辛龍威， 李曉卉， 方康玲

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢 430081)

0 引言

隨著人們對空氣質量的要求不斷提高，汽車排放問題引起了廣泛關注。隨著未來排放法規(guī)的推出，對柴油機排出的氮氧化物(NOx)和微粒(PM)限制越來越嚴格。采用尿素選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)技術的發(fā)動機可以更有效地降低NOx的排放，并且有明顯的節(jié)能特點，它將是我國重型柴油機達到第Ⅳ階段排放標準的最佳選擇。

計量泵是柴油機SCR系統(tǒng)的重要組成部分，通常采用直流無刷電機(Brushless DC Motor，BLDCM)往計量泵中泵入尿素溶液以達到對尿素的噴射進行控制。但是，電機在控制尿素噴射的同時，還需要通過 CAN總線與汽車門控單元(Door Control Unit，DCU)保持通信，以保證車輛的正常運轉。針對該需求，本文在分析了CAN總線的主要特性基礎上，提出了一種基于CAN總線的BLDCM控制系統(tǒng)。

1 CAN總線標準

CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據通信協(xié)議。隨著CAN總線在車輛上的廣泛運用，為規(guī)范通信系統(tǒng)和各系統(tǒng)的兼容性，1993年11月ISO頒布了道路交通運輸工具數(shù)據信息交換高速通信局域網(CAN)國際標準ISO11898，為控制局域網的標準化和規(guī)范化鋪平了道路。根據ISO定義的OSI模型，CAN2.0B規(guī)范定義了物理層和數(shù)據鏈路層規(guī)范，這為不同的CAN總線用戶制定符合自身需要的應用層協(xié)議提供了很大的便利，如果需要建立更加完善的系統(tǒng)，還需要在CAN2.0B的基礎上選擇合適的應用層協(xié)議，CAN 2.0B協(xié)議包括標準幀和擴展幀兩種報文格式。

CAN總線的主要特性如下:

(1)工作于多主方式，每個節(jié)點都可成為主機。

(2)通信介質可為雙絞線，同軸電纜或光纖。

(3)CAN的通信距離最遠可達10 km，通信速率最高達1 Mbps。

(4)CAN協(xié)議采用CRC檢驗，并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據通信的可靠性。

(5)具有點對點、一點對多點和全局廣播等多種傳播方式。

(6)自動關閉。CAN總線可以判斷出總線上錯誤的類型是暫時的數(shù)據錯誤還是持續(xù)的數(shù)據錯誤。當節(jié)點發(fā)生持續(xù)的數(shù)據錯誤時，可自動關閉，脫離總線。

2 系統(tǒng)結構

基于CAN總線的BLDCM控制系統(tǒng)主要包括單片機控制電路、以MC33035為核心的驅動電路、BLDCM(包含霍爾位置傳感器)、D/A轉換電路、CAN收發(fā)器電路和測速用到的濾波電路組成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2.1 MC33035電機驅動模塊

在本驅動電路中(見圖2)，MC33035為電機控制器，MC33039為電子測速器，MPM3003為集成MOS管驅動芯片。霍爾的信號反饋到測速電路，測速電路經F/V變換，將位置傳感器的輸出信號變換成正比于電機轉速的電壓信號，經主控電路實現(xiàn)電機精確調速控制;位置傳感器反饋信號經主控電路譯碼成六路驅動輸出信號，控制逆變橋電路正常工作;為了更清晰地觀察到測速效果，采用滑動變阻器來代替 D/A電路，通過MC33035的11腳來調節(jié)無刷電機的轉速。

圖2 電機驅動模塊

圖1 系統(tǒng)結構框圖

本系統(tǒng)采用飛思卡爾的MC9S12DP512單片機，MC9S12DP512單片機是Freescale公司HCS12系列16位單片機的一種，其內部主要由MCU的基本部分和CAN功能模塊組成［1］。無刷電機存在起動死區(qū)問題，所謂“起動死區(qū)”是指某些BLDCM轉子處于特定位置時，起動轉矩小，帶載起動能力差，無論是加大電流、改變方向，還是斷電重起都不能起動，只有人為讓電機轉動1個角度，避開死點，電機才能正常起動的偶發(fā)現(xiàn)象［2］。本文詳細給出了MC33035電機驅動模塊、測速濾波模塊和CAN收發(fā)器模塊的設計。

2.2 測速濾波模塊

基于單片機的轉速測量的方法很多，主要有頻率測速法(M法)、周期測速法(T法)、MT測速法等。在本系統(tǒng)中采用的是T測速法，及通過測量霍爾傳感器發(fā)出的相鄰脈沖之間的時間T來計算出無刷電機的轉速。通過利用一個定時器來測量兩個脈沖間的時間T，上升沿觸發(fā)定時器中斷，對于T大于定時周期的情況，利用定時器溢出中斷來計算。在脈沖信號送入MCU前須進行濾波限幅處理，這樣不僅可以提高脈沖采集精度，而且可以有效防止線上干擾的瞬間突變對芯片I/O口造成的損壞。圖3所示為濾波限幅電路，R1，C1，R2構成了一個一階有源低通濾波器。

圖3 測速濾波電路

2.3 CAN 收發(fā)器模塊

CAN總線上信號使用差分方式傳送，用顯性(Dominant)和隱性(Recessive)分別表示邏輯“0”和邏輯“1”，兩條信號線被稱為CAN_H和CAN_L。在隱性狀態(tài)時，CAN_H和CAN_L的電壓差近似為0;在顯性狀態(tài)時，此時CAN_H=3.5 V和CAN_L=1.5 V。為了實現(xiàn)MCU與CAN總線之間信號的正常收發(fā)，必須在MCU和CAN總線之間接上總線驅動器。CAN總線驅動器根據不同的CAN物理層協(xié)議分為高速CAN總線驅動器和容錯CAN總線驅動器［4］。在本系統(tǒng)中采用的是高速CAN總線驅動器PAC82C250，收發(fā)器電路如圖4所示。

圖4 CAN收發(fā)器電路

3 軟件設計

單片機軟件完成的功能主要是PLL鎖相環(huán)倍頻、串口通信、CAN總線通信、電機脈沖測速、無刷電機死區(qū)起動和D/A轉換。主程序流程圖如圖5所示，硬件初始化包括串口初始化、定時器初始化和CAN模塊初始化。當順利完成系統(tǒng)初始化之后，通過檢測位置傳感器的位置，給出下一組編碼來完成人為起動，從而避免進入起動死區(qū)。然后主程序進入循環(huán)，等待定時器溢出中斷和端口輸入捕捉中斷，并調用相應的中斷處理函數(shù)。在程序中，轉速是一個全局變量，當霍爾脈沖下降沿來時，觸發(fā)輸入捕捉中斷，更新轉速。

CAN總線部分為軟件的核心部分，因此在圖6、圖7中給出了詳細的流程圖。通過用單片機的CAN0發(fā)送數(shù)據，CAN1接收數(shù)據來模擬CAN總線的收發(fā)過程。通過對定時器溢出次數(shù)的控制，每隔500 ms通過CAN0將轉速數(shù)據發(fā)送出去，將CAN1接收到的轉速通過串口顯示。

4 試驗結果

根據前面設計的控制系統(tǒng)，外加BLDCM，構成了典型的BLDCM控制系統(tǒng)。采用SW57系列BLDCM，額定電壓36 V，空載最大轉速5 500 r/min，電機極對數(shù)為 2。通過單片機CAN0將轉速發(fā)送，CAN1將收到的轉速通過串口調試工具顯示，系統(tǒng)工作正常。為了驗證濾波電路的重要性，通過示波器測出了霍爾脈沖波形，圖8為濾波前的波形，圖9為濾波后的波形。由圖8可發(fā)現(xiàn)，未進行濾波時，波形中具有大量高頻干擾，嚴重影響數(shù)據測量，通過串口會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)8 000 r/min明顯的錯誤和較大的波動。濾波后測得的數(shù)據波動在20 r/min以內，消除了高頻干擾，達到了預期效果。

5 結語

基于CAN總線的控制系統(tǒng)硬件電路簡單、易于拓展，針對汽車SCR系統(tǒng)中計量泵要精確控制電機轉速的需求，提出了一種采用CAN總線的BLDCM控制系統(tǒng)，試驗結果表明該系統(tǒng)能夠正常工作，CAN模塊能夠正常收發(fā)數(shù)據，具有很好的市場前景。

［1］王宜懷，劉曉升.嵌入式系統(tǒng)——使用HCS12微控制器的設計與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［2］郭農斐.一種擴展MC33035芯片起、制動性能的附加電路設計［J］.北華大學學報:自然科學版，2007(6):569-572.

［3］周孝鋒，陳曉寧，劉俊義，等.簡易無刷直流電機測速儀的設計與實現(xiàn)［J］.微電機，2009(11):86-88.

［4］李真花，崔健.CAN總線輕松入門與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.