汽車電子機械式制動系統(tǒng)研究

余娟

(煙臺汽車工程職業(yè)學院 機電工程系， 山東 煙臺 265500)

0 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增加，汽車行駛安全問題日益突出，電子機械制動系統(tǒng)安全性能對汽車安全產(chǎn)生直接影響，行駛中的汽車的制動系統(tǒng)在外力(如制動器、輪胎及車輛旋轉(zhuǎn)等)作用下易形成縫隙，進而導致汽車制動力下降，帶來較大的車輛安全隱患。使得優(yōu)化和完善汽車電子機械制動系統(tǒng)成為研究熱點之一，通過實用有效的電子機械制動系統(tǒng)減小車輪抱死時的制動減速度，以提升行駛中的汽車的安全性。

1 現(xiàn)狀分析

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，汽車在日常生活中得以普及應用，已成為不可或缺的交通工具，隨之而來的頻發(fā)的交通事故使人們對汽車安全性能的要求不斷提高。目前汽車的制動性能已成為衡量汽車的安全性能的一項重要指標。傳統(tǒng)制動系統(tǒng)所使用的液壓制動模式的管路較多，普遍存在制動響應速度慢、制動液泄漏等方面的問題，已難以滿足現(xiàn)代汽車的節(jié)能環(huán)保發(fā)展需求。促使基于線控技術的電子機械制動(EMB)系統(tǒng)得以不斷發(fā)展和完善，電子機械制動系統(tǒng)的制動性能更加穩(wěn)定可靠，使制動液泄漏問題得以有效避免，操作方便且響應速度快，具有體積小、性價比高、安全環(huán)保的優(yōu)勢，已成為汽車制動行業(yè)的發(fā)展重點，系統(tǒng)根據(jù)采集到的汽車電子制動踏板及相應傳感器信號(具體通過其中心控制模塊完成)，結合運用相應的控制算法完成目標制動力的準確獲取，再通過總線傳輸信號實現(xiàn)對制動執(zhí)行機構運動過程的有效控制。但由于在線控制動過程中所需采集和處理的信息量較大，這就對控制信號通信過程提出了更高的要求，傳統(tǒng)的串行通信方式(使用線纜)的數(shù)據(jù)交換過程占用空間較大，并且其穩(wěn)定性極易受到工作環(huán)境的影響。通信效率較高的CAN總線可有效滿足電子機械制動系統(tǒng)的差分收發(fā)、實時性和容錯性需求，極大的提高了系統(tǒng)的傳輸距離以及糾錯能力，且具有較強的抗環(huán)境干擾能力，可有效彌補線控制動通信方式的不足[1]。

2 汽車電子機械制動系統(tǒng)設計

制動泵作為制動系統(tǒng)的重要部件在出現(xiàn)故障問題時，受到減小的制動系統(tǒng)摩擦力的影響會不同程度的降低制動力，并且發(fā)送故障的制動泵會對汽車回油產(chǎn)生一定的阻礙，導致在面對行駛過程中出現(xiàn)的危險情況時難以快速作出反應，使行車安全性降低?？焖侔l(fā)展完善的汽車結構及功能對電子機械制動系統(tǒng)提出了更高的要求，本文主要對汽車電子機械式制動系統(tǒng)進行了研究和設計，在分析了CAN總線優(yōu)點的基礎上，根據(jù)制動系統(tǒng)的制動需求，通過CAN總線的使用完成一種電子機械制動控制系統(tǒng)設計方案的構建，所設計的基于CAN總線的電子機械制動系統(tǒng)統(tǒng)功能結構示意圖,如圖1所示。

圖1 電子機械制動系統(tǒng)功能結構示意圖

主要由ECU、車輪制動模塊、電源模塊、電子制動踏板模塊(包括制動踏板、感覺模擬器、位移傳感器)等構成，汽車駕駛員位移信號由電子制動踏板模塊負責采集(具體通過位移傳感器完成)，再向系統(tǒng)的ECU傳送并由其負責完成數(shù)據(jù)分析處理過程，據(jù)此完成對電動機力矩的控制，在此基礎上通過車輪制動模塊執(zhí)行相應的制動操作。系統(tǒng)總體架構示意圖,如圖2所示。

圖2 基于CAN的系統(tǒng)總體架構示意圖

汽車實際行使制動過程中普遍存在制動滯后問題，為此本文系統(tǒng)在具體制動過程中，通過踏板位移傳感器能夠及時準確的識別出由駕駛員踩踏板引起的車輪制動狀態(tài)的變化情況，進而使系統(tǒng)的響應速率得到有效提升。為確保制動系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，汽車的制動器(分布于4個車輪上)保持相互獨立，并由車載網(wǎng)絡(具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度)對其進行集中控制[2]。

3 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件電路設計方案

制動系統(tǒng)的工作流程為:在車輛處于行駛狀態(tài)下，駕駛員踩下制動踏板時會產(chǎn)生相應的踏板位移信號，由踏板位移傳感器據(jù)此完成對駕駛員制動意圖的識別和判斷，在由ECU負責對接收到的信號判斷結果進行處理分析，在對電動機的力矩輸出進行控制的同時，控制執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的車輪制動力，在此基礎上完成對車輪的控制，考慮到車輪同路面間摩擦系數(shù)及轉(zhuǎn)向擺角對車輪制動力的大小產(chǎn)生直接影響，為使各車輪形成閉環(huán)的制動回路且相互獨立，各車輪均配置獨立的傳感器和制動器。本文制動系統(tǒng)的硬件結構框架,如圖3所示。

圖3 制動系統(tǒng)硬件結構圖

主要由制動踏板單元、信號采集傳感器、ECU(電子機械制動系統(tǒng)的核心)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、直流電動機單元(電動機驅(qū)動器)等模塊構成，ECU主要負責接收、處理和分析各傳感器采集到的信號(包括脈沖信號和模擬信號)，ECU使用了基于RSIC體系結構的處理器S3C2410，該處理器包含豐富的串行接口，且易于連接CAN控制器，具有功耗低、頻率高(可達到203 MHz)、性能高的優(yōu)勢；電動機驅(qū)動器(主要由驅(qū)動芯片和外圍設備構成)需滿足系統(tǒng)對電動機驅(qū)動性能的需求以及驅(qū)動器的抗干擾需求[3]。

3.1.2 CAN總線通信電路

該通信電路主要由3部分構成：其CAN控制器的芯片選用了SJA1000，CAN收發(fā)器采用CTM1050T芯片(能夠?qū)崿F(xiàn)DC2500V電器隔離，主要由隔離電路、電源保護電路、ESD總線等構成)，微控制器采用AT89C52。通過CTM1050T芯片的使用能夠使系統(tǒng)通信電路的總線錯誤及元件故障問題得以有效避免，SJA1000連接CTM1050T的RXD和TXD引腳；CAN控制器和微控制器采用電源監(jiān)控芯片MAX708作為復位電路，復位信號可通過手動輸入和VCC電壓進行控制，能夠同時有效的輸出復位信號(高低電平)[3]。

3.2 軟件設計

遵循模塊化的設計思路設計電子機械制動系統(tǒng)的軟件，先使用C語言完成系統(tǒng)各功能模塊的內(nèi)部編程，然后在總程序中調(diào)用，控制器初始化后通過CAN通信完成信息的收發(fā)。處理器和CAN控制器在系統(tǒng)通電后復位，然后控制器進行初始化(通過S3C2410芯片完成)，程序排列時以功能的主要程度為依據(jù)，系統(tǒng)主程序軟件總體結構示意圖,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序軟件總體結構示意圖

第一級為系統(tǒng)主程序主要功能在于協(xié)調(diào)各子程序，第二級包括CAN通信、執(zhí)行器驅(qū)動、信號采集等程序，作為整體系統(tǒng)設計的載體，CAN總線功能的實現(xiàn)取決于CAN通信程序的質(zhì)量，在對CAN通信協(xié)議進行軟件設計時，考慮到通信過程實現(xiàn)于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，需根據(jù)實際需要制定CAN應用層協(xié)議，并定義CAN通信的優(yōu)先級(以標識符分配及其ID大小為依據(jù))[4]。

3.2.1 CAN控制器初始化

系統(tǒng)通電后控制器復位到Configuration模式，需完成初始化后運行，以MCP2510初始化設置為例：MCP2510的片選CS從S3C2410芯片處接收到一個低電平后(通過設置SPI串口完成)，開始完成包括使能中斷、過濾器、收發(fā)緩沖區(qū)在內(nèi)的MCP2510初始化處理，為有效避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾允艿接绊?，需將一段延時程序添加到任一完成的操作后?？刂破鲾?shù)據(jù)讀寫及總線初始化的主要函數(shù)如下。

s3c2410_mcp2510_write(data);

s3c2410_mcp2510_read(data);

s3c2410_mcp2510_ioctl(data)。

3.2.2 CAN報文收發(fā)流程

報文收發(fā)流程,如圖5所示。

(a) 發(fā)送流程

發(fā)送程序：先對緩沖區(qū)的空閑狀態(tài)進行判斷，需在釋放非空閑的緩沖區(qū)后再將數(shù)據(jù)寫入，并對待發(fā)送數(shù)據(jù)的報文格式進行檢測，在滿足格式要求的情況下才進行置位，然后啟動發(fā)送程序；接收程序：比發(fā)送程序更復雜，需在實現(xiàn)接收功能的同時，完成對溢出及錯誤報警等信息及時準確的接收。本文選擇中斷接收方式，以有效滿足制動系統(tǒng)對通信實時性的高要求，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)(由控制器接收)滿后觸發(fā)中斷，將接收報文中斷請求傳輸至處理器，在此基礎上完成報文接收[5]。

3.3 電子機械制動系統(tǒng)性能優(yōu)化

對于系統(tǒng)制動力最優(yōu)分配問題，由于制動閥平衡力是影響系統(tǒng)制動壓力大小的主要因素，制動閥的振動響應(包括水平和豎直方向)決定著制動力分配情況，可直接考慮優(yōu)化系統(tǒng)的制動壓力響應。假設，制動閥激振力矩由Me表示，其所受制動激振力分別由Fex(水平方向)和Fey(豎直方向)表示，Δ1x、Δ2x、Δ3x表示機身水平方向的振動響應，Δ1y、Δ2y、Δ3y表示豎直方向的振動響應，Δx、Δy表示制動閥在水平及豎直振動響應[6]，如式(1)。

(1)

制動閥受振動響應的加權系數(shù)由γx，γy表示，制動力綜合平衡優(yōu)化模型K的表達式(以系統(tǒng)性能優(yōu)化目標及約束函數(shù)為依據(jù)),如式(2)。

K=γxΔx+γyΔy

(2)

結合制動閥的動態(tài)響應(由單位簡諧激振引起，包括水平和豎直方向)和階分量振幅(由水平激振力引起)，得到由激振力引起的制動閥的振動響應，其中求取水平振動響應的過程為：制動系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，由cos(nωt)表示簡諧載荷(第n階水平方向所受載荷)，其所引起的制動閥水平方向的振動響應由σ1nx表示、豎直方向由σ1ny表示，則第n階水平方向制動閥的動態(tài)響應(由單位簡諧激振引起)σ1x和σ1y的表達式[7],如式(3)。

(3)

由此可知,在簡諧激振力的作用下，制動系統(tǒng)結構決定著制動閥的動態(tài)響應，假設，水平方向上的振幅由axn表示，豎直方向上的振幅由bxn表示，由Fex引起的制動閥的n階分量振幅的表達式,如式(4)。

(4)

(5)

同理可得到,制動閥受豎直激振力的動態(tài)響應及振動響應，在此基礎上求取合振動響應，再通過求解式(2)實現(xiàn)對制動系統(tǒng)性能的有效優(yōu)化。

4 系統(tǒng)性能模擬實驗

電子機械制動系統(tǒng)采用AQMD2410型號的電動機驅(qū)動器，采用KTR-A位移傳感器(位移范圍在0～100 mm間)，采用JYVS-DC電壓傳感器(電壓范圍在0～30 V間)，采用AKC-11力矩傳感器(力矩范圍在0～50 N·m間)。通過模擬實驗測試系統(tǒng)性能，電動機電壓同踏板位移間的關系,如圖6所示。

圖6 踏板位移與電樞電壓關系

二者存在線性關系，說明由ECU處理后的踏板位移信號(通過踏板位移傳感器獲取)經(jīng)由電動機驅(qū)動后產(chǎn)生了正常合理的電樞電壓。電動機輸出力矩與踏板位移間的關系,如圖7所示。

圖7 踏板位移與電動機輸出力矩關系

二者同樣存在線性關系，說明本文系統(tǒng)有效克服了磁滯缺陷。執(zhí)行機構負載特性(制動盤壓力與絲杠位移的關系),如圖8所示。

圖8 執(zhí)行機構負載特性曲線

負載特性曲線較為光滑，制動盤壓力同絲杠位移成正比并且存在函數(shù)關系。擬合與實測結果重合良好，證明執(zhí)行機構具有良好的負載能力[8]。

5 總結

通過在制動領域使用相應的線控技術形成的電子機械制動系統(tǒng)，在確保車輛行駛安全中發(fā)揮著重要作用，本文主要對汽車電子機械制動系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，借助CAN總線通信的優(yōu)勢構建了一種模塊化的系統(tǒng)設計方案，提高了系統(tǒng)的可擴展性，傳輸距離較遠的CAN總線在糾錯能力、通信效率、實時性、容錯性方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢，能夠在制動過程中高效準確的完成大量信息的采集和處理，有效提高了對左右后輪的控制質(zhì)量及效率，可有效滿足電子機械制動系統(tǒng)的差分收發(fā)需求，降低了操作難度，同時提高了系統(tǒng)的響應速度及控制精度避免系統(tǒng)受到環(huán)境的干擾。從而保證車輛駕駛過程更加安全舒適。