基于CAN總線的機(jī)械電子式制動(dòng)系統(tǒng)電控單元的實(shí)現(xiàn)

1、引言　

隨著機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)也滲入到了汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了稱為“電子制動(dòng)系統(tǒng)”的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)系統(tǒng)不同，電子制動(dòng)系統(tǒng)以電子元件替代了大部分液壓和機(jī)械元件，減少了制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的滯后時(shí)間。它根據(jù)駕駛員進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，踏板行程傳感器探知駕駛員的制動(dòng)意圖，進(jìn)而對(duì)各輪制動(dòng)力進(jìn)行精確的控制，縮短了制動(dòng)距離，從而增加了交通安全性[1]。

2、EMB

線控制動(dòng)系統(tǒng)目前分為兩種類型,一種為電液制動(dòng)系統(tǒng)EHB (Electro-hydraulic Brake),另一種為電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)EMB (Electro-Mechanical Brake)[2]。本文主要討論的內(nèi)容是后者。

相比傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)，電子機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)[3]：

①　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,省去大量管路系統(tǒng)及部件;

②　制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短,提高了制動(dòng)性能;

③　系統(tǒng)制造、裝配、測(cè)試簡(jiǎn)單快捷,采用模塊化結(jié)構(gòu),維護(hù)簡(jiǎn)單;

④　采用電線連接,系統(tǒng)耐久性能良好;

⑤　易于改進(jìn),略加變化即可增設(shè)各種電控制功能。

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)包含如下部分：

①　電源：采用車載電源。

②　電制動(dòng)器：采用可連續(xù)堵轉(zhuǎn)的力矩電機(jī)。

③　電制動(dòng)控制單元（ECU）：由二部分構(gòu)成，主控節(jié)點(diǎn)和從控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收制動(dòng)踏板傳感器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過一定的算法計(jì)算，將數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接收車輪傳感器信號(hào)，識(shí)別車輪是否抱死、打滑等。從控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收發(fā)自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

④　輪速傳感器：使用霍爾傳感器在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生脈沖，由ECU采集。

3、EMB系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)示意圖

3.1 主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

考慮到主節(jié)點(diǎn)需要處理的數(shù)據(jù)比較多，對(duì)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求比較高，因此采用運(yùn)算能力較強(qiáng)的16位微控制器，這里我們采用了英飛凌公司的XC164CM8F40F。它采用高性能16位帶5級(jí)流水線的C166S V2 CPU，提供較好的DSP性能和中斷處理以及外設(shè)集和高性能可靠的片內(nèi)閃存，40MHz CPU時(shí)鐘的單指令時(shí)間25ns，以及16級(jí)優(yōu)先中斷系統(tǒng)多達(dá)75個(gè)中斷源。

外設(shè)方面，它具有14路ADC，多功能通用計(jì)時(shí)器單元，片內(nèi)TwinCAN接口，47個(gè)GPIO，通過JTAG接口支持在片調(diào)試等豐富的外設(shè)資源。

XC164CM內(nèi)含兩組共五個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，使用其中一個(gè)作為定時(shí)器，用來計(jì)算車速和踏板行程變化率；使用其余四個(gè)作為計(jì)數(shù)器采集安裝在車輪部的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)。

使用一路ADC采集踏板行程傳感器的模擬電壓值。CAN總線接口方面，片內(nèi)TwinCAN模塊支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.0A/B，大大簡(jiǎn)化了CAN接口應(yīng)用設(shè)計(jì)。使用片內(nèi)TwinCAN模塊中的一路CAN控制器，外接TLE6250作為CAN總線物理接口的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。

3.2 系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)需要四個(gè)相同的從節(jié)點(diǎn)部分，且從節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要從CAN總線接收數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和力矩大小，因此可以采用帶有片內(nèi)CAN控制器價(jià)格較低的T89C51CC01微控制器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片方面采用ST公司單封裝的全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片VNH3SP30。芯片采用小型化封裝，節(jié)省電路板空間、重量和成本。該產(chǎn)品特勝包括30A輸出電流，40V最高工作電壓，支持最高10KHz的脈寬調(diào)制操作。

4、EMB系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖2 主節(jié)點(diǎn)軟件流程

程序首先等待駕駛員踩下踏板。由于非制動(dòng)狀態(tài)時(shí)剎車片與制動(dòng)盤之間保留有一定距離，當(dāng)駕駛員剛剛踩下跳板后，力矩電機(jī)需要迅速消除剎車片與制動(dòng)盤之間的間隙。消除間隙后，程序要能根據(jù)踏板的行程來控制力矩電機(jī)輸出的力矩。由于在消除了剎車片與制動(dòng)盤之間的間隙后，力矩電機(jī)一直處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此可以采用對(duì)力矩電機(jī)輸出PWM信號(hào)脈寬調(diào)制的方式來精確控制力矩輸出。

由于采用電子制動(dòng)系統(tǒng)，使對(duì)駕駛員制動(dòng)意圖的監(jiān)測(cè)成為可能。例如在發(fā)生緊急情況時(shí)，駕駛員會(huì)迅速踩下制動(dòng)踏板，在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)中，最大制動(dòng)力是在踏板踩到最底時(shí)提供的。而在電子制動(dòng)系統(tǒng)中，若發(fā)生緊急情況時(shí)，可能提前感知駕駛緊急制動(dòng)意圖，并在駕駛員未將制動(dòng)踏板踩到最底時(shí)，即可提供最大制動(dòng)力，這樣可以大大增加制動(dòng)安全性?；谏鲜隹紤]，制動(dòng)力不能簡(jiǎn)單的和踏板行程相對(duì)應(yīng)，需要采用智能化的模糊控制方法對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行非線性控制。

當(dāng)駕駛員完全放開制動(dòng)踏板時(shí)，雖然此時(shí)無制動(dòng)力提供，但剎車片和制動(dòng)盤仍有接觸，為了盡量減小拖滯扭矩，此時(shí)需要將剎車片離開制動(dòng)盤一小段距離，這是與駕駛員踩下踏板時(shí)的消除間隙相對(duì)應(yīng)的過程。

4.2 從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖3 從節(jié)點(diǎn)軟件流程

從節(jié)點(diǎn)要完成的工作則相對(duì)簡(jiǎn)單，從節(jié)點(diǎn)只需要接收CAN總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容使用IO接口通過驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)送PWM信號(hào)來控制力矩電機(jī)的力矩。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

4.3.1 踏板行程采集

踏板行程傳感器采用角位移傳感器，通過主節(jié)點(diǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口模塊采集模擬信號(hào)。由于剎車系統(tǒng)是汽車中比較關(guān)鍵的部分，對(duì)剎車裝置的安全性要求較高，因此在踏板行程傳感器的設(shè)計(jì)采用冗余的設(shè)計(jì)方法。這里的一種實(shí)現(xiàn)方法是設(shè)計(jì)兩套傳感器，對(duì)應(yīng)某一行程時(shí)兩套傳感器產(chǎn)生的模擬電壓值是二倍的關(guān)系，這樣采集并計(jì)算得來的踏板行程值有很高的安全性。

4.3.2 踏板行程變化率計(jì)算

采用定時(shí)器方式，每隔固定時(shí)間計(jì)將當(dāng)前踏板行程值與前一次踏板行程值作差，求得踏板行程的變化率。但為了減小抖動(dòng)并使變化率曲線平滑些，可以采用公式(1)計(jì)算方式。

(1)

其中dL是要計(jì)算的變化率，dL0是本次計(jì)算得出的變化率，dL1、dL2分別是前二次的變化率值。

4.3.3 制動(dòng)力的計(jì)算

由于在電子制動(dòng)系統(tǒng)中，計(jì)算制動(dòng)力的算法要求有較大的靈活性，如根據(jù)車型不同能夠較方便更改算法參數(shù)。因此可以采用較靈活且對(duì)運(yùn)算能力要求不是很高的模糊控制方法對(duì)踏板行程值和踏板行程變化率值來進(jìn)行PWM輸出值的計(jì)算，進(jìn)而控制制動(dòng)力。

具體算法如下：

①模糊化。

輸入變量踏板行程L，論域?yàn)椋海鸝，PS，PM，PL｝, 采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖4所示。

圖4 踏板行程隸屬度函數(shù)

輸入變量踏板行程變化率dL，論域?yàn)椋海鸑L，NS，Z，PS，PL｝，采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖5所示。

圖5 踏板行程變化率隸屬度函數(shù)

輸出變量定義為要求解的PWM值，論域?yàn)椋海鸝，PS，PM，PL｝。

模糊化變量是根據(jù)隸屬度函數(shù)將輸入變量值轉(zhuǎn)換到論域中各元素的隸屬度值。

②模糊推理：

當(dāng)對(duì)兩個(gè)輸入變量模糊化后，下一步是根據(jù)推理規(guī)則表進(jìn)行模糊化推理。

表1 模糊推理規(guī)則表

表中最左列是行程變化率dL對(duì)應(yīng)的模糊化論域，最上行是行程L對(duì)應(yīng)的模糊化論域。表中其它部分則是欲求解的PWM值對(duì)應(yīng)的模糊化論域。

計(jì)算時(shí)，依次對(duì)表中間部分的每一個(gè)元素計(jì)算隸屬度值，方法是將對(duì)應(yīng)的L和dL的隸屬度相乘。最后把相同的元素隸屬度值相加，可得到一組輸出變量的模糊化向量：(Z，PS，PM，PL)

③解模糊化：

根據(jù)下圖PWM值的隸屬度函數(shù)，采用來重心法來計(jì)算最終PWM輸出值。

圖6 輸出PWM值隸屬度函數(shù)

重心法計(jì)算公式如公式(2)所示。

(2)

這樣求得的精確值即為最終PWM輸出值。

5、結(jié)論

本文采用目前流行的車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)以較簡(jiǎn)易的方式實(shí)現(xiàn)了EMB的基本功能，有著較高的實(shí)時(shí)性和時(shí)間響應(yīng)性。采用網(wǎng)絡(luò)式控制方式，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)設(shè)置到終端，并采用處理能力較弱且價(jià)格較低的微控制器；而在主控端采用處理能力挺強(qiáng)價(jià)格相對(duì)較高的微控制器，提高了整體設(shè)計(jì)的合理性。在安全性控制方面采用了模糊控制方法，而模糊控制方法最大的特點(diǎn)就是有很強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)需要進(jìn)行控制方法的靈活修改，使得制動(dòng)器的制動(dòng)方式更加合理。

本系統(tǒng)在浙江亞太機(jī)電股份有限公司的“汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)電控單元研究與開發(fā)”項(xiàng)目中已經(jīng)過臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證其可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] Song Jeonghoon.Performance evaluation of a hybrid e-lectric brake system with a sliding mode controller[J].Mechatronics,2005,(15):339-358.

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[3] 劉B,劉芳明,林慕義.工業(yè)車輛線控制動(dòng)系統(tǒng)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2004，10：26-27.