基于MBD的车载泵控制器的实现_孟兴.pdf

50 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算基于 MBD 的车载泵控制器的实现Realization of City Pump Controller Based on MBD孟兴1 龙杰强1 刘龙2 唐宁东2（1.湖南中联重科智能技术有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南中联重科混凝土泵送机械分公司，湖南 长沙 410000）摘要：对 22MPa 车载泵控制器功能模块进行分析整理，本文提出了一种基于 MBD 的车载泵控制器实现方法。该方法在 Simulink 平台下搭建了控制器功能逻辑模型，模型的输入输出数据从硬件接口层获取，最后在 Simulink 下实现一键编译生成机器代码。实车测试结果表明，采用 MBD 的实现方法能满足车载泵控制器的功能和性能需求。关键词：车载泵；MBD；控制器；Simulink中图分类号：TP391.8 文献标识码：A0 引 言车载泵主要由底盘、泵送、搅拌、分配、动力、液压、电控等系统组成。控制器作为电控系统的核心部件，直接决定着泵送的性能和效率。目前，车载泵控制器主要采用CodeSys 平台进行软件设计，这种设计方式在线调试直观，但是无法进行模拟仿真，设计过程中很难做到测试用例全覆盖，很大程度上依赖于整车现场调试验证，从而降低设计效率、延长设计周期。而采用基于 MBD 的设计方法，可以在整个设计过程中对各个功能模块进行全面仿真测试，避免现场调试过程中频繁修改功能逻辑，从而提高控制器的设计效率和设计水平。1 基于 MBD 的车载泵控制器设计流程随着 MBD 设计技术的飞速发展，特别是标定量、测量量的普及应用，控制器的研发模式正在发生根本性的变化，MBD 设计方法开始逐步取代传统的设计方法，成为新型车载泵研制的技术依据。基于 MBD 的车载泵控制器设计流程如图 1 所示。整个流程主要包括 7 个步骤：第一步，通过需求分析输出需求文档，并对功能模块进行划分；第二步，功能模块模型设计，根据需求文档进行功能模块模型设计；第三步，功能模块仿真，利用 simulink 平台进行各功能模块单独仿真；第四步，系统集成，借助第三方提供的接口库，将应用模型与底层驱动文件进行集成；第五步，系统仿真，利用simulink平台进行系统级仿真；第六步，一键编译，生成烧写文件；第七步，软硬件联调，将上一步生成的二进制文件烧写到控制器，进行软硬件联调。图 1 基于 MBD 的车载泵控制器设计流程需求分析功能模块设计功能模块仿真系统集成系统仿真一键编译软硬件联调2 基于 MBD 的车载泵控制器设计实现在工程机械领域，传统的控制器设计大多采用 CodeSys工具开发，该方法的主要缺点在于无法进行模拟仿真，导致功能模块的测试覆盖不全面。本文介绍的 MBD 开发方法，已经成功应用到车载泵控制器上，借助于 Simulink 的强大仿真功能，大幅减少了上车调试时间，提高了开发效率，以下将具体介绍该方法的实现过程。2.1 需求分析车载泵控制器基本功能包括：正泵、反泵、快换活塞、DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0272023.01建设机械技术与管理 51设计计算高低压泵送、泵缸点动、S 阀摆动、油门加减、排量加减、搅拌、发动机启动/熄火、自动补卸油和GPS解锁机等功能，将以上功能归纳整理成需求文档，如表 1 所示。2.2 功能模块设计2.2.1 泵送功能设计流程图如图 2 所示值设定目标转速，控制器控制输出转速跟随目标转速。当排量档位变化时，发动机转速会自动变化。手动加、减速是通过面板上的加、减速开关向控制器发送指令，控制器收到加、减速指令后调整发动机控制转速，经斜坡处理后产生最终的发动机目标控制转速。2.2.4 显示屏通信模块设计显示屏通信模块设计流程图如图 5 所示。序号功能模块功能分析1泵送泵送功能主要有四种工作模式：1.高压正泵2.高压反泵3.低压正泵4.低压反泵点动功能包括：泵缸点动、S 阀摆动2排量控制运用各种算法进行排量电流的加减控制3转速控制实现发动机转速的手动加减速和自动加减速控制4显示屏通信 实现显示屏和控制器的数据交互5GPS 通信实现远程解锁机控制6行程优化通过自动补卸油实现行程优化功能7发动机控制 实现发动机启动、熄火控制8数据采集实现外部传感器 DI、AI 数据采集9数据输出实现外部各类型阀的输出控制表 1 车载泵控制器需求文档图 2 泵送功能设计流程图主缸接近开关 1主缸接近开关 2摆缸接近开关 1摆缸接近开关 2主缸点动摆缸点动高低压泵送控制逻辑主缸 A 输出主缸 B 输出摆缸 A 输出摆缸 B 输出排量档位线性排量控制功率匹配算法恒功率算法复杂料况算法排量电流图 3 排量控制模块设计流程图排量档位加、减速泵送启停加减速控制逻辑斜坡处理目标控制转速图 4 转速控制模块设计流程图dbc 文件设计生成 m 文件模型加载 m 文件图 5 显示屏通信模块设计流程图解锁指令上锁指令解锁机处理输出解锁机状态图 6 GPS 通信模块设计流程图主缸接近开关 1主缸接近开关 2摆缸接近开关 1摆缸接近开关 2行程状态处理补泄油阀控制图 7 行程优化模块设计流程图控制器采集多路 DI 信号，包括两个主缸接近开关、两个摆缸接近开关、主缸点动、摆缸点动和高低压信号，将这些信号输入到泵送控制逻辑，经处理后，输出控制信号到相应的两个主缸阀和两个摆缸阀，实现泵送功能。2.2.2 排量控制模块设计排量控制模块设计流程图如图 3 所示。控制器采集面板排量档位 AD 信号，依次经过线性排量控制算法、功率匹配算法、恒功率算法和复杂料况算法处理后，输出最终排量电流，并经 PID 控制排量阀的开启。2.2.3 转速控制模块设计转速控制模块设计流程图如图 4 所示。转速控制主要分为自动加、减速控制和手动加、减速控制。控制器检测到泵送开启信号后，根据输入的排量档位显示屏通信采用 CAN 网络通信方式，通信协议采用dbc 方式实现。第一步，应用 dbc 生成工具将通信协议文档转成 dbc文件；第二步，将上一步生成的 dbc 文件转成对应的 m 文件；第三步，将 m 文件加载到模型中，根据 can id 读写每条报文的信号。2.2.5 GPS 通信模块设计GPS 通信模块设计流程图如图 6 所示。GPS通信模块的主要功能是实现车载泵的解锁机操作，进而控制泵送过程。控制器接收云端发送的解锁/上锁指令，经密钥验证后，进入解锁机倒计时，并设置相应的解锁机状态。泵送模块根据解锁机状态进行泵送排量控制。2.2.6 行程优化模块设计行程优化模块设计流程图如图 7 所示。控制器读取四个接近开关（主缸接近开关 1、主缸接近开关 2、摆缸接近开关 1 和摆缸接近开关 2）的状态，并根据读取到的接近开关状态从四个行程状态，即行程过短、正常、过长和故障中匹配出当前的行程状态，当行程状态为过短或过长时，控制器会按一定的步长累计补泄油时间参数，52 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算并同步控制补泄油阀开启，直到行程状态正常才停止开启补泄油阀。2.2.7 发动机控制模块设计发动机控制模块设计流程图如图 8 所示。2.4 系统集成及仿真系统集成主要是实现应用模型和底层驱动的集成，应用模型在Simulink里搭建，底层驱动与具体硬件平台有关，采用 C 语言实现，两者之间通过 Matlab 提供的工具进行衔接，最终在 simulink 里实现完整模型的仿真。2.5 一键编译及软硬件联调在 Simulink 中调用一键编译脚本文件，生成可执行代码。一键编译主要完成以下任务：第一，应用模型生成 C 代码；第二，调用第三方开发平台将自动生成的应用代码和底层驱动文件合并成一个工程；第三，调用第三方平台的工具链编译工程，生成可执行文件；第四，生成调试用测量标定文件。将生成的可执行文件烧录到控制板中，即可进行软硬件联调。3 控制器实车验证基于 MBD 的车载泵控制器验证过程主要分为以下两个阶段：第一阶段，主要进行基本的泵水功能验证；第二阶段，主要进行泵送性能的对比验证。团队人员选择常用机型 23MPa 进行控制器验证，控制器的实车安装图如图 10 所示。引擎启动引警停止发动机目标转速启动控制熄火控制转速控制引擎工作状态发动机实际转速图 8 发动机控制模块设计流程图发动机控制主要分为发动机启停控制和转速控制，启停控制通过读取面板上的引擎启动、停止按钮信号，同时判断是否满足启停条件，从而输出引擎启停控制信号。转速控制主要是将加、减速控制模块输出的控制转速经斜坡处理后发送给发动机，从而控制发动机的实际转速。2.2.8 数据采集模块设计本控制器的数据采集主要分为模拟输入（AI）数据采集和数字输入（DI）数据采集，采用 C 语言和 simulink 混合编程方式实现输入数据读取。底层硬件驱动采用 C 语言编写，并将 DI、AI 接口封装成 simulink 库，应用模型中直接调用库中的接口即可完成对应端口的数据采集。2.2.9 数据输出模块设计本控制器的数据输出主要分为 PWM 输出和数字输出（DO），采用 C 语言和 simulink 混合编程方式实现数据输出。底层硬件驱动采用 C 语言编写，并将 PWM、DO 接口封装成 simulink 库，应用模型中直接调用库中的接口即可完成对应控制阀的开启和关闭。2.3 功能模块仿真本控制器采用 Test Harness 进行功能模块的仿真。如下图 9 所示，EngSpdCtrl_V01 功能模块是发动机转速控制模块，输入是加、减速信号和一些相关参数，输出是发动机目标转速，利用 Test Harness 工具，输入选择 Signal Builder 产生输入仿真信号，输出选择 Scope 观察仿真结果，其它功能模块采用类似方法实现。图 9 TestHarness 仿真示例图 10 控制器安装示意图由于新老控制器引脚定义不同，为了兼容老控制器的布线，前期调试需要采用转接线连接新控制器。第一阶段：验证泵水基本功能该阶段主要验证了面板的 IO 信号输入、显示屏的通信功能、参数的读写、发动机的加、减速、引擎启停、故障报警及泵水等基本功能。其中，泵送四种工作模式（低压正泵、高压正泵、低压反泵和高压反泵）及泵水功能验证如图 11所示。第二阶段：验证泵送性能该阶段主要验证了恒功率泵送性能，多维度对比了新2023.01建设机械技术与管理 53设计计算图 11 泵水功能验证示意图工作模式高低压选择起调压力功率系数转速/rpm排量电流/mA反馈电流/mA泵送压力/MPa泵送频率/Hz常规低压14.391555111113139129高压14.391555111113139129节能低压14.391055111113139129高压14.391055111113139129表 2 泵送性能对比验证老控制器的泵送效果，包括发动机转速、排量电流、反馈电流、泵送压力及泵送频率。新老控制器对比结果记录如表 2 所示。从表 2 不难发现，在常规低压、高压模式下，新老控制器转速误差为 15rpm，排量电流误差为 5mA，反馈电流误差为 5mA，泵送压力误差为 1MPa，泵送频率误差 1Hz。在节能低压、高压模式下，新老控制器转速误差为10rpm，排量电流误差为 5mA，反馈电流误差为 5mA，泵送压力误差为 1MPa，泵送频率误差 1 Hz。综上，新控制器的泵送性能基本满足要求。4 结束语本文详细介绍了一种基于 MBD 的车载泵控制器实现方法，该方法采用 simulink 和 C 语言混合编程的方式，与硬件相关的底层驱动用 C 语言编写，应用业务代码用模型搭建。该方法可以充分发挥 simulink 的仿真功能，同时借助于测量标定软件的数据记录功能，可以大幅提升现场调试效率。该控制器的成功实现，为后续工程机械行业其它产品线控制器的迭代提供了参考依据。参考文献1 骆煜.车载泵泵送系统功率节能匹配的研究J.建设机械技术与管理,2020(04):91-93.2 张卫卫.基于MBD和数控编程控制的智能化农机制造技术研究J,农机化研究,2019(11):216-220.3 邵恩奇.基于 PLC 和 HMI 的车载泵电气控制系统设计 J.电子技术，2015(12):52-53.4 卢一帆.基于 MBD 的产品设计关键技术研究D.上海交通大学，2020.5 李向南.基于 MBD 的产品建模方法研究与实现 D.沈阳理工大学，2015.6 朱建军.基于 MBD 的产品设计制造技术研究J.中国电子科学研究院学报，2013(06):568-572.收稿日期：2022-10-24作者简介：孟兴，硕士，工程师，主要从事工程机械领域车辆控制器相关技术研究。