基于CAN通訊的汽車電控駐車技術(shù)

許炳照，　張榮貴，　蘇慶列

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車運(yùn)用工程系， 福建 福州　350007)

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基于CAN通訊的汽車電控駐車技術(shù)

許炳照，張榮貴，蘇慶列

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車運(yùn)用工程系， 福建 福州350007)

摘要：基于CAN通訊駐車安全策略，在分析典型盤式電控駐車制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。 通過ESP要求駐車制動(dòng)力驗(yàn)算實(shí)例，提供了為制動(dòng)技術(shù)與整車匹配的一種方法。

關(guān)鍵詞：汽車; CAN通訊; 電控; 駐車

0引言

電控駐車制動(dòng)系統(tǒng)(Electrical Controlled Park Brake, ECPB)利用電機(jī)的動(dòng)力實(shí)施或解除駐車制動(dòng)，將行車過程中的臨時(shí)性制動(dòng)和停車后的長(zhǎng)時(shí)性制動(dòng)功能整合在一起，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)、緊急制動(dòng)(動(dòng)態(tài)制動(dòng))、發(fā)動(dòng)機(jī)切斷點(diǎn)火后的自動(dòng)制動(dòng)施加、自動(dòng)制動(dòng)解除(駛離)和停車時(shí)監(jiān)控車輛的移動(dòng)功能[1]。由于采用電子控制系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)坡道起步、制動(dòng)間隙自調(diào)整，提高了汽車的安全性和可靠性[2-3]。2001年，電控駐車技術(shù)最早在菲亞特Lancia車型上得到應(yīng)用，隨后國(guó)內(nèi)外合資包括歐系、美系和日系等車系的中高檔轎車上都得到不同程度的應(yīng)用，是汽車駐車技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。

1ECPB的類型

目前，電控駐車制動(dòng)系統(tǒng)可分為鋼索牽引式和整合卡鉗式兩種類型[4-5]。

1.1鋼索牽引式電控駐車制動(dòng)系

鋼索牽引式電控駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)手剎無異，同為制動(dòng)鼓(或制動(dòng)盤)式，僅僅是把原來用于平衡左右側(cè)駐車制動(dòng)力的手剎拉索平衡器換成電子控制拉索控制模塊而已，如圖1所示。

(a) 鋼索牽引式電控駐車制動(dòng)系(b) 執(zhí)行控制模塊示意圖

圖1鋼索牽引式電控駐車制動(dòng)系示意圖

由于鋼索牽引式電控駐車裝置的加裝成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，因而更利于對(duì)普通車型應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)變更。

1.2整合卡鉗式電控駐車制動(dòng)系

整合卡鉗式電控駐車制動(dòng)系統(tǒng)需要專用的制動(dòng)卡鉗和相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其執(zhí)行部件均位于后輪制動(dòng)卡鉗上，沒有了傳統(tǒng)的手剎拉索，系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單，但成本相對(duì)較高,如圖2所示。

(a) 整合卡鉗式電控駐車制動(dòng)系(b) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成示意圖

圖2整合卡鉗式電控駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

由于整合卡鉗式電控駐車制動(dòng)系統(tǒng)采用電線進(jìn)行指令信號(hào)傳遞，因而更利于對(duì)普通車輛的組裝(或改裝)及駐車系統(tǒng)的簡(jiǎn)化,更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2ECPB結(jié)構(gòu)組成與原理

2.1ECPB結(jié)構(gòu)組成

控制系統(tǒng)的硬件主要由傳感器及其信號(hào)通訊與處理電路、電子控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路3部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

它通過ESP(電子穩(wěn)定程序)計(jì)算機(jī)控制電控駐車的電子控制模塊?？刂破鞑杉囁?、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、駐車制動(dòng)開關(guān)(機(jī)械式為手剎)、離合器位置、變速器位置、制動(dòng)踏板開關(guān)、道路坡度、加速踏板位置、制動(dòng)力傳感器等信號(hào)，控制指令輸出到左右制動(dòng)鉗駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則由CAN動(dòng)力IS網(wǎng)、CAN車身網(wǎng)和CAN舒適網(wǎng)等組成。

2.1.1電子穩(wěn)定程序模塊與駐車制動(dòng)模塊的通訊

電控駐車制動(dòng)器控制模塊接收的信息[6]如下:

1)如果必須持續(xù)制動(dòng)、解除或者使電控駐車制動(dòng)器獨(dú)立，那么ESP控制模塊須向電控駐車制動(dòng)器發(fā)出指令。

2)ESP控制模塊計(jì)算的制動(dòng)、解除設(shè)置可以根據(jù)車輛的坡度、重量、關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的請(qǐng)求，按下電控駐車制動(dòng)控制鍵，扭矩和加速踏板增強(qiáng)或減弱駐車的制動(dòng)力或解除制動(dòng)。

3)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)ESP控制模塊診斷的電源電壓，駐車制動(dòng)器以不同的速度被應(yīng)用(如果電池電壓較低，應(yīng)用速度較慢)。

2.1.2駐車制動(dòng)模塊與電子穩(wěn)定程序模塊的通訊

電控駐車制動(dòng)器控制模塊與ESP控制模塊通訊發(fā)送的信息[6]如下:

1)施加于制動(dòng)器(或拉索)上的制動(dòng)力;

2)駐車制動(dòng)器電控裝置的狀態(tài)顯示;

3)駐車制動(dòng)器應(yīng)用自動(dòng)功能的實(shí)時(shí)狀態(tài);

4)駐車制動(dòng)器的故障自診斷。

ECPB的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由直流電機(jī)、傳動(dòng)帶、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)盤和制動(dòng)摩擦片等組成，如圖4所示。

圖4　執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成原理示意圖

2.2ECPB執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理

當(dāng)ECPB工作時(shí)，ESP控制模塊向駐車控制模塊發(fā)出駐車指令，電機(jī)輸出經(jīng)傳動(dòng)帶和行星齒輪減速機(jī)構(gòu)降速增加扭矩后，由蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)輪缸活塞的直線運(yùn)動(dòng)，最后通過制動(dòng)摩擦片對(duì)制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)力。當(dāng)需要釋放駐車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，制動(dòng)摩擦片得以釋放。由于行星齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比很大，蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)制動(dòng)輪缸活塞的直線位移很小，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以控制制動(dòng)盤和制動(dòng)摩擦片之間的間隙，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整的功能。

2.3ECPB的制動(dòng)策略[7]

2.3.1應(yīng)用 ESP 要求的制動(dòng)駐車策略

電控制動(dòng)駐車策略條件說明見表1。

表1　電控制動(dòng)駐車策略條件說明

ESP控制模塊根據(jù)“發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)”、“車速”、“自動(dòng)功能的狀態(tài)”信息和相關(guān)的延時(shí)(短時(shí)間內(nèi)沒有重新啟動(dòng)的操作)確定制動(dòng)。ESP計(jì)算機(jī)在以下情況下發(fā)出應(yīng)用電控駐車制動(dòng)指令:

1)當(dāng)ESP 控制模塊檢測(cè)到車輛移動(dòng)并同時(shí)應(yīng)用電控駐車制動(dòng)時(shí)，ESP請(qǐng)求應(yīng)用最大制動(dòng)力(含緊急制動(dòng))。

2)如果制動(dòng)力符合表 1的策略1，那么發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)椤鞍l(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)行”狀態(tài)，同時(shí)“電控駐車制動(dòng)”功能處于自動(dòng)模式，如果應(yīng)用的制動(dòng)力和參考制動(dòng)力之間的差值大于7%，ESP控制模塊發(fā)出符合表1的策略2的制動(dòng)力應(yīng)用。

3)如果應(yīng)用的制動(dòng)力符合表1的策略1，并且監(jiān)控時(shí)間大于10 min，其應(yīng)用的制動(dòng)力和參考制動(dòng)力之間的差值大于3%，那么 ESP 控制模塊發(fā)出符合表1的策略2的制動(dòng)力。

4)如果沒有檢測(cè)到故障，ESP控制模塊發(fā)出電控駐車制動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)設(shè)置的最大速度。

5)如果應(yīng)用的制動(dòng)力符合表 1，ESP控制模塊在坡度上發(fā)生變化時(shí)發(fā)出不要釋放或者重新應(yīng)用。

在發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火時(shí)自動(dòng)應(yīng)用期間，駐車控制模塊應(yīng)用 ESP控制模塊發(fā)出的制動(dòng)力。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，駐車制動(dòng)被確定時(shí)，ESP控制模塊向電控駐車制動(dòng)發(fā)送符合表1策略2的應(yīng)用參考值。

2.3.2起步時(shí)請(qǐng)求解除電控駐車制動(dòng)策略

當(dāng)駕駛員請(qǐng)求起步信息被確認(rèn)時(shí)，電控駐車制動(dòng)釋放在后制動(dòng)鉗上的制動(dòng)力策略條件見表 2。

表2　釋放電控駐車制動(dòng)策略條件說明

2.3.3駐車期間監(jiān)控和維持ESP請(qǐng)求的制動(dòng)力策略

駐車監(jiān)控期間，駐車制動(dòng)控制模塊測(cè)量應(yīng)用于制動(dòng)鉗的制動(dòng)力，誤差為±10%。如果制動(dòng)力下降，電控駐車制動(dòng)控制模塊在制動(dòng)鉗上施加附加制動(dòng)力，以滿足ESP要求的參考值效果。一旦操縱制動(dòng)踏板或者執(zhí)行特定機(jī)制，電控駐車制動(dòng)控制模塊便隨即通知車輛抓地狀況的監(jiān)控。當(dāng)應(yīng)用到制動(dòng)鉗上的制動(dòng)力低于產(chǎn)生初始制動(dòng)功能的制動(dòng)力時(shí)，便檢測(cè)到施加在制動(dòng)鉗上的制動(dòng)力的降低，這時(shí)電控駐車制動(dòng)不符合制動(dòng)要求，駐車系統(tǒng)恢復(fù)ESP控制模塊要求的參考值。

3整合卡鉗式ECPB的動(dòng)力特性分析

3.1最大制動(dòng)力矩的確定[8-9]

假設(shè)車輛需要停駐在a角的坡度路面上，ECPB的單個(gè)后輪駐車制動(dòng)器最大力矩的一半為：

(1)

式中:G----整車質(zhì)量;

Re----后車輪有效滾動(dòng)半徑;

amax----最大坡度角。

3.2制動(dòng)器的制動(dòng)力矩特性分析

除了最低配置的車輛外，中高配置的車輛后輪為盤式制動(dòng)器(這里以盤式制動(dòng)器為例)，其制動(dòng)力矩為：

T0=2μFR

(2)

式中:μ----摩擦系數(shù);

R----制動(dòng)力作用半徑;

F----制動(dòng)摩擦塊對(duì)制動(dòng)盤的制動(dòng)力;

R1、R2----分別為制動(dòng)摩擦塊扇形表面作用在制動(dòng)盤上的內(nèi)半徑和外半徑。

3.3制動(dòng)器最大壓緊力的計(jì)算[8-9]

如果需要安全可靠的駐車，則制動(dòng)力矩應(yīng)滿足條件：

式中:γ----安全系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算，其值大于1。

根據(jù)式(1)和式(2)可以得出：

那么

式中：Fmax----制動(dòng)摩擦塊對(duì)制動(dòng)盤的最大壓緊力。

執(zhí)行器電機(jī)的輸出扭矩經(jīng)減速器增扭后應(yīng)略大于最大制動(dòng)摩擦塊對(duì)制動(dòng)盤的最大壓緊力。

4應(yīng)用ESP要求的電控駐車制動(dòng)力驗(yàn)算

4.1試驗(yàn)車輛取樣

根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件選擇某一歐系品牌汽車參數(shù),見表3。

表3　待驗(yàn)證車輛主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該車型配置有自動(dòng)輔助駐車功能，駕駛員可以通過中控面板開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)定為自動(dòng)駐車或手動(dòng)駐車，在斜坡上停駐車輛,斜坡上起步時(shí)，ESP控制模塊向駐車控制模塊發(fā)指令，使制動(dòng)器制動(dòng)壓力保持一段時(shí)間，駕駛員可通過這段時(shí)間松開制動(dòng)踏板,加速，而車輛不會(huì)后退，車輛起步后制動(dòng)壓力自動(dòng)釋放。

4.2取樣車輛最大壓緊力計(jì)算

駐車控制模塊請(qǐng)求應(yīng)用 ESP(穩(wěn)定程序)的制動(dòng)力，測(cè)量應(yīng)用于制動(dòng)鉗的制動(dòng)力的靈敏度選用±15%。樣本最大壓緊力的離散點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　制動(dòng)摩擦塊對(duì)制動(dòng)盤的最大壓緊力驗(yàn)算

根據(jù)上述制動(dòng)摩擦塊對(duì)制動(dòng)盤的最大壓緊力的離散取樣試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，將數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，可以看出：隨著坡度的增加，制動(dòng)摩擦塊對(duì)制動(dòng)盤的最大壓緊力也不斷的增加，當(dāng)縱向坡度高于17%以后，由于車輛最大允許總質(zhì)量在坡道上的分力保持平衡，其值不再增加。實(shí)驗(yàn)值與該車型的技術(shù)參數(shù)(理論值)相比較，滿載駐車坡度≥20%有所差異，也就是說,該車輛的駐車最大坡度值為17%，誤差為-3%。

電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件，其最大制動(dòng)力矩的確定又為電機(jī)匹配與選型提供參考。

上述取得的相關(guān)信息為ECPB的CAN通訊提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐，由 ESP 計(jì)算要求的電控駐車制動(dòng)力的合理匹配，滿足安全性與使用可靠性的要求，盡量全面考慮系統(tǒng)安全策略的數(shù)據(jù)需要。

5結(jié)語(yǔ)

基于CAN通訊的電控駐車技術(shù)涉及到機(jī)、電、液和車載網(wǎng)絡(luò)諸領(lǐng)域一體化的綜合應(yīng)用，該技術(shù)正處于不斷改進(jìn)和提高階段，因此，對(duì)于今后的發(fā)展，可以加強(qiáng)集成車身控制系統(tǒng)多功能角度的研發(fā)[11]，同時(shí)結(jié)合ESP 系統(tǒng)的安全策略，實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定控制和行車安全輔助功能：

1)通過ESP計(jì)算機(jī)對(duì)駐車系統(tǒng)的控制是一種主動(dòng)安全性策略的延伸，取決于三傳感器(縱向加速度、側(cè)加速度和坡道角傳感器)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)電控駐車功能的關(guān)鍵。

2)駐車期間自動(dòng)監(jiān)控和維持 ESP 要求的制動(dòng)力策略，也是一種主動(dòng)安全策略延伸，取決于駐車的電控模塊中力的傳感器應(yīng)用，它實(shí)現(xiàn)車輛抓地狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息獲取功能。

3)基于CAN的通訊需要，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，自動(dòng)駐車安全策略因快速通信而得到保障，它也是將來車輛駐車技術(shù)的主流方向。

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Automobile electronic parking technology based on CAN communication

XU Bingzhao，ZHANG Ronggui,SU Qinglie

(Department of Auto Application, Fujian Chuanzheng & Communication College, Fuzhou 350007， China)

Abstract：Based on CAN communication security strategy for automobile parking, we first analyze the structure and operation principle of the disc electric vehicle brake system, and then study its dynamic executive mechanism. With an example of ESP parking brake force calculation, the matching technique between parking brake system and the whole vehicle is offered.

Key words：automobile; CAN communication; electronic control; parking.

收稿日期：2016-01-29

基金項(xiàng)目：福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA14373); 福建省交通廳科技項(xiàng)目(2014Y062)

作者簡(jiǎn)介：許炳照(1964-)，男，漢族，福建安溪人，福建船政交通職業(yè)學(xué)院副教授，主要從事汽車運(yùn)用工程方向研究,E-mail:shmmd@126.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.12

中圖分類號(hào)：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)02-0165-06