基于INTERCONTROL控制器的机械%2F液压复合传动箱控制系统研究.pdf

分类号：th12 10710-2009125034 硕 士 学 位 论 文 基于intercontrol控制器的机械/液压复合传动箱 控制系统研究 郑 瑶 导师姓名职称 高子渝 副教授 申请学位级别 硕士 学科专业名称 机械电子工程 论文提交日期 2012 年5月20日 论文答辩日期 2012 年 5 月 27 日 学位授予单位 长安大学 research on control system of mechanical/hydraulic gearbox based on intercontrol controller a thesis submitted for the master degree candidate：zhengyao supervisor：associate prof. gao ziyu changan university, xian, china i 摘 要 工程作业行走车辆不仅需要高速运输性，低速作业稳定性更是不可或缺。复合传动 技术以其相对于各种单一传动技术的明显优势已逐渐成为工程作业行走车辆的首选传 动方式。 随着工程机械行业智能化水平的不断提高， 工程机械控制器及其相关控制系统作为 工程机械关键核心技术之一，已成为决定产品性能的关键因素，而具备高防护等级和功 能强大的专用工程机械控制器正在为市场所认可。 本文针主要对工程作业行走车辆所需的机械/液压复合传动箱控制系统进行研究， 首 先对机械/液压复合传动箱的功能特点进行了分析， 对控制系统方案进行了设计， 在此基 础上，完成了基于 intercontrol 控制器的机械/液压复合传动箱的硬件系统设计，并依照 该设计对行驶速度控制、传动模式切换等功能进行了软件开发，实现了基于 can 总线 和 saej1939 协议的发动机恒转速控制，达到了提高燃油经济性的目的。最后，通过模 拟实验对控制系统进行了验证。 关键词：机械/液压复合传动,控制系统,intercontrol 控制器,发动机控制,can 总线 ii abstract engineering vehicles needs not only the high-speed transportability ,the low-speed stability is more important.composite transmission technology,with its obvious advantages relative to the single transmission technology has gradually become the preferred transmission for engineering vehicles. with the continuous improvement of the intellectualized level of construction machinery industry,construction machinery controller and its associated control system as one of the key technology of construction machinery has become a key factor in determining its product performance.thus,have a high degree of protection and powerful dedicated engineering machinery controller is recognized by the market. in this paper,the composite mechanical/hydraulic gearbox control system is our mainly object of study.firstly,analysis of the features of the composite mechanical/hydraulic gearbox,based on the design of the control system program,completed the hardware system design of the mechanical/hydraulic compound gearbox based on intercontrol controller.and in accordance with the design,completed the software development of speed control and drive mode switching,achieve the engine constant speed control based on can bus and saej1939 protocol,reached the purpose of improving fuel economy.finally,the control system is verified through simulation experiment. key words：composite drive of mechanical/hydraulic;control system;intercontrol controller; engine constant speed control; can bus iii 目 录 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 机械/液压复合传动箱控制系统国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 1 1.2.2 国内研究现状 2 1.3 研究的目的和意义 . 2 1.4 研究的内容 3 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 5 2.1 概述 5 2.2 机械/液压复合传动系统的结构组成 5 2.3 机械/液压复合传动箱控制功能要点分析 7 2.3.1 传动模式切换功能要点分析 7 2.3.2 行驶速度控制要点分析 7 2.3.3 发动机管理控制要点分析 8 2.3.4 机械/液压复合传动箱控制功能要点小结 8 2.4 控制系统方案设计 . 8 2.5 工程机械专用控制器的选型 10 2.5.1 intercontrol 公司 digsycompact 系列控制器 10 2.5.2 epec 公司 2023 控制器 . 13 2.5.3 ttc 公司 ttc50 控制器 14 2.5.4 控制器选型综合分析 . 16 2.5.5 控制器的引脚分配 . 16 2.6 变量泵和电磁阀 18 2.7 控制系统的传感器 18 2.7.1 压力传感器 . 18 2.7.2 转速传感器 . 19 2.7.3 接近传感器 . 19 2.8 本章小结 . 20 iv 第三章 控制系统的软件系统设计 21 3.1 概述 . 21 3.2 控制系统的软件功能分析 . 21 3.3 控制系统的控制逻辑 . 23 3.3.1 显示/设置模块的控制逻辑 . 23 3.3.2 行驶速度控制逻辑 . 23 3.3.3 发动机管理控制逻辑 . 27 3.4 软件环境和软件配置 28 3.5 传动箱控制系统的软件功能实现 29 3.6 本章小结 35 第四章 发动机恒转速控制系统 37 4.1 概述 . 37 4.2 发动机控制策略 . 37 4.3 发动机转速的确定 . 38 4.4 发动机恒转速控制的实现 . 40 4.4.1 can 总线介绍 40 4.4.2 saej1939 协议 . 41 4.4.3 控制器和 ecu 之间的通讯 42 4.4.4 发动机恒转速功能的实现 . 47 4.5 本章小结 . 48 第五章 机械/液压复合传动箱控制系统的模拟实验 49 5.1 概述 . 49 5.2 实验内容和试验方法 . 49 5.2.1 模式切换功能实验 . 50 5.2.2 速度控制功能实验 . 50 5.2.3 发动机管理功能实验 . 51 5.3 实验结论 . 53 5.4 本章小结 . 54 第六章 总结与展望 55 6.1 论文的总结 . 55 v 6.2 研究展望 . 55 参考文献 57 致 谢 61 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 随着近年来我国经济的飞速发展， 工程机械行业已经踏入了和国际同步竞争的历史 舞台，随之而来的便是工程机械行业的快速发展，这就为新型工程车辆的发展带来了新 的机遇，而原有的工程车辆单一传动技术已经很难满足各类作业的要求。上个世纪末， 随着液压驱动技术的日益成熟以及数字电子技术的发展， 为了解决低速重负荷行走作业 的重型专用车辆的高速运输性与重载低速作业的稳定性， 德国欧姆西公司和意大利国际 泵业公司分别推出了各自的新型机械/液压复合传动箱。机械/液压复合传动箱是低速重 载工程车辆的核心部件之一，随着机械以及液压技术的发展和不断完善，机械液压复合 传动技术的发展前景十分广阔。 当前对于低速重载工程车辆的控制，大多使用 plc、dsp、单片机等来构建控制系 统。使用 plc 等通用芯片作为核心构建的控制系统，成本较低，技术较为成熟能够满 足一些简单工况下的控制要求。但是由于 plc 等芯片本身不是为工程车辆而专门设计 的，所以控制系统的许多外围接口都需要开发人员自行设计，比如 can 接口、pwm 接 口显示模块接口等。而且随着工程机械的作业工况越来越复杂 plc 的顺序控制方式已 不能满足要求。同样，在软件编程环节，需要开发人员根据需求自行设计程序，这就大 大加长了控制系统的开发时间和人力成本。 而使用专门为工程机械设计的专用控制器作 为控制系统的核心，由于其本身设计的特性，能够很好地满足工程车辆在各种复杂工况 下的控制要求，且专用控制器本身集成化高、专业性强、可靠性高，一般工程机械专用 控制器的外部都做了防护处理，能够在恶劣的作业环境下正常的工作，这也是 plc、单 片机等很难做到的。 1.2 机械/液压复合传动箱控制系统国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 机械/液压复合传动箱出现于上世纪末，国外复合传动技术提供商主要包括德国的 欧姆西传动技术有限公司（omsi transmissioni s.p.a）以及意大利的国际泵业公司。二 者在二十世纪末分别向市场推出了如图 1.1 所示的复合驱动产品。法国波克兰公司也推 出了一款类似于复合传动箱的缓行马达，它也能够实现液压传动和机械传动的切换功 能，车辆低速作业时，缓行马达转速可在较低的转速范围内拥有较好的低速稳定性，同 时也可以实现较高速度的行驶性能。 第一章 绪论 2 图图 1.1 机械机械/ /液压复合传动箱实物图液压复合传动箱实物图 对于机械/液压复合传动箱的控制，国外公司多使用工程机械专用控制器，例如力 士乐、epec 以及萨奥丹佛斯等。而波克兰公司的缓行马达自带专用的 sd-easy 电子控 制系统， 该系统能够控制马达的转速， 并且能够完成缓行马达和发动机 ecu 之间的 can 通讯。但是 sd-easy 系统只适用于波克兰公司的产品，不具有普遍性。使用工程机械专 用控制器搭建的复合传动箱控制系统开发时间短、性能稳定、响应速度快，并且能够在 较为复杂的工况下长时间的正常工作。 1.2.2 国内研究现状 国内对于复合传动技术的研究尚处于仿造改进国外产品的阶段。 无锡英特帕普威孚 液压有限责任公司利用欧洲成熟技术研发的机械/液压复合传动箱可使车辆能够同时具 备机械传动和液压传动两种传动方式。 对于机械/液压复合传动箱的控制系统，国内目前研究较少，还没有能够成型的产 品出现。而这一情况也制约了机械/液压复合传动箱在国内的发展，所以，迫切需要开 发出一套稳定的机械/液压复合传动箱控制系统来满足市场需求。 1.3 研究的目的和意义 为了解决低速重负荷行走作业车辆的高速运输性和低速作业稳定性， 开发一种适用 于机械/液压复合传动箱的控制系统并使其能够很好地满足车辆在行走和作业时的各项 需求，就显得十分重要。该控制系统应该能够满足车辆在作业时的稳定性，同时还要保 证整个操作过程简单易行，使得驾驶人员无需过分关注车辆行驶速度，可以将注意力集 中在高附加值的作业任务上，减轻劳动强度。 使用工程机械专用控制器对整个传动系统进行控制， 相比于用 plc、 单片机等芯片， 长安大学硕士学位论文 3 效率更高、可靠性更强，且其软件开发过程较为规范，能够缩短开发周期，提高经济效 益。所以，构建以工程机械专用控制器为核心的机械/液压复合传动箱的控制系统就显 得十分必要。 目前，国内外一批企业都推出了他们自己的工程机械专用控制器，比如德国的 intercontrol、力士乐和芬兰的 epec 以及萨奥丹佛斯等。本文以机械液压复合传 动箱为控制对象，以工程机械专用控制器为核心，研制开发出一套机械/液压复合传动 箱的控制系统。 1.4 研究的内容 本文主要分析机械/液压复合传动箱控制系统的功能要点， 包括车辆在作业时的行驶 速度要求、显示车辆重要数据、控制发动机转速、操作简便易行等；根据系统的控制要 求和经济性，探索中低成本的控制方案，包括控制系统硬件的选型方案、软件方案等并 根据控制要求，开发车辆速度控制模块、显示模块、发动机管理模块的软件程序。 长安大学硕士学位论文 5 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 2.1 概述 机械/液压复合传动箱主要使用在如图 2.1 所示的同步碎石封层车、 沥青洒布车等特 种工程车辆上。这些车辆往往都需要有稳定的、较低的作业速度以保证作业质量。 图图 2.1 机械机械/液压复合传动箱的应用领域液压复合传动箱的应用领域 机械/液压复合传动箱的控制系统应该能够使装备了传动箱的车辆在行驶的工况下 具有高速运输性，在作业工况下能够保证作业的稳定性。这就要求控制系统能够很好地 控制车辆在作业时的行驶速度，使其能够稳定在高效作业所要求的范围之内。并且，能 够实时的检测车辆行驶的关键数据，还需要具备运输与作业之间的模式切换功能。 本章主要介绍机械/液压复合传动箱的结构组成， 分析机械液压复合传动箱控制系统 所应该达到的性能要求，并根据要求对控制系统进行具体功能分解、硬件选型，确立以 工程机械专用控制器为核心的控制系统的控制方案。 2.2 机械/液压复合传动系统的结构组成 整个机械/液压复合传动系统主要由机械装置和电控系统两大部分组成。 机械装置主 要由传动箱体、变量泵、定量马达等组成；电控系统主要由控制器、切换开关和传感器、 等组成。机械/液压复合传动箱的外形效果如图 2.2 所示。 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 6 图图 2.2 机械机械/液压复合传动箱液压复合传动箱外形效果外形效果图图 机械/液压复合传动箱的箱体内部结构如图 2.3 所示，图中的 dt1、dt2、dt3 分别 为三个执行气缸，传动模式的切换主要就是通过这三个气缸来实现的。 dt1 dt2 dt3 图图 2.3 传动箱内部结传动箱内部结构示意图构示意图 传动箱的安装方式如图 2.4 所示。整个变速箱安装在前离合器和后离合器之间，这 种安装方式不仅可以使泵和马达工作在在高效区， 而且后置的变速器可以实现二级减速 16。 长安大学硕士学位论文 7 图图 2.4 传动结构示意图传动结构示意图 2.3 机械/液压复合传动箱控制功能要点分析 机械/液压复合传动箱的主要功能可以分为三大模块： 传动模式切换、 行驶速度控制、 发动机控制。下面就对这三大功能进行分析。 2.3.1 传动模式切换功能要点分析 机械/液压复合传动箱由机械传动系统和液压传动系统两大部分组成： 运输工况下使 用机械传动（机械传动采用原车的传动系统，不属于控制系统控制范围） ，作业工况下 采用液压传动。两种传动方式之间的转换主要由电控方式实现，执行装置为三个气缸。 当由机械传动模式转换成液压传动模式时，传动箱脱离动力源，dt1 处的主齿轮脱离， dt2 处的齿轮啮合，dt3 处的齿轮啮合。在完成了上述动作后，发动机的动力输出轴通 过齿轮与液压泵相连，车辆的行走靠液压系统驱动；当由液压模式向机械模式切换时， dt3 处的齿轮首先脱离，dt2 处的齿轮再脱离，然后 dt1 处的主齿轮啮合。这样发动 机的动力就通过主齿轮直接输出到后离合器，车辆的行走驱动靠机械传动系统来完成。 2.3.2 行驶速度控制要点分析 由于一些作业工况的特殊要求比如沥青洒布和同步碎石封层作业， 车辆在作业时必 须保持较低的、稳定的行驶速度，一旦速度变化过大或者速度过高就会影响作业质量， 这就要求机械/液压复合传动箱的控制系统能够按照作业要求稳定车辆在作业时的行走 速度。 车辆在作业时的行驶速度由液压传动系统控制， 液压传动系统采用变量泵定量马达 的单泵单马达闭式系统结构， 通过改变变量泵的排量来改变马达的转速从而使车辆获得 需要的行走速度。 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 8 2.3.3 发动机管理控制要点分析 发动机的转速可直接影响液压泵转速从而间接影响车辆的行走速度， 并且发动机转 速的变化会直接影响到取力装置的工作输出，导致取力装置的工作状态相对不稳定，给 工作装置的正常运行带来影响，导致作业质量下降。因此，要求在行走作业工况下发动 机具有稳定运转速度，作业负荷和行走阻力的变化时，发动机的转速自动调节在允许的 误差范围内。 2.3.4 机械/液压复合传动箱控制功能要点小结 控制系统可以通过对液压泵的调节来完成行走速度控制，同时，驾驶员还必须能对 该速度进行调节以适应不同工况。其次，控制系统还应该能对发动机转速进行控制，前 面提到过， 发动机转速可以直接影响到泵的输入转速从而影响到车辆的行走速度以及取 力装置的工作状态，所以在作业时，应该保证发动机的转速稳定，至于发动机转速具体 应该稳定在什么范围内， 将在后面的章节中详细介绍。 装备了机械/液压复合传动箱的工 程车辆不可避免的要经常进行车辆传动方式的切换，这就要求控制系统能够可靠地、快 速的完成模式切换。同样，为了使驾驶人员能够了解车辆在作业时的行驶情况以及工作 装置的工作情况，控制系统还需要具备一定的人机交换功能。 2.4 控制系统方案设计 机械/液压复合传动箱的控制系统主要由控制器、切换开关、手柄和指示灯等组成， 其主要功能是负责液压系统控制、按键功能的处理、传感器信号的采集、与发动机 ecu 之间的通讯等输入输出功能，如图 2.5 所示。 a：控制器 b：电喷发动机 c：传动箱 d：手柄和踏板 图图 2.5 复合传动箱控制系统结构示意图复合传动箱控制系统结构示意图 长安大学硕士学位论文 9 根据前面对控制系统的功能分析， 系统需要完成机械传动方式和液压传动方式之间 的切换， 切换开关和执行气缸是必不可少的； 而要完成对车速的控制， 就需要采集车速、 液压泵和马达的转速、压力等信号；对于变量泵电磁阀的控制需要使用 pwm 信号；驾 驶员在液压模式下是通过操作手柄来改变车辆行驶速度的； 为了使驾驶人员能够了解车 辆的状态还需要一些指示灯信号。 因此， 我们得到了该控制系统所需要的输入输出信号， 如表 2.1 所示： 表表 2.1 控制系统输入输出信号列表控制系统输入输出信号列表 信号编号 信号名称 信号类型 备注 i1 车速信号 pi 显示 i2 液压泵压力 ai 显示 i3 液压马达压力 ai 显示 i4 操作手柄信号 ai 预留 i5 液压泵转速 pi 显示 i6 液压马达转速 pi 显示 i7 刹车制动信号 di i8 传动模式切换开关 di i9 离合器踏板信号 di i10 啮合信号 dt1 di i11 啮合信号 dt2 di i12 啮合信号 dt3 di i13 紧急制动信号 di i14 拨码盘 p8 di i15 拨码盘 p4 di i16 拨码盘 p2 di i17 拨码盘 p1 di i18 拨码盘 c1 di i19 拨码盘 c2 di i20 面板/手柄选择 di i/o21 can1 can 接口 i/o22 can0 can 接口 o1 泵排量控制信号 pwm o2 传动模式切换 do 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 10 表表 2.1 控制系统输入输出信号列表（续）控制系统输入输出信号列表（续） o3 机械模式指示灯 do o4 液压模式指示灯 do o5 模式切换失败指示灯 do o6 dt1 动作 do o7 dt2 动作 do o8 dt3 动作 do 由表 2.1 可知，传动箱控制系统共需要 3 个模拟量输入（ai） 、3 个频率输入（pi） 、 15 个开关量输入（di） 、2 个 can 接口、7 个开关量输出（do）以及一个 pwm 输出口， 共计 30 个 i/o 需求。若选用普通 plc、arm 或者单片机芯片来搭建控制系统，则需要 自行设计 can、pwm 等软件接口和外围电路，工作量增大，加长了开发周期和成本。 而且控制系统需要对发动机进行控制，发动机的各项状态数据需要传递给控制器，若使 用普通测量方式则需要多个传感器，不仅安装困难而且数据传输的可靠性也得不到保 证。 而工程机械专用控制器大多都有集成好的 can 接口， 用以和发动机 ecu 进行通讯， 不仅使用方便而且功能可靠。而且，根据用户要求，此控制系统需具有很强的可靠性和 较短的开发周期，故考虑选用功能强大、集成度高、可靠性高的工程机械专用控制器作 为控制系统的核心构件，可缩短开发周期提高工作效率。 2.5 工程机械专用控制器的选型 国际上先进的控制器硬件平台处于 20 世纪 90 年代的 16 位 cpu 水平，开发环境大 部分基于 plc 的开发模式。国外主要控制器生产厂家包括德国的力士乐、 intercontrol、芬兰的 epec、奥地利的 ttc、美国的萨奥丹佛斯等。其中力士乐 公司开发的 mc 系列微控制器在工程机械领域应用较多。ttc 系列和 epec 的 2000 系 列控制器也占有一部分市场。下面就几种主要的控制器进行简要介绍以便硬件选型使 用。 2.5.1 intercontrol 公司 digsycompact 系列控制器 德国 intercontrol 公司是专门从事生产移动车辆控制器和显示器的知名企业， 与世界许多大型企业都有良好的合作关系。其公司注重产品的质量及对客户的售后服 务， 因此 intercontrol 公司的产品在欧洲及世界的移动车辆行业中都具有重要的影 响力。 digsycompact 移动机械应用控制系统是带有数据存储及集成液压控制功能为一体 长安大学硕士学位论文 11 的移动车辆控制系统，集成 canopen 协议和网关功能的 can 总线，可直接安装在车体 外部并不需要附加防护装置。系统带有 2 个 16 位处理器，总共 55 路 i/o（数字量，模 拟量，脉冲信号，pwm 脉宽调制信号） ，其中带有 8 路比例阀闭环控制信号输出。编程 语言为c语言或iec61131， 兼容canopen协议或clli底层协议， 集成网关可实现j1939 协议（发动机参数存取）和 canopen 协议的转换，具有实时时钟的历史故障记录，参 量存储通过独立的电池供电，掉电数据及程序保护功能，操作数据和服务数据监测，在 线诊断功能，防高压水的无缝处理铝壳封装，8-32v 工作电压（瞬间电压波动保护） ， 操作温度：-40 c 至+85 c。 图图 2.6 digsycompact 控制器外形图控制器外形图 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 12 图图 2.7 digsycompact 控制器控制器内部结构内部结构图图 如图 2.7 所示，digsycompact 系列控制器内部由模拟量输入输出模块、开关量输入 输出模块、rs232 接口、can 接口、实时时钟、存储器、cpu 等组成。digsycompact 系列控制器有两个 16 位高性能 cpu， 并包含两块不同容量的 flash-eprom：128kb 和 1mb。其供电有两路，一路供给输入输出模块，另一路专门为其实时时钟、 flash-eprom 和 16 位 cpu 单独供电，并且具有备用电池供电功能。digsycompact 系 列控制器还具有强大的 can 通讯功能，通过 can 总线，digsycompact 系列控制器能 够方便的实现与检测仪表、外围传感器和外置模块之间的通讯。 表表 2.2 digsycompact 控制器控制器参数列表参数列表 项 目 型号 dce-i dce-ii dce-iii dcf-i dcf-ii dcf-iii 微处理器 1 80c167 80c167 80c167 80c167cs 80c167cs 80c167cs 微处理器 2 80c164 - 80c167 80c167cs - 80c167cs ram 128kb+512kb 512kb 512kb+512kb 128kb+1mb 1mb 2*1mb flasheprom 128kb+1mb 1mb 1mb+1mb 128kb+1mb 1mb 2*1mb nonvalite fram 8192word 8192word 2*8192word 时钟 1 1 2 1 1 2 can 2 1 2 3 2 4 长安大学硕士学位论文 13 表表 2.2 digsycompact 控制器控制器参数列表参数列表（续续） rs232 1 1 2 2 2 4 55 针接头 2 1 2 2 1 2 输 入 开关量 18 （8+8） =34 模拟量 010v/020ma 8 4 8 4+4+4 4+4 8+8 计数 30khz 8 单/3 双 2 单 4 单 8 单/3 双 （ab 计数） 2 单 4 单 输 出 开关量 1.8a 8（8）=16 -（8） =8 -（16）=16 8（8）=16 -8（8） -（16）=16 模拟量 010ma 4 - - 5 1 2 pwm1.8a 8 8 16 8 8 16 2.5.2 epec 公司 2023 控制器 芬兰 epec 公司是一家在工程机械领域享有很高声誉的、专业从事设计、生产工程 机械控制系统的国际化公司，为全球的工程机械厂家提供基于 can 现场总线技术的控 制系统解决方案。epec 控制器能在较为恶劣的施工工况下，实现机械、电子、液压一 体化控制，其大容量、可编程、高速度、自诊断、高负荷等性能优点保证了控制系统的 可靠性、灵活性和实时性。 图图 2.8 epec2023 控制器控制器外观图外观图 表表 2.3 epec2023 控制器技术参数表控制器技术参数表 处理器 c167 存储器 128/256kb 参数 248*16-bit 掉电可保存参数区 编程 plcopen codesys 软件编写程序 通讯 2*can iso 高速 can1 接口 canopen iso 高速 can2 接口 can2.0b 程序循环时间 10ms 防护等级 ip67 保护 过压保护 最大 70vdc 过热保护 输出短路保护 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 14 表表 2.3 epec2023 控制器技术参数表（续）控制器技术参数表（续） 监控 供电电压 模块温度 参考电压 硬件/应用代码错误 硬件狗监控软件死循环 如果软件循环超过 300ms 则硬件狗会将控制模块自动重 启 功率 大约 1.8w（+24vdc，空载时） 供电电压最大持续电流 13a（满载） 正常工作电压 24vdc 工作电压范围 1030vdc 当电压低于 11.5vdc 时不能将程序写入 flash 电压小于 9.5vdc 时自动复位 工作温度 -4070 存储温度 -5085 i/o 端口 16 di/pi 16 di/ai 8 di/do/pwm 12 di/do i/o 针脚总数 52 由表 2.3 可知， epec2023 控制器的使用的是 80c167 系列高性能单片机其存储器容 量为 256kb， 软件编程环境为 codesys。epec2023 有 16 路开关量和频率量复用输入引 脚、16 路开关量和模拟量输入复用引脚、8 路开关量输入输出、pwm 输出引脚以及 12 路开关量输入输出复用引脚，其 i/o 引脚总数为 52 路。 2.5.3 ttc 公司 ttc50 控制器 tttech 子公司 ttcontrol 是一家工程机械与车辆用电子控制系统的专业厂商， 该公 司已为其最新的电子控制器系列开发出一种新型模块化电控单元。由于这些电控单元 （ecu）具有灵活的 i/o，提供符合国际标准 iso 13849 pld 和 iec 61508 sil 2 的安全 功能，因此客户能够以有吸引力的价格享受这一可扩展平台的益处。ttc50 控制器是奥 地利 ttcontrol 公司生产的一款专门用于工程机械的专用控制器。ttc50 使用坚固的外 壳加以保护以适应工程机械的应用要求。 图图 2.9 ttc50 外观图外观图 长安大学硕士学位论文 15 表表 2.4 ttc50 技术参数表技术参数表 外形尺寸 147.6*180.3*39.8mm 重量 650g 操作温度 -40+85 海拔高度 04000m 供电电压 932vdc 峰值电压 45vdc cpu xc2287(16bit 总线、32bit 运算器)80mhz ram 82kbyte flash rom 766kbyte eeprom 2kbyte 编程环境 codesys/c/c+ 通讯接口 2*can2.0b rs232 lin 由表 2.4 可知，ttc50 控制器使用的是英飞凌公司的 xc2287 系列处理器，其运算 能力较强。ttc50 的存储器分为 ram、flashrom、eeprom 三种，其存储容量分别 为 82kbyte、766kbyte、2kbyte，存储容量相对较小。同其它主流控制器一样，ttc50 也是选择 codesys 软件作为编程环境， 与众不同的是 ttc50 还可以实现 c 语言的编程。 ttc50 的 i/o 端口情况如表 2.5 所示。可知，ttc50 系列控制器共有 40 路引脚， 其中除了开关量输入和模拟量输入引脚之外大多是复用引脚， 复用引脚的大量使用虽然 可以使硬件设计过程变得简单，但是也会带来端口的软件配置较为复杂等问题。 表表 2.5 ttc50 i/o 列表列表 模拟量输入 ai（05v 或 420ma） 8 10bit,软件设置电压或电流输 出 pwm 输入电流反馈/开 关量输出 fb/do（npn，2a） 4 软件设置 pwm 输出电流反馈 或开关量输出 开关量/频率输入 di （ pnp/npn ） /pi(1010khz 、 pnp/npn) 4 10bit，软件设置开关量输出或 频率输入 开关量输入 di (pnp/npn) 8 开关量输入 （软件设置 pnp 或 npn） 开关量输出/pwm 输出 /开关量输入/频率输入 do(pnp,2a)/pwm(pnp,2a)/di (npn)/pi(npn) 8 软件设置开关量输出、pwm 使出、开关量输入或频率输入 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 16 表表 2.5 ttc50 i/o 列表列表( (续续) ) 开关量输出/模拟量输 出 do(pnp,4a)/ai 8 10bit、软件设置开关量输出或 模拟量输入 2.5.4 控制器选型综合分析 综合上述介绍，epec2023 虽然性能能够满足要求，但是其价格较高，经济性较差； ttc50控制器的i/o点数较少， 且512kbyte的可编程容量稍显不足。 而intercontrol 的 dcf-i 型控制器不仅拥有高性能且价格较为合适。 通过对 intercontrol、epec、ttc 三种专用控制器的了解和比较，从经济和 功用的角度综合考虑，选择功能较全、技术较为成熟、经济性较好的 intercontrol 公司的 digsycompact 系列控制器中的 dcf-i 型控制器作为复合传动箱控制系统的核心 构件。dcf-i 型控制器的处理器为两个 16 位 80c167cs 芯片，具有 55 路 i/o 口，多个 i/o 复用接口，其中包括最多 8 路 pwm 输出，和两路 can 通道能够很好地满足控制系 统对发动机和液压泵的控制需求 （若加上扩展的 i/o 板， 系统的输入输出量可达 100 个） 。 dcf-i 型控制器的 ram 容量可达 1128kb，全部使用 16 位结构，使得程序的存储量和 执行速度大大提升。并且 intercontrol 的控制器可以实现多种 plc 语言的输入， 已完成复杂的控制，便于开发人员进行软件开发。所以使用 intercontrol 公司的 dcf-i 型控制器完全能够满足机械/液压复合传动箱的控制系统的要求。 2.5.5 控制器的引脚分配 在确定了选用 intercontrol 公司的 digsycompact 系列控制器之后，需要根据控制器 的 i/o 端口情况结合控制系统的输入输出信号进行控制器的引脚分配，如图 2.10 所示。 图 2.10 中的 qd1.1qd1.8 引脚为开关量输出和 pwm 输出的复用引脚；id1.1id1.8 为 开关量输入引脚；iav1.1iav1.4 为电压型信号（010v）的模拟量输入引脚； iai1.1iai1.4 为电流型信号（020ma）的模拟量输入引脚；id1.11 和 id1.12 作为开关 量输入和计数功能的复用引脚，在这里，我们使用的是其计数功能。由于控制器的引脚 较多（加上扩展的 i/o 版共有 110 个引脚） ，故在图 2.10 中只画出了部分使用的引脚和 一些预留的引脚。 长安大学硕士学位论文 17 1号气缸动作 2号气缸动作 3号气缸动作 机械模式指示 灯 液压模式指示 灯 错误提示灯 模式切换信号 允许切换开关 信号 离合器信号 1号齿轮状态信 号 2号齿轮状态信 号 3号齿轮状态信 号 预留 预留 接地 预留pwm信号 pwm信号 qd1.1 qd1.2 qd1.3 qd1.4 qd1.5 qd1.6 qd1.7 qd1.8 id1.1 id1.2 id1.3 id1.4 id1.5 id1.6 id1.7 id1.8 gnd 预留 预留 手柄信号 预留 预留 预留 紧急制动信号 刹车制动信号 泵转速信号 马达转速信号 can信号 can信号 控制器供电 控制器供电 控制器供电 马达压力信号 泵压力信号 iav1.1 iav1.2 iav1.3 iav1.4 iai1.1 iai1.2 iai1.3 dcf iai1.4 id1.9 id1.10 id1.11 id1.12 canh_1.1 canl_1.1 ipon vim1 viq1 图图 2.10 dcf 控制器引脚分配示意图控制器引脚分配示意图 第二章 复合传动箱控制系统方案与硬件系统设计 18 2.6 变量泵和电磁阀 变量泵和电磁阀均为液压系统配套，使用力士乐的 a4vg71ep4d 系列闭式系统变 量柱塞泵，如表 2.6 所示，其主要参数如下： 表表 2.6 变量泵参数表变量泵参数表 最大排量：71 cm3/rev 额定转速：3300 r/min 最大工作压力：40mpa 最大流量：234 i/min 最大功率：156kw 最大吸收扭矩: 451 nm 电磁铁电流：200ma600ma（24v） 电磁铁电阻： 22.7(24v) 该泵的排量与比例阀的电流大小是正相关的，在电磁阀的工作范围内（24v） ，排量 与电流成正比，因此工作时控制比例电磁阀的电流大小就可以改变泵的排量。 图图 2.11 a4vg 变量泵及其电磁铁参数图变量泵及其电磁铁参数图 2.7 控制系统的传感器 本控制系统中的输入和输出部分包括变量泵和其电磁阀的控制、发动机的控制以 及整车参数的传感器监测。变量泵和电磁阀都是系统自带的，这一部分只需要考虑电气 接口。发动机控制主要依赖于控制器和 ecu 之间的通讯，这一功能需要通过 can 总线 来实现，其具体连接方式也是标准化的。输入和输出部分主要由模拟量输入，开关量输 入/输出、频率量输入等组成。这些传感器的需要根据整机和系统性能参数来选择，主 要传感器的选型如下： 2.7.1 压力传感器 压力传感器的主要功能是测量变量泵和定量马达的压力。选用的液压泵出口压力 为 0400bar（40mpa） ，可选用瑞士伟拓的 511 型压力传感器如图 2.12 所示。该传感器 长安大学硕士学位论文 19 的输出为 420ma 或 05v，量程为 060mpa，可以满足液压系统的要求。 图图 2.12 伟拓伟拓 511 型压力传感器型压力传感器 2.7.2 转速传感器 图图 2.13 tch167 型转速传感器型转速传感器 转速传感器主要用来测量液压泵和马达的转速，为了简化线束，系统采用磁电式 传感器。其型号为 tch167。安装间隙为 0.22.5mm，传感器的内部带有放大整形电路， 其输出信号为方波，输出的方波高电平10v 低电平=0 then mclli_step:=mclli_step+1; else mclli_step:=255; end_if 定义传送和接受数据是由函数 clli_init_id（）来完成的。 clli_result02:= clli_init_id ( 8, 0, clli_rx, 16#0cf00400, adr(id_lst2) ); (*接收 pdo1 *) clli_result03:= clli_init_id ( 8, 0, clli_rx, 16#0cf00300, 开始 系统自检 can 初始化 定义发送和接 收数据 循环发送数据 接受和发送数 据 结束 第四章 发动机恒转速控制系统 46 adr(id_lst3) );(*接收 pdo2 *) clli_result04:= clli_init_id ( 8, 0, clli_rx, 16#18fedf00, adr(id_lst4) );(*接收 pdo3*) clli_result05:= clli_init_id ( 8, 0, clli_rx, 16#00000481, adr(id_lst5) );(*接收 pdo4 *) clli_result21:= clli_init_id ( 8, 1, clli_tx, 16#00000182, adr(id_lst21); (*发送数据 pdo1*) clli_result22:= clli_init_id ( 8, 1, clli_tx, 16#00000282, adr(id_lst22);(*发送数据 pdo2*) clli_result23:= clli_init_id ( 8, 1, clli_tx, 16#00000382, adr(id_lst23);(*发送数据 pdo3*) clli_result24:= clli_init_id ( 8, 1, clli_tx, 16#00000482, adr(id_lst24);(*发送数据 pdo4*) 函数中的参数 8 代表数据占 8 字节，0 代表使用控制器的 0 号 can 缓存，1 代表 1 号 can 缓存，clli_rx 代表接收数据、clli_tx 代表发送数据，16#0cf00400 等是 can 的数据帧 id，adr（id_1st2）等代表的是 can 数据帧在系统中的地址。 由于需要实时检测发动机的数据，所以要求 can 总线上的数据必须随时更新，这 就需要在软件中加上循环发送和接受 ecu 数据的功能，该功能是由 clli_cyclic_id 函 数来实现的。部分程序如下： clli_result40:= clli_cyclic_id ( clli_canport, 255, 16#0cf00400 , 1 ); (*循环发送数据 pdo1, 时间间隔 10ms*) clli_result41:= clli_cyclic_id ( clli_canport, 255, 16#0cf00300 , 50 ); (*循环发送数据 pdo2,时间间隔 50ms*) clli_result42:= clli_cyclic_id ( clli_canport, 255, 16#18fedf00, 25 ); (*循环发送数据 pdo3, 时间间隔 250ms*) clli_result43:= clli_cyclic_id ( clli_canport, 255, 16#00000482 , 10000 ); (*循环发送数据 pdo4, 时间间隔 100s*) 由于发动机的各项参数对于控制系统的重要程度不同， 故采样的时间间隔也不尽相 同，对于需要随时调整的转速，将其采样间隔设置为 10ms 可保证控制的精确性。而对 于其它数据，如发动机温度、水温、油压等的要求则不必过于严格，这样既保证了控制 系统的快速性有保证了整个通讯的稳定性， 毕竟使总线长时间工作在过于繁忙的状态下 长安大学硕士学位论文 47 是不稳定的。 最后，对于总线上的数据需要进行选择性保存，这一功能通过 clli_rxqueue()函 数来实现。 clli_result72:= clli_rxqueue(clli_canport, 0, 0); clli_canport 指的是控制器的 can 端口， 第一个 0 代表将总线上的数据全部丢弃， 若需要保存全部数据则将该值设定为 255，若想要保存某个数据则需在 1-64 之间选择。 第二个 0 代表数据在缓存中的地址。 通过控制器和 ecu 之间的硬件连接和软件配置， 便能够完成控制器和 ecu 之间的 数据交换，也就实现了控制器对和发动机 ecu 之间的通讯。这就为我们进行发动机恒 转速控制奠定了基础。 4.4.4 发动机恒转速功能的实现 发动机恒转速控制的原理是：控制器实时监测发动机的转速，若发现转速不满足要 求，则向 ecu 发出指令，并通过 ecu 执行，从而改变转速，使转速满足要求。这个过 程的控制流程如图 4.9 所示：开始监测转速（若满足要求则继续监测）判断转 速与 1900 之间的大小增加或减少转速监测转速结束。 第四章 发动机恒转速控制系统 48 开始 监测转速 判断转速是否大于 1900r/min 减小转速增大转速 监测转速 结束 小于大于 图图 4.6 发动机恒转速控制流程示意图发动机恒转速控制流程示意图 4.5 本章小结 本章主要完成以下工作：