汽車ASR系統(tǒng)ECU開發(fā)及其硬件在環(huán)測試

驅(qū)動防滑控制系統(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)動力和保持方向穩(wěn)定性的主動安全控制系統(tǒng)。它是基于汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的控制原理在驅(qū)動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[1-5]。
　　ASR需要通過一定的途徑調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出扭矩，由于受電控發(fā)動機的限制,我國目前在ASR系統(tǒng)的控制理論方面大多側(cè)重于采用以制動控制為主、發(fā)動機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)動機輸出扭矩或者電子節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)則難于進行試驗驗證。近年來，為了進一步提高算法驗證的精度，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)計并開發(fā)了ECU軟硬件，利用MATLAB/Simulink軟件和dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行了ECU的硬件在環(huán)測試，標(biāo)定了ECU控制參數(shù)，驗證了控制效果。
1 ECU硬件電路設(shè)計
　　ASR ECU硬件主要實現(xiàn)輪速信號采集與處理、存儲與運行控制軟件、驅(qū)動電子節(jié)氣門電機與壓力調(diào)節(jié)器電磁閥以及與其他ECU或者計算機進行通訊等功能。其硬件設(shè)計框架如圖1所示。

ECU的設(shè)計還需要綜合考慮如下因素：
　　(1)控制程序的實時性。要求控制器能夠快速運行程序并具備較高的計算速度。
　　(2)控制器可靠性。確保在汽車級惡劣電磁環(huán)境中具備較強的抗干擾性能，控制程序能夠運行可靠、穩(wěn)定。
　　(3)控制器體積及成本，要具備一定的市場競爭能力。
1.1 主輔MCU選型及單片機最小系統(tǒng)設(shè)計
　　單片機是電子控制系統(tǒng)ECU的核心，它負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理及所有的邏輯運算，并直接影響到控制器電路運行的可靠性、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負責(zé)采集輪速信號并進行計算處理，然后根據(jù)控制邏輯對電磁閥輸出相應(yīng)的控制指令，從而完成ASR預(yù)期功能。因此，主MCU安全可靠的運行是ASR控制器可靠性的保證。輔MCU的主要功能是對主MCU進行監(jiān)控并完成部分故障診斷。
對單片機選型主要考慮以下幾個因素：
　　(1)單片機的運算速度：ABS/ASR控制邏輯從參考車速估算到控制算法的實現(xiàn)涉及到很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，因此對MCU的運算速度和運算能力有很高的要求。
　　(2)充足的存儲空間：復(fù)雜的ABS/ASR控制邏輯和參考車速計算擬合以及逐漸增加的故障診斷功能，都會導(dǎo)致軟件代碼的增加，程序運行時也需要很多的內(nèi)存空間，這就要求MCU具備充足的存儲空間才能滿足整個系統(tǒng)的需求。根據(jù)以往摩托車ABS/ASR控制器設(shè)計的經(jīng)驗，由于片內(nèi)集成存儲單元技術(shù)和成本的限制，片內(nèi)一般只有較少存儲空間，往往需要用戶通過 MCU 的地址和數(shù)據(jù)總線進行擴充，這樣會導(dǎo)致 MCU 的I/O接口的不足，而且外部存取也會影響 MCU 的總體運算速度。
　　(3)與系統(tǒng)需求相匹配的I/O接口數(shù)：本文設(shè)計的ABS/ASR系統(tǒng)需要采集4通道的輪速輸入信號，驅(qū)動4組（8路）壓力控制閥的電磁閥，并且需要進行大量的故障診斷電路設(shè)計，因此必須保證充足的I/O口的數(shù)量。
　　(4)單片機的價格因素、抗干擾性能以及芯片生產(chǎn)商對該型號單片機相應(yīng)的技術(shù)支持也是單片機選型的重要考慮因素。
　　考慮以上因素后，本設(shè)計選定Freescale公司的HCS12系列16位單片機MC9S12DP512作為系統(tǒng)核心控制芯片。MC9S12DP512的主要優(yōu)點：
　　(1)具有較強的運算能力，豐富的I/O接口和充裕的存儲空間。它的核心運算速度可以達到50MHz，總線速度可以達到25MHz，且采用了優(yōu)化的指令集，使指令的運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鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較Intel類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，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中的窄脈沖干擾信號。具體濾波原理如下：MC9S12DP512內(nèi)部集成了4個緩沖的IC通道，每個緩沖IC通道都具備延遲濾波功能。當(dāng)延遲功能啟動后，在輸入引腳將檢測到一個有效邊沿（本文設(shè)置為上升沿觸發(fā)），此時延遲計數(shù)器開始對P（時鐘模塊）進行計數(shù)，當(dāng)達到預(yù)先設(shè)定的計數(shù)值時，延遲計數(shù)器在其輸出端產(chǎn)生一個延遲前后引腳電平相反的脈沖，這樣就可以避免對窄輸入脈沖做出反應(yīng)，有效濾除這種干擾。濾波功能設(shè)計中，可以通過輸入延遲控制寄存器DLYCT的DLY1、DLY0對延遲時間進行置位選擇。[!--empirenews.page--]
　　(4)能在BDM模式下工作，方便程序的燒錄和調(diào)試。
　　選定單片機后，可進行電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計，即構(gòu)成單片機工作的最小系統(tǒng)。
1.2 雙MCU間的通訊設(shè)計
　　雙MCU之間進行通訊才能完成協(xié)調(diào)工作。本文設(shè)計了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為主機模式，輔MCU為從機模式。SPI通訊電路如圖2所示。

1.3 輪速信號處理電路設(shè)計
　　ASR系統(tǒng)有四個輪速傳感器，樣車安裝的是磁電式傳感器，輸出信號為頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比的正弦波。本文設(shè)置增強型捕捉定時器來采集輪速信號。輪速信號需要經(jīng)過放大、濾波和整型處理后才能輸入單片機。放大和濾波電路如圖3所示。傳感器信號由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。
信號經(jīng)放大和濾波后，必須進行電平轉(zhuǎn)換（整型）才能被單片機有效識別。信號轉(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由LUN_CH1等輸入比較器與相應(yīng)的端口電壓進行比較，最后轉(zhuǎn)換成可被MS9S12DP512識別和處理的規(guī)則脈沖信號由LUN1輸出。

1.4 執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路設(shè)計
　　MCU對輪速輸入數(shù)據(jù)進行分析、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，控制信號必須經(jīng)過驅(qū)動放大，才能對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。液壓ASR執(zhí)行機構(gòu)包含12個電磁閥的壓力調(diào)節(jié)器和電子節(jié)氣門直流電機。其中直流電機的操作通過與電子節(jié)氣門ECU的通訊實現(xiàn)，電磁閥由ASR ECU進行驅(qū)動。
　　驅(qū)動電路的主要作用[8]：
　　(1) 信號放大：把MCU 輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)所需要的驅(qū)動電平，而且把很小的電流進行放大，足以去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作。
　　(2) 電氣隔離：由于執(zhí)行機構(gòu)大多都是閥和電機，它們動作時，需要的電流高，電流的變化快，對電源電壓也會造成比較大的波動，會產(chǎn)生很大的干擾。為了保護其他電路，減小這些干擾對其他電路造成的影響，驅(qū)動板還要做到執(zhí)行機構(gòu)與其他電路之間的電氣隔離。[!--empirenews.page--]
　　(3) 故障診斷：為了安全，驅(qū)動電路還要實時對閥工作情況進行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)故障時，要能夠及時地把故障信息反饋給MCU，由MCU判別后對故障進一步處理。
　　本文選擇Infineon公司的雙通道驅(qū)動芯片BTS621設(shè)計驅(qū)動電路。驅(qū)動電路具體工作流程如下：當(dāng)控制信號引腳ECU CH1輸出高電平時，三極管8050基極導(dǎo)通，CHIN1為高電平輸出到驅(qū)動芯片輸入端IN1；經(jīng)驅(qū)動芯片信號放大后由OUT1輸出，使相應(yīng)電磁閥動作。電磁閥驅(qū)動電路如圖5所示。

1.5 CAN總線接口電路設(shè)計
　　在進行ASR控制時，需要通過電子節(jié)氣門ECU控制直流電機調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，以達到調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的目的?？刂屏客ㄟ^CAN[9]總線發(fā)送給電子節(jié)氣門來進行控制。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
　　ECU軟件主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)啟動自檢模塊、輪速采集和處理模塊、參考車速計算模塊、控制決策模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、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)部時鐘、輪速輸入通道端口設(shè)置、執(zhí)行機構(gòu)輸出通道端口設(shè)置、看門狗定時器設(shè)置、通訊端口初始化、系統(tǒng)變量等，以保證MCU正常運行。
　　為了使系統(tǒng)安全運行，系統(tǒng)在復(fù)位和初始化完畢后要進行自檢，對系統(tǒng)的關(guān)鍵軟、硬件部分進行靜態(tài)檢測，以判斷系統(tǒng)的軟、硬件工作是否正常。
　　輪速信號采集和處理模塊通過輪速傳感器得到可用的輪速信息。
　　參考車速計算模塊計算當(dāng)前車身速度，與輪速一起計算車輪滑轉(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)動模塊從單片機輸出，經(jīng)過驅(qū)動電路后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。
3 ECU的硬件在環(huán)測試[!--empirenews.page--]
　　為了測試所開發(fā)的ECU，搭建了以先進的實時仿真系統(tǒng)dSPACE為核心的硬件在環(huán)測試平臺。平臺接入了電子節(jié)氣門和壓力調(diào)節(jié)器等硬件，車輛模型在dSPACE中運行，并由dSPACE采集節(jié)氣門開度信號和制動壓力信號以及生成接近真實傳感器信號的輪速脈沖。
　　進行硬件在環(huán)測試時，假定初始節(jié)氣門開度為100％，兩個前輪為驅(qū)動輪。設(shè)定汽車分別在低附著路面、對開路面、對接路面（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、對開、對接、棋盤路面加速時，ASR系統(tǒng)都能通過節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)或制動干預(yù)有效地控制驅(qū)動輪的輪速，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發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)，所以在對開和棋盤路面工況時，ASR控制器很好地識別了路面附著狀況，對低附著一側(cè)進行了有效的制動干預(yù)，將其車輪滑轉(zhuǎn)率控制在最佳滑轉(zhuǎn)率附近。在對接路面工況，路面附著系數(shù)發(fā)生跳變時，ASR也能夠及時地介入或者解除控制，達到控制滑轉(zhuǎn)率在設(shè)定范圍內(nèi)的目的。
　　硬件在環(huán)測試結(jié)果表明：本文研究的ASR ECU實現(xiàn)了傳感器信號采集、控制決策、同其他ECU的CAN通訊和電磁閥驅(qū)動等功能，達到了控制車輪滑轉(zhuǎn)率在合理范圍內(nèi)的目的;基于dSPACE的硬件在環(huán)測試方法可以在更為接近實際工況的情況下在臺架上測試開發(fā)的ECU，而且能夠在實驗室里快速、方便地在不同設(shè)定工況甚至是實際中很難獲得或十分危險的工況下對ECU進行試驗，縮短了開發(fā)周期、節(jié)約了試驗費用。但由于實車道路試驗時工況更為復(fù)雜多變，所以還需要對開發(fā)的ECU進行實車試驗進一步驗證其控制效果。