基于CAN總線的分布式電動型AMT系統(tǒng)
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針對我國公交車輛的特點, 分布式全電動型AMT 系統(tǒng)較電2液控制型和集中控制式全電動型更加合理有效。公交車輛作為市場運營車輛,降低制造成本與運營成本需要作為新技術(shù)推廣的首要問題來考慮。同時公交車輛的動力總成功率容量較大,所需驅(qū)動換檔機(jī)構(gòu)和離合器操縱機(jī)構(gòu)的電機(jī)功率較大,線路傳遞的電流也較大,同時蓄電池、ECU 和各執(zhí)行電機(jī)的相對安裝距離較遠(yuǎn),需要特別注意線路的銅損問題。從實車試驗的結(jié)果可以看出采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效地降低AMT 系統(tǒng)的線損,提高驅(qū)動電機(jī)兩端的端電壓。以AMT 系統(tǒng)中驅(qū)動功率需求最大的是離合器控制電機(jī)為例,當(dāng)電池端電壓為24 V ,驅(qū)動電流為25 A 時,采用集中控制的電機(jī)端電壓為18 V ,而采用分布式控制的電機(jī)端電壓可提高為21 V 。
分布式全電動型AMT 系統(tǒng)的工作原理:
a. 核心部分。ECU 根據(jù)駕駛員操縱加速踏板、制動踏板和換檔桿等的意圖,如起步、停車、倒車和強(qiáng)制檔等以及車輛的工作狀態(tài)(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、檔位和離合器行程等) ,依據(jù)適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律作出判斷,將結(jié)果通過CAN 總線傳遞到各個控制電路,并協(xié)調(diào)各控制電路工作。
b. 節(jié)點部分。接收到由核心部分傳來的工作指令后,控制電路對相應(yīng)的執(zhí)行電機(jī)(油門操縱電機(jī)、離合器操縱電機(jī)、選換檔操縱電機(jī)) 進(jìn)行操作,并通過相應(yīng)位置傳感器構(gòu)成反饋控制,來實現(xiàn)車輛動力傳動系統(tǒng)(發(fā)動機(jī)、離合器和變速器) 的準(zhǔn)確的自動操縱。
駕駛員在駕駛車輛過程中,不斷感知車輛行駛的外界環(huán)境(如上坡、下坡、粗糙路面、濕滑路面、彎道和紅燈等) 和車輛本身的工作狀態(tài),通過操縱加速踏板、制動踏板和選檔手柄等,將起步、停車、倒車和強(qiáng)制檔等意圖以電信號的方式傳遞給電子控制單元ECU ,ECU 采集輸入信號后,經(jīng)過運算、判斷和決策等信息加工處理,發(fā)出工作命令給控制電路,再由控制電路控制執(zhí)行電機(jī)完成相應(yīng)的操縱動作。汽車在行駛過程中,駕駛員對加速踏板的控制通過加速踏板位移傳感器傳遞給ECU , ECU 通過所測加速踏板位移值以及當(dāng)前車輛行駛的速度等車輛參數(shù),再根據(jù)自動換檔規(guī)律判斷車輛應(yīng)處的最佳檔位,決定升檔、降檔或保持原檔位不變,從而達(dá)到加速或減速的目的。在車輛運行時,如果駕駛員想降速或者停車,則可通過踩制動踏板將意圖傳給ECU , ECU 再進(jìn)行相應(yīng)的處理[ 1 ] 。
2 控制節(jié)點設(shè)計
AMT 離合器控制機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)節(jié)氣門(油門)控制機(jī)構(gòu)、選檔和換檔控制機(jī)構(gòu)采用自帶位置傳感器與車輛低壓電器相同電壓等級的直流電機(jī)(文中采用24 V 直流永磁有刷電機(jī)) 驅(qū)動,控制方式是目前已非常成熟的PWM 斬波控制。功率MOSFET組成H 橋驅(qū)動方式,按照AMT 的控制規(guī)律實現(xiàn)對電機(jī)速度和位置的準(zhǔn)確控制。
控制節(jié)點采用M68HC908GZ16 微控制器作為控制芯片。其微控制器采用了MC68HC908 增強(qiáng)型中央處理器CPU08 ,是一種高性能的8 位單片機(jī)系列, 具有速度快、功能強(qiáng)、價格低等特點。M68HC908GZ16 微控制器片內(nèi)集成了CAN 總線2. 0 控制模塊。片內(nèi)有16 kB Flash ,1 kB RAM 和8 路10 位A/ D ,SPI ,SCI ,4 路16 位定時器等,適合在基于CAN 總線的控制系統(tǒng)應(yīng)用。
利用M68HC908GZ16 具有的豐富接口資源,執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角模擬輸入信號由濾波電路處理后,再用MCU 的A/ D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集,再通過CAN 總線反饋到主控模塊中,對系統(tǒng)動作進(jìn)行監(jiān)控。其PTE , T2CH 引腳實現(xiàn)對驅(qū)動電路的控制。其硬件原理如圖3 所示。
圖3 AMT 控制節(jié)點結(jié)構(gòu)原理
對電機(jī)的驅(qū)動采用場效應(yīng)功率MOS 管,通過PWM 波對MOSFET 的開關(guān)控制,達(dá)到控制電動機(jī)電樞電壓,實現(xiàn)調(diào)速目的。選用Infineon 公司生產(chǎn)的一款用于驅(qū)動大功率直流電機(jī)的智能型H 橋驅(qū)動芯片B TS7810 K,簡化了設(shè)計過程,同時提高了可靠性。該芯片集成了4 個D2MOS 開關(guān)管,即可以組成為橋式電路也可以當(dāng)作4 個獨立的開關(guān)管使用;具有低的導(dǎo)通電阻RDS(ON) ,在25 ℃的結(jié)溫度下,高側(cè)2 個開關(guān)低至26 mΩ ,低側(cè)2 個開關(guān)低至14 mΩ;每個開關(guān)管可以承受高達(dá)42 A 的峰值電流(在25 ℃的結(jié)溫度下) ,并且具有非常低的靜態(tài)漏電流(4μA) ;具有動力電源正負(fù)極短路保護(hù)功能;能夠承受40 V 的直流電壓;提供過熱狀態(tài)輸出信號和過熱保護(hù)功能;提供欠壓檢測功能;具有鉗位二極管保護(hù)功能;高側(cè)開關(guān)負(fù)載開路檢測功能等。而且該芯片的工作溫度范圍為- 40～150 ℃,適合汽車運用環(huán)境。
由于采用了分布式控制系統(tǒng),AMT 控制節(jié)點對電機(jī)速度和轉(zhuǎn)角位置的控制精度直接影響到了AMT 的性能。為了對電機(jī)進(jìn)行精確的控制,必須采用負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。整個閉環(huán)控制系統(tǒng)是由被控對象(這里是直流電機(jī)驅(qū)動的機(jī)構(gòu)負(fù)載) 和控制器2 部分組成的。控制器以誤差/ 偏差作為控制器輸入信號,按照某種控制規(guī)律對該信號作出運算,然后向被控對象發(fā)出控制信號,使得誤差/ 偏差得到消除或者是減小,從而達(dá)到預(yù)期的控制目的。目前,在廣泛使用的控制器中,常常采用比例、微分和積分等基本控制規(guī)律,或用這些基本控制規(guī)律的適當(dāng)組合,比如PID 控制器,對被控對象進(jìn)行有效控制。很多智能控制系統(tǒng)也往往是在這些控制規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
通過建立一個以PID 控制規(guī)律對直流減速電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)角位置控制的系統(tǒng),建立其數(shù)學(xué)傳遞函數(shù),進(jìn)行仿真分析。然后運用單片機(jī)搭建數(shù)字控制系統(tǒng),編寫數(shù)字PID 控制程序,經(jīng)過調(diào)試,整定PID 參數(shù),以獲得較好的輸出動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。
采用M68HC908GZ16 芯片作為數(shù)字控制器,利用其內(nèi)部的10 位A/ D 轉(zhuǎn)換器,編寫了直流減速電機(jī)的數(shù)字PID 控制程序。該數(shù)字PID 控制器的控制輸出量為電機(jī)的電樞電壓,反饋信號是蝸輪蝸桿直流減速電機(jī)輸出軸的角位移的A/ D 采樣值。
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