基于FlexRay通信的汽車線控制動系統設計

郭超++張鳳登

摘要：隨著汽車電氣自動化的深入發展，線控技術成為汽車控制領域的重要研究課題之一。為提高系統在故障狀態下的運行能力，提高這類強實時系統的可靠性、安全性和穩定性，提出了汽車在制動節點故障狀態下的制動力分配策略。建立了一種線控制動模型，通過對線控制動系統提出的制動力分配策略，對節點故障下制動力分配策略進行了實驗與分析驗證。實驗表明，該制動力分配策略可使汽車在節點故障的情況下順利完成汽車減速或停止動作，提高了系統安全性和可靠性。

關鍵詞：線控制動；FlexRay；制動力分配；故障運行

DOIDOI：10.11907/rjdk.171660

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：16727800（2017）010011203

0引言

隨著車速和車重的不斷提高，對汽車制動系統的要求也越來越高，制動性能已成為檢驗汽車安全可靠性能的一個重要標準[1]。相較于傳統液/氣壓制動系統，線控制動系統具有顯著優勢[2]。在線控制動系統中，用導線取代了液壓管路，無液體媒介參與，因而對制動命令的響應速率比液壓制動系統快得多，同時，電子執行器的響應頻率比氣/液壓要高很多。與此同時，響應速率的加快，較好地改善了防滑性。由于去掉了液壓配件，失效危險大大降低，提升了安全性，也減輕了質量[3]。

1線控制動系統

1.1線控制動系統結構

線控制動系統共設計5個節點完成整個制動操作。其中，中央控制節點1個，制動力控制節點4個。

1.2制動力分配策略

1.2.1三輪制動模式

當某一制動節點出現故障時，汽車必須啟動緊急制動方案，這時必然存在一側單輪制動，一側雙輪制動[4]。Control of Brake and SteerbyWire Systems During Brake Actuator Failure一文中提到，在三輪制動過程中，單側車輪制動力等于另外一側雙輪制動力之和時車輛不會跑偏[5]。在車速很高的情況下，必須在有限保證車輛穩定的前提下施加制動力。當車速降到一個比較安全的范圍后再逐漸增大雙輪制動側的制動力，以便迅速使車輛安全制動。這時車輛兩側制動力分配不均勻，但由于車速較低，可通過調整方向盤來保持車輛穩定性。三輪制動模式的制動力分配曲線如圖1所示。

圖1三輪制動力變化曲線

（1）假設故障輪在左側，則在高速段按如下策略進行制動力分配：

FL=FRF+FRR（1）

其中，FL為左側制動力，FRF、FRR為施加在右側前后車輪制動力大小。

（2）在過渡段按如下策略進行制動力分配：

在故障側達到最大附著極限之前制動力分配策略同公式（1）。故障側達到附著極限以后，緩慢增加右前輪制動力：

FRR=FRF·FZRdynFZFdyn（2）

（3）在低速段，FRR制動力分配策略同公式（2），FL制動力分配策略相同，見公式（1）。

1.2.2兩輪制動模式

兩輪制動分同軸制動和對角制動兩種情況。當同軸的兩個車輪制動器發生故障時，無故障軸左右兩個車輪的制動力應保持相等。隨著制動意圖增加，當制動力達到最大地面附著極限時，制動力保持最大不變。對角制動時，由于前后輪可提供的最大制動力不同，隨著制動意圖的增大，后輪會優先達到最大附著極限，后輪制動力不再隨著制動意圖的增大而增加，這時可緩慢增大前輪制動力，使其達到前輪附著極限，最大利用地面附著系數。

（1）同軸制動力分配策略如下：

FL=FR≤Fmax（3）

其中FL、FR分別為無故障左側、右側車輪制動力，Fmax為后輪最大制動力。

（2）對角制動力分配策略如下：

FR=FF·FZRdynFZFdyn（4）

其中FL、FR分別為無故障左側、右側車輪制動力。

1.2.3同側雙輪與單輪制動模式

當汽車發生同側兩個節點故障或三節點同時故障時，需要盡可能地應對當前危險狀態。在單輪制動情況，不能單純依靠制動節點制動，此時應充分發揮主觀能動性，通過控制方向盤來保持車體方向。在速度較高情況下，施加較小的制動力，隨著車速的降低再逐漸增大汽車制動力。可以間歇式施加制動力，在保障汽車方向的前提下盡可能讓汽車停止前進。

2線控制動系統硬件設計

2.1硬件設計方案

線控制動系統共設計5個節點，系統整體設計如圖2所示。

圖2線控制動系統硬件設計

2.2微控制器MC9S12XF512最小系統設計

線控制動系統節點采用Freescale公司的16位車用微處理器，可滿足線路板空間有限且又要求具有高性能、高穩定性、可靠性的應用，具有高速率、高穩定性、成本低等特點[7]。

2.3制動意圖采集模塊設計

采用壓力傳感器模擬駕駛員制動意圖信息。壓力傳感器選用電阻應變式傳感器，將力學信號轉化為電信號。壓力傳感器將制動意圖（力信號）轉化為電信號，再經A/D轉換電路，轉化為數字信號傳給微控制器。微控制器根據采集到的數字信號和制動力分配算法來控制制動執行機構工作[8]。

3線控制動系統軟件設計

3.1系統軟件架構

線控制動系統軟件架構如圖3所示，該圖清晰地描述了整個系統的數據流向：中央節點1采集壓力傳感器數據，以此判斷駕駛員制動意圖；根據其余4個節點采集并傳送到中央控制節點的輪速，由制動力分配算法合理分配制動力矩，然后傳送到4個節點；4個節點根據此數據控制磁粉制動器制動，以完成可靠有效的停車制動。

本系統控制邏輯主要由節點1完成。節點1起著故障監測及制動力分配的重要作用。節點1循環監測制動意圖以及故障情況，當監測到駕駛員制動意圖時會迅速判斷節點故障狀態。當有節點發生故障時，節點會根據相應的制動力分配策略分配制動力[9]。endprint

3.3線控制動系統從節點

本系統通過控制PWM波實現磁粉制動器的線性控制。從節點的主要作用就是接收中央控制節點的制動力分配策略，根據駕駛員制動意圖完成汽車減速或者停車。此外制動節點還要實時采集當前輪速，反饋給中央控制節點，從而更加安全合理地分配制動策略。

4實驗及分析

4.1實驗方法

采用TrueTime Simulator & RealTime Debugger進行實驗仿真，數據采集采用PC端仿真器，制動力采集采用輸入磁粉制動器兩端電壓進行測量，通過人為多次改變制動意圖，觀測4個制動力執行機構輸出的制動力大小[10]，通過監測數據參數的變化判斷系統性能。

4.2實驗結果及分析

設置制動節點故障，此時系統會啟動相應故障狀態下的制動策略。在故障狀態下，施加制動意圖，通過測量不同時速下從施加制動意圖到汽車停止的距離得到實驗結果，如圖4所示。《機動車運行安全技術條件》要求汽車緊急制動情況下，初始速度在30km/h時制動距離應小于38.0m。實驗結果表明本系統在單節點故障、兩節點故障情況下，在初始速度為30km/h時，制動距離均小于38.0m，滿足了緊急情況下對制動系統的要求。系統三節點故障和同側兩節點故障屬于嚴重故障，此時可以保障汽車安全停止，但為了優先保障安全性，制動距離和制動時間有所增加。所以，本系統采用的制動策略可以保障汽車在故障狀態下穩定停車。

5結語

本文論述了基于FlexRay通信的汽車線控制動系統設計與實現，選擇一種汽車線控制動方案來搭建汽車線控制動硬件模型，并提出了一種新的制動力分配策略，使本系統可以在制動節點故障狀態下，完成三輪制動、兩輪制動、單輪制動，很大程度上提高了系統的可靠性與穩定性。

參考文獻參考文獻：

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[2]陳興隆，張鳳登.安全性汽車線控制動系統及其控制方法研究[J].通信電源技術，2014，31（4）：2527.

[3]林鷹.現代汽車電制動新技術[J].交通與運輸，2005（2）：12.

[4]黃源，彭曉燕，譚震.線控制動系統制動力分配策略的研究與仿真[J].計算機仿真，2011，8（10）：324327.

[5]金紫陽.FlexRay總線在嵌入式線控制動系統的應用與實現[J].電氣應用，2015，34（10）：103106.

[6]劉祥志，毛成勇，張瑞鋒，等.基于FlexRay的線控制動系統的研究[J].山東科學，2010，23（3）：3537.

[7]FLEXRAY CONSORTIUM. FlexRay electrical physical layer application[EB/OL].www.flexray.com.

[8]張成利.汽車線控制動系統及其控制算法與仿真研究[D].沈陽：東北大學，2008.

[9]LEE K J， KI Y H， CHEON J S， et al. Approach to functional safetycompliant ECU design for electromechanical brake systems[J]. International journal of automotive technology，2014，15（2）：325332.

[10]任靈童.車載網絡仿真與評測系統的實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）endprint