卞永明,蔣 佳,徐新明,朱利靜,趙芳偉,金 本

(同濟大學 機械工程學院,上海 201804)

FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標.2000年FlexRay聯(lián)盟成立,到2009年共有7個核心成員:寶馬、博世、戴姆勒、飛思卡爾、通用、恩智浦半導(dǎo)體和大眾.FlexRay是繼CAN和LIN(Local Interconnect Network)之后的最新研發(fā)成果,可以有效地管理多重安全和舒適功能,譬如,FlexRay適用于線控操作(X-by-Wire).相對于其他車載通信協(xié)議,FlexRay有更靈活的數(shù)據(jù)通信方式,更快的數(shù)據(jù)傳輸速率,更全面的拓撲選擇,更完善的容錯機制.因此,FlexRay總線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種乘用車輛[1,2].

隨著線控技術(shù)越來越多地應(yīng)用于車載控制系統(tǒng),傳統(tǒng)的機械液壓控制機構(gòu)已經(jīng)逐步被替代.目前,線控制動系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控油門控制系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于許多廠商的汽車設(shè)計中,使汽車操控的性能得以大大提高,發(fā)動機的燃油經(jīng)濟型、乘坐舒適性以及駕駛安全性都得到了很大程度的改善.為了適應(yīng)這個趨勢,同時研究FlexRay總線在全電力驅(qū)動工程車輛中的性能,本文主要對FlexRay總線在全電力驅(qū)動裝載機上的工程應(yīng)用進行了研究.

1 全電驅(qū)動裝載機簡介

本文所介紹的全電力驅(qū)動裝載機是在常林ZL15B輪式裝載機的基礎(chǔ)上進行電氣化改造的.該裝載機動力源由原先的柴油發(fā)動機改為3臺永磁同步電機,分為前橋和后橋驅(qū)動.前橋的2個車輪分別通過減速機構(gòu)與2個驅(qū)動電機連接,后橋通過1個差速器與驅(qū)動電機連接.其具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示.采用減速驅(qū)動型電動輪可以簡化傳動系統(tǒng),提高傳動效率,使整車布置靈活,簡化了傳統(tǒng)復(fù)雜的機械和液壓結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

原有裝載機的機械控制系統(tǒng)全部被電氣控制系統(tǒng)所代替,使用1個整車控制器通過CAN總線控制3臺電機驅(qū)動器.整體結(jié)構(gòu)為:整車控制器是控制系統(tǒng)的主控制器,電子腳踏板作為裝載機的加速裝置,產(chǎn)生的模擬信號由整車控制器采集,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、標定等處理后,通過CAN總線將控制信號發(fā)送給永磁同步電機驅(qū)動器,驅(qū)動車輪運動.同時,電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度和控制器溫度等狀態(tài)參數(shù)也通過CAN總線,發(fā)送給帶有CAN接口的顯示器,實時顯示相關(guān)參數(shù).具體的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 裝載機電力驅(qū)動輪Fig.1 Electric driven wheels of loader

圖2 裝載機電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Electric control system structure of loader

2 FlexRay總線在全電驅(qū)動裝載機中的應(yīng)用

FlexRay總線是1個為滿足未來車載通信系統(tǒng)高可靠性、高速率的要求和線控系統(tǒng)要求的總線通信標準,能夠適應(yīng)任何惡劣的車載環(huán)境,為各種車輛的電控系統(tǒng)提供了1個優(yōu)秀的通信通道.它的最大特點就是在非常高的通信速率的同時,保證了系統(tǒng)非常高的可靠性要求和冗余度要求.該總線還可以對每個節(jié)點加裝總線監(jiān)控器來監(jiān)測節(jié)點的運行狀態(tài),保證總線的運行狀態(tài)不受其他錯誤節(jié)點的影響[3].因此,對于工況非常惡劣的全電驅(qū)動裝載機,FlexRay總線比CAN總線更能滿足其電控系統(tǒng)對通信總線實時性、可靠性和高通信速率的要求.

本控制系統(tǒng)選用NXP公司的LPC2294型ARM7作為整個系統(tǒng)的主控制器,在其外部外擴1個Freescalse公司的MFR4310型通信控制器作為FlexRay總線控制器,在電子腳踏板和3個永磁同步電機控制器上使用Freescale公司的MC9S12XF512作為控制芯片.電子腳踏板仍然作為裝載機的速度控制裝置,其產(chǎn)生的模擬信號被MC9S12XF512通過A/D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后通過 FlexRay總線傳送給 ARM(Advanced Reduced Instruction Set Computer Mahines)主控制器,ARM主控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將動作指令通過FlexRay總線發(fā)送給3個電機控制器節(jié)點,控制電機的啟動和停止狀態(tài).本系統(tǒng)將 2個FlexRay通道全部啟動,1個作為主控通道,1個作為備用冗余通道.具體的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 使用FlexRay總線的裝載機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Control system structure of loader using FlexRay

在該控制系統(tǒng)中,電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度和控制器溫度等狀態(tài)參數(shù)通過分節(jié)點的Freescale控制器從FlexRay總線上發(fā)送給ARM主控制器并顯示在主控制器的液晶屏上.該控制系統(tǒng)所有節(jié)點的發(fā)送和接收時隙都已經(jīng)在總線啟動之前設(shè)置完畢,總線運行的時候沒有必要再像CAN總線一樣通過中斷程序來向總線上發(fā)送信息,所有的發(fā)送時間都是已經(jīng)設(shè)定好,用戶只需實時更新所要發(fā)送的參數(shù)即可.這種控制方式大大地減輕了控制器的負擔,使得控制器能夠集中資源完成其他的數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù),性能比以CAN總線為架構(gòu)的控制系統(tǒng)性能高出數(shù)倍[4].

2.1 控制系統(tǒng)主控制器的方案設(shè)計

應(yīng)用FlexRay總線的全電驅(qū)動裝載機控制系統(tǒng)硬件主要由以ARM為基礎(chǔ)的主控制器和以MC9S12XF512為基礎(chǔ)的分控制器組成.主控制器的ARM芯片除了通過MFR4310型FlexRay通信控制器與分節(jié)點進行通信以外,還具有4路CAN通道,可以與分節(jié)點的內(nèi)置CAN通信模塊進行通信,從而作為1個FlexRay總線的備用通信系統(tǒng).

主控制器通過FlexRay(CAN)總線接收分節(jié)點的狀態(tài)信息和發(fā)送控制命令,同時主控制器還連接了1個640mm×480mm的液晶顯示器以顯示各分節(jié)點的狀態(tài)信息,其結(jié)構(gòu)如圖4所示(CTM1050是1款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片,MFR4310是FlexRay通信控制器的1種型號).

本方案中主控制器的ARM芯片為NXP公司的LPC2294.LPC2294是基于1個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器,并帶有256 kB嵌入的高速Flash存儲器.128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行.對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%,而性能的損失卻很小[5].ARM7TDMI-S處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度,這樣可使幾個操作同時進行并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作.流水線使用3個階段,因此指令分3個階段執(zhí)行:取指、譯碼和執(zhí)行.其使用了馮諾依曼(Von Neumann)結(jié)構(gòu),指令和數(shù)據(jù)共用1條32位總線,只有裝載存儲和交換指令可以對存儲器中的數(shù)據(jù)進行訪問.LPC2294具有144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、8路10位ADC、4路CAN以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的中斷.

2.2 控制系統(tǒng)分控制器的方案設(shè)計

本方案中的應(yīng)用FlexRay總線的控制系統(tǒng)分控制器以Freescale的MC9S12XF512控制器為控制芯片.為了達到FlexRay總線節(jié)點上的執(zhí)行機構(gòu)或傳感器對性能的要求,MC9S12XF系列微控制器已經(jīng)以16位的硬件結(jié)構(gòu)達到了一般32位微控制器的性能,專門為低功耗、低成本和對電磁環(huán)境敏感產(chǎn)品所設(shè)計.

本方案使用MC9S12XF512芯片作為分控制器的控制核心,它根據(jù)從FlexRay(CAN)總線上接收主控制器發(fā)過來的控制命令,然后進行辨別和處理,將處理后的動作結(jié)果發(fā)給電機控制器,控制電機動作,再將電機控制器發(fā)回的諸如電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度和控制器溫度等狀態(tài)參數(shù)從總線上反饋給主控制器.具體的結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖4 主控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure of main controller

圖5 分控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure of minor controller

MC9S12XF系列微控制器最大的特點是有1個性能增強的精簡指令集內(nèi)核(XGATE)協(xié)處理器.XGATE能夠處理基于C語言的程序,處理速度是S12系列MCU(Micro Control Unit)總線頻率的2倍,它的指令結(jié)構(gòu)專門為數(shù)據(jù)移動、邏輯和位流處理進行了優(yōu)化.所有的外設(shè)模塊都可以使用XGATE進行數(shù)據(jù)處理.微控制器內(nèi)置的FlexRay通信控制器模塊支持各種速率的數(shù)據(jù)傳輸,最高速率可達10 Mbp·s-1.FlexRay模塊可以根據(jù)消耗和EMC(Electro Magnetic Compatibility)優(yōu)化方式使用內(nèi)部PLL(Phase Locked Loop)從外部4～40 MHz的晶振中獲得時鐘源信號.此外,還有1個MSCAN模塊,它帶有1個FIFO(First Input First Output)接收緩沖器陣列和1個輸入過濾器.這樣該芯片就可以同時兼容2種通信總線,與原來的CAN通信系統(tǒng)有著非常好的兼容性.本方案使用的是64管腳的MC9S12XF512芯片,封裝為LQFP(Low-profile Quad Flat Package).

3 應(yīng)用FlexRay總線的裝載機控制系統(tǒng)實時性能分析

在原有使用CAN總線的全電驅(qū)動裝載機控制系統(tǒng)中,主控制器只能完成驅(qū)動電機的啟動和停止,并且將電機的參數(shù)通過CAN總線發(fā)送給顯示器進行顯示.因為CAN總線在實時性和可靠性方面的限制,控制系統(tǒng)仍然依靠原有的液壓機械控制系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)向控制,而剎車制動則是依靠電機自身的控制來進行.控制器在通過CAN總線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時必須進入發(fā)送接收中斷或在主程序中以查詢的方式接收發(fā)送信息,這樣就消耗了很多主控制器的資源,并且其最高通信速度只有1 Mbp·s-1,使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度偏慢,滿足不了性能的要求.

FlexRay總線是專門為X-By-Wire要求開發(fā)的1款通信總線,通信速度最高能達到10 Mbp·s-1,具有雙通道冗余結(jié)構(gòu),大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性.同時FlexRay總線是時間觸發(fā)的通信總線協(xié)議,只要在總線啟動之前把通信系統(tǒng)的各個全局參數(shù)和局部參數(shù)設(shè)置好就可以與其他節(jié)點進行通信,而且在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時不需要系統(tǒng)進入中斷或查詢,極大提高了控制器內(nèi)部處理器的利用率和反應(yīng)速度,使得控制器的處理資源集中到控制策略及其他有用信息的處理上面.CAN總線與FlexRay總線的性能對比如表1所示.

表1 CAN與FlexRay的性能對比Tab.1 Performance comparison between CAN and FlexRay

由表1可知在應(yīng)用FlexRay總線的控制系統(tǒng)中,能夠有充足的資源將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)也改造成電控系統(tǒng),并集成到主控制器的總線網(wǎng)絡(luò)中,形成1個全線控的工程車輛,這樣就能很大地提高系統(tǒng)的可靠性、反應(yīng)速度和可擴展性.同時減少了復(fù)雜巨大的機械液壓結(jié)構(gòu),節(jié)省了電力的消耗,提高了資源的利用率,也使得車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計變得非常靈活[6].

在應(yīng)用FlexRay總線的裝載機控制系統(tǒng)中,通過FlexRay總線傳送的主控制器控制命令信息和分控制器狀態(tài)信息的網(wǎng)絡(luò)延時是可以計算出來的,通過分析主控制器和1個車輪分控制器之間的通信網(wǎng)絡(luò)的實時性,可以分析整個控制系統(tǒng)的實時性.

對于常用的啟動、停止和驅(qū)動器狀態(tài)信息信號,在靜態(tài)段中設(shè)置其發(fā)送和接收時隙,設(shè)主控制器到車輪分控制器1的通信總線長度為L1,主控制器發(fā)送控制信號長度為PC,分控制器發(fā)送的狀態(tài)信息信號長度為PS,每一位的傳輸時間為tbit,主控制器發(fā)送的控制命令的延時RC和分控制器發(fā)送的狀態(tài)信息的延時RStatus為

對于一些數(shù)據(jù)量很大的消息幀,靜態(tài)幀的帶寬不足以滿足發(fā)送信息帶寬要求的時候,則要使用動態(tài)段來發(fā)送這些信息.設(shè)動態(tài)段傳送的信息長度為PD,從主控制器控制程序產(chǎn)生控制指令,并將其交給通信控制器進行發(fā)送,到分控制器完全接收到信息這段時間的延時為RD,則RD的值為

式中:N{H(n)}為H(n)中所有元素的數(shù)量,H(n)為具有高優(yōu)先級的信息;yi為1個二進制變量,第i個周期被延遲時為1,否則為0;Tcycle為循環(huán)周期;xuv為1個二進制變量,當周期g中有幀ID為u的L(n)(L(n)為具有低幀ID的信息)中的元素v被發(fā)送時,xuv值為1,否則為0;Cv為元素v的通信占用時間;G為動態(tài)微時隙的長度.

如上所述,整個控制系統(tǒng)的總線在靜態(tài)段和動態(tài)段的最大理論延時都能通過式(1)～(3)計算出來.在本方案中,按照全電驅(qū)動裝載機控制系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)和狀態(tài),所有的控制命令和狀態(tài)信息的發(fā)送全部在靜態(tài)幀中完成,每個控制命令和狀態(tài)信息的負載長度為20個字節(jié),主控制器與最遠的控制節(jié)點的總線長度為8 m,該總線的通信速率使用10 Mbp·s-1.設(shè)整個控制命令和狀態(tài)信息的最長理論延時為RSD,則其具體值為

則在本方案中,主控制器控制命令和分控制器狀態(tài)信息的最長理論延時為29.68 μ s,然后再將延時值代入系統(tǒng)的數(shù)學模型中配置相應(yīng)的控制參數(shù),以達到控制系統(tǒng)的要求.

4 結(jié)論

介紹了在常林ZL-15B輪式裝載機的基礎(chǔ)上進行電氣化改裝的全電力驅(qū)動裝載機的結(jié)構(gòu)和其控制系統(tǒng),并且描述了改裝后裝載機的主要技術(shù)指標,討論了FlexRay總線在全電力驅(qū)動裝載機上應(yīng)用的可行性和主要方案,根據(jù)上述討論的應(yīng)用方案分成主控制器結(jié)構(gòu)和分控制器結(jié)構(gòu)分別給出了對應(yīng)的設(shè)計和控制方案.表明FlexRay總線在工程車輛中有著較好的應(yīng)用前景.

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