汽車ASR系統(tǒng)ECU開發(fā)及其硬件在環(huán)測(cè)試

驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)ASR(Acceleration Slip Regulation System)是在汽車起步和加速過程中防止車輪過度滑轉(zhuǎn)以獲
得最佳的地面驅(qū)動(dòng)力和保持方向穩(wěn)定性的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)。它是基于汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的控制原理在驅(qū)動(dòng)工況的推廣而研制的。隨著ABS系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用逐漸普及，ASR的應(yīng)用也漸為廣泛，因此,關(guān)于ASR的控制算法研究和控制器開發(fā)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1-5]。
　　ASR需要通過一定的途徑調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，由于受電控發(fā)動(dòng)機(jī)的限制,我國(guó)目前在ASR系統(tǒng)的控制理論方面大多側(cè)重于采用以制動(dòng)控制為主、發(fā)動(dòng)機(jī)控制為輔的控制方法?？偟膩碚f，距離產(chǎn)品化還有一定的差距[4]。采用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩或者電子節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)則難于進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。近年來，為了進(jìn)一步提高算法驗(yàn)證的精度，半物理仿真技術(shù)得到了一定程度的應(yīng)用[5-6]。
　　本文在深入研究ASR控制需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)了ECU軟硬件，利用MATLAB/Simulink軟件和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了ECU的硬件在環(huán)測(cè)試，標(biāo)定了ECU控制參數(shù)，驗(yàn)證了控制效果。
1 ECU硬件電路設(shè)計(jì)
　　ASR ECU硬件主要實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)采集與處理、存儲(chǔ)與運(yùn)行控制軟件、驅(qū)動(dòng)電子節(jié)氣門電機(jī)與壓力調(diào)節(jié)器電磁閥以及與其他ECU或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊等功能。其硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

ECU的設(shè)計(jì)還需要綜合考慮如下因素：
　　(1)控制程序的實(shí)時(shí)性。要求控制器能夠快速運(yùn)行程序并具備較高的計(jì)算速度。
　　(2)控制器可靠性。確保在汽車級(jí)惡劣電磁環(huán)境中具備較強(qiáng)的抗干擾性能，控制程序能夠運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。
　　(3)控制器體積及成本，要具備一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
1.1 主輔MCU選型及單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)是電子控制系統(tǒng)ECU的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理及所有的邏輯運(yùn)算，并直接影響到控制器電路運(yùn)行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。為了提高ECU可靠性，本文采用雙MCU架構(gòu)。主MCU負(fù)責(zé)采集輪速信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算處理，然后根據(jù)控制邏輯對(duì)電磁閥輸出相應(yīng)的控制指令，從而完成ASR預(yù)期功能。因此，主MCU安全可靠的運(yùn)行是ASR控制器可靠性的保證。輔MCU的主要功能是對(duì)主MCU進(jìn)行監(jiān)控并完成部分故障診斷。
對(duì)單片機(jī)選型主要考慮以下幾個(gè)因素：
　　(1)單片機(jī)的運(yùn)算速度：ABS/ASR控制邏輯從參考車速估算到控制算法的實(shí)現(xiàn)涉及到很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，因此對(duì)MCU的運(yùn)算速度和運(yùn)算能力有很高的要求。
　　(2)充足的存儲(chǔ)空間：復(fù)雜的ABS/ASR控制邏輯和參考車速計(jì)算擬合以及逐漸增加的故障診斷功能，都會(huì)導(dǎo)致軟件代碼的增加，程序運(yùn)行時(shí)也需要很多的內(nèi)存空間，這就要求MCU具備充足的存儲(chǔ)空間才能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求。根據(jù)以往摩托車ABS/ASR控制器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，由于片內(nèi)集成存儲(chǔ)單元技術(shù)和成本的限制，片內(nèi)一般只有較少存儲(chǔ)空間，往往需要用戶通過 MCU 的地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行擴(kuò)充，這樣會(huì)導(dǎo)致 MCU 的I/O接口的不足，而且外部存取也會(huì)影響 MCU 的總體運(yùn)算速度。
　　(3)與系統(tǒng)需求相匹配的I/O接口數(shù)：本文設(shè)計(jì)的ABS/ASR系統(tǒng)需要采集4通道的輪速輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)4組（8路）壓力控制閥的電磁閥，并且需要進(jìn)行大量的故障診斷電路設(shè)計(jì)，因此必須保證充足的I/O口的數(shù)量。
　　(4)單片機(jī)的價(jià)格因素、抗干擾性能以及芯片生產(chǎn)商對(duì)該型號(hào)單片機(jī)相應(yīng)的技術(shù)支持也是單片機(jī)選型的重要考慮因素。
　　考慮以上因素后，本設(shè)計(jì)選定Freescale公司的HCS12系列16位單片機(jī)MC9S12DP512作為系統(tǒng)核心控制芯片。MC9S12DP512的主要優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，豐富的I/O接口和充裕的存儲(chǔ)空間。它的核心運(yùn)算速度可以達(dá)到50MHz，總線速度可以達(dá)到25MHz，且采用了優(yōu)化的指令集，使指令的運(yùn)算速度得到了很大的提高[7]。
　　(2)使用了鎖相環(huán)技術(shù)和內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較Intel類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。
　　(3)內(nèi)部集成的可編程濾波器功能，可以有效濾除輪速脈沖信號(hào)中的窄脈沖干擾信號(hào)。具體濾波原理如下：MC9S12DP512內(nèi)部集成了4個(gè)緩沖的IC通道，每個(gè)緩沖IC通道都具備延遲濾波功能。當(dāng)延遲功能啟動(dòng)后，在輸入引腳將檢測(cè)到一個(gè)有效邊沿（本文設(shè)置為上升沿觸發(fā)），此時(shí)延遲計(jì)數(shù)器開始對(duì)P（時(shí)鐘模塊）進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)值時(shí)，延遲計(jì)數(shù)器在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)延遲前后引腳電平相反的脈沖，這樣就可以避免對(duì)窄輸入脈沖做出反應(yīng)，有效濾除這種干擾。濾波功能設(shè)計(jì)中，可以通過輸入延遲控制寄存器DLYCT的DLY1、DLY0對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行置位選擇。
　　(4)能在BDM模式下工作，方便程序的燒錄和調(diào)試。
　　選定單片機(jī)后，可進(jìn)行電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，即構(gòu)成單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)。
1.2 雙MCU間的通訊設(shè)計(jì)
　　雙MCU之間進(jìn)行通訊才能完成協(xié)調(diào)工作。本文設(shè)計(jì)了SPI接口電路完成通訊功能。SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速高效率的同步串行接口，主要用于MCU與外部的接口芯片交換數(shù)據(jù)。通過分別拉高和拉低從屬選擇(SS)引腳，設(shè)定主MCU為主機(jī)模式，輔MCU為從機(jī)模式。SPI通訊電路如圖2所示。

1.3 輪速信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
　　ASR系統(tǒng)有四個(gè)輪速傳感器，樣車安裝的是磁電式傳感器，輸出信號(hào)為頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比的正弦波。本文設(shè)置增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器來采集輪速信號(hào)。輪速信號(hào)需要經(jīng)過放大、濾波和整型處理后才能輸入單片機(jī)。放大和濾波電路如圖3所示。傳感器信號(hào)由IN12輸入，經(jīng)過模擬放大器芯片AD620放大后，由OUTPUT輸出再經(jīng)RC濾波電路去除高頻干擾信號(hào)。
信號(hào)經(jīng)放大和濾波后，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換（整型）才能被單片機(jī)有效識(shí)別。信號(hào)轉(zhuǎn)換功能電路采用Philips公司生產(chǎn)的電壓比較芯片LM2901完成，電路原理圖如圖4所示。放大濾波后的正弦信號(hào)由LUN_CH1等輸入比較器與相應(yīng)的端口電壓進(jìn)行比較，最后轉(zhuǎn)換成可被MS9S12DP512識(shí)別和處理的規(guī)則脈沖信號(hào)由LUN1輸出。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　　MCU對(duì)輪速輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，按照一定的控制邏輯判斷，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)必須經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大，才能對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。液壓ASR執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含12個(gè)電磁閥的壓力調(diào)節(jié)器和電子節(jié)氣門直流電機(jī)。其中直流電機(jī)的操作通過與電子節(jié)氣門ECU的通訊實(shí)現(xiàn)，電磁閥由ASR ECU進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
　　驅(qū)動(dòng)電路的主要作用[8]：
　　(1) 信號(hào)放大：把MCU 輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)電平，而且把很小的電流進(jìn)行放大，足以去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。
　　(2) 電氣隔離：由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多都是閥和電機(jī)，它們動(dòng)作時(shí)，需要的電流高，電流的變化快，對(duì)電源電壓也會(huì)造成比較大的波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。為了保護(hù)其他電路，減小這些干擾對(duì)其他電路造成的影響，驅(qū)動(dòng)板還要做到執(zhí)行機(jī)構(gòu)與其他電路之間的電氣隔離。
　　(3) 故障診斷：為了安全，驅(qū)動(dòng)電路還要實(shí)時(shí)對(duì)閥工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，要能夠及時(shí)地把故障信息反饋給MCU，由MCU判別后對(duì)故障進(jìn)一步處理。
　　本文選擇Infineon公司的雙通道驅(qū)動(dòng)芯片BTS621設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路具體工作流程如下：當(dāng)控制信號(hào)引腳ECU CH1輸出高電平時(shí)，三極管8050基極導(dǎo)通，CHIN1為高電平輸出到驅(qū)動(dòng)芯片輸入端IN1；經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片信號(hào)放大后由OUT1輸出，使相應(yīng)電磁閥動(dòng)作。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

1.5 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)
　　在進(jìn)行ASR控制時(shí)，需要通過電子節(jié)氣門ECU控制直流電機(jī)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。控制量通過CAN[9]總線發(fā)送給電子節(jié)氣門來進(jìn)行控制。MC9S12DP512片內(nèi)集成有CAN控制器，本文選擇Philips公司的TJA1040作為CAN收發(fā)器，具體的CAN總線接口電路如圖6所示。

2 ECU軟件設(shè)計(jì)
　　ECU軟件主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)啟動(dòng)自檢模塊、輪速采集和處理模塊、參考車速計(jì)算模塊、控制決策模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、在線故障診斷模塊。程序總體流程如圖7所示。

系統(tǒng)初始化內(nèi)容主要包括：MCU 內(nèi)部時(shí)鐘、輪速輸入通道端口設(shè)置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出通道端口設(shè)置、看門狗定時(shí)器設(shè)置、通訊端口初始化、系統(tǒng)變量等，以保證MCU正常運(yùn)行。
　　為了使系統(tǒng)安全運(yùn)行，系統(tǒng)在復(fù)位和初始化完畢后要進(jìn)行自檢，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵軟、硬件部分進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)，以判斷系統(tǒng)的軟、硬件工作是否正常。
　　輪速信號(hào)采集和處理模塊通過輪速傳感器得到可用的輪速信息。
　　參考車速計(jì)算模塊計(jì)算當(dāng)前車身速度，與輪速一起計(jì)算車輪滑轉(zhuǎn)率，這是ASR控制的主要控制依據(jù)。
　　控制決策模塊根據(jù)車輛狀態(tài)和當(dāng)前所處的控制狀態(tài)產(chǎn)生控制指令?？刂浦噶畎ü?jié)氣門開度調(diào)節(jié)指令和電磁閥操作指令。節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)指令通過CAN發(fā)送給電子節(jié)氣門ECU來調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度。電磁閥操作指令通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊從單片機(jī)輸出，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
3 ECU的硬件在環(huán)測(cè)試
　　為了測(cè)試所開發(fā)的ECU，搭建了以先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)dSPACE為核心的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)。平臺(tái)接入了電子節(jié)氣門和壓力調(diào)節(jié)器等硬件，車輛模型在dSPACE中運(yùn)行，并由dSPACE采集節(jié)氣門開度信號(hào)和制動(dòng)壓力信號(hào)以及生成接近真實(shí)傳感器信號(hào)的輪速脈沖。
　　進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試時(shí)，假定初始節(jié)氣門開度為100％，兩個(gè)前輪為驅(qū)動(dòng)輪。設(shè)定汽車分別在低附著路面、對(duì)開路面、對(duì)接路面（包括路面從高附著到低附著跳變和從低附著到高附著跳變）和棋盤路面等行駛。高附著路面峰值附著系數(shù)設(shè)定為0.8，低附著路面峰值附著系數(shù)設(shè)定為0.2。ASR控制測(cè)試結(jié)果中車速和輪速曲線分別如圖8～圖12所示。

從以上各圖可以看出，車輛在低附著、對(duì)開、對(duì)接、棋盤路面加速時(shí)，ASR系統(tǒng)都能通過節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)或制動(dòng)干預(yù)有效地控制驅(qū)動(dòng)輪的輪速，糾正其過度滑轉(zhuǎn)，使其滑轉(zhuǎn)率保持在最佳滑轉(zhuǎn)率附近。由于一般情況下車輪在高附著路面不會(huì)發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)，所以在對(duì)開和棋盤路面工況時(shí)，ASR控制器很好地識(shí)別了路面附著狀況，對(duì)低附著一側(cè)進(jìn)行了有效的制動(dòng)干預(yù)，將其車輪滑轉(zhuǎn)率控制在最佳滑轉(zhuǎn)率附近。在對(duì)接路面工況，路面附著系數(shù)發(fā)生跳變時(shí)，ASR也能夠及時(shí)地介入或者解除控制，達(dá)到控制滑轉(zhuǎn)率在設(shè)定范圍內(nèi)的目的。
　　硬件在環(huán)測(cè)試結(jié)果表明：本文研究的ASR ECU實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)采集、控制決策、同其他ECU的CAN通訊和電磁閥驅(qū)動(dòng)等功能，達(dá)到了控制車輪滑轉(zhuǎn)率在合理范圍內(nèi)的目的;基于dSPACE的硬件在環(huán)測(cè)試方法可以在更為接近實(shí)際工況的情況下在臺(tái)架上測(cè)試開發(fā)的ECU，而且能夠在實(shí)驗(yàn)室里快速、方便地在不同設(shè)定工況甚至是實(shí)際中很難獲得或十分危險(xiǎn)的工況下對(duì)ECU進(jìn)行試驗(yàn)，縮短了開發(fā)周期、節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用。但由于實(shí)車道路試驗(yàn)時(shí)工況更為復(fù)雜多變，所以還需要對(duì)開發(fā)的ECU進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其控制效果。