基于CAN總線的機(jī)械電子式制動系統(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系統(tǒng)中，出現(xiàn)了稱為“電子制動系統(tǒng)”的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的汽車制動系統(tǒng)不同，電子制動系統(tǒng)以電子元件替代了大部分液壓和機(jī)械元件，減少了制動系統(tǒng)機(jī)械傳動的滯后時間。它根據(jù)駕駛員進(jìn)行制動操作時，踏板行程傳感器探知駕駛員的制動意圖，進(jìn)而對各輪制動力進(jìn)行精確的控制，縮短了制動距離，從而增加了交通安全性[1]。

2、EMB

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

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

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

②　制動響應(yīng)時間短,提高了制動性能;

③　系統(tǒng)制造、裝配、測試簡單快捷,采用模塊化結(jié)構(gòu),維護(hù)簡單;

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)械制動系統(tǒng)包含如下部分：

①　電源：采用車載電源。

②　電制動器：采用可連續(xù)堵轉(zhuǎn)的力矩電機(jī)。

③　電制動控制單元（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)接收制動踏板傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)過一定的算法計算，將數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，控制制動器制動；接收車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、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)報文，根據(jù)數(shù)據(jù)報文內(nèi)容驅(qū)動力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動力矩。

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

3、EMB系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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，對響應(yīng)的實(shí)時性要求比較高，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時鐘的單指令時間25ns，以及16級優(yōu)先中斷系統(tǒng)多達(dá)75個中斷源。

外設(shè)方面，它具有14路ADC，多功能通用計時器單元，片內(nèi)TwinCAN接口，47個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)含兩組共五個通用定時/計數(shù)器，使用其中一個作為定時器，用來計算車速和踏板行程變化率；使用其余四個作為計數(shù)器采集安裝在車輪部的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號。

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，大大簡化了CAN接口應(yīng)用設(shè)計。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)的功能相對簡單，只需要從CAN總線接收數(shù)據(jù)報文，根據(jù)報文內(nèi)容來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和力矩大小，因此可以采用帶有片內(nèi)CAN控制器價格較低的T89C51CC01微控制器。電機(jī)驅(qū)動芯片方面采用ST公司單封裝的全橋電機(jī)驅(qū)動芯片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

4.1 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

圖2 主節(jié)點(diǎn)軟件流程

程序首先等待駕駛員踩下踏板。由于非制動狀態(tài)時剎車片與制動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)，因此可以采用對力矩電機(jī)輸出PWM信號脈寬調(diào)制的方式來精確控制力矩輸出。

由于采用電子制動系統(tǒng)，使對駕駛員制動意圖的監(jiān)測成為可能。例如在發(fā)生緊急情況時，駕駛員會迅速踩下制動踏板，在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)中，最大制動力是在踏板踩到最底時提供的。而在電子制動系統(tǒng)中，若發(fā)生緊急情況時，可能提前感知駕駛緊急制動意圖，并在駕駛員未將制動踏板踩到最底時，即可提供最大制動力，這樣可以大大增加制動安全性。基于上述考慮，制動力不能簡單的和踏板行程相對應(yīng)，需要采用智能化的模糊控制方法對制動力進(jìn)行非線性控制。

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

4.2 從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

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簡單，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)動芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和對驅(qū)動芯片的發(fā)送PWM信號來控制力矩電機(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。由于剎車系統(tǒng)是汽車中比較關(guān)鍵的部分，對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)計采用冗余的設(shè)計方法。這里的一種實(shí)現(xiàn)方法是設(shè)計兩套傳感器，對應(yīng)某一行程時兩套傳感器產(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 踏板行程變化率計算

采用定時器方式，每隔固定時間計將當(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。但為了減小抖動并使變化率曲線平滑些，可以采用公式(1)計算方式。

(1)

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

4.3.3 制動力的計算

由于在電子制動系統(tǒng)中，計算制動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運(yùn)算能力要求不是很高的模糊控制方法對踏板行程值和踏板行程變化率值來進(jìn)行PWM輸出值的計算，進(jìn)而控制制動力。

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)對兩個輸入變量模糊化后，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對應(yīng)的模糊化論域，最上行是行程L對應(yīng)的模糊化論域。表中其它部分則是欲求解的PWM值對應(yīng)的模糊化論域。

計算時，依次對表中間部分的每一個元素計算隸屬度值，方法是將對應(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)，采用來重心法來計算最終PWM輸出值。

圖6 輸出PWM值隸屬度函數(shù)

重心法計算公式如公式(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)以較簡易的方式實(shí)現(xiàn)了EMB的基本功能，有著較高的實(shí)時性和時間響應(yīng)性。采用網(wǎng)絡(luò)式控制方式，將驅(qū)動電機(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格較低的微控制器；而在主控端采用處理能力挺強(qiáng)價格相對較高的微控制器，提高了整體設(shè)計的合理性。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，使得制動器的制動方式更加合理。

本系統(tǒng)在浙江亞太機(jī)電股份有限公司的“汽車線控制動系統(tǒng)電控單元研究與開發(fā)”項(xiàng)目中已經(jīng)過臺架實(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.

[2] 林慕義,張文明,寧曉斌.線控制動系統(tǒng)在輪式工業(yè)車輛上的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓,2004,8:145-146.

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