電子真空助力器控制系統(tǒng)及方法

侯聰聞,柳恩芬,張世強(qiáng),單國志,宋 巍,成 功,石 強(qiáng)

(吉林東光奧威汽車制動系統(tǒng)有限公司 研發(fā)部中心,長春130012)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,無人駕駛成為新的發(fā)展趨勢,使人們出行更加快捷、方便,而對新能源車和傳統(tǒng)燃油汽車,剎車制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是必須具備的功能之一。電子真空助力器[1-3]作為汽車智能駕駛、無人駕駛或AEB(Autonomous Emergency Braking)制動執(zhí)行機(jī)構(gòu),并提供制動,同時要求電子真空助力器必須保證安全、可靠實(shí)現(xiàn)制動或使車輛停止。在車輛行駛中,若處于無人駕駛或AEB模式時,要想實(shí)現(xiàn)車輛制動減速或停車,需要電子真空助力器主動制動或人踩電子真空助力器制動時輸出液壓力,通過液壓管路連接制動卡鉗,液壓力推動卡鉗加緊制動盤,從而實(shí)現(xiàn)車輛減速或停止。電子真空助力器控制系統(tǒng)及溫度模塊控制系統(tǒng)起關(guān)鍵作用,控制系統(tǒng)解決電磁閥控制,實(shí)現(xiàn)真空腔和大氣腔兩腔壓差,實(shí)現(xiàn)主動增壓[4-5];溫度模塊解決汽車無人或智能駕駛時,長時間主動制動或下坡主動制動情況下,使電磁閥的溫度升高,驅(qū)動電路減小,導(dǎo)致控制電磁閥無法打開,引起制動力不足或制動失效等問題。

筆者提出一種解決電子真空助力器主動剎車控制方法,為汽車無人駕駛、智能駕駛提供剎車制動。在電子真空助力器長時間主動制動時,電磁閥溫度升到160℃以上,則電磁力衰退,電磁閥逐漸向后回退,導(dǎo)致電子真空助力器主動制動主缸壓力逐漸減小,即汽車主動制動衰減或失效。為解決制動衰減,使用筆者溫度模型和控制系統(tǒng),其工作原理為整車控制器的電控單位根據(jù)需求,命令電子真空助力器主動制動,電子真空助力器電控單元接收到命令后,控制電子真空助力器實(shí)現(xiàn)主動制動。由于路況或工況不同,正在行駛智能汽車(或無人駕駛汽車)處于長時間制動或下坡制動狀態(tài),溫度模型電路實(shí)時采集反饋電流和壓力,然后傳送給電磁閥溫度模塊算法,溫度模塊根據(jù)時間、電流、溫度插值表算出最終值,傳送給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過優(yōu)化制動壓力算法,執(zhí)行制動并報警。實(shí)現(xiàn)汽車自動減速或停止功能。電子真空助力器也可以人踩制動踏板實(shí)現(xiàn)制動[6]。

1 制動工作原理

電子真空助力器在整車布置如圖1所示。工作原理是,電子控制單元接收到制動命令(或人踩制動踏板)后,通過真空罐、真空泵控制器和真空泵提供真空源給電子真空助力器產(chǎn)生液壓力,液壓力通過制動管路傳輸?shù)角坝臆囕?、電子控制單元、后右車輪和后左車輪卡鉗[7]使車輛減速或停止。

圖1 電子真空助力器在整車布置Fig.1 Layout of electronic vacuum booster in the whole vehicle

圖1中,1為真空罐,2為電子真空助力器,3為前右車輪,4為電子控制單元,5為后右車輪,6為后左車輪,7為上電開關(guān),8為制動踏板,9為前左車輪卡鉗,10為真空泵,11為真空泵控制器,12為制動管路。

2 控制器工作原理圖

控制器工作原理圖如圖2所示。電控單元控制器工作過程為電池提供電壓(12 V),經(jīng)過保險絲,其中一部分輸入給電壓轉(zhuǎn)換和監(jiān)控芯片模塊,通過電源安全控制模塊降壓至5 V和3.3 V,為MCU(Microcontroller Unit)、液壓力傳感器、CAN(Controller Area Network)總線模塊、電磁閥驅(qū)動模塊和安全監(jiān)控模塊等供電,另一部分輸入給場效應(yīng)管驅(qū)動管模塊提供電流源。

圖2 控制器工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of the controller unit

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時采集各種信號,當(dāng)通過CAN收到制動命令后,單片機(jī)控制場效應(yīng)管同時根據(jù)實(shí)際壓力控制電磁閥驅(qū)動模塊,電磁閥驅(qū)動模塊與電池閥連接,電流流過電磁閥并使其打開,實(shí)現(xiàn)主動增壓。電流從電源經(jīng)過保險絲、場效應(yīng)管、電磁閥驅(qū)動芯片、電磁閥、到電源地線,當(dāng)電磁閥通過電流時,電磁閥開始工作,在整個過程中,安全監(jiān)控實(shí)時監(jiān)控各個模塊異常,一旦發(fā)現(xiàn)異常問題,發(fā)送給單片機(jī)做備緊急處理[8-9]。

3 電磁閥溫度電路模塊

電磁閥溫度電路模塊原理如圖3所示,當(dāng)單片機(jī)接收到制動命令后,控制單片機(jī)控制場效應(yīng)管工作端口和驅(qū)動芯片使控制端口處于高電平狀態(tài),單片機(jī)輸出PWM(Pulse Width Modulation)到單片機(jī)輸出PWM端口使電磁閥控制器端口輸出電流,同時單片機(jī)電流計(jì)算端口計(jì)算出電流,與電流溫度表配合計(jì)算出電磁閥溫度[10]。

圖3 電磁閥溫度電路模塊Fig.3 Temperature circuit module of solenoid valve

4 程序功能流程圖

當(dāng)車輛處于自動駕駛或無人駕駛模式時,接收到制動命令后,程序首先要通過識別模式判斷是否長時間制動,如果不是長時間制動,就進(jìn)入正常制動模式(人工駕駛制動模式);否則,進(jìn)入長時間制動模式,其判斷條件為:安全監(jiān)控(判斷是否有故障信息),坡度模塊(識別上坡或下坡),電流-溫度插值表,釋放開關(guān)檢測,電流反饋等信息。進(jìn)入長時間制動模式后,首先發(fā)出報警指示,如果車輛有駕駛員,進(jìn)入人工駕駛;如果無人駕駛,要判斷車速、溫度、路面摩擦系數(shù)、期望壓力和實(shí)際壓力,通過安全策略控制壓力增減。圖4為程序功能流程圖。

圖4 程序功能流程圖Fig.4 Flow chart of program function

5 安全監(jiān)控

5.1 12 V電壓監(jiān)控

5.2 坡度模型監(jiān)控

通過AIS1120SX芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)將故障傳輸給單片機(jī)監(jiān)控,如果有故障坡度模型失效,報警。

6 坡度模型

通過傳感器和單片機(jī)軟件計(jì)算,最終得出汽車是上坡還是下坡,在多大的坡道上行駛。

圖5 坡度計(jì)算Fig.5 Slope calculation

7 溫度轉(zhuǎn)換模塊

7.1 電流-溫度-時間插值

溫度模塊計(jì)算,通過單片機(jī)計(jì)算電流反饋和時間,通過插值(見表1)計(jì)算出溫度。通過大量實(shí)驗(yàn),得到電磁閥在-50~-70 kPa真空狀態(tài)時的電流-溫度-時間數(shù)據(jù)曲線,如圖6所示。測試方法是在電子真空助力器電磁閥上增加溫度傳感器、在驅(qū)動線上增加電流傳感器、在助力器上增加真空度傳感器等信號傳輸給單片機(jī),并在實(shí)車上測試,得到數(shù)據(jù)。

圖6 電流-溫度-時間插值曲線Fig.6 Current-temperature-time interpolation curve

表1 電流-溫度-時間表Tab.1 Current-temperature-time schedule

插值法是函數(shù)逼近的一種重要方法,它根據(jù)已知的數(shù)據(jù)序列(也可以理解為坐標(biāo)中一連串離散的點(diǎn)),找到其中的規(guī)律;然后根據(jù)找到的規(guī)律,對其中尚未有數(shù)據(jù)記錄的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值估計(jì),該估算值可無限接近真實(shí)值,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對估算值和實(shí)際值設(shè)定誤差范圍,也可以對數(shù)據(jù)中的缺失進(jìn)行合理的補(bǔ)償。

線性插值原理。已知數(shù)據(jù)(x0,y0)與(x1,y1),要計(jì)算[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在曲線上的y值,但實(shí)際值是Y=y+Δy,Δy可以無限小,Y≈y,如圖7所示。

圖7 插值圖Fig.7 Interpolation chart

7.2 電流反饋計(jì)算

8 報 警

在程序中設(shè)置報警標(biāo)記位,若有故障,故障標(biāo)記為通過CAN總線發(fā)送到汽車儀表盤,儀表盤燈亮,或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到智能網(wǎng)絡(luò)調(diào)動中心處理。

9 開環(huán)壓力控制

在制動過程中,計(jì)算出電磁閥溫度在160℃后,單片機(jī)輸出100%PWM,保持10 s,使電磁閥全部打開,最大范圍增加液壓力,然后輸出60 PWM,保持5 min使車輛停止,整個過程就是開環(huán)壓力控制(見圖8)。

圖8 開環(huán)控制Fig.8 Open-loop control

10 安全策略

在制動過程中,若出現(xiàn)電磁閥溫度過高,則利用開環(huán)壓力控制,使車輛停止,通過CAN總線請求EPB(Electrical Park Brake)配合、駐車,同時控制器尾燈閃爍。等待車輛停止20 min后,使電磁閥溫度降低,車輛可以繼續(xù)行駛。

11 結(jié) 語

筆者通過論述、研究實(shí)現(xiàn)對電子真空助力器控制,并完成智能汽車主動剎車,實(shí)現(xiàn)ADAS(Advanced Driving Assistance System)、AEB、輔助制動、主動避讓等系統(tǒng)的剎車制動功能,通過溫度模塊、坡道模塊和跛行模式完善無人駕駛在長時間下坡制動工況下,由于電磁閥線圈發(fā)熱導(dǎo)致失效情況或制動不足等問題安全設(shè)計(jì),為ADAS制動提供更可靠保障。