專利名稱：一種采用現(xiàn)場總線技術的礦用電動輪自卸車的控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及車輛的電子控制，具體地說是一種采用現(xiàn)場總線技術的礦用電動輪自 卸車的控制系統(tǒng)，對大功率礦用電動輪自卸車的功率回路、液壓系統(tǒng)和輔助電氣的分布式 控制技術。
背景技術：
現(xiàn)場總線是應用于過程控制現(xiàn)場的一種數(shù)字網絡，是數(shù)字化控制的體現(xiàn)。它不僅 包含過程控制信息交換，還包含設備管理信息的交流。通過現(xiàn)場總線，各種智能設備(智能 變送器、調節(jié)法、分析儀和分布式I/O單元)可以方便地進行數(shù)據交換，過程控制策略可以 完全在現(xiàn)場設備層次上實現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術已廣泛應用到工業(yè)領域。隨著電子技術的迅速發(fā)展和在汽車上的廣泛應用，汽車電子化程度越來越高，在 微控制器進入汽車控制領域后，控制信號的數(shù)量大大增加?，F(xiàn)有國內外礦用電動輪自卸車 主要采用傳統(tǒng)板卡式控制，其控制模塊分散，功能單一，接線復雜，空間的利用率低，且由于 工作環(huán)境惡劣(發(fā)熱量大，散熱條件差，電磁干擾強)，導致其控制精度低，故障率高，在電 磁干擾強的位置，即便安裝屏蔽線，其信號的精確性和穩(wěn)定性仍得不到保證。除對發(fā)動機部 分功能采用CAN總線傳送外(如節(jié)氣門踏板信號仍采用電壓/頻率值直接輸入)，對各設備 的控制都采用開關量或可調的電壓、電流、頻率值，即將每個控制量都接入控制器，一個開 關量需要至少一條導線，一個模擬量則需要兩條導線，且各信號導線不可復用。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及的電動輪自卸車電子信號數(shù)量大，種類多，還包括許多只能使用開關 量的液壓電磁閥信號，采用現(xiàn)場總線控制器實現(xiàn)對全部信號的控制。本發(fā)明的目的是，在礦 用電動輪自卸車上，采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，使每個控制節(jié)點只需連接電源線和總線就可 以正常工作。本發(fā)明的技術方案是，一種采用現(xiàn)場總線技術的礦用電動輪自卸車的控制系統(tǒng)。 包括現(xiàn)場總線控制器、發(fā)電機勵磁控制器、各驅動輪電機逆變器、電緩行控制器、CAN總線光 纖調制解調器、顯示屏幕和儀表；現(xiàn)場總線控制器包括主控制器和一個或多個子控制器，位 于駕駛室內的主控制柜內；發(fā)電機勵磁控制器和各驅動輪電機逆變器、電緩行控制器位于 強電控制柜內；所述的現(xiàn)場總線控制器包括主控制器和一個或多個子控制器；所述的主控制器負責駕駛信號的采集和動力系統(tǒng)的控制；駕駛信號包括加速踏板 和電緩行踏板信號，動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、交流發(fā)電機、各驅動輪電機逆變器、電緩行控制 器；主控制器通過CANl與發(fā)動機E⑶連接，對發(fā)動機進行控制；主控制器通過CAN2與發(fā)電 機勵磁控制器、各驅動輪電機逆變器和電緩行控制器連接，通過發(fā)電機勵磁控制器對交流 發(fā)電機進行控制；所述的子控制器負責輔助電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)操作信號的采集，對輔助電氣系統(tǒng)
3和液壓系統(tǒng)進行控制；所述的主控制器與子控制器通過CAN3進行信息交互，并將整車信息通過CAN3發(fā) 送至顯示屏、駕駛臺數(shù)字儀表和指示燈組；所述的主控制器和子控制器均為以單片機為主芯片，帶有總線控制功能的可編程 控制器，主控制器和子控制器都是由駕駛員通過I/O端口對整個系統(tǒng)進行控制；所述的發(fā)電機勵磁控制器、逆變器、電緩行控制器選用帶有CAN總線端口的，能適 應高溫、高電壓、強電磁干擾工作環(huán)境的工業(yè)級、航空級或軍品級產品；所述的CAN2，即主控制器與發(fā)電機勵磁控制器、各驅動輪電機逆變器和電緩行控 制器之間的連接是通過線纜、CAN總線光纖調制解調器、光纖、CAN總線光纖調制解調器和 線纜順序連接；所述的輔助電氣系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、空調、雨刷、車門玻璃升降電機、汽笛等車載弱 電設備組成；所述的CAN1、CAN2、CAN3分別為相互獨立的CAN總線；CANl為發(fā)動機專用總線；所 述的CAN2為強電控制總線；所述的CAN3為控制器間通信及數(shù)據顯示總線。由于礦用電動輪自卸車的自身特點，總線傳輸線纜將受到車輛電力系統(tǒng)產生的強 電磁干擾，可能導致總線沖突、報文錯誤或丟失等情況。因此，礦用電動輪車輛對總線數(shù)據 傳輸?shù)慕橘|提出了更高的要求。為提高現(xiàn)場總線網絡抗干擾能力，保證總線網絡的連接設 備在電動汽車中正常運行，本發(fā)明采用多總線網絡模式。對于穩(wěn)定性要求非常重要的總線， 可采取冗余總線處理。采用現(xiàn)場總線技術的特點是1.采用現(xiàn)場總線通信技術，將解決“點對點”布線方式導致的整車線路長而復雜， 運行可靠性低，故障維修難度大、費用高等問題，提高工作效率。2.采用總線通信，使車輛動力設備響應速度更快，控制精度更高。3.采用分布式現(xiàn)場總線控制模式，將各總線網絡從物理上隔離，將不同類型的信 號進行歸類，通過不同的總線進行傳送，大大減小總線繁忙以致堵塞的可能性。4.將光纖作為強電動力控制總線的傳輸介質，以避免電磁干擾，有效保證傳輸數(shù) 據的準確性和實時性，進而保證車輛的正常運行。5.通過總線接收數(shù)據的數(shù)字化儀表和顯示屏，數(shù)據更精確，實時性更好，屏幕可操 作。6.采用冗余備份總線，更大程度保證通信不中斷，大大提高了整車的安全性。7.采用現(xiàn)場總線的系統(tǒng)，設備安放位置更靈活，擴展性更強，數(shù)據記錄更方便。


圖1為電動輪自卸車的現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計框圖。圖2為電動輪自卸車功率流和控制流示意圖。圖3為電動輪自卸車的LIN總線拓撲圖。
具體實施例方式以下參照實施步驟和附圖對本發(fā)明的實施方式做詳細說明。發(fā)電機勵磁控制器、逆變器、電緩行控制器應選用帶有CAN總線接口和I/O端口的DSP芯片，并保證封裝后能適應高溫、高電壓、強電磁干擾等惡劣工作環(huán)境的工業(yè)級、航空級 或軍品級產品；線纜根據其工作環(huán)境的電壓和電流，選用合適的截面積；光纖選用與CAN總 線光纖調制解調器接口配套的光功率損耗較小的光纖。現(xiàn)場總線控制器可選擇技術成熟的 采用英飛凌或TI等公司的單片機為主芯片的，帶有總線控制功能的可編程控制器。如圖1，主控制器負責駕駛信號的采集和動力系統(tǒng)的控制；駕駛信號包括加速踏 板和電緩行踏板信號，動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、交流發(fā)電機、各驅動輪電機逆變器、電緩行控 制器。主控制器通過CANl與發(fā)動機E⑶連接，進行通信并進行控制，通過CAN2與發(fā)電機勵 磁控制器，各逆變器、電緩行控制器連接。本發(fā)明中，加速踏板和電緩行踏板信號都是由主控制器采集的，通過CANl實現(xiàn)發(fā) 動機轉速/轉矩的改變，并返回發(fā)動機當前轉速/轉矩信息，這些指令的內容和發(fā)送周期都 是符合 SAE 協(xié)議(包含 SAE-J1587，J1708, J1939-71，J1939-73，J1979)的 CAN2. OB 擴展 幀，總線速率一般設定為250kbps。本發(fā)明使用J1939-71協(xié)議中的TSCl報文，通過總線直 接命令發(fā)動機工作在期望的轉速和轉矩，比傳統(tǒng)的采用電壓或頻率信號的節(jié)氣門開度控制 更加精確，響應時間更短，這對提升發(fā)動機與發(fā)電機的聯(lián)合輸出效率有顯著的效果。主控制 器有技術成熟的與發(fā)動機ECU進行通信的專用程序模塊。本發(fā)明中將強電控制柜中可控設備均通過CAN2與主控制器連接起來。強電控制 柜位于駕駛室外。主控制器通過CAN2監(jiān)測發(fā)電機勵磁控制器、各逆變器、電緩行控制器的 工作狀態(tài)，通過各逆變器間接監(jiān)測各輪邊電機的轉速和轉矩，判斷當前車輛的運行狀態(tài)，并 根據駕駛意圖，對發(fā)電機勵磁控制器、各逆變器進行控制，從而間接控制各輪邊電機的轉速 和轉矩，以改變整車的工況。交流發(fā)電機的勵磁控制器是通過改變半橋可控硅元件的導通 角以調節(jié)勵磁電流的大小，避免磁飽和，使發(fā)電機在高效區(qū)間內調節(jié)輸出電壓和電流。逆變 器則是通過改變IGBT功率元件的導通狀態(tài)改變其輸出電壓和頻率，以控制對應輪邊電機 的轉速。每周期內，主控制器對發(fā)電機勵磁控制器發(fā)送單獨控制指令，發(fā)電機勵磁控制器返 回當前輸出電壓和電流、可控硅導通角以及發(fā)電機溫度等狀態(tài)信息，可參照控制發(fā)動機的 協(xié)議，將循環(huán)周期設為10ms。通常情況下，主控制器發(fā)送廣播報文，使各逆變器IGBT工作 在同一導通狀態(tài)，間接控制對應輪邊電機以相同轉速和轉矩工作，各逆變器返回到總線的 數(shù)據是IGBT的頻率和導通角、輸出電壓和電流、對應輪邊電機的轉速和轉矩，以及電機溫 度等輔助信息；特殊工況下(轉向、打滑等)，主控制器也可對特定逆變器發(fā)送單獨指令，對 該逆變器發(fā)送調整IGBT導通狀態(tài)，以調節(jié)其輸出電壓和頻率，間接控制對應電機的轉速和 轉矩。電緩行工況下(即主控制器接收到制動踏板的信號)，主控制器通過CANl令發(fā)動機 降速，通過CAN2調節(jié)勵磁電流以降低母線電壓，同時控制各逆變器調整IGBT為全開狀態(tài)以 保證各輪邊電機向母線回送功率，并根據實際情況，令電緩行控制器適當接入制動電阻，將 輪邊電機回送的功率消耗在制動電阻上。連接CAN2的設備需要設定相同的傳輸速率，可設 定為250kbps，各節(jié)點的發(fā)送周期均為10ms，使用CAN2. OB標準幀，該格式地址容量為211 = 2048個，比擴展幀格式的229個地址數(shù)少，但占用時長更短，在250kbps速率的總線中，連續(xù) 標準幀的時間間隔不大于0. 5ms,比擴展幀節(jié)省約0. Ims0由于總線連接設備少，命令種類 也較少，使用標準幀格式即可完全保證數(shù)據傳輸量，并充分保證總線暢通。CAN2的控制對象都是與車輛行駛控制直接相關的系統(tǒng)，要求數(shù)據的傳輸有很高的 實時性、準確性和穩(wěn)定性。由于電傳動系統(tǒng)功率較高，高電壓和大電流會造成強電磁干擾，
5而連接位于駕駛室內主控制柜的現(xiàn)場總線控制器與強電控制柜中的發(fā)電機勵磁控制器和 各逆變器、電緩行控制器之間的CAN2線路將部分處于強電磁干擾環(huán)境中。本發(fā)明采用比屏 蔽線更先進、更有效的抗干擾設備，使用兩個CAN總線光纖調制解調器，將位于駕駛室主控 制柜和強電控制柜外的CAN2電平信號轉換為不受電磁干擾的光信號，以保證數(shù)據傳輸暢 通。對于強電控制柜中各控制模塊間的導線，采用屏蔽線外包處理。子控制器主要負責采集輔助電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等駕駛操作信號，控制輔助電氣 系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。輔助電氣系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、空調、雨刷、車門玻璃升降電機、汽笛等車載弱 電設備組成；如圖3，子控制器將照明系統(tǒng)、空調、雨刷、車門玻璃升降電機、汽笛等輔助電 氣設備用LIN總線連接。由于輔助電氣主要是響應速度要求不高的電機(玻璃升降電機， 雨刷電機等)、繼電器、燈和開關，數(shù)量較多，但對實時性要求不高，布線主要分布在駕駛室 內(尾燈模塊除外)，受到的電磁干擾較小。LIN總線技術成熟，控制模塊的成本較低，目前 廣泛應用于乘用車。采用獨立的LIN總線，在降低成本的同時有利于保證動力系統(tǒng)的穩(wěn)定。 連接LIN總線的設備同樣需要相同的傳輸速率，一般選擇20kbps即可滿足需求。子控制器 采用I/O端口對液壓系統(tǒng)進行控制，并通過CAN3將液壓系統(tǒng)狀態(tài)顯示在屏幕上。主控制器與子控制器通過CAN3進行信息交互，并將需要顯示的整車信息發(fā)送至 顯示屏、數(shù)字儀表和駕駛臺指示燈組，如圖1所示。顯示屏和儀表為支持CAN總線數(shù)據傳輸 的配套產品，支持圖形界面編程，任何需要顯示的數(shù)據，只需封裝成包，通過CAN3發(fā)送至顯 示屏，由其解包并顯示。顯示屏上有操作按鈕，駕駛員可根據需要對屏顯內容自由切換，當 控制器判斷出車輛出現(xiàn)故障時，通過CAN3發(fā)送故障碼至屏幕，對駕駛員進行提示或警告。 此外，屏幕也可以向CAN3發(fā)送數(shù)據，因此可通過編程實現(xiàn)駕駛員操作屏幕對一些輔助電氣 設備進行間接控制。對于總線上一些容易產生故障的線路，可采用雙路總線甚至多路總線的冗余處 理。例如連接CAN2的光纖，為增加其可靠性，可在各控制柜中的CAN2上分別增加一個CAN 總線光纖調制解調器，即用兩組光纖對兩控制柜進行連接。這樣在一組光纖故障時CAN2仍 能正常工作。總線上可在任意位置掛接設備和控制器，而只需為其設定不重復的總線地址。若 使用帶有多類總線接口的總線控制器，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)中掛接LIN，RS485等總線，大大增 加了整個現(xiàn)場總線系統(tǒng)的擴展能力。
權利要求
一種采用現(xiàn)場總線技術的礦用電動輪自卸車的控制系統(tǒng)，其特征在于包括現(xiàn)場總線控制器、發(fā)電機勵磁控制器、各驅動輪電機逆變器、電緩行控制器、CAN總線光纖調制解調器、顯示屏幕和儀表；現(xiàn)場總線控制器包括主控制器和一個或多個子控制器，位于主控制柜內；發(fā)電機勵磁控制器和各驅動輪電機逆變器、電緩行控制器位于強電控制柜內；所述的現(xiàn)場總線控制器包括主控制器和一個或多個子控制器；所述的主控制器負責駕駛信號的采集和動力系統(tǒng)的控制；駕駛信號包括加速踏板和電緩行踏板信號，動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、交流發(fā)電機、各驅動輪電機逆變器、電緩行控制器；主控制器通過CAN1與發(fā)動機ECU連接，對發(fā)動機進行控制；主控制器通過CAN2與發(fā)電機勵磁控制器、各驅動輪電機逆變器和電緩行控制器連接，通過發(fā)電機勵磁控制器對交流發(fā)電機進行控制；所述的子控制器負責輔助電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)操作信號的采集，對輔助電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進行控制；所述的主控制器與子控制器通過CAN3進行信息交互，并將整車信息通過CAN3發(fā)送至顯示屏、駕駛臺數(shù)字儀表和指示燈組；所述的主控制器和子控制器均為以單片機為主芯片，帶有總線控制功能的可編程控制器，主控制器和子控制器都是由駕駛員通過I/O端口對整個系統(tǒng)進行控制；所述的發(fā)電機勵磁控制器、逆變器、電緩行控制器選用帶有CAN總線端口的，能適應高溫、高電壓、強電磁干擾工作環(huán)境的工業(yè)級、航空級或軍品級產品；所述的CAN1、CAN2、CAN3分別為相互獨立的CAN總線；CAN1為發(fā)動機專用總線；所述的CAN2為強電控制總線，是按線纜、CAN總線光纖調制解調器、光纖、CAN總線光纖調制解調器和線纜的順序連接；所述的CAN3為控制器間通信及數(shù)據顯示總線。
全文摘要
一種采用現(xiàn)場總線技術的礦用電動輪自卸車的控制系統(tǒng)，涉及車輛的電子控制。包括現(xiàn)場總線控制器和總線上受其控制的電動輪車用設備。現(xiàn)場總線控制器包括主控制器，一個或多個子控制器；主控制器負責采集駕駛信號，對動力系統(tǒng)進行控制；子控制器負責采集其他操作信號，對輔助電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進行控制；主控制器與子控制器通過總線進行信息交互并將需要顯示的數(shù)據發(fā)送至顯示屏和儀表。本發(fā)明將解決傳統(tǒng)布線方式導致的整車線路長而復雜的問題；設備安裝位置更靈活；使車輛動力設備響應速度更快、控制精度更高；將光纖作為強電動力控制總線的傳輸介質，以避免電磁干擾，保證傳輸數(shù)據的準確性；采用多網絡總線，避免總線繁忙，提高安全性。
文檔編號B60W10/08GK101973269SQ20101027129
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權日2010年9月2日
發(fā)明者何耀, 張文明, 楊玨, 楊耀東, 申焱華, 賈晉華, 那奇, 金純 , 陳樹新 申請人:北京科技大學