王藝帆，趙治國(guó)，楊 杰

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海201804）

車輛防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)可防止由于制動(dòng)力過(guò)大所造成的車輪抱死現(xiàn)象，其可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力使車輪滑移率保持在最佳滑移率附近，以提高車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性，并縮短制動(dòng)距離。

近年來(lái)，混合動(dòng)力汽車受到了各大汽車制造公司的廣泛關(guān)注，而制動(dòng)能量回饋技術(shù)對(duì)其節(jié)能效果有重要影響。根據(jù)液壓（或氣壓）制動(dòng)系統(tǒng)輪缸壓力是否可以準(zhǔn)確控制，可將制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩類。目前，國(guó)內(nèi)外所研發(fā)的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)大多采用串聯(lián)式方案[1]。本文基于之前進(jìn)行的四驅(qū)混合動(dòng)力轎車串聯(lián)式電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)研究[2]，采用配備輪缸壓力傳感器的串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)了ABS控制器，可采集輪缸壓力，實(shí)現(xiàn)ABS液壓控制功能，為電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

1 混合動(dòng)力車制動(dòng)系統(tǒng)原理

混合動(dòng)力車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)在確保制動(dòng)安全性和舒適性的前提下，要求最大程度地回收制動(dòng)能量。典型的再生制動(dòng)控制策略有理想制動(dòng)力分配控制策略、最佳制動(dòng)能量回收控制策略和并行制動(dòng)能量回收控制策略[3]。本文論述的串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)利用改進(jìn)的理想制動(dòng)力分配控制策略，能夠有效地回收制動(dòng)能量。該制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

整車控制器根據(jù)制動(dòng)踏板信號(hào)、車速信號(hào)等確定駕駛員需求，根據(jù)制動(dòng)力分配策略確定液壓制動(dòng)力矩與再生制動(dòng)力矩，并將信號(hào)發(fā)給送ABS控制器與再生制動(dòng)電機(jī)控制器。ABS控制器根據(jù)制動(dòng)力矩需求，控制ABS電磁閥和電機(jī)，通過(guò)傳感器測(cè)量輪缸壓力，精確調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力。再生制動(dòng)電機(jī)控制器根據(jù)整車控制器分配的制動(dòng)力矩需求，控制ISG電機(jī)和輪轂電機(jī)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，最大程度地回收制動(dòng)能量。當(dāng)通過(guò)輪速傳感器檢測(cè)到車輛有抱死趨勢(shì)時(shí)，只采用液壓制動(dòng)，執(zhí)行ABS控制器的防抱死策略，保證車輛穩(wěn)定性。

2 ABS控制器硬件設(shè)計(jì)

車輛制動(dòng)時(shí)的液壓制動(dòng)力由ABS控制器調(diào)節(jié)，該控制器硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器、信號(hào)調(diào)理電路、ABS電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、ABS泵驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路等組成。圖2為該控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 ABS控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

其中控制器選用TI公司C2000系列的TMS320F28335型數(shù)字型號(hào)處理器（DSP）。它是一款32位浮點(diǎn)DSP控制器，主頻可達(dá)150 MHz，片內(nèi)含256 KB的Flash存儲(chǔ)器，16個(gè)精度為12位的A/D轉(zhuǎn)換通道，包含高分辨率脈寬調(diào)制模塊和事件捕捉輸入口，內(nèi)核電壓為1.9 V，I/O引腳電壓為3.3 V。它具有運(yùn)算快、精度高、數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)量大、外設(shè)集成度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[4]。它能夠快速采集處理輪速信號(hào)和制動(dòng)缸壓力信號(hào)，與整車控制器和再生制動(dòng)電機(jī)控制器實(shí)時(shí)通訊，根據(jù)液壓控制策略調(diào)節(jié)ABS電磁閥及泵。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

ABS控制器采集的外部信號(hào)主要包括輪速傳感器信息和輪缸壓力傳感器信息。其信號(hào)調(diào)理電路包括車輪速度信號(hào)處理電路和輪缸壓力A/D采樣電路。

在車輛行駛過(guò)程中,隨車輪一起旋轉(zhuǎn)的齒輪使輪速傳感器輸出一系列頻率與輪速成正比的正弦電壓信號(hào)。該原始信號(hào)存在較多干擾成分，需經(jīng)過(guò)低通濾波、比較、整形等組成的輪速信號(hào)處理電路后,變成DSP可以直接處理的方波信號(hào)。單路輪速信號(hào)處理電路如圖3所示。輪速信號(hào)首先經(jīng)過(guò)RC濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，變?yōu)?～3 V之間的周期信號(hào)；然后通過(guò)運(yùn)放TLV2254AID得到0～3.3 V的方波信號(hào)，其中參考電壓通過(guò)分壓電阻得到；最后經(jīng)過(guò)兩個(gè)施密特觸發(fā)器SN74VC14整形處理得到規(guī)則的0～3.3 V方波信號(hào)，輸送到DSP的事件捕捉輸入口，進(jìn)行處理計(jì)算。

輪缸壓力信號(hào)由壓力傳感器采集，經(jīng)過(guò)低通無(wú)源濾波后通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓跟隨、阻抗變換和高頻噪聲濾波，再經(jīng)過(guò)RC低通濾波，最終輸出到DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入口。

2.2 電磁閥及泵驅(qū)動(dòng)電路

汽車ABS電磁閥的工作電壓一般為12 V或24 V，工作電流一般在1.5 A～2.5 A之間，而TMS320F28335控制芯片的輸出電流遠(yuǎn)達(dá)不到這一要求。因此，本文的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路選用了Motorola公司推出的高端驅(qū)動(dòng)器MC33289，其工作電壓范圍為6.0 V～27 V，輸出電流范圍為0～4 A，工作溫度范圍為-40℃～+125℃，同時(shí)還具有過(guò)熱、短路、過(guò)壓及欠壓保護(hù)和故障診斷等功能，能夠滿足電磁閥驅(qū)動(dòng)要求。

基于MC33289高端驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。其供電電壓為12 V，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁閥，電磁閥驅(qū)動(dòng)接口分別為SNV_OUT1和SNV_OUT2；電磁閥控制信號(hào)為PWM信號(hào)，由TMS320F28335的ePWM模塊輸出，其中EPWM1A控制SNVOUT1的輸出，EPWM2A控 制SNVOUT2的 輸 出；ST1和ST2為錯(cuò)誤檢測(cè)，可以檢測(cè)過(guò)溫、過(guò)電流、過(guò)壓、欠壓等，TMS320F28335根據(jù)其電平的高低狀態(tài)來(lái)判斷MC33289是否處于正常工作狀態(tài)。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

ABS回液泵的啟動(dòng)工作電流較大，因此ABS電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用由1個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)芯片TLE6284G和4個(gè)MOSFET管組成的方案。TLE6284G是英飛凌公司生產(chǎn)的專注于驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)的集成芯片，包含過(guò)熱、欠壓、短路等檢測(cè)功能，它適應(yīng)大電流的工作環(huán)境，能有效驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 基于自動(dòng)代碼生成的軟件設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)汽車電子嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用V模式的開發(fā)方式將系統(tǒng)工程學(xué)原理應(yīng)用于現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，是一種循環(huán)的設(shè)計(jì)模式。它采用基于模型的開發(fā)方法，精簡(jiǎn)了對(duì)象描述，簡(jiǎn)化文檔管理和分析，縮短了開發(fā)周期，可有效降低設(shè)計(jì)成本。其中自動(dòng)代碼生成處于V模式的底層，是整個(gè)開發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵一步，可實(shí)現(xiàn)開發(fā)過(guò)程中的嵌入式代碼的快速生成[5]。

圖5為本文在ABS控制器軟件開發(fā)中，基于Matlab/Simulink的DSP自動(dòng)代碼生成流程。首先基于系統(tǒng)的功能要求，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)離線仿真模型，并且進(jìn)行仿真分析，使用Simulink調(diào)試器檢查仿真結(jié)果以及定位和診斷模型中的意外行為；仿真結(jié)果得到驗(yàn)證后便可通過(guò)Simulink中的Target of TI C2000工具箱，建立針對(duì)F28335控制器的嵌入式模型；利用RTW(Real-time Workshop)技術(shù)，可自動(dòng)生成面向編譯器的C語(yǔ)言工程文件；使用TI公司的編譯器CCS，進(jìn)一步完成編譯連接和下載，最終在控制器上運(yùn)行。

圖5 DSP自動(dòng)代碼生成流程圖

基于上述自動(dòng)代碼生成的軟件設(shè)計(jì)方案，使用Matlab/Simulink搭建了針對(duì)F28335控制器的嵌入式模型，如圖6所示。模型中包括F28335 eZdsp模塊、輪速采集、壓力采集模塊、CAN通訊模塊、ABS液壓控制模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和CCP標(biāo)定模塊。此模型經(jīng)過(guò)Maltb/Smulink編譯后，可生成面向F28335 DSP的C代碼，在Flash中單獨(dú)運(yùn)行。

4 硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證

在電液復(fù)合制動(dòng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行ABS控制器的調(diào)試與驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)利用MK20I型ABS作為液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變其控制器接口，可使用自主設(shè)計(jì)的ABS控制器來(lái)控制電磁閥和電動(dòng)機(jī)，保證了液壓調(diào)節(jié)可靠性并減少了試驗(yàn)成本；液壓源為自主設(shè)計(jì)的液壓泵，其輸出壓力在0～20 MPa范圍內(nèi)可調(diào)；采用實(shí)車制動(dòng)輪缸及制動(dòng)盤，通過(guò)液壓管路與ABS和液壓泵相連；壓力傳感器測(cè)量四輪缸壓力，并發(fā)送到ABS控制器；通用控制器Autobox模擬整車仿真系統(tǒng)，與ABS控制器進(jìn)行通訊，提供制動(dòng)盤制動(dòng)力矩、模擬車速和車輪轉(zhuǎn)速等；監(jiān)控主機(jī)可對(duì)Autobox和ABS控制器內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)整。圖7為ABS硬件在環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

試驗(yàn)的初始車速為30 m/s，路面的最大附著系數(shù)為0.8，最佳滑移率為0.13。采用基于最佳滑移率的控制算法，發(fā)出控制指令，控制液壓調(diào)節(jié)單元，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。如圖8所示，滑移率維持在最佳滑移率0.13左右，只有在車速較低時(shí)，開始出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明該控制器可有效完成ABS防抱死工作。

圖8 硬件在環(huán)仿真曲線

本文應(yīng)用F28335型DSP開發(fā)設(shè)計(jì)了基于混合動(dòng)力車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的ABS控制器。介紹了混合動(dòng)力車制動(dòng)系統(tǒng)原理，由此設(shè)計(jì)了ABS硬件電路。采用V模式的開發(fā)方式，基于自動(dòng)代碼生成技術(shù)，搭建嵌入式Simulink模型，并生成可執(zhí)行代碼。在已開發(fā)的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了控制器的可行性，為將來(lái)研究復(fù)合制動(dòng)策略與進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

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