1 引言

　　目前，我國城市公共交通主要依賴公交車，站間距離一般在500～1000米。公交車在每站間有數(shù)次剎車和啟動，在交通流量的高峰期，剎車和啟動更加頻繁，帶來能源浪費、尾氣污染加劇、部件壽命縮短等一系列問題。

　　本課題研究的控制系統(tǒng)，可使并聯(lián)液壓混合動力車充分利用制動能量，在頻繁剎車和啟動的路況，可以明顯提高車輛啟動、加速和減速特性，改善車輛排放，降低油耗，延長發(fā)動機及剎車裝置的壽命。而且與混合動力電動車相比，該系統(tǒng)在成本，技術(shù)成熟度，可靠性，維護性等方面均占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

　　并聯(lián)式液壓混合動力車的動力傳動系中有兩種或兩種以上的動力源可同時或單獨提供動力，有兩個或兩個以上相應(yīng)的執(zhí)行元件可同時驅(qū)動負載，該動力傳動系主要由發(fā)動機、變速箱、主減速器、液壓蓄能器和液壓泵/馬達組成。并聯(lián)形式保留傳統(tǒng)車的動力傳動鏈，只是在原傳動鏈上增加了由液壓泵/馬達和液壓蓄能器組成的能量再生系統(tǒng)，從而形成雙動力驅(qū)動。

　　目前，并聯(lián)液壓混合動力車技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如圖1所示。

　　車輛在啟動和加速時，液壓驅(qū)動系統(tǒng)提供輔助動力，釋放蓄能器中儲存的能量；車輛減速和制動時，液壓驅(qū)動系統(tǒng)提供輔助制動力，并向蓄能器中儲存能量。

　　圖1 并聯(lián)液壓混合動力車結(jié)構(gòu)原理圖

　　2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)越性是顯而易見的，同時，CAN總線也被認為是混合動力車最佳通訊結(jié)構(gòu)，本文采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)來搭建控制系統(tǒng)。

　　圖如下圖2所示，控制系統(tǒng)采用分布式控制，共有5個節(jié)點控制器，主要分布在車上控制量和采集量密集的地方，包括主控制模塊、液壓系統(tǒng)測控模塊、液壓充液控制模塊、車輛信息采集模塊以及發(fā)動機控制模塊。

　　圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　主控制模塊控制器采用配備了智能PC104 CAN控制卡的PC104計算機，其他模塊控制器采用以P80C592單片機為核心構(gòu)成。P80C592芯片本身集成有CAN控制器，A/D轉(zhuǎn)換器，看門狗，使用該芯片使各控制節(jié)點小型化成為可能，在它的基礎(chǔ)上擴展了外圍模擬量和數(shù)字量的輸入和輸出，便于過程控制。

　　3 控制系統(tǒng)的通訊管理

　　3.1 CAN總線節(jié)點地址分配

　　對于以上述P80C592和PC104結(jié)構(gòu)CAN通訊卡為硬件基礎(chǔ)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)形式，節(jié)點之間通訊報文所用到的信息幀有兩種：數(shù)據(jù)幀和遠程幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀的幀起始位之后都包括有標(biāo)識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成的仲裁場。標(biāo)識符的長度為11（ID.10～ID.0）位，包含信息幀目標(biāo)地址特征。RTR位在數(shù)據(jù)幀中必須是“顯性”電平，用以標(biāo)記幀類型。

　　節(jié)點報文接收器的接收濾波器由兩部分組成：接收碼寄存器（ACR）和接收屏蔽寄存器（AMR）。此兩個寄存器均為8位：驗收碼位（AC.7～AC.0），驗收屏蔽位（AM.7～AM.0）。當(dāng)信息幀的報文標(biāo)識符最高8位（ID.10～ID.3）滿足下列等式：

　　〔（ID.10～ID.3）=（AC.7～AC.0）〕或（AM.7～AM.0）=11111111B

　　則該信息幀將被報文接收器接收。

　　對于本系統(tǒng)的5個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，定義各節(jié)點的驗收碼和驗收屏蔽碼如下：

　　1#：ACR=81H，AMR=BEH；

　　2#：ACR=82H，AMR=BDH；

　　3#：ACR=84H，AMR=BBH；

　　4#：ACR=88H，AMR=B7H；

　　主機：ACR=A0H，AMR=9FH；

　　根據(jù)上述節(jié)點地址分配，各節(jié)點均可實現(xiàn)對其它任意節(jié)點組合的信息發(fā)送。如主機對1#、2#、3#節(jié)點同時發(fā)送信息，則主機發(fā)送信息幀的標(biāo)識符高8位可寫為：87H或07H。

　　可見對報文接收器而言，ID.10=0或1沒有區(qū)別。但根據(jù)CAN總線協(xié)議，顯性位“0”將比隱性位“1”具有更高的總線優(yōu)先權(quán)。定義ID.10=0的信息幀為“快速幀”，ID.10=1的信息幀為“普通幀”。

　　因此，上述地址分配方法具有以下優(yōu)點：

　　（1）容易實現(xiàn)單點對其他點任意組合的信息發(fā)送；

　?。?）各節(jié)點具有不同的優(yōu)先級，從1#到5#到主機優(yōu)先級依次降低，保證發(fā)往關(guān)鍵節(jié)點的信號不被阻塞；

　?。?）每個節(jié)點都有兩種地址編碼，且優(yōu)先級不同，保證關(guān)鍵指令首先被接收。

　　3.2通訊方式及信息幀分類

　　由于分布式控制通訊量較大，對信息進行分類和規(guī)定相應(yīng)的協(xié)議將有利于軟件的標(biāo)準(zhǔn)化，提高編程效率和程序的可靠性。首先，依據(jù)CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，定義以C語言描述的CAN信息幀格式：

　　struct CAN_MSG

　?。?/p>

　　unsigned char CAN_FLAG；

　　unsigned char CAN_DLC；

　　unsigned char CAN_DATA[8]；

　　｝；

　　其中CAN_FLAG是信息目標(biāo)標(biāo)識符，CAN_DLC含遠程幀信號位、幀定義描述和數(shù)據(jù)幀長度信息，CAN_DATA為8字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　依據(jù)信息的流向、總線優(yōu)先級和作用的不同，將通訊信息分為5類，其具體定義如下（按優(yōu)先級從低到高排列）：

　?。?）遠程幀：由主機以一定節(jié)拍發(fā)往各控制器，擊活相應(yīng)控制器的狀態(tài)幀發(fā)送。目的是使主機能在規(guī)定的時間內(nèi)獲得電動車的狀態(tài)信息，同時減少因各控制器自動發(fā)送狀態(tài)幀而引起總線阻塞。

　　格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點對點編碼；CAN_DLC=0xF0；CAN_DATA為空。

　?。?）狀態(tài)幀：由控制器發(fā)往主機或其他控制器。狀態(tài)幀返回當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)和采集量信息，作為上層控制器執(zhí)行下一步規(guī)劃的標(biāo)志。

　　格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點對點、點對多編碼；CAN_DLC=0xE8；CAN_DATA[0]為狀態(tài)或信息數(shù)據(jù)標(biāo)識，確定后續(xù)數(shù)據(jù)的含義；CAN_DATA[1]～ CAN_DATA[7]為數(shù)據(jù)。

　　（3）間接命令幀：由主機發(fā)往控制器，或由某運行復(fù)合動作元的控制器發(fā)往其他控制器。間接命令幀含有復(fù)合動作元或動作元指令，接收方必須對命令進行分解才能產(chǎn)生驅(qū)動外設(shè)動作的控制元指令。

　　格式：CAN_FLAG采用“普通幀”點對點、點對多編碼；CAN_DLC=0x60+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；CAN_DATA[0]為狀態(tài)或信息數(shù)據(jù)標(biāo)識，確定后續(xù)數(shù)據(jù)的含義；CAN_DATA含有具體指令信息。

　　（4）直接命令幀：發(fā)送方向同間接命令幀。但該命令幀所含命令將被接收方直接執(zhí)行，驅(qū)動控制元動作，因此，應(yīng)具有比間接命令幀更高的優(yōu)先級。

　　格式：CAN_FLAG采用“快速幀”點對點、點對多編碼；CAN_DLC=0x20+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；CAN_DATA含有具體指令信息。

　　（5）緊急命令幀：從檢測到緊急狀態(tài)的控制發(fā)往其他相關(guān)控制器。此命令具有最高優(yōu)先級，用以在檢測到緊急狀態(tài)時，快速執(zhí)行相應(yīng)動作、避免事故發(fā)生。該命令將被接收方直接運行。

　　格式：CAN_FLAG采用“快速幀”點對點、點對多編碼；CAN_DLC=0x00+DLC，DLC等于有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；CAN_DATA含有具體指令信息。

　　3.3 軟件設(shè)計

　　CAN總線為分布式控制提供了良好的硬件基礎(chǔ)，使各節(jié)點的通訊不再是制約分布式控制實現(xiàn)的主要因素。整個系統(tǒng)從本質(zhì)上說已經(jīng)不存在主、從節(jié)點之分，整個系統(tǒng)的控制的控制已經(jīng)從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點的單一控制（這種體系結(jié)構(gòu)要求上位機具有大容量的程序存儲器和高運算速度，必然造成上位機的大型化），轉(zhuǎn)化為各節(jié)點的協(xié)調(diào)控制，整加了系統(tǒng)控制的靈活性，也同時降低了對主節(jié)點的要求。

　　圖3 控制器1#，3#輸入輸出參數(shù)

　　如上圖3所示，車輛信息采集模塊采集車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、檔位信號（前進、空檔、倒車）、油門踏板及剎車踏板的狀態(tài)及幅度。液壓系統(tǒng)測控模塊采集蓄能器的壓力，控制離合器的吸合與斷開，通過油路控制（4個開關(guān)量）實現(xiàn)油路分配控制，最后通過液壓泵/馬達控制實現(xiàn)液壓系統(tǒng)回收/釋放功能及強度。

　　各節(jié)點控制器均能獨立完成部分命令分解和調(diào)用底層指令的功能。這樣，對于某一動作元而言，節(jié)點控制器將充當(dāng)“命令主機”。下面以“液壓系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)”這一復(fù)合動作元執(zhí)行時，1#，3#控制器流程圖（如圖4，圖5所示）為例，說明各控制器在分布式控制系統(tǒng)中的作用?？梢钥闯?，在該指令執(zhí)行過程中，3#控制器充當(dāng)了1#控制器的“命令主機”。

　　圖4 1#控制器流程

　　采用分布式控制方式，可以將主機從繁瑣的邏輯控制過程中解放出來，對于主機的小型化、產(chǎn)品化有重要作用。

　　圖5 3#控制器軟件流程

　　4 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

　　硬件可靠性方面的工作很多，主要有以下兩點：

　?。?）雙時限看門狗：系統(tǒng)的每個節(jié)點控制器均采用了雙時限看門狗電路。雙時限看門狗有兩個定時器：一個為短定時器（用單片機P80C592內(nèi)帶的），一個為長定時器（外部看門狗定時器MAX705）。短定時器定時為T1，長定時器定時為T2，0

　　這樣，當(dāng)程序進入某個死循環(huán)，如果這個死循環(huán)包含短定時器FeedDog語句而不包含長定時器FeedDog語句，那么長定時器終將溢出，使單片機復(fù)位。巧妙安排長定時器FeedDog語句的位置，可保證出現(xiàn)死機的概率極低。

　　（2）CAN總線系統(tǒng)的抗干擾性：為了增強CAN 總線節(jié)點的抗干擾能力，P80C592的CTX0和CRX0并不直接與82C250 的TXD和RXD相連，而設(shè)計為是通過高速光耦6N137后與82C250相連這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各CAN 節(jié)點間的電氣隔離。應(yīng)該特別說明的一點是，光耦部分電路所采用的兩個電源是完全隔離的，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用的是兩個小功率DC/DC電源隔離模塊。實現(xiàn)這些部分雖然增加了節(jié)點的復(fù)雜和成本，但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

　　82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用保護82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30P的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

　　另外，每個節(jié)點控制器還配置了電源指示燈，總線數(shù)據(jù)收發(fā)指示燈，可在一定程度上讓用戶了解控制器的狀況。

　　軟件可靠性設(shè)計中，在各節(jié)點控制器程序中，每處需要等待的程序分支都設(shè)置了定時器。當(dāng)規(guī)定時間內(nèi)運行條件仍不能滿足，控制器將取消當(dāng)前任務(wù)，并向主機報警

　　5 結(jié)論

　　本文的創(chuàng)新點在于設(shè)計了采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的液壓混合動力車控制系統(tǒng)，構(gòu)建了基于CAN總線的分布式電動車控制系統(tǒng)硬件平臺，確定了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并根據(jù)所提出的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計了控制軟件，最后對系統(tǒng)軟硬件可靠性進行了設(shè)計。

　　根據(jù)本文所設(shè)計的串聯(lián)式混合動力電動車控制系統(tǒng)已經(jīng)在試驗臺上進行了試運行，并完成了各種功能測試。經(jīng)試驗證明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，對緊急指令的響應(yīng)速度快，并能對歷史數(shù)據(jù)進行保存，能夠很好的滿足液壓混合動力車的運行需求。