余娟

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系， 山東 煙臺(tái) 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(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)安全性能對(duì)汽車安全產(chǎn)生直接影響，行駛中的汽車的制動(dòng)系統(tǒng)在外力(如制動(dòng)器、輪胎及車輛旋轉(zhuǎn)等)作用下易形成縫隙，進(jìn)而導(dǎo)致汽車制動(dòng)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(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)之一，通過實(shí)用有效的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)減小車輪抱死時(shí)的制動(dòng)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(yīng)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(duì)汽車安全性能的要求不斷提高。目前汽車的制動(dòng)性能已成為衡量汽車的安全性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)所使用的液壓制動(dòng)模式的管路較多，普遍存在制動(dòng)響應(yīng)速度慢、制動(dòng)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(shù)的電子機(jī)械制動(dòng)(EMB)系統(tǒng)得以不斷發(fā)展和完善，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能更加穩(wěn)定可靠，使制動(dòng)液泄漏問題得以有效避免，操作方便且響應(yīng)速度快，具有體積小、性價(jià)比高、安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已成為汽車制動(dòng)行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)采集到的汽車電子制動(dòng)踏板及相應(yīng)傳感器信號(hào)(具體通過其中心控制模塊完成)，結(jié)合運(yùn)用相應(yīng)的控制算法完成目標(biāo)制動(dòng)力的準(zhǔn)確獲取，再通過總線傳輸信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的有效控制。但由于在線控制動(dòng)過程中所需采集和處理的信息量較大，這就對(duì)控制信號(hào)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(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的差分收發(fā)、實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性需求，極大的提高了系統(tǒng)的傳輸距離以及糾錯(cuò)能力，且具有較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力，可有效彌補(bǔ)線控制動(dòng)通信方式的不足[1]。

2 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制動(dòng)泵作為制動(dòng)系統(tǒng)的重要部件在出現(xiàn)故障問題時(shí)，受到減小的制動(dòng)系統(tǒng)摩擦力的影響會(huì)不同程度的降低制動(dòng)力，并且發(fā)送故障的制動(dòng)泵會(huì)對(duì)汽車回油產(chǎn)生一定的阻礙，導(dǎo)致在面對(duì)行駛過程中出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況時(shí)難以快速作出反應(yīng)，使行車安全性降低。快速發(fā)展完善的汽車結(jié)構(gòu)及功能對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求，本文主要對(duì)汽車電子機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，在分析了CAN總線優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)需求，通過CAN總線的使用完成一種電子機(jī)械制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的構(gòu)建，所設(shè)計(jì)的基于CAN總線的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。

圖1 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

主要由ECU、車輪制動(dòng)模塊、電源模塊、電子制動(dòng)踏板模塊(包括制動(dòng)踏板、感覺模擬器、位移傳感器)等構(gòu)成，汽車駕駛員位移信號(hào)由電子制動(dòng)踏板模塊負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)分析處理過程，據(jù)此完成對(duì)電動(dòng)機(jī)力矩的控制，在此基礎(chǔ)上通過車輪制動(dòng)模塊執(zhí)行相應(yīng)的制動(dòng)操作。系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖,如圖2所示。

圖2 基于CAN的系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

汽車實(shí)際行使制動(dòng)過程中普遍存在制動(dòng)滯后問題，為此本文系統(tǒng)在具體制動(dòng)過程中，通過踏板位移傳感器能夠及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別出由駕駛員踩踏板引起的車輪制動(dòng)狀態(tài)的變化情況，進(jìn)而使系統(tǒng)的響應(yīng)速率得到有效提升。為確保制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，汽車的制動(dòng)器(分布于4個(gè)車輪上)保持相互獨(dú)立，并由車載網(wǎng)絡(luò)(具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度)對(duì)其進(jìn)行集中控制[2]。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案

制動(dòng)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(dòng)踏板時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的踏板位移信號(hào)，由踏板位移傳感器據(jù)此完成對(duì)駕駛員制動(dòng)意圖的識(shí)別和判斷，在由ECU負(fù)責(zé)對(duì)接收到的信號(hào)判斷結(jié)果進(jìn)行處理分析，在對(duì)電動(dòng)機(jī)的力矩輸出進(jìn)行控制的同時(shí)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的車輪制動(dòng)力，在此基礎(chǔ)上完成對(duì)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(duì)車輪制動(dòng)力的大小產(chǎn)生直接影響，為使各車輪形成閉環(huán)的制動(dòng)回路且相互獨(dú)立，各車輪均配置獨(dú)立的傳感器和制動(dòng)器。本文制動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架,如圖3所示。

圖3 制動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主要由制動(dòng)踏板單元、信號(hào)采集傳感器、ECU(電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的核心)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、直流電動(dòng)機(jī)單元(電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器)等模塊構(gòu)成，ECU主要負(fù)責(zé)接收、處理和分析各傳感器采集到的信號(hào)(包括脈沖信號(hào)和模擬信號(hào))，ECU使用了基于RSIC體系結(jié)構(gòu)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(dá)到203 MHz)、性能高的優(yōu)勢(shì)；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器(主要由驅(qū)動(dòng)芯片和外圍設(shè)備構(gòu)成)需滿足系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的需求以及驅(qū)動(dòng)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(gòu)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(hù)電路、ESD總線等構(gòu)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(cuò)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(fù)位電路，復(fù)位信號(hào)可通過手動(dòng)輸入和VCC電壓進(jìn)行控制，能夠同時(shí)有效的輸出復(fù)位信號(hào)(高低電平)[3]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

遵循模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)電子機(jī)械制動(dòng)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(fù)位，然后控制器進(jìn)行初始化(通過S3C2410芯片完成)，程序排列時(shí)以功能的主要程度為依據(jù)，系統(tǒng)主程序軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖

第一級(jí)為系統(tǒng)主程序主要功能在于協(xié)調(diào)各子程序，第二級(jí)包括CAN通信、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集等程序，作為整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體，CAN總線功能的實(shí)現(xiàn)取決于CAN通信程序的質(zhì)量，在對(duì)CAN通信協(xié)議進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到通信過程實(shí)現(xiàn)于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，需根據(jù)實(shí)際需要制定CAN應(yīng)用層協(xié)議，并定義CAN通信的優(yōu)先級(jí)(以標(biāo)識(shí)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(fù)位到Configuration模式，需完成初始化后運(yùn)行，以MCP2510初始化設(shè)置為例：MCP2510的片選CS從S3C2410芯片處接收到一個(gè)低電平后(通過設(shè)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允艿接绊懀鑼⒁欢窝訒r(shí)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(bào)文收發(fā)流程

報(bào)文收發(fā)流程,如圖5所示。

(a) 發(fā)送流程

發(fā)送程序：先對(duì)緩沖區(qū)的空閑狀態(tài)進(jìn)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(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)的報(bào)文格式進(jìn)行檢測，在滿足格式要求的情況下才進(jìn)行置位，然后啟動(dòng)發(fā)送程序；接收程序：比發(fā)送程序更復(fù)雜，需在實(shí)現(xiàn)接收功能的同時(shí)，完成對(duì)溢出及錯(cuò)誤報(bào)警等信息及時(shí)準(zhǔn)確的接收。本文選擇中斷接收方式，以有效滿足制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)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?qǐng)?bào)文中斷請(qǐng)求傳輸至處理器，在此基礎(chǔ)上完成報(bào)文接收[5]。

3.3 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化

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

(1)

制動(dòng)閥受振動(dòng)響應(yīng)的加權(quán)系數(shù)由γx，γy表示，制動(dòng)力綜合平衡優(yōu)化模型K的表達(dá)式(以系統(tǒng)性能優(yōu)化目標(biāo)及約束函數(shù)為依據(jù)),如式(2)。

K=γxΔx+γyΔy

(2)

結(jié)合制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(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(dòng)閥的振動(dòng)響應(yīng)，其中求取水平振動(dòng)響應(yīng)的過程為：制動(dòng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，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(dòng)閥水平方向的振動(dòng)響應(yīng)由σ1nx表示、豎直方向由σ1ny表示，則第n階水平方向制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(由單位簡諧激振引起)σ1x和σ1y的表達(dá)式[7],如式(3)。

(3)

由此可知,在簡諧激振力的作用下，制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定著制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，假設(shè)，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(dòng)閥的n階分量振幅的表達(dá)式,如式(4)。

(4)

(5)

同理可得到,制動(dòng)閥受豎直激振力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及振動(dòng)響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上求取合振動(dòng)響應(yīng)，再通過求解式(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能的有效優(yōu)化。

4 系統(tǒng)性能模擬實(shí)驗(yàn)

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)采用AQMD2410型號(hào)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)性能，電動(dòng)機(jī)電壓同踏板位移間的關(guān)系,如圖6所示。

圖6 踏板位移與電樞電壓關(guān)系

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

圖7 踏板位移與電動(dòng)機(jī)輸出力矩關(guān)系

二者同樣存在線性關(guān)系，說明本文系統(tǒng)有效克服了磁滯缺陷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性(制動(dòng)盤壓力與絲杠位移的關(guān)系),如圖8所示。

圖8 執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性曲線

負(fù)載特性曲線較為光滑，制動(dòng)盤壓力同絲杠位移成正比并且存在函數(shù)關(guān)系。擬合與實(shí)測結(jié)果重合良好，證明執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有良好的負(fù)載能力[8]。

5 總結(jié)

通過在制動(dòng)領(lǐng)域使用相應(yīng)的線控技術(shù)形成的電子機(jī)械制動(dòng)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(duì)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助CAN總線通信的優(yōu)勢(shì)構(gòu)建了一種模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，傳輸距離較遠(yuǎn)的CAN總線在糾錯(cuò)能力、通信效率、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性方面表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)，能夠在制動(dòng)過程中高效準(zhǔn)確的完成大量信息的采集和處理，有效提高了對(duì)左右后輪的控制質(zhì)量及效率，可有效滿足電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的差分收發(fā)需求，降低了操作難度，同時(shí)提高了系統(tǒng)的響應(yīng)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。