(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 車輛運用工程系,煙臺 264000)
為代替汽車機械式手剎裝置,對于車輛駐車的控制,ECPB執(zhí)行器及其控制系統(tǒng)可通過電子控制實現(xiàn),從而使坡道起步溜車等風(fēng)險得到有效避免,目前國內(nèi)由于技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán)等的限制,許多國產(chǎn)車輛無法安裝該項新技術(shù)裝置,因此對車輛電控駐車制動系統(tǒng)的控制方法進行研究是目前的研究重點[1]。
汽車電控駐車制動系統(tǒng)主要由永磁式無刷直流電機、電控駐車制動模塊(ECPB ECU)、制動器及鋼絲拉索組成,ECPB系統(tǒng)的工作原理為:通過CAN總線實現(xiàn)電控駐車制動模塊的信號控制端與車身電子穩(wěn)定模塊(ESP ECU)與連接;永磁體無刷電機電信號連接制動模塊的指令輸出端,當(dāng)永磁體無刷電機通電后處于工作狀態(tài)時,空心轉(zhuǎn)子(空心轉(zhuǎn)子的輸出端設(shè)計有蝸套)在旋轉(zhuǎn)的永磁體的帶動下隨之旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動連接著駐車?yán)饕欢说奈仐U開始轉(zhuǎn)動,駐車制動器連接著蝸桿的另一端,鋼索直線運動通過蝸桿傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)變其旋轉(zhuǎn)運動即可實現(xiàn),最后制動鼓在制動摩擦片的作用下產(chǎn)生制動力,實現(xiàn)車輛駐車過程。當(dāng)需停止駐車制動時,制動摩擦片在電機反轉(zhuǎn)的作用下得以釋放,降低制造成本及操作的復(fù)雜性,在進行 ECPB改裝時可以充分利用現(xiàn)有的前盤后鼓式制動器的車型,此種方法還能夠提高駐車的性能,確保駐車控制系統(tǒng)的安全性和可靠性,具有較大的潛在應(yīng)用前景[2]。
永磁式電控駐車制動系統(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)動機ECU、網(wǎng)關(guān)ECU、轉(zhuǎn)向盤模塊ECU等。ECPB的運行由ESP控制器通過CAN通訊實現(xiàn)控制過程,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要組成部分為:CAN CAR車身網(wǎng)、CAN動力IS網(wǎng)、CAN CONF舒適網(wǎng);車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、駐車制動開關(guān)、加速踏板位置、離合器位置、制動力傳感器、變速器位置(受控)、道路坡度信號等信號的采集過程則由ECPB控制器負(fù)責(zé)完成,并將采集到的信號進行分析和計算后,以控制指令的形式完成輸出,無刷電機接收到這些控制指令后完成對鋼索運動的驅(qū)動,從而使駐車功能得以實現(xiàn)[3]。
(1)電機轉(zhuǎn)矩
當(dāng)駐車過程經(jīng)過永磁體無刷電機繞阻時由Iqf(A)表示其所產(chǎn)生的電流值,由ξ表示無刷電機的電極對數(shù),由θ表示電極的爪系數(shù),由φqf表示每個磁極的磁通量,由n表示每相串聯(lián)的匝數(shù),用Tas表示電機在工作狀態(tài)時的輸出總轉(zhuǎn)矩,用T∑w表示承受的外部總轉(zhuǎn)矩,二者相等[4],具體表達如式(1)。
(1)
各車輪的駐車制動力由駐車環(huán)境自動施加,制動力隨著制動鼓與摩擦片間接觸面積的增大而增大,此時處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的無刷直流電機輸出軸端的輸出轉(zhuǎn)矩仍由T∑w表示,無刷直流電機輸出軸端由Tdz表示其堵轉(zhuǎn)總轉(zhuǎn)矩,滾動軸承、蝸套、蝸桿間的傳動效率則由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比由iω表示(取值為1)[5],無刷直流電機軸端的轉(zhuǎn)矩在此種狀態(tài)下的計算式可表達如式(2)。
(2)
(2)駐車鋼索最大拉力的確定
鋼索的拉力最大值為國家標(biāo)準(zhǔn)值與手剎放大系數(shù)的積,在具體計算過程中需將安全系數(shù)考慮在內(nèi)。用Tas表示無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩,由D表示傳動蝸桿的芯軸直徑,在永磁式電控駐車制動系統(tǒng)中,t為螺紋軸距,則連接鋼索的傳動蝸桿拉力的計算式如式(3)。
(3)
(3)車輛的駐車制動力的確定
用α表示道路的坡度角,如果車輛在其上駐車,根據(jù)實際的停車需要,同時參考汽車機械設(shè)計的計算方法,完成駐車制動力的確定,車輛的總質(zhì)量為滿乘員同行李艙最大載重之和,具體由Mmax表示車輛最大總質(zhì)量,車輪的滾動半徑用Rω表示,滾動摩擦系數(shù)用μ表示,r為后制動鼓半徑用,手剎的放大系數(shù)用kz表示,具體表達式如式(4)。
(4)
(4)車輛動態(tài)制動運動學(xué)模型
在實際駕駛過程中易出現(xiàn)一些緊急情況,需要駕駛員進行緊急制動,此時需系統(tǒng)參與完成緊急制動,則可通過長按ECPB按鈕實現(xiàn),結(jié)合運動學(xué)原理,根據(jù)車輛制動系統(tǒng)設(shè)計要求,制動距離用Sqa表示,制動開始前的車速用V0表示,消除車輛制動間隙耗時為τb1,在車輛持續(xù)制動階段用uqs表示其平均減速度,制動器制動力增加的時間用τb2表示[6]。具體的制動距離、時間與初速度的關(guān)系表達式如式(5)。
(5)
ECPB的運行需以獲取ESP控制器發(fā)出的指令為準(zhǔn),ECPB電控駐車制動的工作模式包括:手動駐車,通過ECPB開關(guān)的操作實現(xiàn);自動駐車,車輛在發(fā)動機熄火后自動施加駐車功能,改功能在車輛起步后則會自動釋放;通過ECPB開關(guān)的操作實現(xiàn)動態(tài)制動,使行駛狀態(tài)的車輛停駐,并在駐車期間監(jiān)控車輛移動情況。(1)當(dāng)ECPB需同ESP通訊時,在駐車過程中發(fā)送的數(shù)據(jù)信息包括:在牽引鋼索上的制動力信息,應(yīng)用自動駐車功能(駐車制動器)的實時狀態(tài),駐車制動器工作狀態(tài)及故障診斷信息。
(2)ESP需同ECPB通訊時,需發(fā)送無刷電動機旋轉(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)車輛的重量、道路坡度等信息,請求ESP駐車指令,通過ECPB控制開關(guān)的使用實現(xiàn)獲取或解除駐車制動力;ESP控制器在車輛需持續(xù)制動或使ECPB獨立工作時需向ECPB發(fā)出指令。
汽車電控駐車制動系統(tǒng)硬件構(gòu)成部分包括驅(qū)動執(zhí)行電路、單片機、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駐車系統(tǒng)邏輯框圖
中央控制器使用單片機完成車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速、含側(cè)向和縱向加速度信號的坡道角度、變速器位置(受控)、駐車開關(guān)、油門位置、離合器位置等信號的采集和計算分析,然后發(fā)給執(zhí)行電機驅(qū)動鋼索完成駐車過程。在駐車時ECPB系統(tǒng)控制器的工作流程,如圖2所示[7]。
為檢測本文所設(shè)計的車輛電控駐車制動系統(tǒng)的控制方法的有效性,取樣車輛(額定功率85千瓦)動力型號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)上進行緊急制動,對兩臺車輛的制動距離及時間進行仿真測試。
需在進一步仿真分析的基礎(chǔ)上對ECPB系統(tǒng)的緊急制動效果進行評價,根據(jù)上文表達式完成對駐車時系統(tǒng)需考慮的策略要素(電機電流、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、力矩、轉(zhuǎn)速和鋼索拉力)的分析,根據(jù)建立的車輛緊急制動的運動模型,對制動初速度進行設(shè)置(范圍為0~35 km/h),對兩臺車輛的緊急制動距離和時間的仿真計算通過使用Matlab軟件完成,緊急制動距離、時間隨制動初速度變化的響應(yīng)曲線,如圖3所示。
圖2 駐車控制器運行流程
參數(shù)名稱數(shù)值最大整備質(zhì)量/kg1 670總長/mm4610總寬/mm1 770軸距/mm2 720前懸/mm960后懸/mm950最大爬坡度/%>20最高車速/(km·h-1)185制動性/m<17
圖3 緊急制動距離和時間仿真結(jié)果
圖中的線Ⅰ和線Ⅱ分別表示未配備ECPB的車輛和已配備ECPB的車輛仿真測試的輸出結(jié)果,說明配備ECPB的車輛性能更好。為對曲線Ⅰ、Ⅱ的差異做進一步說明,緊急制動在制動初速度為每小時25 km時實施,測量停車水平距離表明安裝ECPB的車輛比未配備ECPB的車輛縮短了410 mm;緊急制動在制動初速度為每小時30 km時實施,測試結(jié)果為安裝ECPB的車輛的停車水平距離更短(比未配備ECPB的車輛縮短了1 020 mm),超過取樣車型前懸的距離,進一步證明了應(yīng)用ECPB的優(yōu)勢所在,在緊急制動時,本文設(shè)計的系統(tǒng)可有效降低追尾或事故發(fā)生的概率,從而使車輛安全性得以提高[8]。
本文主要對車輛電控駐車制動系統(tǒng)的控制方法進行研究,執(zhí)行器及其系統(tǒng)的核心模塊為永磁式無刷直流電機,并對其通訊結(jié)構(gòu)進行闡述,在對電控駐車的動力學(xué)特性進行分析的基礎(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)的駐車制動系統(tǒng)的控制方法,完成車輛動態(tài)制動運動學(xué)模型的構(gòu)建,結(jié)合駐車主動安全技術(shù)(ESP要求)的運用,據(jù)此完成了電控駐車制動系統(tǒng)控制方法的設(shè)計,為電控駐車制動系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。