ESC+電子助力制動系統(tǒng)E-Booster）再向One Box方案演進(jìn)的過程[1]。在這個過程中，液壓執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度越來越高，同時對控制系統(tǒng)的控制精度要求也越來越高[2]。在對電子液壓制動控制系統(tǒng)開發(fā)及驗證的過程中，電子制動液壓系統(tǒng)試驗臺的需求越來越強(qiáng)烈。

硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop, HIL）仿真是在電控系統(tǒng)開發(fā)過程中的重要測試驗證手段[3]。針對電子液壓制動控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試可以基于HIL仿真系統(tǒng)與電子制動液壓系統(tǒng)試驗臺集成，共同構(gòu)成面向電子液壓制動控制系統(tǒng)的HIL仿真測試系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對ESC、E-Booster、OneBox的策略驗證。

CANopen協(xié)議是基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線協(xié)議開發(fā)的一種高層應(yīng)用協(xié)議，是一種工業(yè)控制常用的現(xiàn)場總線，具有高可靠性、高性能等優(yōu)點(diǎn)[4]。結(jié)合CANopen協(xié)議技術(shù)特點(diǎn)及集成電子制動液壓試驗臺的HIL平臺需求，本文提出基于CANopen通信進(jìn)行電子制動液壓試驗臺的控制實現(xiàn)。

1 電子制動硬件在環(huán)系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個控制系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：硬件在環(huán)仿真機(jī)柜、伺服驅(qū)動器、電動缸總成、上位機(jī)。CANopen通信部分由DS301協(xié)議實現(xiàn)，伺服控制部分由DS402協(xié)議實現(xiàn)。其中硬件在環(huán)仿真機(jī)柜作為主站，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的通信及控制，此外還可以采集試驗臺位置傳感器、拉壓力傳感器、電流傳感器等信息，以形成整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

伺服驅(qū)動器作為從站，通過CANopen通信的方式接收硬件在環(huán)仿真機(jī)柜發(fā)出的過程數(shù)據(jù)對象（Process Data Object, PDO）和服務(wù)數(shù)據(jù)對象（Service Data Objects, SDO）指令，控制電動缸在某種模式下運(yùn)動，此外還將電動缸的位置、速度、電流等控制量反饋給上位機(jī)。上位機(jī)負(fù)責(zé)完成伺服驅(qū)動器與硬件在環(huán)仿真機(jī)柜間的CANopen通信協(xié)議實現(xiàn)及電動缸閉環(huán)邏輯控制，整個系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制架構(gòu)

2 CANopen通信配置

CANopen通信主要由對象字典和通訊對象兩部分組成。其中對象字典是CANopen的核心，用來描述通信設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)[5]。每個對象都有一個與之對應(yīng)的對象組，對象組中包含了索引值、子索引、數(shù)據(jù)類型、是否支持PDO映射、取值范圍等。

通訊對象主要包含四部分：網(wǎng)絡(luò)管理報文（Network Management, NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO、過程數(shù)據(jù)對象PDO、預(yù)定義報文或者特殊功能對象（同步對象SYNC（Synchronized）、緊急事件EMCY（Emergency））[6]。其中NMT為主站發(fā)送給從站的控制命令，用來控制從站啟動、停止、復(fù)位等。

服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO主要用于向從站中寫參數(shù)，過程數(shù)據(jù)對象PDO用作傳輸實時數(shù)據(jù)[7]。同步對象SYNC通常用作周期廣播對象，并為總線提供基本時鐘，SYNC具有高優(yōu)先級，以確保恒定的時間間隔。緊急對象EMCY為事件觸發(fā)對象，由內(nèi)部故障或錯誤狀況生成。

如圖2所示，驅(qū)動器的狀態(tài)包含三部分：功率禁用、故障和功能使能，當(dāng)驅(qū)動器處于禁用階段時，主電關(guān)閉，可以通過CANopen/Ethernet通信將參數(shù)寫入驅(qū)動器，經(jīng)過③、④、⑤狀態(tài)過渡后，驅(qū)動器進(jìn)入操作使能狀態(tài)，此時主電開啟，可以正常操作電動缸，若驅(qū)動器在電動缸運(yùn)行過程中檢測到任何故障，驅(qū)動器立刻進(jìn)入禁用狀態(tài)。

圖2 驅(qū)動器狀態(tài)機(jī)狀態(tài)

3 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

硬件采用dSPACE HIL機(jī)柜、伺服驅(qū)動器和上位機(jī)，dSPACE機(jī)柜中的數(shù)據(jù)處理板卡DS1006，主要運(yùn)行下載至實時處理器板卡中的程序，DS2211為多功能板卡，負(fù)責(zé)與伺服驅(qū)動器進(jìn)行CAN通信、采集位置傳感器、拉壓力傳感器、電流傳感器信號值；PC機(jī)和dSPACE HIL機(jī)柜間通過光纖連接，主要負(fù)責(zé)CANopen通信模型和電動缸控制模型的編譯、下載至DS1006處理器板卡。由于DS2211板卡只支持CAN通信，因此SDO參數(shù)配置、PDO映射、網(wǎng)絡(luò)管理報文NMT、同步對象SYNC的均通過上位機(jī)中的模型實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分主要在MATLAB/Simulink中進(jìn)行，主要包含兩部分：CANopen通信協(xié)議實現(xiàn)和電動缸控制實現(xiàn)。

3.2.1 CANopen通信協(xié)議實現(xiàn)

下面以RPDO2映射為例對CANopen通信流程圖進(jìn)行說明，如圖3所示。

圖3 RPDO2映射流程圖

接收過程服務(wù)對象（Recevive Process Data Object, RPDO）和發(fā)送過程服務(wù)對象（Transmit Process Data Object, TPDO）映射均在初始化程序中運(yùn)行，此時驅(qū)動器需要處于禁用狀態(tài)且SDO正常通信，通過查找對象字典確認(rèn)映射對象的索引值等信息，PDO映射和網(wǎng)絡(luò)管理報文NMT、同步對象SYNC都是通過寫入SDO指令的方式實現(xiàn)，PDO映射指令如表1所示。

表1 PDO映射指令

初始化程序主要完成各路PDO的預(yù)定義映射，包括目標(biāo)位置、軌跡速度、目標(biāo)扭矩、控制字、位置實際值、狀態(tài)字等對象，PDO映射完成后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時通信，初始化程序部分如圖4所示。

圖4 CANopen通信初始化程序

3.2.2 電動缸控制實現(xiàn)

電動缸控制實現(xiàn)的前提是相關(guān)操作模式下涉及的對象均完成了PDO映射或SDO寫參數(shù)，例如在位置模式下目標(biāo)位置和軌跡速度需要通過PDO映射，而軌跡加速度和軌跡減速度不要求實時變化，可以通過SDO方式寫入伺服驅(qū)動器。電動缸總體控制模型如圖5所示。

圖5 電動缸控制模型

按照電動缸控制模式可以將閉環(huán)控制模型分為三部分：位置模式模型、扭矩模式模型、速度模式模型，InitSvo為驅(qū)動器的初始化程序部分，ManualSet為手動設(shè)置模塊，可以對驅(qū)動器狀態(tài)、模式控制、速度模式、制動踏板開度等進(jìn)行設(shè)定，實際傳感器反饋值來自于I/O模型的AD采集通道，此部分也經(jīng)手動設(shè)置模塊傳給各個模式的控制模型。

以位置模式下的閉環(huán)控制模型為例，控制模型如圖6所示。

圖6 位置模式下閉環(huán)控制模型

制動踏板開度經(jīng)過查表模塊得到位置期望值，位置傳感器反饋值經(jīng)過軟件濾波后與位置期望值取偏差，此偏差值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)、死區(qū)模塊、變化率限幅后和位置期望值相加得到最終的目標(biāo)位置值。由于伺服驅(qū)動器采用的是絕對位置命令，因此目標(biāo)位置值和電動缸的初始位置值相加后即為輸入給伺服驅(qū)動器的位置命令，從而構(gòu)成了位置模式下的外部閉環(huán)控制。

4 臺架試驗驗證

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件包含兩部分：ControlDesk和WorkBench，其中ControlDesk可對模型中的變量進(jìn)行實時修改和觀測，WorkBench軟件為伺服驅(qū)動器的上位機(jī)軟件，可完成電動缸參數(shù)配置、編碼器反饋類型選擇、功率大小設(shè)置等操作，還可對伺服驅(qū)動器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。本測試中總線波特率為500 kb/s，驅(qū)動器節(jié)點(diǎn)ID為3，PDO發(fā)送周期為10 ms。

試驗臺如圖7所示，伺服驅(qū)動器和電動缸總成集成到試驗臺上，可以實現(xiàn)對智能底盤中制動控制系統(tǒng)ESC、E-Booster、OneBox的功能和安全策略驗證。

圖7 電子制動液壓試驗臺

試驗臺中電動缸代替踏板直接推動主缸推桿進(jìn)行制動，同時E-Booster根據(jù)推桿輸入力進(jìn)行一定比例的助力，二者共同作動實現(xiàn)液壓力的建立。

本文試驗中電動缸額定推力為5 000 N，主缸推桿行程為38 mm。電動缸初始位置為310 mm，采用絕對位移方式，實際位移傳感器反饋為7 mm，對應(yīng)的踏板開度為0%。在E-booster有助力情況下急踩制動踏板開度100%，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 位置模式控制下主缸推桿位移

在E-booster有助力的情況下，目標(biāo)制動踏板初始開度為0%，實際位置反饋和目標(biāo)位置保持一致，6.41 s設(shè)置目標(biāo)踏板開度為100%，實際位置反饋逐漸增大至45 mm后趨于穩(wěn)定，目標(biāo)位置和實際位置基本一致。因此在有助力的情況下電動缸控制可以實現(xiàn)踏板開度的控制。

5 結(jié)束語

本文基于電子制動控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)及CANopen技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于CANopen通信的方式實現(xiàn)電子制動液壓試驗臺電動缸控制，并且和硬件在環(huán)仿真設(shè)備實現(xiàn)了無縫集成，通過上位機(jī)可以方便地控制和觀測液壓試驗臺電動缸的運(yùn)轉(zhuǎn)。控制電動缸可以滿足帶E-Booster的電子制動液壓系統(tǒng)的高動態(tài)建壓、自動駕駛等智能制動需求。