液力缓速器控制系统开发

张 哲，张 健

Zhang Zhe，Zhang Jian

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

0 引 言

现代电子技术赋予了汽车众多的功能，如何将这些功能协同起来使其成为一个整体，即如何对整个车辆进行控制，决定汽车电子能否实现更强大的功能，带给人们更多的便利。随着车载网络的高速发展，CAN总线技术从众多车载网络中脱颖而出，成为应用最为广泛的现场总线之一。

1 技术简介

SAE J 1939协议是一类专用于商用车、建筑机械、农业机械等的CAN总线通信协议，波特率可达250 kb/s，是一种传输速率较高的C类通信网络协议。主要提供电控系统间的信息交换，其中包括电控装置的诊断数据，还可支持电控系统间的实时性闭环控制。

2 系统设计思想

主要研究开发液力缓速器的控制系统，解决重型货车在下长坡时，摩擦力产生的热能造成摩擦副温度升高，制动性能严重下降的问题；对缓速器控制器加入CAN总线通信控制，使缓速器控制器与车载其他电控单元进行通信并实现车辆信息共享，最终实现对车辆的整体控制。通过信号传感器（转矩转速传感器、气压传感器、温度传感器等），获取力矩、转速和气压等参数并发送至LabVIEW监控界面，绘制气压变化规律曲线和不同挡位下制动力矩与转速的关系曲线。

液力缓速器控制系统主要包括传感器、缓速器控制器和执行机构3部分，结构如图1所示。

3 硬件开发

3.1 搭建系统各模块电路

液力缓速器控制器接收发动机系统、冷却液压系统、GPS数据采集系统以及T10FS转矩传感器等发出的CAN报文，控制器通过一定控制算法求得PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）波占空比控制执行器动作，以实现缓速器制动。

基于16位微控制器MC9S12XS128搭建了液力缓速器ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）的硬件电路。该硬件电路主要包括最小系统电路、CAN收发器电路、比例阀和开关阀驱动电路等。其中最小系统电路主要由MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）、时钟电路、电源电路以及 BDM（Background Debugging Mode，背景调试模式）下载器电路等模块构成。硬件电路结构如图2所示。

图1 液力缓速器控制系统结构

图2 硬件电路结构

3.2 系统主要元器件

3.2.1 微控制器

微控制器芯片MC9S12XS128由16位中央处理单元（CPU12X）、128 kB Flash EEPROM、8 kB RAM、8 kB Data Flash组成，可以满足电磁阀控制模块数据存储的需求。同时集成了多种外围功能模块：2路异步串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）、1路同步串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、1路8通道输入捕捉/输出比较（IC/OC）、16通道12位A/D转换器（Analog-to-Digital Converter，ATD）和1个8通道PWM）。MC9S12XS128具有91个独立的数字I/O口，其中某些数字I/O口具有中断和唤醒功能。另外还具有1个CAN 2.0A/B标准兼容模块（MSCAN）[1]。

3.2.2 CAN收发器

CAN收发器是协议控制器（MCU中MSCAN寄存器）和物理传输线路之间的接口。CAN收发器选择Philips PCA82C250芯片，符合ISO 11989标准，波特率最高达1 Mb/s，抗宽范围的共模干扰和电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），可适应-40～125℃的环境温度，适用于汽车车载网络及工业控制领域。PCA82C250有3种不同工作模式：高速模式、斜率控制模式和待机模式，可通过 Rs（Resistance slope，电阻斜率）控制引脚提供。

3.2.3 传感器

温度传感器采用的是 RTD（Resistance Temperature Detector，电阻式温度检测器），使用线性化曲线（Callendar-Van Dusen方程）来计算RTD的温度；比例阀的控制气压使用压力传感器进行测试，其型号为 PG1300-1.6MPA-GB-A，通过使用4～20 mA电流环路，传感器可将信号转换为电流；液力缓速器的转矩转速信号利用F2iS转矩传感器进行测试，该传感器同时配备了一套测量转速系统，并且集成了信号处理单元，支持CAN2.0B传输协议，其CAN总线波特率高达1 Mb/s，通过读取CAN总线的报文帧，便可测得转矩转速信号。

4 SAE J 1939协议

SAE J 1939协议作为专用于商用车、建筑机械等的CAN总线通信协议，其物理层和数据链路层以CAN2.0B协议为基础，此外还定义了网络层和应用层的协议[3]。

4.1 物理层

物理层是实现ECU与总线相连的电路。CAN总线的物理连接如图3所示，总线两端均串入1个范围在118～130 Ω的终端电阻（额定值为120 Ω），用来抑制反射作用。使用屏蔽双绞线作为CAN总线的传输介质，由于控制器 MCU采用 MC9S12XS128，内部集成有CAN控制器（MSCAN模块），因而无需考虑独立CAN控制器的设计，只需设计CAN总线接口电路，其功能是实现TTL电平与CAN总线电平的转换。

图3 CAN总线的物理连接

4.2 数据链路层

SAE J 1939的消息帧格式遵循CAN2.0B规范，但其只针对CAN2.0B的扩展帧格式，并全面定义了标准化的通信。标准帧格式消息可以在网络中存在，但标准帧设备不响应网络管理消息，不支持标准化通信。在SAE J 1939/21（数据链路层文档）中，定义了消息帧的数据结构和编码规则，主要负责将CAN扩展帧的29位标识符重新分组定义，使标识符ID能够描述报文的全部特征。

4.3 应用层

应用层位于 ISO/OSI参考模型的顶层，主要用于用户、软件、网络终端等之间的信息交换。在货车、客车等交通运输工具中，应用最为广泛的应用层协议便是SAE J 1939。

SAE J 1939协议的应用层详细规定了车辆控制与通信所用到的各种参数，包括 SPN（Suspect Parameter Number，可疑参数编号）和 PGN（Parameter Group Number，参数群编号）。在应用层技术要求中，对报文格式、ISO拉丁字符集、参数范围、传输重复率、发动机及缓速器参数的命名规则等方面都有具体的规定和描述。

5 控制器制动性能试验

将所设计的控制器进行液力缓速器台架试验，验证其功能与可靠性。采集试验数据，分析液力缓速器的制动性能，从而验证是否满足基本性能要求。

5.1 试验台架及测试系统构成

试验台架主要由驱动电机、联轴器、变速箱、液力缓速器、负载电机、冷却系统、液压系统、液力缓速器控制器及相关测试装置组成。测试系统主要由气压传感器、温度传感器、转矩转速传感器以及NI-DAQ数据采集卡组成。所设计的液力缓速器控制器如图4所示。

图4 液力缓速器控制器

在测试系统中，气压传感器采用 PG1300-1.6MPA-GB-A，输出的信号为4～20 mA电流；温度传感器采用PT1000，输出电阻信号；转矩转速传感器采用 F2iS型号转矩传感器，将转矩转速信号发送至CAN总线；NI-DAQ数据采集卡采用cDAQ-9174，利用NI 9207板卡测量气压传感器发出的电流信号，利用NI 9226板卡测量温度传感器发出的电阻信号。测试系统的上位机界面采用LabVIEW编写，包括信号的采集、数据的处理以及存储，上位机界面如图5所示。

图5 上位机界面

5.2 性能试验

为了验证所设计液力缓速器控制器的功能与可靠性，根据其运行特点和性能要求，以及控制系统动态性能指标，进行基本性能试验、瞬时加载和卸载试验和温度稳定性试验[3]。基本性能试验主要测量液力缓速器的转矩-转速特性曲线，如图6所示。瞬时加载和卸载试验主要测试缓速器加载和卸载的响应速度。温度稳定性试验主要测试温度变化对制动力矩的影响，获得缓速器制动时对冷却液压系统的需求。试验表明所设计的制动时对冷却液压系统的需求。试验表明所设计的控制器满足制动能力需求，并具有良好的动态响应特性。

图6 缓速器在各挡位100℃油温时力矩随转速变化曲线

6 结束语

CAN总线技术以其通信实时性强、性能强和可靠性高等优势在汽车电子领域的应用越来越广泛，也为日趋复杂的汽车电子系统之间的信息通信和共享提供了基础。通过CAN总线技术，物理层搭建、数据链路层配置和应用层设计制定了液力缓速器控制器的通信协议，并通过台架试验验证了控制器的合理性和可靠性。

[1]张阳，昊晔，腾勤，等. MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[2]罗峰，孙泽昌. 汽车CAN总线系统原理、设计与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[3]陈波. 电控液力缓速器性能试验方法的研究[D]. 长春：吉林大学，2007.