基于F28335的混合動力車ABS控制系統(tǒng)設(shè)計*

王藝帆，趙治國，楊 杰

（同濟大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海201804）

車輛防抱死制動系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)可防止由于制動力過大所造成的車輪抱死現(xiàn)象，其可通過實時調(diào)節(jié)制動輪缸壓力使車輪滑移率保持在最佳滑移率附近，以提高車輛的制動穩(wěn)定性，并縮短制動距離。

近年來，混合動力汽車受到了各大汽車制造公司的廣泛關(guān)注，而制動能量回饋技術(shù)對其節(jié)能效果有重要影響。根據(jù)液壓（或氣壓）制動系統(tǒng)輪缸壓力是否可以準確控制，可將制動能量回饋系統(tǒng)分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩類。目前，國內(nèi)外所研發(fā)的制動能量回饋系統(tǒng)大多采用串聯(lián)式方案[1]。本文基于之前進行的四驅(qū)混合動力轎車串聯(lián)式電液復(fù)合制動系統(tǒng)研究[2]，采用配備輪缸壓力傳感器的串聯(lián)式制動能量回饋系統(tǒng)，自主設(shè)計了ABS控制器，可采集輪缸壓力，實現(xiàn)ABS液壓控制功能，為電液復(fù)合制動系統(tǒng)的實施奠定基礎(chǔ)。

1 混合動力車制動系統(tǒng)原理

混合動力車的電液復(fù)合制動系統(tǒng)在確保制動安全性和舒適性的前提下，要求最大程度地回收制動能量。典型的再生制動控制策略有理想制動力分配控制策略、最佳制動能量回收控制策略和并行制動能量回收控制策略[3]。本文論述的串聯(lián)式制動能量回饋系統(tǒng)利用改進的理想制動力分配控制策略，能夠有效地回收制動能量。該制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

整車控制器根據(jù)制動踏板信號、車速信號等確定駕駛員需求，根據(jù)制動力分配策略確定液壓制動力矩與再生制動力矩，并將信號發(fā)給送ABS控制器與再生制動電機控制器。ABS控制器根據(jù)制動力矩需求，控制ABS電磁閥和電機，通過傳感器測量輪缸壓力，精確調(diào)節(jié)制動輪缸壓力。再生制動電機控制器根據(jù)整車控制器分配的制動力矩需求，控制ISG電機和輪轂電機，實現(xiàn)再生制動，最大程度地回收制動能量。當通過輪速傳感器檢測到車輛有抱死趨勢時，只采用液壓制動，執(zhí)行ABS控制器的防抱死策略，保證車輛穩(wěn)定性。

2 ABS控制器硬件設(shè)計

車輛制動時的液壓制動力由ABS控制器調(diào)節(jié)，該控制器硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器、信號調(diào)理電路、ABS電磁閥驅(qū)動電路、ABS泵驅(qū)動電路、通訊電路等組成。圖2為該控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 ABS控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

其中控制器選用TI公司C2000系列的TMS320F28335型數(shù)字型號處理器（DSP）。它是一款32位浮點DSP控制器，主頻可達150 MHz，片內(nèi)含256 KB的Flash存儲器，16個精度為12位的A/D轉(zhuǎn)換通道，包含高分辨率脈寬調(diào)制模塊和事件捕捉輸入口，內(nèi)核電壓為1.9 V，I/O引腳電壓為3.3 V。它具有運算快、精度高、數(shù)據(jù)/程序存儲量大、外設(shè)集成度高、功耗低等優(yōu)點[4]。它能夠快速采集處理輪速信號和制動缸壓力信號，與整車控制器和再生制動電機控制器實時通訊，根據(jù)液壓控制策略調(diào)節(jié)ABS電磁閥及泵。

2.1 信號調(diào)理電路

ABS控制器采集的外部信號主要包括輪速傳感器信息和輪缸壓力傳感器信息。其信號調(diào)理電路包括車輪速度信號處理電路和輪缸壓力A/D采樣電路。

在車輛行駛過程中,隨車輪一起旋轉(zhuǎn)的齒輪使輪速傳感器輸出一系列頻率與輪速成正比的正弦電壓信號。該原始信號存在較多干擾成分，需經(jīng)過低通濾波、比較、整形等組成的輪速信號處理電路后,變成DSP可以直接處理的方波信號。單路輪速信號處理電路如圖3所示。輪速信號首先經(jīng)過RC濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，變?yōu)?～3 V之間的周期信號；然后通過運放TLV2254AID得到0～3.3 V的方波信號，其中參考電壓通過分壓電阻得到；最后經(jīng)過兩個施密特觸發(fā)器SN74VC14整形處理得到規(guī)則的0～3.3 V方波信號，輸送到DSP的事件捕捉輸入口，進行處理計算。

輪缸壓力信號由壓力傳感器采集，經(jīng)過低通無源濾波后通過運算放大器實現(xiàn)電壓跟隨、阻抗變換和高頻噪聲濾波，再經(jīng)過RC低通濾波，最終輸出到DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入口。

2.2 電磁閥及泵驅(qū)動電路

汽車ABS電磁閥的工作電壓一般為12 V或24 V，工作電流一般在1.5 A～2.5 A之間，而TMS320F28335控制芯片的輸出電流遠達不到這一要求。因此，本文的電磁閥驅(qū)動電路選用了Motorola公司推出的高端驅(qū)動器MC33289，其工作電壓范圍為6.0 V～27 V，輸出電流范圍為0～4 A，工作溫度范圍為-40℃～+125℃，同時還具有過熱、短路、過壓及欠壓保護和故障診斷等功能，能夠滿足電磁閥驅(qū)動要求。

基于MC33289高端驅(qū)動芯片設(shè)計的電磁閥驅(qū)動電路如圖4所示。其供電電壓為12 V，可以同時驅(qū)動兩個電磁閥，電磁閥驅(qū)動接口分別為SNV_OUT1和SNV_OUT2；電磁閥控制信號為PWM信號，由TMS320F28335的ePWM模塊輸出，其中EPWM1A控制SNVOUT1的輸出，EPWM2A控 制SNVOUT2的 輸 出；ST1和ST2為錯誤檢測，可以檢測過溫、過電流、過壓、欠壓等，TMS320F28335根據(jù)其電平的高低狀態(tài)來判斷MC33289是否處于正常工作狀態(tài)。

圖4 電磁閥驅(qū)動電路

ABS回液泵的啟動工作電流較大，因此ABS電機驅(qū)動電路采用由1個H橋驅(qū)動芯片TLE6284G和4個MOSFET管組成的方案。TLE6284G是英飛凌公司生產(chǎn)的專注于驅(qū)動直流有刷電機的集成芯片，包含過熱、欠壓、短路等檢測功能，它適應(yīng)大電流的工作環(huán)境，能有效驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

3 基于自動代碼生成的軟件設(shè)計

與傳統(tǒng)汽車電子嵌入式系統(tǒng)設(shè)計相比，采用V模式的開發(fā)方式將系統(tǒng)工程學(xué)原理應(yīng)用于現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)設(shè)計中，是一種循環(huán)的設(shè)計模式。它采用基于模型的開發(fā)方法，精簡了對象描述，簡化文檔管理和分析，縮短了開發(fā)周期，可有效降低設(shè)計成本。其中自動代碼生成處于V模式的底層，是整個開發(fā)過程的關(guān)鍵一步，可實現(xiàn)開發(fā)過程中的嵌入式代碼的快速生成[5]。

圖5為本文在ABS控制器軟件開發(fā)中，基于Matlab/Simulink的DSP自動代碼生成流程。首先基于系統(tǒng)的功能要求，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)離線仿真模型，并且進行仿真分析，使用Simulink調(diào)試器檢查仿真結(jié)果以及定位和診斷模型中的意外行為；仿真結(jié)果得到驗證后便可通過Simulink中的Target of TI C2000工具箱，建立針對F28335控制器的嵌入式模型；利用RTW(Real-time Workshop)技術(shù)，可自動生成面向編譯器的C語言工程文件；使用TI公司的編譯器CCS，進一步完成編譯連接和下載，最終在控制器上運行。

圖5 DSP自動代碼生成流程圖

基于上述自動代碼生成的軟件設(shè)計方案，使用Matlab/Simulink搭建了針對F28335控制器的嵌入式模型，如圖6所示。模型中包括F28335 eZdsp模塊、輪速采集、壓力采集模塊、CAN通訊模塊、ABS液壓控制模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊和CCP標定模塊。此模型經(jīng)過Maltb/Smulink編譯后，可生成面向F28335 DSP的C代碼，在Flash中單獨運行。

4 硬件在環(huán)仿真驗證

在電液復(fù)合制動硬件在環(huán)仿真試驗臺上進行ABS控制器的調(diào)試與驗證。試驗臺利用MK20I型ABS作為液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過改變其控制器接口，可使用自主設(shè)計的ABS控制器來控制電磁閥和電動機，保證了液壓調(diào)節(jié)可靠性并減少了試驗成本；液壓源為自主設(shè)計的液壓泵，其輸出壓力在0～20 MPa范圍內(nèi)可調(diào)；采用實車制動輪缸及制動盤，通過液壓管路與ABS和液壓泵相連；壓力傳感器測量四輪缸壓力，并發(fā)送到ABS控制器；通用控制器Autobox模擬整車仿真系統(tǒng)，與ABS控制器進行通訊，提供制動盤制動力矩、模擬車速和車輪轉(zhuǎn)速等；監(jiān)控主機可對Autobox和ABS控制器內(nèi)的參數(shù)進行監(jiān)控與調(diào)整。圖7為ABS硬件在環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

試驗的初始車速為30 m/s，路面的最大附著系數(shù)為0.8，最佳滑移率為0.13。采用基于最佳滑移率的控制算法，發(fā)出控制指令，控制液壓調(diào)節(jié)單元，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。如圖8所示，滑移率維持在最佳滑移率0.13左右，只有在車速較低時，開始出現(xiàn)波動，說明該控制器可有效完成ABS防抱死工作。

圖8 硬件在環(huán)仿真曲線

本文應(yīng)用F28335型DSP開發(fā)設(shè)計了基于混合動力車復(fù)合制動系統(tǒng)的ABS控制器。介紹了混合動力車制動系統(tǒng)原理，由此設(shè)計了ABS硬件電路。采用V模式的開發(fā)方式，基于自動代碼生成技術(shù)，搭建嵌入式Simulink模型，并生成可執(zhí)行代碼。在已開發(fā)的硬件在環(huán)實驗臺上驗證了控制器的可行性，為將來研究復(fù)合制動策略與進行實車試驗奠定了基礎(chǔ)。

[1]張俊智，薛俊亮，陸欣，等.混合動力城市客車串聯(lián)式制動能量回饋技術(shù)[J].機械工程學(xué)報，2009，45(6)：102-106.

[2]趙治國，彭玉鋼.四驅(qū)混合動力轎車串聯(lián)式電液復(fù)合制動仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24(2)：448-455.

[3]張繼紅.純電動汽車電液制動系統(tǒng)再生制動控制策略研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2011.

[4]劉陵順.TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]陳金干，魏學(xué)哲.基于DSP的自動代碼生成及其在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(6)：43-46.