集成式電子駐車控制器設(shè)計

劉強 胡艷 向繼全 蔡敬敏

摘 要：為保障電動汽車停車時可靠駐車，設(shè)計了一種集電機、減速執(zhí)行機構(gòu)和控制電路為一體的電子駐車控制器，介紹了控制器機械機構(gòu)組成、電控設(shè)計方案和軟件控制流程。其中電控方案包含MCU單片機及電機驅(qū)動模塊、電源電壓轉(zhuǎn)換模塊、CAN通信模塊和磁性位置檢測模塊。

關(guān)鍵詞：電動車;集成式;電子駐車控制器

1 引言

目前新能源汽車市場上主要存在混合動力汽車HEV、插電式混動PHEV、純電動車EV及燃料電池汽車FCV等車型，從汽車安全角度出發(fā)，新能源汽車停車時都應(yīng)該具備駐車控制器。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，駐車控制器逐漸從傳統(tǒng)的手動式向電子式演變。電子駐車控制器GCU（又稱P檔控制器）是純電動汽車用于駐車時控制電機作用于汽車減速器的鎖止機構(gòu)，保證停車的安全可靠。電子駐車控制機構(gòu)可分為分體式和集成式，分體式即電子駐車控制器與其執(zhí)行機構(gòu)及電機安裝在不同位置;集成式即控制器與其執(zhí)行機構(gòu)及電機三合一都安裝在汽車減速器表面。

2 控制器結(jié)構(gòu)方案

集成式電子駐車控制器結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：直流電機、電子控制器和減速執(zhí)行機構(gòu)組成，如圖1所示。

減速執(zhí)行機構(gòu)端面輸出扭矩大小和轉(zhuǎn)動響應(yīng)時間要結(jié)合電動車減速器內(nèi)部鎖止機構(gòu)要求而確定。為廣泛適應(yīng)乘用和商用電動汽車需求，本控制器設(shè)計輸出扭矩大于10N·m，轉(zhuǎn)動響應(yīng)時間小于500ms，電機通過蝸桿蝸輪減速直接驅(qū)動減速器鎖止機構(gòu)動作，實現(xiàn)駐車或解鎖功能。因控制器僅在停車或啟動時工作，平均動作次數(shù)少，每次工作時間短，所以電機選取汽車級直流有刷電機即可。電機選用德昌700型，額定電壓12VDC，參考最大功率95W時轉(zhuǎn)速2600RPM。減速機構(gòu)蝸桿蝸輪設(shè)計常規(guī)減速比60。

（1）控制器終端輸出扭矩：

（1）

T減速機=T電機*α*η （2）

（3）

其中：P電機功率單位KW，T電機電機輸出扭矩單位N·m，n電機輸出轉(zhuǎn)速單位RPM，T減速機蝸輪蝸桿減速機構(gòu)輸出扭矩單位N·m，α減速比60，η傳動效率0.5～0.9，此處取0.5。由公式（3）可知，蝸輪蝸桿減速機構(gòu)輸出扭矩為公式（4）。

T減速機=*60*0.5=10.45N·m>10N·m （4）

（2）控制器響應(yīng)時間：

對于響應(yīng)時間要求小于t：500ms，控制器設(shè)計駐車或解鎖時渦輪旋轉(zhuǎn)：60-80°，此處取70°，由最大功率時轉(zhuǎn)速2600RPM，可知：

n電機=n減速機*60 （5）

控制器終端旋轉(zhuǎn)一圈時間t1，單位S：

（6）

t=*t1*1000=270ms < 500ms （7）

3 控制器電控方案

集成式電子駐車控制器通過接收整車控制系統(tǒng)VCU指令，驅(qū)動駐車電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過磁性位置角度傳感器采集蝸輪旋轉(zhuǎn)角度，從而間接判斷電機執(zhí)行機構(gòu)行進(jìn)位置。該控制器具備電機驅(qū)動、電機位置檢測、CAN通訊、故障診斷、外圍電路短路保護等功能。該控制器方案設(shè)計示意圖如圖2所示，主要由MCU單片機、電源模塊、電機驅(qū)動、位置檢測及CAN通信模塊。

3.1 MCU單片機和電機驅(qū)動模塊

集成式電子駐車控制器選用汽車級單片機NXP公司的S32K118系列芯片作為核心處理器，該芯片采用穩(wěn)定可靠的Arm? Cortex?-M0+內(nèi)核，具備256kB FLASH、25kB RAM、2K EEPROM、1路CAN、8路PWM、3路SPI、12路10位AD等基本外設(shè)資源，具有信號處理能力強和高可靠性的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車電子控制器領(lǐng)域。

控制器采用ST意法半導(dǎo)體H橋直流電機芯片VNH5019控制駐車電機正反轉(zhuǎn)，芯片內(nèi)部集成4個NMOS管，具備電流檢測及過壓過熱短路保護等功能，具有成本低、可靠性高等優(yōu)點。

3.2 電源電壓轉(zhuǎn)換模塊

電源電壓轉(zhuǎn)換模塊主要功能是把車載電源12V電壓轉(zhuǎn)換為板內(nèi)5V電壓，為單片機及CAN芯片提供電源。電源芯片可采用德州儀器TI公司TPS7A6150，具備低電壓差線性轉(zhuǎn)換能力，具有電源使能管腳（高電平有效），控制芯片是否輸出5V電源。電源芯片EN使能管腳控制來源有：IGN點火信號和單片機GPIO輸出信號，兩個信號經(jīng)雙通二極管BAV70連接到EN管腳。

3.3 CAN通信模塊

CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)為串行通信協(xié)議，能有效支持安全要求較高的分布實時控制。控制器中MCU單片機內(nèi)集成CAN控制器，可通過CAN總線與整車控制器VCU進(jìn)行通信，波特率適應(yīng)動力CAN要求采用500Kbps?？刂破鬟x擇NXP公司TJA1050作為CAN收發(fā)器，CAN通信電平作為差分信號，使用共模電感大幅減小共模干擾（可根據(jù)實際情況選貼），同時配合電容濾波和TVS的浪涌泄放，保證CAN通信的可靠性。

3.4 位置檢測模塊

控制器工作過程中需要采集蝸輪旋轉(zhuǎn)角度位置與系統(tǒng)初值進(jìn)行比較，從而判斷駐車或解鎖是否正常?？刂破鬟x用邁來芯melexis公司磁性位置角度傳感器ML90363檢測安裝在蝸輪上的磁鐵強度的水平分量（Bx、By）。該傳感器可憑借其表面的集磁片（IMC），以一種非接觸方式感測所施加磁通密度的 3 個空間分量（即Bx、By和Bz），如圖3所示。該水平分量的旋轉(zhuǎn)在寬范圍（高達(dá)360?內(nèi)整轉(zhuǎn)）內(nèi)感測，并由片上 DSP（數(shù)字信號處理）處理，最終報告軸端磁體的絕對角位置。所有內(nèi)部原始（Bx、By、Bz）和調(diào)理信號均可以通過SPI通道傳送。

4 控制策略

控制器MCU軟件開發(fā)采用分層架構(gòu)，參照AUTOSAR體系開發(fā)。為避免產(chǎn)生誤駐車故障，系統(tǒng)工作要滿足一定輸入條件。駐車鎖止時要求：車速低于2km/h，檔位桿在P檔，踩下剎車。解鎖時要求：GCU收到整車控制器CAN總線解鎖命令，控制器處于鎖止?fàn)顟B(tài)?？刂破鞴ぷ髁鞒倘鐖D4所示。

5 結(jié)語

隨著國家政策扶持和能源綜合管理需要，電動汽車產(chǎn)量勢必逐步提升，為保障汽車及人身安全，電動汽車都應(yīng)配備駐車控制器，集成式電子駐車控制器采用電機、執(zhí)行機構(gòu)和控制電路三合一，便于客戶采購及裝配，降低客戶設(shè)計開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王超勇.車輛電子駐車制動（EPB）控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計研究[D].南京理工大學(xué)，2009.