基于單片機(jī)的電動(dòng)車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器

劉 兵，孫澤昌，王 猛

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

隨著當(dāng)今節(jié)能環(huán)保要求的提高，汽車行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車以其部分或全部電機(jī)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收等特點(diǎn)正好滿足了節(jié)能環(huán)保的要求。制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力的同時(shí)回收制動(dòng)能量。但是，由于電機(jī)特性的限制，制動(dòng)時(shí)提供的再生制動(dòng)力有限，在制動(dòng)減速度較大以及緊急制動(dòng)時(shí)，仍然需要液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)力，所以往往要根據(jù)不同的制動(dòng)需求，利用電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)單獨(dú)或者共同提供制動(dòng)力。電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)就是指這種根據(jù)制動(dòng)需求，通過再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)單獨(dú)或共同提供制動(dòng)力的系統(tǒng)。

1 一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

目前電液復(fù)合制動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由豐田、博世和大陸等大型汽車整車及零部件廠商所掌握，其他汽車廠商很難突破它們的技術(shù)壁壘。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集助力、制動(dòng)踏板感覺模擬、踏板位移傳感器于一體的一體化主缸，獨(dú)立的四通道輪缸壓力主動(dòng)控制。該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，預(yù)載單元與儲(chǔ)液室通過一個(gè)常開的預(yù)載電磁閥相連，當(dāng)預(yù)載電磁閥關(guān)閉時(shí)，可通過高壓泵提高預(yù)載單元中的液體壓力。預(yù)載單元與一體式主缸僅在制動(dòng)狀態(tài)下接通。液壓執(zhí)行單元為8個(gè)電磁閥（4個(gè)升壓閥和4個(gè)減壓閥），其中，每個(gè)車輪對(duì)應(yīng)一個(gè)常開的升壓閥和一個(gè)常閉的減壓閥，其布置與常規(guī)ABS的結(jié)構(gòu)相同。該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程包含3種狀態(tài)：初始狀態(tài)、工作狀態(tài)和失效狀態(tài)。

(1)初始狀態(tài)。預(yù)載電磁閥打開，預(yù)載單元與儲(chǔ)液室連通，此時(shí)兩者壓力相同。預(yù)載單元和一體式主缸不接通，ECU和液壓控制單元均處于斷電狀態(tài)。

(2)工作狀態(tài)。ECU上電，預(yù)載電磁閥關(guān)閉，升壓閥關(guān)閉，由于預(yù)載單元和儲(chǔ)液室以及一體式主缸斷開連接，高壓泵將使預(yù)載單元壓力升高至一定高壓。駕駛員產(chǎn)生制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得預(yù)載單元與一體式主缸接通，此時(shí)預(yù)載單元中的高壓經(jīng)一體式主缸傳至升壓閥。ECU根據(jù)制動(dòng)踏板位移信號(hào)判斷駕駛員的制動(dòng)意圖并計(jì)算需要多大制動(dòng)力，再將其傳輸給整車管理系統(tǒng) (VMS);VMS根據(jù)電機(jī)控制策略計(jì)算出再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力,并將該信息傳輸回ECU；ECU經(jīng)過信息處理發(fā)送PWM波給執(zhí)行器 (即液壓執(zhí)行單元)，使執(zhí)行器按照一定頻率開啟，并因此產(chǎn)生液壓制動(dòng)力。另外，通過ECU控制液壓控制單元還能實(shí)現(xiàn)ABS和ESP功能。制動(dòng)結(jié)束后，系統(tǒng)將恢復(fù)至ECU上電狀態(tài)，為下一次制動(dòng)做好準(zhǔn)備。

(3)失效狀態(tài)。若電氣系統(tǒng)失效（例如突然掉電），則ECU斷電，所有執(zhí)行器都將處于初始狀態(tài)。隨著制動(dòng)踏板位移的進(jìn)一步加大，制動(dòng)踏板將與一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接接通，因此可以進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

由于該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)所需處理的信號(hào)量大，且驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器多，因此考慮使用雙PCB板設(shè)計(jì)。板一設(shè)計(jì)為雙MCU，其中，MCU1用于信號(hào)采集和處理，MCU2用于算法計(jì)算和通信，兩個(gè)MCU之間通過SPI連接；板二負(fù)責(zé)給傳感器供電和信號(hào)處理以及執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。由于篇幅有限，本文主要針對(duì)信號(hào)輸入、MCU和信號(hào)輸出進(jìn)行說明。

圖2 新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 信號(hào)輸入

輸入信號(hào)主要包括制動(dòng)踏板位移信號(hào)、液壓傳感器壓力信號(hào)和輪速信號(hào)。這些信號(hào)都必須通過相應(yīng)電路對(duì)其進(jìn)行去噪和放大等處理才能傳輸至MCU1。

2.1.1 踏板位移信號(hào)和液壓傳感器信號(hào)

制動(dòng)踏板位移信號(hào)由踏板位移傳感器發(fā)出，液壓傳感器信號(hào)由布置在液壓管路中的液壓傳感器發(fā)出。位移信號(hào)和液壓信號(hào)均為0～5 V的電壓信號(hào)，因此可以用相同的處理電路對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行處理。傳感器信號(hào)首先通過一個(gè)防靜電二極管去除靜電，隨后通過由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成的π型濾波電路進(jìn)行低通濾波，由OPA2340芯片形成的電壓跟隨器能將濾波信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，將該信號(hào)傳輸至板一MCU1的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。相應(yīng)的信號(hào)處理電路如圖3所示。

2.1.2 輪速信號(hào)

輪速信號(hào)由輪速傳感器發(fā)出，其主要形式為正弦波交流信號(hào)。因此，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平再輸入至板一中MCU1的脈沖計(jì)時(shí)器。控制器使用定時(shí)和計(jì)數(shù)的方法測(cè)得輪速，并且通過相鄰兩次測(cè)速的時(shí)間間隔求出車輪制動(dòng)加速度[1]。車速計(jì)算公式為：

式中，Δt為計(jì)數(shù)器完成一次計(jì)數(shù)所用的時(shí)間間隔,N為Δt時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，R為車輪半徑，np為車輪轉(zhuǎn)一周的過程中輪速傳感器所發(fā)出的脈沖數(shù)。輪速信號(hào)處理電路如圖4所示。先通過二極管對(duì)輪速信號(hào)進(jìn)行整流，去除負(fù)電流；隨后通過比較器LM139產(chǎn)生與信號(hào)頻率相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓信號(hào)，通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123去除抖動(dòng)；最后，通過反相器74HC14將所得信號(hào)整形,即可得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平脈沖信號(hào)。

2.2 MCU

電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，由于數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求很高，因此，MCU1和MCU2均選用飛思卡爾MC9S12XDT512控制器芯片。該芯片為16 bit高性能芯片，除了強(qiáng)大的運(yùn)算能力外，其還含有16路A/D轉(zhuǎn)換通道、8路脈沖計(jì)時(shí)器和8路PWM波輸出，剛好符合控制器的高性能要求。

2.3 控制輸出

圖4 輪速信號(hào)處理電路

ECU的輸出信號(hào)主要用于控制預(yù)載電磁閥的通斷，控制高壓泵的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使預(yù)載單元內(nèi)的液體壓力上升到一定高壓范圍，控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率和回液泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，通過MCU2的普通IO口控制預(yù)載電磁閥的通斷和高壓泵電機(jī)、回液泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過MCU2的PWM口控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率。電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片選用TLE6216[2]，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用BTS6144[3]。二者均有相應(yīng)的電流或電壓反饋，以對(duì)電機(jī)和電磁閥進(jìn)行故障識(shí)別，因此，將故障識(shí)別信號(hào)輸入板一的MCU1進(jìn)行判斷。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。圖中，芯片BTS6144的IN口為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；OUT口輸出經(jīng)放大的功率信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)；IS口輸入電機(jī)電流的反饋信號(hào)。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。圖中，PWM口為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，OUT口輸出經(jīng)放大的電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)，ST口輸入電磁閥電流的狀態(tài)反饋信號(hào)。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器軟件基于C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，其主要包括兩個(gè)單元：制動(dòng)意圖識(shí)別單元和液壓制動(dòng)控制單元。

3.1 制動(dòng)意圖識(shí)別

制動(dòng)工況主要分為緊急制動(dòng)和一般制動(dòng)。制動(dòng)意圖識(shí)別通過對(duì)制動(dòng)踏板角位移和制動(dòng)踏板角速度的處理實(shí)現(xiàn)。以制動(dòng)踏板角速度作為目標(biāo)制動(dòng)工況識(shí)別的參數(shù)，先對(duì)兩種工況設(shè)置特定的踏板角速度閾值(80°/s)，在一段較短時(shí)間內(nèi)對(duì)踏板角速度取平均值，若該平均值在閾值內(nèi)，則判定汽車進(jìn)入相應(yīng)制動(dòng)工況；以制動(dòng)踏板角位移作為目標(biāo)制動(dòng)強(qiáng)度識(shí)別的參數(shù)，先設(shè)定一個(gè)踏板角位移判斷閾值(5°)，超過該閾值說明制動(dòng)行為已經(jīng)發(fā)生。另外，針對(duì)每個(gè)工況制定一個(gè)查詢表，表中包含踏板角位移和相應(yīng)目標(biāo)制動(dòng)減速度的對(duì)應(yīng)信息，當(dāng)制動(dòng)行為發(fā)生時(shí)，通過查詢?cè)摫砭涂梢杂?jì)算出目標(biāo)制動(dòng)減速度。制動(dòng)意圖識(shí)別程序流程圖如圖7所示。

圖6 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

圖7 制動(dòng)意圖識(shí)別程序流程圖

3.2 液壓制動(dòng)控制

在采用盤式制動(dòng)器的情況下，制動(dòng)力和制動(dòng)輪缸壓力具有一定的正比關(guān)系[4]。因此，控制相應(yīng)制動(dòng)輪缸內(nèi)的液體壓力就能控制車輪上的制動(dòng)力。

電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)ECU通過調(diào)節(jié)PWM波脈寬來控制升壓閥和減壓閥的開閉頻率，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸中的壓力大小。設(shè)定PWM波脈寬調(diào)節(jié)時(shí)間間隔為40 ms，即每隔40 ms進(jìn)行一次PWM波脈寬調(diào)節(jié)，并制定一個(gè)查詢表，該表包含PWM波脈寬和輪缸目標(biāo)壓差間的相互關(guān)系。一體式主缸壓力控制在13 MPa，對(duì)應(yīng)最大制動(dòng)力的輪缸最大壓力為0.9 MPa，一般情況下進(jìn)行3次PWM波脈寬調(diào)節(jié)便可達(dá)到目標(biāo)壓力。若目標(biāo)壓差大于0，則常閉閥關(guān)閉，針對(duì)常開閥查表并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)PWM波控制；若目標(biāo)壓差小于0，則常開閥關(guān)閉，針對(duì)常閉閥查表并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)PWM波控制。

另外，電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)ECU還將通過電機(jī)和電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片的反饋信號(hào)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。若發(fā)生故障，則讓所有執(zhí)行器處于初始狀態(tài)，利用一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)。由于篇幅限制，本文不進(jìn)行詳細(xì)描述。

本文針對(duì)一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。在硬件電路方面，對(duì)相應(yīng)傳感器信號(hào)進(jìn)行了處理，并對(duì)相應(yīng)執(zhí)行器進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；在軟件控制方面，對(duì)各信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和駕駛員制動(dòng)意圖判斷，并對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行了較為精確的控制。軟、硬件均能達(dá)到電動(dòng)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制要求，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)車驗(yàn)證打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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