凸輪式汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

朱東陽 張興旺 王舒陽

（南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099）

0 引言

汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)（Brake－By－Wire）是將傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動(dòng)執(zhí)行元件改為電驅(qū)動(dòng)元件，由電機(jī)來提供制動(dòng)力的一種制動(dòng)系統(tǒng)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、響應(yīng)迅速、易于采用模塊結(jié)構(gòu)、易于進(jìn)行改進(jìn)與增加功能等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成了汽車制動(dòng)研究的熱點(diǎn)［1－3］。電機(jī)線控制動(dòng)控制器是汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。

本文針對(duì)所提出的一種凸輪式線控制動(dòng)系統(tǒng)［4］設(shè)計(jì)了專門的制動(dòng)控制器，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，滿足了線控制動(dòng)系統(tǒng)的控制要求。

1 凸輪式線控制動(dòng)系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)

凸輪楔塊式汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)主要包含電子踏板模擬器、制動(dòng)系統(tǒng)控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分，如圖1所示。電子踏板模擬器把駕駛員踩踏制動(dòng)踏板的力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)信號(hào)，傳遞給制動(dòng)系統(tǒng)控制器；制動(dòng)系統(tǒng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，接收各個(gè)傳感器的信號(hào)，根據(jù)一定的算法對(duì)制動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，并給電子踏板模擬器提供反饋信號(hào)；功率驅(qū)動(dòng)電路主要為電機(jī)提供電流并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能是對(duì)制動(dòng)電機(jī)進(jìn)行減速增矩，并把產(chǎn)生的力矩作用到制動(dòng)盤上產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)框圖

制動(dòng)系統(tǒng)控制器硬件電路采用DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，并采用專門為兩相／四相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的TB6560雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片作為功率驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。

2 凸輪式線控制動(dòng)系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計(jì)

2．1 汽車動(dòng)力學(xué)模型

汽車常用的車輛模型有一般車輛模型、四輪車輛模型、二輪車輛模型和單輪車輛模型。由于汽車是一個(gè)復(fù)雜的多自由度空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，若考慮所有的自由度，就必須列出相應(yīng)數(shù)量的運(yùn)動(dòng)微分方程，使分析和求解變得極為困難，而且所需車輛參數(shù)較多，大多不易精確測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)性差，實(shí)時(shí)控制精度不高。為了簡化研究問題，根據(jù)所設(shè)計(jì)裝置的具體要求，本文選用二自由度單輪車輛模型［5］，并忽略空氣阻力和車輪滾動(dòng)阻力。二自由度單輪車輛動(dòng)力學(xué)模型方程如下：

式中，m為車輛質(zhì)量；v為行車速度；Fx為車輪摩擦力；J為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為車輪角速度；Tb為制動(dòng)器制動(dòng)力矩；R為車輪滾動(dòng)半徑；μ為車輪附著系數(shù)；Fz為地面的反作用力。

汽車力矩由剎車系統(tǒng)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩Te提供，可認(rèn)為Tb＝Te。

2．2 軟件系統(tǒng)

按照線控制動(dòng)系統(tǒng)工作原理，軟件系統(tǒng)通過對(duì)踏板信號(hào)采樣，汽車輪速采樣，步進(jìn)電機(jī)兩相電流采樣，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行電制動(dòng)聯(lián)合控制。其中內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過電流調(diào)節(jié)控制制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力控制；外環(huán)為速度環(huán)，實(shí)現(xiàn)車輪速度控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

所選用兩相（A相和B相）步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)開始剎車時(shí)，通電時(shí)序?yàn)閺腁相線圈的正輸入端A＋開始，經(jīng)過B相線圈的負(fù)輸入端B－，再經(jīng)A相負(fù)輸入端A－，最后是B相正輸入端B＋，電機(jī)正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)剎車過程；當(dāng)通電時(shí)序?yàn)锳＋、B＋、A－、B－時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，退出剎車過程。圖2（a）所示為兩相位驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，二者呈正弦交替變化。如圖2（b）所示，通過電流采樣霍爾元件得到電機(jī)A、B兩相繞組電流變化波形，電機(jī)兩相繞組的電流按照正余弦規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)了均勻細(xì)分，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于凸輪式線控制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)控制器，控制器的運(yùn)動(dòng)控制模型采用了汽車單輪二自由度模型，控制軟件采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并以DSP芯片TMS320F2812為控制核心設(shè)計(jì)了以兩相步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制電路。試驗(yàn)結(jié)果證明，驅(qū)動(dòng)控制器具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電流波形

［1］黃淵芳．電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用研究［D］．南京航空航天大學(xué)，2007

［2］曲萬達(dá)．汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)之硬件系統(tǒng)研究［D］．武漢理工大學(xué)，2006

［3］劉清河，孫澤昌．永磁直流電動(dòng)機(jī)在汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．微電機(jī)，2007，40（3）

［4］張興旺，初長寶．基于Pro／E的電機(jī)線控制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，30（3）

［5］陳博，田廣東．汽車線控制動(dòng)的仿真與分析［J］．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24（3）