車(chē)輛電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 車(chē)輛運(yùn)用工程系，煙臺(tái) 264000)

0 引言

為代替汽車(chē)機(jī)械式手剎裝置，對(duì)于車(chē)輛駐車(chē)的控制，ECPB執(zhí)行器及其控制系統(tǒng)可通過(guò)電子控制實(shí)現(xiàn)，從而使坡道起步溜車(chē)等風(fēng)險(xiǎn)得到有效避免，目前國(guó)內(nèi)由于技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等的限制，許多國(guó)產(chǎn)車(chē)輛無(wú)法安裝該項(xiàng)新技術(shù)裝置，因此對(duì)車(chē)輛電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究是目前的研究重點(diǎn)[1]。

1 ECPB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及通訊架構(gòu)

1.1 原理

汽車(chē)電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)主要由永磁式無(wú)刷直流電機(jī)、電控駐車(chē)制動(dòng)模塊(ECPB ECU)、制動(dòng)器及鋼絲拉索組成，ECPB系統(tǒng)的工作原理為：通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)電控駐車(chē)制動(dòng)模塊的信號(hào)控制端與車(chē)身電子穩(wěn)定模塊(ESP ECU)與連接；永磁體無(wú)刷電機(jī)電信號(hào)連接制動(dòng)模塊的指令輸出端，當(dāng)永磁體無(wú)刷電機(jī)通電后處于工作狀態(tài)時(shí)，空心轉(zhuǎn)子(空心轉(zhuǎn)子的輸出端設(shè)計(jì)有蝸套)在旋轉(zhuǎn)的永磁體的帶動(dòng)下隨之旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)連接著駐車(chē)?yán)饕欢说奈仐U開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，駐車(chē)制動(dòng)器連接著蝸桿的另一端，鋼索直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，最后制動(dòng)鼓在制動(dòng)摩擦片的作用下產(chǎn)生制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛駐車(chē)過(guò)程。當(dāng)需停止駐車(chē)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)摩擦片在電機(jī)反轉(zhuǎn)的作用下得以釋放，降低制造成本及操作的復(fù)雜性，在進(jìn)行 ECPB改裝時(shí)可以充分利用現(xiàn)有的前盤(pán)后鼓式制動(dòng)器的車(chē)型，此種方法還能夠提高駐車(chē)的性能，確保駐車(chē)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有較大的潛在應(yīng)用前景[2]。

1.2 通訊架構(gòu)

永磁式電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)主要組成部件為：傳感器、執(zhí)行器、ECPB ECU、ESP ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、網(wǎng)關(guān)ECU、轉(zhuǎn)向盤(pán)模塊ECU等。ECPB的運(yùn)行由ESP控制器通過(guò)CAN通訊實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要組成部分為：CAN CAR車(chē)身網(wǎng)、CAN動(dòng)力IS網(wǎng)、CAN CONF舒適網(wǎng)；車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、駐車(chē)制動(dòng)開(kāi)關(guān)、加速踏板位置、離合器位置、制動(dòng)力傳感器、變速器位置(受控)、道路坡度信號(hào)等信號(hào)的采集過(guò)程則由ECPB控制器負(fù)責(zé)完成，并將采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算后，以控制指令的形式完成輸出，無(wú)刷電機(jī)接收到這些控制指令后完成對(duì)鋼索運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，從而使駐車(chē)功能得以實(shí)現(xiàn)[3]。

2 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)矩

當(dāng)駐車(chē)過(guò)程經(jīng)過(guò)永磁體無(wú)刷電機(jī)繞阻時(shí)由Iqf(A)表示其所產(chǎn)生的電流值，由ξ表示無(wú)刷電機(jī)的電極對(duì)數(shù)，由θ表示電極的爪系數(shù)，由φqf表示每個(gè)磁極的磁通量，由n表示每相串聯(lián)的匝數(shù)，用Tas表示電機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)的輸出總轉(zhuǎn)矩，用T∑w表示承受的外部總轉(zhuǎn)矩，二者相等[4]，具體表達(dá)如式(1)。

(1)

各車(chē)輪的駐車(chē)制動(dòng)力由駐車(chē)環(huán)境自動(dòng)施加，制動(dòng)力隨著制動(dòng)鼓與摩擦片間接觸面積的增大而增大，此時(shí)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的無(wú)刷直流電機(jī)輸出軸端的輸出轉(zhuǎn)矩仍由T∑w表示，無(wú)刷直流電機(jī)輸出軸端由Tdz表示其堵轉(zhuǎn)總轉(zhuǎn)矩，滾動(dòng)軸承、蝸套、蝸桿間的傳動(dòng)效率則由ηω表示(取值0.99)，電源的工作效率由ηdf表示(取值范圍在0.7～0.75間)，蝸套與蝸桿間的傳動(dòng)比由iω表示(取值為1)[5]，無(wú)刷直流電機(jī)軸端的轉(zhuǎn)矩在此種狀態(tài)下的計(jì)算式可表達(dá)如式(2)。

(2)

(2)駐車(chē)鋼索最大拉力的確定

鋼索的拉力最大值為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值與手剎放大系數(shù)的積，在具體計(jì)算過(guò)程中需將安全系數(shù)考慮在內(nèi)。用Tas表示無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，由D表示傳動(dòng)蝸桿的芯軸直徑，在永磁式電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中，t為螺紋軸距，則連接鋼索的傳動(dòng)蝸桿拉力的計(jì)算式如式(3)。

(3)

(3)車(chē)輛的駐車(chē)制動(dòng)力的確定

用α表示道路的坡度角，如果車(chē)輛在其上駐車(chē)，根據(jù)實(shí)際的停車(chē)需要，同時(shí)參考汽車(chē)機(jī)械設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，完成駐車(chē)制動(dòng)力的確定，車(chē)輛的總質(zhì)量為滿(mǎn)乘員同行李艙最大載重之和，具體由Mmax表示車(chē)輛最大總質(zhì)量，車(chē)輪的滾動(dòng)半徑用Rω表示，滾動(dòng)摩擦系數(shù)用μ表示，r為后制動(dòng)鼓半徑用，手剎的放大系數(shù)用kz表示，具體表達(dá)式如式(4)。

(4)

(4)車(chē)輛動(dòng)態(tài)制動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

在實(shí)際駕駛過(guò)程中易出現(xiàn)一些緊急情況，需要駕駛員進(jìn)行緊急制動(dòng)，此時(shí)需系統(tǒng)參與完成緊急制動(dòng)，則可通過(guò)長(zhǎng)按ECPB按鈕實(shí)現(xiàn)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，根據(jù)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，制動(dòng)距離用Sqa表示，制動(dòng)開(kāi)始前的車(chē)速用V0表示，消除車(chē)輛制動(dòng)間隙耗時(shí)為τb1，在車(chē)輛持續(xù)制動(dòng)階段用uqs表示其平均減速度，制動(dòng)器制動(dòng)力增加的時(shí)間用τb2表示[6]。具體的制動(dòng)距離、時(shí)間與初速度的關(guān)系表達(dá)式如式(5)。

(5)

3 駐車(chē)控制模塊通訊的實(shí)現(xiàn)

ECPB的運(yùn)行需以獲取ESP控制器發(fā)出的指令為準(zhǔn)，ECPB電控駐車(chē)制動(dòng)的工作模式包括：手動(dòng)駐車(chē)，通過(guò)ECPB開(kāi)關(guān)的操作實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)駐車(chē)，車(chē)輛在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后自動(dòng)施加駐車(chē)功能，改功能在車(chē)輛起步后則會(huì)自動(dòng)釋放；通過(guò)ECPB開(kāi)關(guān)的操作實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)制動(dòng)，使行駛狀態(tài)的車(chē)輛停駐，并在駐車(chē)期間監(jiān)控車(chē)輛移動(dòng)情況。(1)當(dāng)ECPB需同ESP通訊時(shí)，在駐車(chē)過(guò)程中發(fā)送的數(shù)據(jù)信息包括：在牽引鋼索上的制動(dòng)力信息，應(yīng)用自動(dòng)駐車(chē)功能(駐車(chē)制動(dòng)器)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，駐車(chē)制動(dòng)器工作狀態(tài)及故障診斷信息。

(2)ESP需同ECPB通訊時(shí)，需發(fā)送無(wú)刷電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，以ESP控制器診斷的電源信息為依據(jù)，應(yīng)用速度在較低的電源電壓下則相應(yīng)較慢；根據(jù)車(chē)輛的重量、道路坡度等信息，請(qǐng)求ESP駐車(chē)指令，通過(guò)ECPB控制開(kāi)關(guān)的使用實(shí)現(xiàn)獲取或解除駐車(chē)制動(dòng)力；ESP控制器在車(chē)輛需持續(xù)制動(dòng)或使ECPB獨(dú)立工作時(shí)需向ECPB發(fā)出指令。

汽車(chē)電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)硬件構(gòu)成部分包括驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路、單片機(jī)、各種傳感器和處理電路等，系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制器，控制器模塊的主控芯片使用了PIC18F458(microchip公司生產(chǎn))單片機(jī)微處理器，集成了CAN通信接口，外圍接口電路的接口芯片則使用了PCA82C250(Philips公司生產(chǎn))芯片，執(zhí)行CAN 2.0 A/B 協(xié)議，控制器的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 ECPB駐車(chē)系統(tǒng)邏輯框圖

中央控制器使用單片機(jī)完成車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、含側(cè)向和縱向加速度信號(hào)的坡道角度、變速器位置(受控)、駐車(chē)開(kāi)關(guān)、油門(mén)位置、離合器位置等信號(hào)的采集和計(jì)算分析，然后發(fā)給執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼索完成駐車(chē)過(guò)程。在駐車(chē)時(shí)ECPB系統(tǒng)控制器的工作流程，如圖2所示[7]。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 取樣車(chē)輛參數(shù)

為檢測(cè)本文所設(shè)計(jì)的車(chē)輛電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法的有效性，取樣車(chē)輛(額定功率85千瓦)動(dòng)力型號(hào)EP6FD，其主要相關(guān)參數(shù)如表1所示。

一輛配備ECPB，一輛未配備ECPB，在道路(水平、干燥、良好)上進(jìn)行緊急制動(dòng)，對(duì)兩臺(tái)車(chē)輛的制動(dòng)距離及時(shí)間進(jìn)行仿真測(cè)試。

4.2 緊急制動(dòng)性能仿真及結(jié)果

需在進(jìn)一步仿真分析的基礎(chǔ)上對(duì)ECPB系統(tǒng)的緊急制動(dòng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)上文表達(dá)式完成對(duì)駐車(chē)時(shí)系統(tǒng)需考慮的策略要素(電機(jī)電流、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、力矩、轉(zhuǎn)速和鋼索拉力)的分析，根據(jù)建立的車(chē)輛緊急制動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)制動(dòng)初速度進(jìn)行設(shè)置(范圍為0～35 km/h)，對(duì)兩臺(tái)車(chē)輛的緊急制動(dòng)距離和時(shí)間的仿真計(jì)算通過(guò)使用Matlab軟件完成，緊急制動(dòng)距離、時(shí)間隨制動(dòng)初速度變化的響應(yīng)曲線，如圖3所示。

圖2 駐車(chē)控制器運(yùn)行流程

參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值最大整備質(zhì)量/kg1 670總長(zhǎng)/mm4610總寬/mm1 770軸距/mm2 720前懸/mm960后懸/mm950最大爬坡度/%>20最高車(chē)速/(km·h-1)185制動(dòng)性/m<17

圖3 緊急制動(dòng)距離和時(shí)間仿真結(jié)果

圖中的線Ⅰ和線Ⅱ分別表示未配備ECPB的車(chē)輛和已配備ECPB的車(chē)輛仿真測(cè)試的輸出結(jié)果，說(shuō)明配備ECPB的車(chē)輛性能更好。為對(duì)曲線Ⅰ、Ⅱ的差異做進(jìn)一步說(shuō)明，緊急制動(dòng)在制動(dòng)初速度為每小時(shí)25 km時(shí)實(shí)施，測(cè)量停車(chē)水平距離表明安裝ECPB的車(chē)輛比未配備ECPB的車(chē)輛縮短了410 mm；緊急制動(dòng)在制動(dòng)初速度為每小時(shí)30 km時(shí)實(shí)施，測(cè)試結(jié)果為安裝ECPB的車(chē)輛的停車(chē)水平距離更短(比未配備ECPB的車(chē)輛縮短了1 020 mm)，超過(guò)取樣車(chē)型前懸的距離，進(jìn)一步證明了應(yīng)用ECPB的優(yōu)勢(shì)所在，在緊急制動(dòng)時(shí)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可有效降低追尾或事故發(fā)生的概率，從而使車(chē)輛安全性得以提高[8]。

5 總結(jié)

本文主要對(duì)車(chē)輛電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究，執(zhí)行器及其系統(tǒng)的核心模塊為永磁式無(wú)刷直流電機(jī)，并對(duì)其通訊結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，在對(duì)電控駐車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合其執(zhí)行器結(jié)構(gòu)及原理，提出以CAN通訊為基礎(chǔ)的駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法，完成車(chē)輛動(dòng)態(tài)制動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建，結(jié)合駐車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)(ESP要求)的運(yùn)用，據(jù)此完成了電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)控制方法的設(shè)計(jì)，為電控駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。