无人驾驶微型电动拖拉机整机控制器设计

2021-06-23陈安焱陈树人

农业装备技术 2021年3期

彭飞，张熙，陈安焱，陈树人

（江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江212013）

0 引言

随着天然气、石油、煤炭等不可再生能源的持续开采，全球能源危机问题日益加重。当前我国正处于经济发展的加速上升时期，存在着对不可再生能源过于依赖、单位能源获取的经济价值低、实际不可再生能源利用率较低等问题，这些问题的出现不断驱使我们加大对可再生能源、新能源等研究力度。

由于能源紧缺、环境污染等问题的加剧，传统燃油拖拉机已无法满足现代农业农村新模式对绿色环保、节能高效提出的高要求。传统燃油拖拉机机械体积庞大，变速传动系统复杂，相对而言机械效率低，不利于现如今绿色环保的主题。而电动拖拉机拥有零排放与低噪音的优点，电机驱动使精确和动态控制成为可能，电动拖拉机由运动过程的可调转变成精确可控。此外，电动农业机械结构紧凑，转向灵活，特别适用于在小面积的丘陵地块和密闭温室大棚作业。较宽的调速区间和精确的功率控制，也使电机可以保持在高效运行状态，特别是多电机布局设计，避免了电动农业机械的动力不足问题。

在电动拖拉机的整机架构设计过程中，整机控制器、电池管理系统与电机动力控制器是整机中最重要的部件，统称为“三电”。其中，整机控制器作为电动拖拉机的“大脑”，采集数字量与模拟量信号，通过CAN总线连接其他控制器，承担了数据交换、安全管理和能量分配等任务，是整机动力性和经济性良好的重要保证。

1 电动拖拉机整机控制器整体结构与工作原理

1.1 整体结构

电动拖拉机整机整机控制器模块主要由微处理器模块、电源模块、I/O接口模块、功率驱动模块、CAN通信模块等组成。设计了13路模拟量输入，包括加速踏板信号、制动踏板信号等；3路CAN通信，包括故障诊断、高速CAN、低速CAN；16路数字量输入，包括挡位信号、PTO开关、钥匙开关等；15路低端驱动输出，包括继电器开关控制、LED故障灯控制等。

图1 控制器整体结构框架

1.2 工作原理

电动拖拉机整机控制器采用当前最先进的电子元器件和电子电路设计方法，具有功能全面、响应速度快、可靠性好、结构紧凑、安装便利、可实现精准控制的优点，满足严格的安装空间和功能需求。

根据车载网络特点，将整机控制器与其他控制器节点设置为信号传输速率500 kbps的高速CAN总线，以满足这些节点的时间响应和准确性要求。

仪表显示终端、灯光控制系统、助力转向控制器等这类控制节点，对CAN网络的实时性要求低于一类节点要求，采用信号传输速率250 kbps的低速CAN总线可满足要求。通过将各节点CAN收发器、CAN控制器与相应的系统控制单元、执行机构和信号采集传感器的合理连接，实现电动拖拉机整机通信网络系统之间的信号采集、控制信息发送、控制信息传输、控制单元响应以及执行机构动作的全过程信号传输。

整机控制器通过传感器、开关、系统部件控制器反馈的信息，整车的运行状态参数，然后通过预设在整机控制器内部的控制程序，向其余系统部件控制器发出控制指令，实现对整机的协调统一管控。

2 整机控制器硬件设计

2.1 微控芯片的选型

微控芯片作为电动拖拉机整车整机控制器硬件的核心部分，利用软件程序调试CAN接口烧写到主控芯片内，微控芯片根据具体软件编译指令来采集程序中需求指令，然后对输入信息进行逻辑运算，通过CAN总线将处理后的信息传输给其他控制器，从而实现电动拖拉机整机控制器控制策略的软件功能。因此，微控芯片的选取对于电动拖拉机整机控制器硬件开发具有重要的影响。

整机控制器微控芯片按照功能需满足较高工作频率和运算速度、丰富的输入/输出端口、较高温度承载特性等条件，综合电动车辆常用微控芯片的类型，考虑到本设计的整机整机控制器在所需实现功能以及后续研究的开发与补充等因素，选用飞思卡尔公司生产的16位双核微控制器MC9S12XD系列单片。

2.2 PCB设计

在处理电磁兼容（EMC）问题时，首先要做好芯片的选型和PCB板的设计，根本上解决EMC问题。

遵循PCB布线布局的基本原则，即电流必须在一个回路中流动，每个信号都要求有一个回流电路来构成回路，实现信号的及时反馈。当电路为直流和低频时，回路电流选择从电阻最小的电路上通过；而电路为高频时，回路电流选择从从阻抗最小的电路上通过。倘若两根导线分别流过大小相等方向相反的信号电流和回流电流，它们所散发出的磁场也是大小相等且方向相反，如果两根导线距离非常近时，电流导线磁场即差模EMI辐射将完全抵消。

从以上的基本原则可以得出：如果要实现差模EMI辐射至最小状态，信号线导线应尽量靠近与它构成回路的回流导线，即必须把信号线导线回路面积减少到最小。因此在考虑安全条件下，电源线导线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，这一过程也有助于减小电路的交扰。

2.3 电路设计

整机控制器电路设计主要包括电源模块电路设计、通信模块电路设计、输入信号处理电路设计。

首先电源模块是整机控制器的能量来源，根据电路设计要求，电源模块要在规定的电压波动范围内和工作温度范围内正常工作，抵抗强烈的电磁干扰。电源模块电路采用降压式开关稳压器LM2576-ADJ，该芯片能够调节输出电压，输出1.23～37 V，方便在设计的时候灵活改变。该芯片能够驱动3 A的负载，其效率明显高于常用的三端线性稳压器，尤其是高输入电压。在许多情况下，耗散的功率较低，以至于不需要散热器。

图2 电源模块电路

图3 两路CAN通信电路

其次主芯片集成了CAN模块，所以此电动拖拉机及整机控制器的CAN通信模块只需外加CAN收发器。在此整机控制器的通信电路选用高速CAN收发器TJA1051T，此收发器能够提供控制器与物理双线CAN之间的信号接口，具有良好的电磁兼容性与静电放电性能。该芯片的波特率范围最高至1 Mbit/s，它具有温度保护的功能，当与发送器连接点的温度超过大约165℃时，会自动断开与发送器的连接（当总线短路时，更需此温度保护电路）。

最后输入信号包括数字量输入信号和模拟量输入信号，数字量输入信号可分为高有效开关和低有效开关，在电路信号采集过程中，通过高低电平转换来实现对数字量信号的采集，因此数字量信号普遍为直流脉冲信号。为了实现数字量信号稳定准确采集，选择在数字量信号输入端口加入滤波电容，有助于消除整机环境带来的脉冲信号干扰。电容作用一般是滤除电压信号的波动，小电容滤高频，大电容滤低频。

由于模拟量信号的采集数据较多，当图像信息和声音信息发生改变时，信号波形也改变，信息的变化规律将直接反映通过模拟信号的幅度、频率和相位来表现。

3 整机控制器软件设计

对于整机控制器，除了硬件的合理设计外，软件程序的设计也至关重要。软件程序一旦运行错误或者自身有缺陷，电动拖拉机将不能继续执行相应的指令，甚至可能会造成灾难性的后果。合理的软件程序开发，不仅能提高整机控制器的运行效率，还可以提高软件的可靠性和抗干扰性。因此，本文在整机控制器的软件开发过程中采取模块化设计方法、采用分工况的计算方式以及结构化程序设计方法。

其中设计的程序主要包括主程序、上电自检程序、故障处理程序以及工况判断程序。

主程序在整机控制器的软件中起着调度功能，通过调用整机控制器软件系统中子程序对整机各部分进行控制，从而完成整机的正常作业。

上电自检是指整机控制器在通电后，控制系统针对自身状态进行的一个检查的过程。整机控制器上电自检通过后才能执行下面的程序，如果在上电自检的过程中出现问题，需要反馈给整机控制器并执行相应处理。

电动拖拉机在运行过程中各控制器出现故障必须及时处理，整机控制器通过CAN总线提取各控制器的故障码信息，对整机的故障状况进行分析和判断，根据故障轻重进行分级处理。

根据电动拖拉机车速、油门踏板开度、制动踏板开度、挡位信号与悬挂深度等信息来进行工况判断，并设计了相应的判断策略。在工况判断程序中，考虑到了电动拖拉机实际作业的所有工况，并且明确了每个工况的判定条件。