基于TRIZ理論的電子駐車制動控制單元創(chuàng)新設(shè)計

安淑苗，劉仁庚，李琦，張瀛，趙玉靜

(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

?

基于TRIZ理論的電子駐車制動控制單元創(chuàng)新設(shè)計

安淑苗，劉仁庚，李琦，張瀛，趙玉靜

(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

電子駐車制動控制單元的電機驅(qū)動多采用H橋驅(qū)動方式，但此方法無集成方案，成本高、占用空間大。改善后方案為應(yīng)用集成方案結(jié)合繼電器方式，應(yīng)用繼電器完成對電機正反轉(zhuǎn)的控制。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)繼電器的壽命問題需要解決，經(jīng)查找真因及問題分析得出根本原因為在繼電器切換時有大電流流過造成繼電器觸點失效率提高。應(yīng)用TRIZ理論，得出4種解決方案，根據(jù)最終理想解的特點對4種解決方案進行評價，選取到合理解決方案。

電子駐車制動控制器；H橋驅(qū)動；繼電器；TRIZ理論；最終理想解

0　前言

電子駐車制動系統(tǒng)(Electrical Parking Brake，EPB)指的是將行車過程中的臨時性制動和停車后的長時性制動功能整合在一起，并且由電子控制方式實現(xiàn)停車制動的技術(shù)。電子駐車制動系統(tǒng)控制單元(EPB ECU)的功用是準確及時地采集點火開關(guān)信號、EPB開關(guān)信號及各類傳感器(通過CAN網(wǎng)絡(luò))的輸入信號，從而判斷駕駛員的意圖，同時根據(jù)相關(guān)的控制策略運算發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動電機正、反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)卡鉗適時的夾緊、釋放。駐車是關(guān)乎乘客生命安全的零部件，尤其是在不該夾緊的時刻夾緊、不該釋放的時刻釋放對安全非常不利，從而對軟件及硬件提出相當(dāng)高的要求。

1　問題描述與分析

1.1問題背景

此領(lǐng)域幾乎為壟斷行業(yè)，只有國外為數(shù)不多的企業(yè)進行研究，造成技術(shù)封閉，很多問題都需要經(jīng)過大量實驗來解決。

通過少量資料得到其他家對電機驅(qū)動方式解決方案多為采取傳統(tǒng)H橋方式對電機進行控制。H橋式電路是一種基本的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代電機控制中，多數(shù)采取橋式電路結(jié)構(gòu)，其電路簡單原理如圖1所示。通過這樣的連接，就可以實現(xiàn)驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停機和短路制動4個狀態(tài)，即當(dāng)T1和T4閉合而T3和T2斷開時，電機正轉(zhuǎn);當(dāng)T2和T3閉合而T1和T4斷開時，電機反轉(zhuǎn)；4個開關(guān)都斷開時，電機停轉(zhuǎn);當(dāng)只有T2和T4閉合的時候，電機短路。即如要正常驅(qū)動左右2個電機，需要2個全橋驅(qū)動芯片結(jié)合8個MOS管或4個半橋驅(qū)動芯片組成2對H橋，分別對兩個電機進行控制。但這種方式?jīng)]有合適的集成芯片，需采用分立方案，即電源芯片+診斷電路+MOS管+電機驅(qū)動芯片，占用空間會比較大，成本很高，可靠性降低。

作者現(xiàn)在的解決方案是采用繼電器及集成驅(qū)動芯片對電機進行控制。因集成芯片功能齊全，外圍電路簡單，可靠性高，應(yīng)用繼電器換向可以減少4個MOS管，面積減小。

1.2問題描述

現(xiàn)象與危害：采取繼電器方式及集成驅(qū)動芯片對電機進行控制，因為繼電器要經(jīng)常打開關(guān)閉，對電機進行換向控制，時間長了繼電器會因為管腳粘連造成不可控，最終造成客戶想進行駐車或釋放但操作不成功現(xiàn)象。因為電子駐車是個安全級別要求很高的部件，故需要避免繼電器的這種故障影響安全。

設(shè)計目標(biāo)：避免繼電器失效，提高安全等級。

1.3問題分析

從第一種方案入手，采取繼電器方式如圖2所示，會有繼電器失效問題，故降低繼電器失效概率，找到根本原因則可以解決問題。根據(jù)5Why分析方法，查找真因，最終確定根本原因為電機啟動關(guān)閉時會有大電流流過正在切換的繼電器，則需避免在繼電器切換時有大電流流過。

1.4發(fā)明問題確定

(1)建立物質(zhì)-場模型，如圖3所示。

圖3中，S1為電機，S2為繼電器，F(xiàn)e為電場。電機啟動和關(guān)閉時產(chǎn)生的大電流沖擊會對繼電器壽命產(chǎn)生影響，則可應(yīng)用76個標(biāo)準解進行解決

(2)引入繼電器雖然對系統(tǒng)進行了簡化，但同時導(dǎo)致可靠性下降，表現(xiàn)為技術(shù)沖突，可以通過沖突解決方式，首先將沖突的兩個參數(shù)進行一般化，通過查矩陣方式找到合適的發(fā)明原理。

2　擬采取的解決方法和解決方案

2.1擬選用的技術(shù)創(chuàng)新方法

(1)76個標(biāo)準解；

(2)技術(shù)沖突解決理論。

2.2技術(shù)創(chuàng)新方法應(yīng)用過程

基于TRIZ的問題分析與求解流程見圖4。

問題提出：繼電器壽命縮短。

問題分析：由于大電流流過導(dǎo)致。

2.2.1應(yīng)用76個標(biāo)準解

第1.4節(jié)已描述，通過建立物質(zhì)-場模型得出由于電機開啟關(guān)閉會產(chǎn)生大的沖擊，即電機通過電場作用到繼電器上會對繼電器的壽命產(chǎn)生影響，對繼電器產(chǎn)生了有害作用。通過進一步分析可知：因為有害的電場導(dǎo)致繼電器壽命降低，則需要消除有害的電場對繼電器的影響。消除有害場最有效的辦法是引入第3種物質(zhì)，見圖5。

根據(jù)76個標(biāo)準解的流程，首先查找1.2類標(biāo)準解(消除或抵消有害作用)1.2.3(NO.11)表述有害作用由一個場引起的，需引入要素S3吸收有害作用。

尋求第3種物質(zhì)吸收掉有害作用。

2.2.2應(yīng)用技術(shù)沖突

因為此系統(tǒng)由原來H橋設(shè)計改為繼電器設(shè)計節(jié)約了成本且設(shè)計復(fù)雜度降低，但同時因為繼電器本身特性，長期過大電流會導(dǎo)致壽命縮短、可靠性降低。

表述為一般問題：希望減少元器件數(shù)量、減小電路板面積、降低成本、易于控制，但可靠性降低。

轉(zhuǎn)換為39個工程參數(shù)：

兩個參數(shù)：A1為物質(zhì)或事物的數(shù)量；A2為靜止物體的面積；B1為可靠性;B2為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

對上述參數(shù)進行組合查找沖突矩陣。

分別得到4種組合方式，可應(yīng)用的發(fā)明原理有NO.40、NO.35、NO.10：

NO.40：應(yīng)用復(fù)合材料；

NO.35：參數(shù)變化；

NO.10：預(yù)操作。

2.3形成的初步解決方案

2.3.1應(yīng)用76個標(biāo)準解

尋找第3種物質(zhì)吸收掉有害作用，即引入一個元件吸收大電流。

方案一見圖6。

MOS管檢測到電流大于20 A時Q1開啟，電流流過MOS管，從而避免大電流對繼電器的傷害。

方案二：根據(jù)已有資源分析，與繼電器串聯(lián)在一起的還有MOS管。MOS管不存在繼電器觸點可靠性的問題，則可以應(yīng)用MOS管在大電流時承受過大電流，可使繼電器在沒有電流時開啟關(guān)閉，即電機轉(zhuǎn)之前打開，電機停之后斷開。由Q2控制電機的開啟關(guān)閉，可以盡可能避免在繼電器觸點切換時流過大電流，提高繼電器可靠性。

2.3.2應(yīng)用技術(shù)沖突解決理論

NO.40應(yīng)用復(fù)合材料：

可以采取一種新型的繼電器材料，不會因為電流過大造成觸點損害。

NO.35參數(shù)變化：

采取降額方法，提高降額等級。如原來最大電流為20 A，選取40 A耐受電流的繼電器。

NO.10預(yù)操作：

同上述76個標(biāo)準解的方案2，先開啟繼電器后流過大電流，先關(guān)閉大電流后關(guān)閉繼電器。

3　最終問題解決方案

根據(jù)最終理想解的特點：

(1)消除原系統(tǒng)的不足之處；

(2)保持原系統(tǒng)的優(yōu)點；

(3)沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜(采用無成本或可用資源)；

(4)沒有引入新的缺陷。

對上述解決方案進行評價最終選取先開啟繼電器后流過大電流、先關(guān)閉大電流后關(guān)閉繼電器的方式，由軟件進行控制，即可以實現(xiàn)不需額外增加成本，滿足最終理想解的特點。

方案為：由軟件控制先開啟繼電器，后開啟低邊MOS管，此時電機回路未導(dǎo)通故不存在大電流情況，不會對繼電器觸點造成影響；先關(guān)閉低邊MOS管，延時一段時間再關(guān)閉繼電器，沒有反向尖峰電流在繼電器切換時流過觸點。

4　分析方法綜述

綜上分析方法可通過圖7所示流程圖。

5　小結(jié)

運用 TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能夠得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品?；赥RIZ 理論，通過將實際電機驅(qū)動控制問題TRIZ化 ,依據(jù)阿奇舒勒矛盾解決矩陣及76個標(biāo)準解得出多個解決方案，通過理想解的評價，快速選定解決方案，相對于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法理論具有鮮明的特點和優(yōu)勢。

【1】曹福全.創(chuàng)新思維和方法概論[M].哈爾濱：黑龍江高等教育出版社，2009.

【2】創(chuàng)新方法研究會.創(chuàng)新方法教程(中級)[M].北京：高等教育出版社，2012.

【3】彭慧娟,成思源,李蘇洋，等.TRIZ的理論體系研究綜述[J].機械設(shè)計制造，2013(10):270-272.

【4】高常青.TRIZ：發(fā)明問題解決理論[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

【5】楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的：TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

【6】檀潤華.TRIZ及應(yīng)用：技術(shù)創(chuàng)新過程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

Innovative Design of EPB ECU Based on TRIZ

AN Shumiao，LIU Rengeng，LI Qi，ZHANG Ying，ZHAO Yujing

(R & D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Baoding Hebei 071000，China)

The current driver circuit of the EPB(Electrical Parking Brake) ECU is H-bridge driver，this way may need more cost，more PCB space. This way was changed to the relay switch and ASIC. It was found there was still a problem with the life time of the relays. Through analysis,it was found the essential cause that was the big current flowed over the relays, causing the lapse of the touch points of relays when they switched from on to off. Four solutions were gotten applying with TRIZ theory. The four solutions were judged with the characteristic of final ideally solution then the appropriate solution was found.

EPB ECU；H-bridge driver；Relay；TRIZ theory；Final ideally solution

2015-03-24

安淑苗(1984—)，女，本科，工程師，主要從事汽車電子硬件設(shè)計工作。E-mail：asm20040258@126.com。