基于CAN總線的電子機械式制動系統(tǒng)電控單元的實現(xiàn)

隨著機電技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)也滲入到了汽車制動系統(tǒng)中，出現(xiàn)了稱為“電子制動系統(tǒng)”的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的汽車制動系統(tǒng)不同，電子制動系統(tǒng)以電子元件替代了大部分液壓和機械元件，減少了制動系統(tǒng)機械傳動的滯后時間。它根據(jù)駕駛員進(jìn)行制動操作時，踏板行程傳感器探知駕駛員的制動意圖，進(jìn)而對各輪制動力進(jìn)行精確的控制，縮短了制動距離，從而增加了交通安全性[1]。
2、EMB
線控制動系統(tǒng)目前分為兩種類型,一種為電液制動系統(tǒng)EHB (Electro-hydraulic Brake),另一種為電子機械制動系統(tǒng)EMB (Electro-Mechanical Brake)[2]。本文主要討論的內(nèi)容是后者。
相比傳統(tǒng)制動控制系統(tǒng)，電子機械式制動系統(tǒng)有如下優(yōu)點[3]：
①　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,省去大量管路系統(tǒng)及部件;
②　制動響應(yīng)時間短,提高了制動性能;
③　系統(tǒng)制造、裝配、測試簡單快捷,采用模塊化結(jié)構(gòu),維護(hù)簡單;
④　采用電線連接,系統(tǒng)耐久性能良好;
⑤　易于改進(jìn),略加變化即可增設(shè)各種電控制功能。
電子機械制動系統(tǒng)包含如下部分：
①　電源：采用車載電源。
②　電制動器：采用可連續(xù)堵轉(zhuǎn)的力矩電機。
③　電制動控制單元(ECU)：由二部分構(gòu)成，主控節(jié)點和從控節(jié)點。主控節(jié)點負(fù)責(zé)接收制動踏板傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)過一定的算法計算，將數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點，控制制動器制動;接收車輪傳感器信號，識別車輪是否抱死、打滑等。從控節(jié)點負(fù)責(zé)接收發(fā)自主節(jié)點的數(shù)據(jù)報文，根據(jù)數(shù)據(jù)報文內(nèi)容驅(qū)動力矩電機轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動力矩。
④　輪速傳感器：使用霍爾傳感器在車輪轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生脈沖，由ECU采集。
3、EMB系統(tǒng)的硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)示意圖

3.1 主節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)
考慮到主節(jié)點需要處理的數(shù)據(jù)比較多，對響應(yīng)的實時性要求比較高，因此采用運算能力較強的16位微控制器，這里我們采用了英飛凌公司的XC164CM8F40F。它采用高性能16位帶5級流水線的C166S V2 CPU，提供較好的DSP性能和中斷處理以及外設(shè)集和高性能可靠的片內(nèi)閃存，40MHz CPU時鐘的單指令時間25ns，以及16級優(yōu)先中斷系統(tǒng)多達(dá)75個中斷源。
外設(shè)方面，它具有14路ADC，多功能通用計時器單元，片內(nèi)TwinCAN接口，47個GPIO，通過JTAG接口支持在片調(diào)試等豐富的外設(shè)資源。
XC164CM內(nèi)含兩組共五個通用定時/計數(shù)器，使用其中一個作為定時器，用來計算車速和踏板行程變化率;使用其余四個作為計數(shù)器采集安裝在車輪部的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號。
使用一路ADC采集踏板行程傳感器的模擬電壓值。CAN總線接口方面，片內(nèi)TwinCAN模塊支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.0A/B，大大簡化了CAN接口應(yīng)用設(shè)計。使用片內(nèi)TwinCAN模塊中的一路CAN控制器，外接TLE6250作為CAN總線物理接口的收發(fā)，實現(xiàn)CAN總線通信。
3.2 系統(tǒng)從節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)需要四個相同的從節(jié)點部分，且從節(jié)點要實現(xiàn)的功能相對簡單，只需要從CAN總線接收數(shù)據(jù)報文，根據(jù)報文內(nèi)容來控制電機的轉(zhuǎn)動方向和力矩大小，因此可以采用帶有片內(nèi)CAN控制器價格較低的T89C51CC01微控制器。電機驅(qū)動芯片方面采用ST公司單封裝的全橋電機驅(qū)動芯片VNH3SP30。芯片采用小型化封裝，節(jié)省電路板空間、重量和成本。該產(chǎn)品特勝包括30A輸出電流，40V最高工作電壓，支持最高10KHz的脈寬調(diào)制操作。
4、EMB系統(tǒng)的軟件設(shè)計
4.1 主節(jié)點軟件設(shè)計

圖2 主節(jié)點軟件流程

程序首先等待駕駛員踩下踏板。由于非制動狀態(tài)時剎車片與制動盤之間保留有一定距離，當(dāng)駕駛員剛剛踩下跳板后，力矩電機需要迅速消除剎車片與制動盤之間的間隙。消除間隙后，程序要能根據(jù)踏板的行程來控制力矩電機輸出的力矩。由于在消除了剎車片與制動盤之間的間隙后，力矩電機一直處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此可以采用對力矩電機輸出PWM信號脈寬調(diào)制的方式來精確控制力矩輸出。
由于采用電子制動系統(tǒng)，使對駕駛員制動意圖的監(jiān)測成為可能。例如在發(fā)生緊急情況時，駕駛員會迅速踩下制動踏板，在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)中，最大制動力是在踏板踩到最底時提供的。而在電子制動系統(tǒng)中，若發(fā)生緊急情況時，可能提前感知駕駛緊急制動意圖，并在駕駛員未將制動踏板踩到最底時，即可提供最大制動力，這樣可以大大增加制動安全性?；谏鲜隹紤]，制動力不能簡單的和踏板行程相對應(yīng)，需要采用智能化的模糊控制方法對制動力進(jìn)行非線性控制。
當(dāng)駕駛員完全放開制動踏板時，雖然此時無制動力提供，但剎車片和制動盤仍有接觸，為了盡量減小拖滯扭矩，此時需要將剎車片離開制動盤一小段距離，這是與駕駛員踩下踏板時的消除間隙相對應(yīng)的過程。
4.2 從節(jié)點軟件設(shè)計

圖3 從節(jié)點軟件流程

從節(jié)點要完成的工作則相對簡單，從節(jié)點只需要接收CAN總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容使用IO接口通過驅(qū)動芯片控制電機的轉(zhuǎn)動方向和對驅(qū)動芯片的發(fā)送PWM信號來控制力矩電機的力矩。