基于CAN总线的液压混合动力车智能管理系统设计

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随着汽车保有量的不断增长，带来了巨大的能源消耗和环境污染，液压混合动力车辆由此应运而生。

目前，并联式液压混合动力车辆亟需解决的问题是车辆系统两动力源的能量管理和控制问题。本研究拟基于CAN((Controler Area Network))总线和嵌入式控制技术对该问题加以解决。

1 液压混合动力车驱动系统的构成及工作原理液压混合动力车驱动系统由车辆原有驱动系和液压辅助驱动单元构成，结构简图如图 1所示。图中的虚线方框内为液压辅助驱动单元，主要由变量泵/马达、图1 液压混合动力车驱动系统结构简图高低压蓄能器、电磁阀等元件组成，实现储存和释放能量的目的。

在液压混合动力驱动系统中，当车辆处于制动状态时，辅助驱动单元中的变量 马达以液压泵的方式工作，为车辆提供制动扭矩，并将车辆的惯性能转换成液压能，低压蓄能器中的液体以高压的形式存储到高压蓄能器中；当车辆起步时，变量 马达以液压马达的方式工作，将高压蓄能器中的压力能转换成机械能，并驱动车辆行驶，当行驶到-定速度时启动发动机，车辆开始正常行驶；当车辆爬坡时，液压辅助驱动单元与发动机经过动力耦合装置共同驱动车辆，以平衡发动机的功率，实现节能和减少尾气有害物排放的目的。

2 液压混合动力车智能管理系统的组成智能管理系统组成包括：液压辅助驱动单元智能节点，制动、油门踏板智能节点，发动机智能节点和附收稿 日期 ：2013-04-08基金项 目：JL京市教委面上项 目(KM201311417009)；北京联合大学人才资助项 目(2011043)作者简介 ：李世刚(1973- )，男 ，辽宁昌图人，副教授，工学博士，主要从事流体传动技术和车辆液压混合动力方面的研究工作。

108 液压与气动 2013年第9期件节点等构成。系统采用主从式结构，上位机采用车载工控机CTN-GB0202GA，具有体积孝运算速度快、能耗低的优点；发动机和液压辅助驱动单元智能节点ECU采用 ARM控制器，核心芯片为 LPC2294，LPC2294具有运算速度高、可靠性高的优点。系统结构图如图2所示。

l发动机 1 l发动 L -] 垦 l I机 l 车 辆- - 传动 车载工l达E泵/马达 l享爨 系 控机l CAN总线 l电磁阀侗服比例阀ll制动/Ntl'-.1l l制动/油1 I NECU广-- l门踏板ll20 Q - 附件Ecu-- 附件 I图2 液压 混合 动力车智能管理系统组成 图3 系统的软硬件设计3.1 系统的硬件设计液压辅助驱动单元节点与发动机节点设计思想和采用的控制器相同，这里介绍液压辅助驱动单元节点和油门/制动踏板节点。

1)液压辅助驱动单元智能节点设计液压辅助驱动单元采用如图 1的液压回路，其控制主阀为伺服比例阀，具有响应速度快、控制精度高等特点，电磁阀控制高压蓄能器的通断，达到释放和回收制动能量的目的。该智能节点具有信号采集检测和驱动的功能。检测功能是指回路中蓄能器的压力、变量泵/马达的转速、变量缸的位置，实现对变量泵/马达转速的精确控制，最终很好地完成与另-动力源发动机转速的耦合，使发动机处在最佳的工作区间，实现能源的最佳匹配。驱动功能是接受指令并输出信号，驱动电磁阀和伺服比例阀动作。液压辅助驱动单元 ECU负责单元的管理，并实时与车辆驱动系统的上位机进行通讯，接受其指令，并实时将节点采集的数据上传给上位机以保证单元控制和运行的可靠性。液压辅助驱动单元智能节点的电路原理图如图3所示≮点采用ARM控制器，其核心是 LPC2294，它是-款基于 16/32位 ARM7TDMlesS，既可以执行 32位的 ARM指令，也可以执行 16位 Thumb指令，支持实时仿真和跟踪的CPU。LPC2294内部有 16 kB静态 RAM和256 kB的FlashROM，有高速 rC接 口400kbit/s、8路 10位 A/D转换器、2个 32位定时器、4路捕获和4路比较通道)，晶振频率范围为 1～30 MHz；6个 PWM输出、2个CAN通道；通过片内 PLL可以实现最大 60 MHz的CPU操作频率。

3.. jV 1.2LPC 2294 -- V3A液 达H-'DO0 P0盘/PWM4 伺服阀 I I。

V18A电磁阀、电磁H 驱动F P0 9/PWM6 离合器 I L-J V3蓄能器压力信号tAN9o P0.27r-1A1050 VCl TD 变量泵/马达转速信号I- P0.28 TXDC CARDlAN PO.25 RXDC CA 变量泵/马达排量信号 rI-2 PO.29图 3 液压 辅助驱 动单元智能节点电路原 理图LPC2294提供了 8路的 10位精度 A/D转换模块，该拈的电压测量范围是 0～3.3 V。而传感器信号传出的模拟电压信号的电压范围是 0～5 V，所以信号采集及处理拈还要对其输出电压进行转化。传感器信号调理电路原理图如图4所示。本设计采用两级反向比例运算电路，把传感器的输出信号范围由0～5 V，按照比例转换成0～3.3 V；同时使用容阻滤波网络对传感器输出信号滤波，去除外部干扰得到稳定的输出电压信号。

R52KR610K图 4 传 感器信 号调 理电路图2)油门踏板、制动踏板智能节点设计油门踏板、制动踏板节点主要负责采集油门、制动踏板位置信号，并实时传递给上位机，以保证其对节点的实时监控≮点控制器运算要求不高，因此，本节点控制器采用单片机 8051兼容芯片 P89C54UFPN≮点电路原理图如图5所示。车辆的制动踏板行程分为制动能量回收行程和紧急制动行程，为了防止驾驶员误操作，当制动行程接近紧急制动行程时节点控制器会发出报警，同时保证了制动能量最大限度的回收。

2013年第9期 液压与气动 l09智能节点选用 SJA1000作为 CAN控制器，SJA1000是- 种基于单片机的独立 CAN总线控制器，大量应用在汽车和普通的工业。CAN拈通过驱动器 82C250与总线相连，它可以提供对 CAN总线的差动发送与接受能力。SJA1000的 TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约 0.5 Vcc上，否则，将不能形成 CAN协议所要求的电平逻辑。由于传输距离较远，车辆环境复杂、干扰大，采用光电隔离，保证了节点通讯的可靠性。

油门踏板J. A/D 报警 I位置信号r 转换I/0 TLC1制动踏板I. 543 按键位置信号r CANCAN 收发 l时钟电路- P89C54UF 光电隔离 82C2PN r 臣囹 -SJA1000 总线 TDlTXDCRD1 VCAN数字输入/输出电路 RXDC图5 油门、制动踏板智能节点电路原理图3.2 系统的软件设计液压混合动力车的智能管理系统主要作用是根据车辆运行的工况控制发动机、液压泵/液压马达和液压蓄能器的能量分配；协调发动机和液压辅助驱动单元(液压泵/液压马达)两动力源的动力耦合的精准性。

由于控制系统具有复杂的动力分配控制策略和算法，并要求系统能够实时、快速地完成整车的动力分配，故在选定 CTN-GB0202GA工控机为上位机的同时，还结合了实时嵌人操作系统平台来完成控制策略的运算。

制动踏板节点或油门踏板节点在其踏板被踏下时，向上位机发送踏板变化角度的数据。上位机接收到该数据后，向压力、扭矩、转速等测量参数节点请求数据。

上位机收到这些参数数据后，用这些参数运算动力分配策略，然后向液压泵/液压马达节点送出改变其排量的数据。液压泵/液压马达节点收到上位机的数据信号后，经过平滑运算处理，再向其 I/，0输出改变液压泵或液压马达排量的模拟电压信号，从而达到对液压混合动力车辆的控制的目的。设计时，CAN接口完全兼容 SAE J1939/71协议，按照 SAE J1939协议进行设计。智能管理系统运行主程序流程图如图6所示。液压混合动力车辆的智能管理系统软件功能划分如图7所示。

-圈 -匿圜 ：-- - 丽研 j .1圭塑 堕' 垫 坚L- 匡至 -[垂垂至垂 -图6 智能管理系统运行主程序流程图上位机 液压辅助驱动单元 发动机节点 油门/制动路板节点(CTN-GB0202GA工控机) 节点(ARM板) (ARM板) (P89C54板)软件功能： 软件功能： 软件功能： 软件功能：①管理整个系统 ①管理本节点 ①管理本节点 ①管理本节点②动力分配策略的运算 ②控制策略的运算 ②基本运算 ②基本运算③cAN总线通信集中处理 ③3通道的模拟输入 ③1路模拟输入 ③2路模拟输入④提供显示等信息处理 ④l路输入/4路输出数字 ④l路数字输入 ④2路数字输入⑤其他功能 ⑤cAN总线通信处理 ⑤CAN通信处理 ⑤cAN通信处理运行平台： ⑥其他功能 ⑥其他功能 ⑥其他功能实时嵌入操作系统WINCE 运行方式： 运行方式： 运行方式：前后台方式 前后台方式 前后台方式0CAN总线图7 液压混合动力车的智能管理系统软件功能划分简图1 10 液压与气动 2013年第9期DOI：10.1 1832/j.issn.1000-4858.2013.09.033插装阀液压系统的改造林 春Improvement for Hydraulic System of Cartridge ValveLIN Chun(常州刘国钧高等职业技术学校 机电工程系，江苏 常州 213025)摘 要：某企业自行设计的-台液压设备用于机械零部件的压装，其液压系统是插装阀节流调速系统，在调试过程中发现，在所要求的调速范围内，出现了与预期相反的结果，后经过对原设计的液压系统进行改造，解决了这个问题，使设备能正常地投入生产。

关键词：插装阀；节流调速；液压缸中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)09-0110-02引言插装阀是 20世纪70年代发展起来的-种新型液压控制阀，由于它具有易集成、易于电液-体化、工作可靠、通油能力大、压力损失孝抗污染能力强、制造成本低等许多独特的优点，所以广泛地应用在大型及重型液压机械或需要高压大流量的液压装置中应用范围非常广泛。

插装阀的结构式阀芯和阀体之间靠锥面密封，通过先导阀对其控制油腔的排油或压油来实现其锥面的开或关，在相同通径下的通流能力较滑阀提高约 1.5倍，故不会像滑阀那样容易卡死。

由于该压装机的压力大、速度快，所以也采用插装阀控制系统，其中插装阀4具有调速功能，可以控制液压缸的运动速度。

1 问题的提出图 1为该压装设备的液压原理图，该设备要求除实现液压缸的前进、后退和任意位置停止外，还要在液压缸所规定的调速范围内，实行出口节流调速。本系统用电磁换向阀5作为先导阀，控制 4个插装阀的开启和关闭，由插装阀的开、闭实现液压缸的前进、后退收稿 日期 ：2013-03-20作者简介：林春 (1975-)，男 ，江苏常州人，副教授 ，工学学士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。

4 结论对智能管理系统进行通讯试验 CAN总线波特率设为 8O K，通讯距离为 20 m，数据更新周期为 50 ms，主要节点全部工作，系统连续工作48 h未出现通讯错误。车辆采用液压辅助驱动模式进行实车试验，系统正常工作 24 h无错误发生；同时，由于系统采用 ARM控制器作为系统主要节点的控制器，其强大的运算能力，能够迅速地对节点故障进行查询和处理，实时地保证了车辆的安全，有效地监控运行状态，协调驱动模式保证了车辆处于最佳的能源匹配。