集成式電子駐車控制器設計

劉強 胡艷 向繼全 蔡敬敏

摘 要：為保障電動汽車停車時可靠駐車，設計了一種集電機、減速執行機構和控制電路為一體的電子駐車控制器，介紹了控制器機械機構組成、電控設計方案和軟件控制流程。其中電控方案包含MCU單片機及電機驅動模塊、電源電壓轉換模塊、CAN通信模塊和磁性位置檢測模塊。

關鍵詞：電動車;集成式;電子駐車控制器

1 引言

目前新能源汽車市場上主要存在混合動力汽車HEV、插電式混動PHEV、純電動車EV及燃料電池汽車FCV等車型，從汽車安全角度出發，新能源汽車停車時都應該具備駐車控制器。隨著汽車電子技術的發展，駐車控制器逐漸從傳統的手動式向電子式演變。電子駐車控制器GCU（又稱P檔控制器）是純電動汽車用于駐車時控制電機作用于汽車減速器的鎖止機構，保證停車的安全可靠。電子駐車控制機構可分為分體式和集成式，分體式即電子駐車控制器與其執行機構及電機安裝在不同位置;集成式即控制器與其執行機構及電機三合一都安裝在汽車減速器表面。

2 控制器結構方案

集成式電子駐車控制器結構主要由三部分組成：直流電機、電子控制器和減速執行機構組成，如圖1所示。

減速執行機構端面輸出扭矩大小和轉動響應時間要結合電動車減速器內部鎖止機構要求而確定。為廣泛適應乘用和商用電動汽車需求，本控制器設計輸出扭矩大于10N·m，轉動響應時間小于500ms，電機通過蝸桿蝸輪減速直接驅動減速器鎖止機構動作，實現駐車或解鎖功能。因控制器僅在停車或啟動時工作，平均動作次數少，每次工作時間短，所以電機選取汽車級直流有刷電機即可。電機選用德昌700型，額定電壓12VDC，參考最大功率95W時轉速2600RPM。減速機構蝸桿蝸輪設計常規減速比60。

（1）控制器終端輸出扭矩：

（1）

T減速機=T電機*α*η （2）

（3）

其中：P電機功率單位KW，T電機電機輸出扭矩單位N·m，n電機輸出轉速單位RPM，T減速機蝸輪蝸桿減速機構輸出扭矩單位N·m，α減速比60，η傳動效率0.5～0.9，此處取0.5。由公式（3）可知，蝸輪蝸桿減速機構輸出扭矩為公式（4）。

T減速機=*60*0.5=10.45N·m>10N·m （4）

（2）控制器響應時間：

對于響應時間要求小于t：500ms，控制器設計駐車或解鎖時渦輪旋轉：60-80°，此處取70°，由最大功率時轉速2600RPM，可知：

n電機=n減速機*60 （5）

控制器終端旋轉一圈時間t1，單位S：

（6）

t=*t1*1000=270ms < 500ms （7）

3 控制器電控方案

集成式電子駐車控制器通過接收整車控制系統VCU指令，驅動駐車電機正轉或反轉，通過磁性位置角度傳感器采集蝸輪旋轉角度，從而間接判斷電機執行機構行進位置。該控制器具備電機驅動、電機位置檢測、CAN通訊、故障診斷、外圍電路短路保護等功能。該控制器方案設計示意圖如圖2所示，主要由MCU單片機、電源模塊、電機驅動、位置檢測及CAN通信模塊。

3.1 MCU單片機和電機驅動模塊

集成式電子駐車控制器選用汽車級單片機NXP公司的S32K118系列芯片作為核心處理器，該芯片采用穩定可靠的Arm? Cortex?-M0+內核，具備256kB FLASH、25kB RAM、2K EEPROM、1路CAN、8路PWM、3路SPI、12路10位AD等基本外設資源，具有信號處理能力強和高可靠性的優點，廣泛應用于汽車電子控制器領域。

控制器采用ST意法半導體H橋直流電機芯片VNH5019控制駐車電機正反轉，芯片內部集成4個NMOS管，具備電流檢測及過壓過熱短路保護等功能，具有成本低、可靠性高等優點。

3.2 電源電壓轉換模塊

電源電壓轉換模塊主要功能是把車載電源12V電壓轉換為板內5V電壓，為單片機及CAN芯片提供電源。電源芯片可采用德州儀器TI公司TPS7A6150，具備低電壓差線性轉換能力，具有電源使能管腳（高電平有效），控制芯片是否輸出5V電源。電源芯片EN使能管腳控制來源有：IGN點火信號和單片機GPIO輸出信號，兩個信號經雙通二極管BAV70連接到EN管腳。

3.3 CAN通信模塊

CAN（Controller Area Network）控制器局域網為串行通信協議，能有效支持安全要求較高的分布實時控制。控制器中MCU單片機內集成CAN控制器，可通過CAN總線與整車控制器VCU進行通信，波特率適應動力CAN要求采用500Kbps。控制器選擇NXP公司TJA1050作為CAN收發器，CAN通信電平作為差分信號，使用共模電感大幅減小共模干擾（可根據實際情況選貼），同時配合電容濾波和TVS的浪涌泄放，保證CAN通信的可靠性。

3.4 位置檢測模塊

控制器工作過程中需要采集蝸輪旋轉角度位置與系統初值進行比較，從而判斷駐車或解鎖是否正常。控制器選用邁來芯melexis公司磁性位置角度傳感器ML90363檢測安裝在蝸輪上的磁鐵強度的水平分量（Bx、By）。該傳感器可憑借其表面的集磁片（IMC），以一種非接觸方式感測所施加磁通密度的 3 個空間分量（即Bx、By和Bz），如圖3所示。該水平分量的旋轉在寬范圍（高達360?內整轉）內感測，并由片上 DSP（數字信號處理）處理，最終報告軸端磁體的絕對角位置。所有內部原始（Bx、By、Bz）和調理信號均可以通過SPI通道傳送。

4 控制策略

控制器MCU軟件開發采用分層架構，參照AUTOSAR體系開發。為避免產生誤駐車故障，系統工作要滿足一定輸入條件。駐車鎖止時要求：車速低于2km/h，檔位桿在P檔，踩下剎車。解鎖時要求：GCU收到整車控制器CAN總線解鎖命令，控制器處于鎖止狀態。控制器工作流程如圖4所示。

5 結語

隨著國家政策扶持和能源綜合管理需要，電動汽車產量勢必逐步提升，為保障汽車及人身安全，電動汽車都應配備駐車控制器，集成式電子駐車控制器采用電機、執行機構和控制電路三合一，便于客戶采購及裝配，降低客戶設計開發周期。

參考文獻：

[1]石可，朱宗云.電子駐車系統P檔駐車功能實現的控制方法研究[J].上海汽車.2018（7）.

[2]王超勇.車輛電子駐車制動（EPB）控制系統的硬件設計研究[D].南京理工大學，2009.