智能功率器件在非公路矿用自卸车上的应用

2013-08-13潘连玉阳张旭龙

河南科技 2013年4期

潘连玉阳陈毅张旭龙

(长安大学工程机械学院，陕西西安 710064)

0 引言

传统非公路矿用自卸车的电控系统均采用继电器驱动，电器的控制相互独立。而电磁继电器在吸合及断开时容易造成触点的烧蚀，可靠性低，且不具有故障诊断功能。本文以NXP公司的LPC1766BD100芯片为主控制器，与BTS系列智能功率器件相结合，设计了基于CAN总线的非公路矿用自卸车的电控系统。该系统不仅可通过CAN总线控制各个负载，也可将各个负载的故障状态及时的反馈给主控制器，并在中控屏上显示。

(1)BTS系列智能功率器件

智能功率器件是一种把功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能力的开关器件。

BTS系列智能功率器件具有大功率开关速度快，待机电流低，工作频率高，无噪声，无触点，可靠性高，寿命长等特点。它可以给出故障信号，方便的和单片机接口，具有短路保护，过压保护，过温关断，防止静电放电保护及负载开路检测等功能。其种类很多，适合不同的功率控制应用。

图2 系统架构

一般的BTS智能功率器件如图1所示。其中，IN引脚为控制信号输入端，ST引脚用作状态反馈输出，这两个引脚可直接与单片机的I/O相连接。Vbb接车载电源，OUT为输出接负载。器件工作时，由IN口输入高电平，器件将Vbb端到OUT端导通。若工作时发生故障，则ST引脚输出由高电平转为低电平，并结合各引脚状态来判断故障原因。

(2)CAN总线协议介绍

CAN总线是一种串行通信网络，能有效地支持高安全等级的分布实时控制。CAN总线的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。

1 系统总体功能设计

系统架构如图2所示。中央控制器采用NXP公司生产的LPC1766FBD100作为主控制器，该单片机具有ARM Cortex-M3内核，最高主频高达100MHz，拥有两通道CAN接口，适合作为动力CAN总线和电器CAN总线之间通信的网关。CAN总线分为两部分，将动力CAN总线和电器仪表CAN总线隔离，以免相互干扰。动力CAN总线负责包括对发动机和变速箱状态的监控和控制，电器仪表CAN总线具有电器仪表控制、举升缸控制和后桥车灯组控制等功能。

2 硬件设计

以举升液压缸驱动及后桥车灯组驱动为例，说明硬件及软件设计过程。举升液压缸控制选择的是英飞凌公司生产的BTS5210G智能功率开关，它具有两通道输入输出，可分别控制和故障诊断，互不干扰相互独立。

对举升液压缸换向电磁阀的控制由主控制器承担，当收到用户对的操作指令时，主控制器对智能功率开关给出控制信号，智能功率开关闭合电磁阀动作电路，换向电磁阀动作。硬件电路如图3所示。其中IN和ST信号可由单片机通用输入输出接口直接给出和读出。在负载端配备上拉电阻R12和R13，当输入信号为低电平时，进行负载开路检测。

图3 举升液压缸控制硬件电路图

后桥车灯组控制模块选用STM8S208MB单片机作为CAN总线节点对后桥所有电器进行控制，可对BTS系列器件故障引脚的状态进行判断，通过CAN总线将故障信息传输至中央微控制器，再由中央MCU将故障信息在显示屏中显示出来。智能功率开关选用英飞凌公司生产的BTS724G，其具有四通道输入输出，两个复用ST引脚，故障类型可由真值表确定。硬件电路图如图所示。

图4 后桥车灯组硬件电路图

3 软件设计

对举升液压缸换向电磁阀的控制图，流程图如下

图5 举升液压缸程序设计流程图

举升缸控制模块根据驾驶员对货厢的举升或回落命令，进入中断服务程序。在中断服务程序中，先进行一次故障诊断，确定有无负载开路故障，确定工作正常后对智能功率开关发出相应指令，使其输入控制引脚IN维持高电平，此时举升缸换向阀开始动作并持续。再次进行故障诊断，可以检测出短路故障，过压故障等。若有故障，停止工作并反馈故障类型。后桥控制器的程序流程图如下

当系统上电后，分别初始化各个模块，以查询方式接收来自CAN总线的控制命令。在总线空闲或者没有特定报文的时候对各个电器模块进行定时轮检，能及时发现故障器件，确保每个器件都处于正常状态。

4 结论

本文将智能功率器件与CAN总线相结合，改进了非公路矿用自卸车上电控系统。设计方案实现了对各个负载的直接驱动能力及快捷有效的保护，增加了电控系统的稳定性，减少了线束，布线变得简单。选用的主控制器性能高，为将来系统功能拓展提供了方便。驾驶员可以通过显示屏时刻了解自卸车当前的工作状态，电控系统故障的确定和排除更加方便。