(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 車輛運用工程系，煙臺 264000)

0 引言

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]。

1 ECPB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及通訊架構(gòu)

1.1 原理

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]。

1.2 通訊架構(gòu)

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]。

2 系統(tǒng)的動力學(xué)特性

(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)

3 駐車控制模塊通訊的實現(xiàn)

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]。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 取樣車輛參數(shù)

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。

4.2 緊急制動性能仿真及結(jié)果

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]。

5 總結(jié)

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。