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

1、引言　

隨著(zhù)機電技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)也滲入到了汽車(chē)制動(dòng)系統中，出現了稱(chēng)為“電子制動(dòng)系統”的新技術(shù)。與傳統的汽車(chē)制動(dòng)系統不同，電子制動(dòng)系統以電子元件替代了大部分液壓和機械元件，減少了制動(dòng)系統機械傳動(dòng)的滯后時(shí)間。它根據駕駛員進(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(xiàn)控制動(dòng)系統目前分為兩種類(lèi)型,一種為電液制動(dòng)系統EHB (Electro-hydraulic Brake),另一種為電子機械制動(dòng)系統EMB (Electro-Mechanical Brake)[2]。本文主要討論的內容是后者。

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

①　系統結構簡(jiǎn)單,省去大量管路系統及部件;

②　制動(dòng)響應時(shí)間短,提高了制動(dòng)性能;

③　系統制造、裝配、測試簡(jiǎn)單快捷,采用模塊化結構,維護簡(jiǎn)單;

④　采用電線(xiàn)連接,系統耐久性能良好;

⑤　易于改進(jìn),略加變化即可增設各種電控制功能。

電子機械制動(dòng)系統包含如下部分：

①　電源：采用車(chē)載電源。

②　電制動(dòng)器：采用可連續堵轉的力矩電機。

③　電制動(dòng)控制單元（ECU）：由二部分構成，主控節點(diǎn)和從控節點(diǎn)。主控節點(diǎn)負責接收制動(dòng)踏板傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)過(guò)一定的算法計算，將數據發(fā)送給從節點(diǎn)，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接收車(chē)輪傳感器信號，識別車(chē)輪是否抱死、打滑等。從控節點(diǎn)負責接收發(fā)自主節點(diǎn)的數據報文，根據數據報文內容驅動(dòng)力矩電機轉動(dòng)方向和轉動(dòng)力矩。

④　輪速傳感器：使用霍爾傳感器在車(chē)輪轉動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生脈沖，由ECU采集。

3、EMB系統的硬件設計

圖1 系統示意圖

3.1 主節點(diǎn)硬件結構

考慮到主節點(diǎn)需要處理的數據比較多，對響應的實(shí)時(shí)性要求比較高，因此采用運算能力較強的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(xiàn)的C166S V2 CPU，提供較好的DSP性能和中斷處理以及外設集和高性能可靠的片內閃存，40MHz CPU時(shí)鐘的單指令時(shí)間25ns，以及16級優(yōu)先中斷系統多達75個(gè)中斷源。

外設方面，它具有14路ADC，多功能通用計時(shí)器單元，片內TwinCAN接口，47個(gè)GPIO，通過(guò)JTAG接口支持在片調試等豐富的外設資源。

XC164CM內含兩組共五個(gè)通用定時(shí)/計數器，使用其中一個(gè)作為定時(shí)器，用來(lái)計算車(chē)速和踏板行程變化率；使用其余四個(gè)作為計數器采集安裝在車(chē)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(xiàn)接口方面，片內TwinCAN模塊支持CAN技術(shù)規范V2.0A/B，大大簡(jiǎn)化了CAN接口應用設計。使用片內TwinCAN模塊中的一路CAN控制器，外接TLE6250作為CAN總線(xiàn)物理接口的收發(fā)，實(shí)現CAN總線(xiàn)通信。

3.2 系統從節點(diǎn)硬件結構

系統需要四個(gè)相同的從節點(diǎn)部分，且從節點(diǎn)要實(shí)現的功能相對簡(jiǎn)單，只需要從CAN總線(xiàn)接收數據報文，根據報文內容來(lái)控制電機的轉動(dòng)方向和力矩大小，因此可以采用帶有片內CAN控制器價(jià)格較低的T89C51CC01微控制器。電機驅動(dòng)芯片方面采用ST公司單封裝的全橋電機驅動(dòng)芯片VNH3SP30。芯片采用小型化封裝，節省電路板空間、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的脈寬調制操作。

4、EMB系統的軟件設計

4.1 主節點(diǎn)軟件設計

圖2 主節點(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(chē)片與制動(dòng)盤(pán)之間保留有一定距離，當駕駛員剛剛踩下跳板后，力矩電機需要迅速消除剎車(chē)片與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙。消除間隙后，程序要能根據踏板的行程來(lái)控制力矩電機輸出的力矩。由于在消除了剎車(chē)片與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙后，力矩電機一直處于堵轉狀態(tài)，因此可以采用對力矩電機輸出PWM信號脈寬調制的方式來(lái)精確控制力矩輸出。

由于采用電子制動(dòng)系統，使對駕駛員制動(dòng)意圖的監測成為可能。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，在傳統的制動(dòng)系統中，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應，需要采用智能化的模糊控制方法對制動(dòng)力進(jìn)行非線(xiàn)性控制。

當駕駛員完全放開(kāi)制動(dòng)踏板時(shí)，雖然此時(shí)無(wú)制動(dòng)力提供，但剎車(chē)片和制動(dòng)盤(pán)仍有接觸，為了盡量減小拖滯扭矩，此時(shí)需要將剎車(chē)片離開(kāi)制動(dòng)盤(pán)一小段距離，這是與駕駛員踩下踏板時(shí)的消除間隙相對應的過(guò)程。

4.2 從節點(diǎn)軟件設計

圖3 從節點(diǎn)軟件流程

從節點(diǎn)要完成的工作則相對簡(jiǎn)單，從節點(diǎn)只需要接收CAN總線(xiàn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，并根據數據內容使用IO接口通過(guò)驅動(dòng)芯片控制電機的轉動(dòng)方向和對驅動(dòng)芯片的發(fā)送PWM信號來(lái)控制力矩電機的力矩。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現方法

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(guò)主節點(diǎn)的模數轉換接口模塊采集模擬信號。由于剎車(chē)系統是汽車(chē)中比較關(guān)鍵的部分，對剎車(chē)裝置的安全性要求較高，因此在踏板行程傳感器的設計采用冗余的設計方法。這里的一種實(shí)現方法是設計兩套傳感器，對應某一行程時(shí)兩套傳感器產(chǎn)生的模擬電壓值是二倍的關(guān)系，這樣采集并計算得來(lái)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(shí)器方式，每隔固定時(shí)間計將當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(xiàn)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(dòng)力的計算

由于在電子制動(dòng)系統中，計算制動(dòng)力的算法要求有較大的靈活性，如根據車(chē)型不同能夠較方便更改算法參數。因此可以采用較靈活且對運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(lái)進(jìn)行PWM輸出值的計算，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，論域為：｛Z，PS，PM，PL｝, 采用三角形隸屬度函數，如圖4所示。

圖4 踏板行程隸屬度函數

輸入變量踏板行程變化率dL，論域為：｛NL，NS，Z，PS，PL｝，采用三角形隸屬度函數，如圖5所示。

圖5 踏板行程變化率隸屬度函數

輸出變量定義為要求解的PWM值，論域為：｛Z，PS，PM，PL｝。

模糊化變量是根據隸屬度函數將輸入變量值轉換到論域中各元素的隸屬度值。

②模糊推理：

當對兩個(gè)輸入變量模糊化后，下一步是根據推理規則表進(jìn)行模糊化推理。

表1 模糊推理規則表

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

計算時(shí)，依次對表中間部分的每一個(gè)元素計算隸屬度值，方法是將對應的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：

根據下圖PWM值的隸屬度函數，采用來(lái)重心法來(lái)計算最終PWM輸出值。

圖6 輸出PWM值隸屬度函數

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、結論

本文采用目前流行的車(chē)載CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以較簡(jiǎn)易的方式實(shí)現了EMB的基本功能，有著(zhù)較高的實(shí)時(shí)性和時(shí)間響應性。采用網(wǎng)絡(luò )式控制方式，將驅動(dòng)電機的具體實(shí)現設置到終端，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價(jià)格相對較高的微控制器，提高了整體設計的合理性。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)就是有很強的靈活性，可以根據需要進(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。

本系統在浙江亞太機電股份有限公司的“汽車(chē)線(xiàn)控制動(dòng)系統電控單元研究與開(kāi)發(fā)”項目中已經(jīng)過(guò)臺架實(shí)驗的驗證其可行性。

參考文獻

[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(xiàn)控制動(dòng)系統在輪式工業(yè)車(chē)輛上的實(shí)現[J].機床與液壓,2004,8:145-146.

[3] 劉B,劉芳明,林慕義.工業(yè)車(chē)輛線(xiàn)控制動(dòng)系統[J].機械管理開(kāi)發(fā)，2004，10：26-27.