一种采用现场总线技术的矿用电动轮自卸车的控制系统

1.一种采用现场总线技术的矿用电动轮自卸车的控制系统，其特征在于：包括现场总线控制器、发电机励磁控制器、各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器、CAN总线光纤调制解调器、显示屏幕和仪表；现场总线控制器包括主控制器和一个或多个子控制器，位于主控制柜内；发电机励磁控制器和各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器位于强电控制柜内；
所述的主控制器负责驾驶信号的采集和动力系统的控制；驾驶信号包括加速踏板和电缓行踏板信号，动力系统包括发动机、交流发电机、各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器；主控制器通过CAN1与发动机ECU连接，对发动机进行控制；主控制器通过CAN2与发电机励磁控制器、各驱动轮电机逆变器和电缓行控制器连接，通过发电机励磁控制器对交流发电机进行控制；
所述的子控制器负责辅助电气系统和液压系统操作信号的采集，对辅助电气系统和液压系统进行控制；
所述的主控制器与子控制器通过CAN3进行信息交互，并将整车信息通过CAN3发送至显示屏、驾驶台数字仪表和指示灯组；
所述的主控制器和子控制器均为以单片机为主芯片，带有总线控制功能的可编程控制器，主控制器和子控制器都是由驾驶员通过I/O端口对整个系统进行控制；
所述的发电机励磁控制器、各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器选用带有CAN总线端口的，能适应高温、高电压、强电磁干扰工作环境的工业级产品；
所述的CAN1、CAN2、CAN3分别为相互独立的CAN总线；CAN1为发动机专用总线；所述的CAN2为强电控制总线，是按线缆、CAN总线光纤调制解调器、光纤、CAN总线光纤调制解调器和线缆的顺序连接；所述的CAN3为控制器间通信及数据显示总线。

一种采用现场总线技术的矿用电动轮自卸车的控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及车辆的电子控制，具体地说是一种采用现场总线技术的矿用电动轮自卸车的控制系统，对大功率矿用电动轮自卸车的功率回路、液压系统和辅助电气的分布式控制技术。\n背景技术\n[0002] 现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，是数字化控制的体现。它不仅包含过程控制信息交换，还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备(智能变送器、调节法、分析仪和分布式I/O单元)可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。现场总线技术已广泛应用到工业领域。\n[0003] 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，在微控制器进入汽车控制领域后，控制信号的数量大大增加。现有国内外矿用电动轮自卸车主要采用传统板卡式控制，其控制模块分散，功能单一，接线复杂，空间的利用率低，且由于工作环境恶劣(发热量大，散热条件差，电磁干扰强)，导致其控制精度低，故障率高，在电磁干扰强的位置，即便安装屏蔽线，其信号的精确性和稳定性仍得不到保证。除对发动机部分功能采用CAN总线传送外(如节气门踏板信号仍采用电压/频率值直接输入)，对各设备的控制都采用开关量或可调的电压、电流、频率值，即将每个控制量都接入控制器，一个开关量需要至少一条导线，一个模拟量则需要两条导线，且各信号导线不可复用。\n发明内容\n[0004] 本发明涉及的电动轮自卸车电子信号数量大，种类多，还包括许多只能使用开关量的液压电磁阀信号，采用现场总线控制器实现对全部信号的控制。本发明的目的是，在矿用电动轮自卸车上，采用现场总线控制系统，使每个控制节点只需连接电源线和总线就可以正常工作。\n[0005] 本发明的技术方案是，一种采用现场总线技术的矿用电动轮自卸车的控制系统。\n包括现场总线控制器、发电机励磁控制器、各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器、CAN总线光纤调制解调器、显示屏幕和仪表；现场总线控制器包括主控制器和一个或多个子控制器，位于驾驶室内的主控制柜内；发电机励磁控制器和各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器位于强电控制柜内；\n[0006] 所述的现场总线控制器包括主控制器和一个或多个子控制器；\n[0007] 所述的主控制器负责驾驶信号的采集和动力系统的控制；驾驶信号包括加速踏板和电缓行踏板信号，动力系统包括发动机、交流发电机、各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器；主控制器通过CAN1与发动机ECU连接，对发动机进行控制；主控制器通过CAN2与发电机励磁控制器、各驱动轮电机逆变器和电缓行控制器连接，通过发电机励磁控制器对交流发电机进行控制；\n[0008] 所述的子控制器负责辅助电气系统和液压系统操作信号的采集，对辅助电气系统和液压系统进行控制；\n[0009] 所述的主控制器与子控制器通过CAN3进行信息交互，并将整车信息通过CAN3发送至显示屏、驾驶台数字仪表和指示灯组；\n[0010] 所述的主控制器和子控制器均为以单片机为主芯片，带有总线控制功能的可编程控制器，主控制器和子控制器都是由驾驶员通过I/O端口对整个系统进行控制；\n[0011] 所述的发电机励磁控制器、逆变器、电缓行控制器选用带有CAN总线端口的，能适应高温、高电压、强电磁干扰工作环境的工业级、航空级或军品级产品；\n[0012] 所述的CAN2，即主控制器与发电机励磁控制器、各驱动轮电机逆变器和电缓行控制器之间的连接是通过线缆、CAN总线光纤调制解调器、光纤、CAN总线光纤调制解调器和线缆顺序连接；\n[0013] 所述的辅助电气系统由照明系统、空调、雨刷、车门玻璃升降电机、汽笛等车载弱电设备组成；\n[0014] 所述的CAN1、CAN2、CAN3分别为相互独立的CAN总线；CAN1为发动机专用总线；所述的CAN2为强电控制总线；所述的CAN3为控制器间通信及数据显示总线。\n[0015] 由于矿用电动轮自卸车的自身特点，总线传输线缆将受到车辆电力系统产生的强电磁干扰，可能导致总线冲突、报文错误或丢失等情况。因此，矿用电动轮车辆对总线数据传输的介质提出了更高的要求。为提高现场总线网络抗干扰能力，保证总线网络的连接设备在电动汽车中正常运行，本发明采用多总线网络模式。对于稳定性要求非常重要的总线，可采取冗余总线处理。采用现场总线技术的特点是：\n[0016] 1.采用现场总线通信技术，将解决“点对点”布线方式导致的整车线路长而复杂，运行可靠性低，故障维修难度大、费用高等问题，提高工作效率。\n[0017] 2.采用总线通信，使车辆动力设备响应速度更快，控制精度更高。\n[0018] 3.采用分布式现场总线控制模式，将各总线网络从物理上隔离，将不同类型的信号进行归类，通过不同的总线进行传送，大大减小总线繁忙以致堵塞的可能性。\n[0019] 4.将光纤作为强电动力控制总线的传输介质，以避免电磁干扰，有效保证传输数据的准确性和实时性，进而保证车辆的正常运行。\n[0020] 5.通过总线接收数据的数字化仪表和显示屏，数据更精确，实时性更好，屏幕可操作。\n[0021] 6.采用冗余备份总线，更大程度保证通信不中断，大大提高了整车的安全性。\n[0022] 7.采用现场总线的系统，设备安放位置更灵活，扩展性更强，数据记录更方便。\n附图说明\n[0023] 图1为电动轮自卸车的现场总线系统设计框图。\n[0024] 图2为电动轮自卸车功率流和控制流示意图。\n[0025] 图3为电动轮自卸车的LIN总线拓扑图。\n具体实施方式\n[0026] 以下参照实施步骤和附图对本发明的实施方式做详细说明。\n[0027] 发电机励磁控制器、逆变器、电缓行控制器应选用带有CAN总线接口和I/O端口的DSP芯片，并保证封装后能适应高温、高电压、强电磁干扰等恶劣工作环境的工业级、航空级或军品级产品；线缆根据其工作环境的电压和电流，选用合适的截面积；光纤选用与CAN总线光纤调制解调器接口配套的光功率损耗较小的光纤。现场总线控制器可选择技术成熟的采用英飞凌或TI等公司的单片机为主芯片的，带有总线控制功能的可编程控制器。\n[0028] 如图1，主控制器负责驾驶信号的采集和动力系统的控制；驾驶信号包括加速踏板和电缓行踏板信号，动力系统包括发动机、交流发电机、各驱动轮电机逆变器、电缓行控制器。主控制器通过CAN1与发动机ECU连接，进行通信并进行控制，通过CAN2与发电机励磁控制器，各逆变器、电缓行控制器连接。\n[0029] 本发明中，加速踏板和电缓行踏板信号都是由主控制器采集的，通过CAN1实现发动机转速/转矩的改变，并返回发动机当前转速/转矩信息，这些指令的内容和发送周期都是符合SAE协议(包含SAE-J1587，J1708，J1939-71，J1939-73，J1979)的CAN2.0B扩展帧，总线速率一般设定为250kbps。本发明使用J1939-71协议中的TSC1报文，通过总线直接命令发动机工作在期望的转速和转矩，比传统的采用电压或频率信号的节气门开度控制更加精确，响应时间更短，这对提升发动机与发电机的联合输出效率有显著的效果。主控制器有技术成熟的与发动机ECU进行通信的专用程序模块。\n[0030] 本发明中将强电控制柜中可控设备均通过CAN2与主控制器连接起来。强电控制柜位于驾驶室外。主控制器通过CAN2监测发电机励磁控制器、各逆变器、电缓行控制器的工作状态，通过各逆变器间接监测各轮边电机的转速和转矩，判断当前车辆的运行状态，并根据驾驶意图，对发电机励磁控制器、各逆变器进行控制，从而间接控制各轮边电机的转速和转矩，以改变整车的工况。交流发电机的励磁控制器是通过改变半桥可控硅元件的导通角以调节励磁电流的大小，避免磁饱和，使发电机在高效区间内调节输出电压和电流。逆变器则是通过改变IGBT功率元件的导通状态改变其输出电压和频率，以控制对应轮边电机的转速。每周期内，主控制器对发电机励磁控制器发送单独控制指令，发电机励磁控制器返回当前输出电压和电流、可控硅导通角以及发电机温度等状态信息，可参照控制发动机的协议，将循环周期设为10ms。通常情况下，主控制器发送广播报文，使各逆变器IGBT工作在同一导通状态，间接控制对应轮边电机以相同转速和转矩工作，各逆变器返回到总线的数据是IGBT的频率和导通角、输出电压和电流、对应轮边电机的转速和转矩，以及电机温度等辅助信息；特殊工况下(转向、打滑等)，主控制器也可对特定逆变器发送单独指令，对该逆变器发送调整IGBT导通状态，以调节其输出电压和频率，间接控制对应电机的转速和转矩。电缓行工况下(即主控制器接收到制动踏板的信号)，主控制器通过CAN1令发动机降速，通过CAN2调节励磁电流以降低母线电压，同时控制各逆变器调整IGBT为全开状态以保证各轮边电机向母线回送功率，并根据实际情况，令电缓行控制器适当接入制动电阻，将轮边电机回送的功率消耗在制动电阻上。连接CAN2的设备需要设定相同的传输速率，可设\n11\n定为250kbps，各节点的发送周期均为10ms，使用CAN2.0B标准帧，该格式地址容量为2 ＝\n29\n2048个，比扩展帧格式的2 个地址数少，但占用时长更短，在250kbps速率的总线中，连续标准帧的时间间隔不大于0.5ms，比扩展帧节省约0.1ms。由于总线连接设备少，命令种类也较少，使用标准帧格式即可完全保证数据传输量，并充分保证总线畅通。\n[0031] CAN2的控制对象都是与车辆行驶控制直接相关的系统，要求数据的传输有很高的实时性、准确性和稳定性。由于电传动系统功率较高，高电压和大电流会造成强电磁干扰，而连接位于驾驶室内主控制柜的现场总线控制器与强电控制柜中的发电机励磁控制器和各逆变器、电缓行控制器之间的CAN2线路将部分处于强电磁干扰环境中。本发明采用比屏蔽线更先进、更有效的抗干扰设备，使用两个CAN总线光纤调制解调器，将位于驾驶室主控制柜和强电控制柜外的CAN2电平信号转换为不受电磁干扰的光信号，以保证数据传输畅通。对于强电控制柜中各控制模块间的导线，采用屏蔽线外包处理。\n[0032] 子控制器主要负责采集辅助电气系统和液压系统等驾驶操作信号，控制辅助电气系统和液压系统。辅助电气系统由照明系统、空调、雨刷、车门玻璃升降电机、汽笛等车载弱电设备组成；如图3，子控制器将照明系统、空调、雨刷、车门玻璃升降电机、汽笛等辅助电气设备用LIN总线连接。由于辅助电气主要是响应速度要求不高的电机(玻璃升降电机，雨刷电机等)、继电器、灯和开关，数量较多，但对实时性要求不高，布线主要分布在驾驶室内(尾灯模块除外)，受到的电磁干扰较小。LIN总线技术成熟，控制模块的成本较低，目前广泛应用于乘用车。采用独立的LIN总线，在降低成本的同时有利于保证动力系统的稳定。\n连接LIN总线的设备同样需要相同的传输速率，一般选择20kbps即可满足需求。子控制器采用I/O端口对液压系统进行控制，并通过CAN3将液压系统状态显示在屏幕上。\n[0033] 主控制器与子控制器通过CAN3进行信息交互，并将需要显示的整车信息发送至显示屏、数字仪表和驾驶台指示灯组，如图1所示。显示屏和仪表为支持CAN总线数据传输的配套产品，支持图形界面编程，任何需要显示的数据，只需封装成包，通过CAN3发送至显示屏，由其解包并显示。显示屏上有操作按钮，驾驶员可根据需要对屏显内容自由切换，当控制器判断出车辆出现故障时，通过CAN3发送故障码至屏幕，对驾驶员进行提示或警告。\n此外，屏幕也可以向CAN3发送数据，因此可通过编程实现驾驶员操作屏幕对一些辅助电气设备进行间接控制。\n[0034] 对于总线上一些容易产生故障的线路，可采用双路总线甚至多路总线的冗余处理。例如连接CAN2的光纤，为增加其可靠性，可在各控制柜中的CAN2上分别增加一个CAN总线光纤调制解调器，即用两组光纤对两控制柜进行连接。这样在一组光纤故障时CAN2仍能正常工作。\n[0035] 总线上可在任意位置挂接设备和控制器，而只需为其设定不重复的总线地址。若使用带有多类总线接口的总线控制器，可以实现在系统中挂接LIN，RS485等总线，大大增加了整个现场总线系统的扩展能力。