電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海榮

選題的目的和意義

汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車最重要系統(tǒng)之一，從汽車誕生時(shí)起，該系統(tǒng)在車輛的安全方面就扮演著至關(guān)重要的角色，特別是近年來，隨著車輛技術(shù)的進(jìn)步和汽車行駛速度的提高，這種重要性表現(xiàn)得越來越明顯。

汽車制動(dòng)系統(tǒng)是為了使高速行駛的汽車能減速或停車而設(shè)計(jì)的。如果該系統(tǒng)不能正常工作，車上的駕駛員和乘客將受到車禍的傷害，所以分析和研究汽車制動(dòng)系統(tǒng)具有極其重要的意義，特別是對(duì)于汽車專業(yè)的畢業(yè)生來說，意義更加非凡！

摘 要：電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，其具有高可靠性、安全環(huán)保及反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，因此，電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要是采用線控制動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其不僅可以提高制動(dòng)器的舒適性，也可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)所帶來的負(fù)載損耗，主要通過電子制動(dòng)踏板來克服在制動(dòng)過程中所發(fā)生的踏板抖動(dòng)現(xiàn)象，因此，電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，必將取代傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)。

1 電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由電子制動(dòng)踏板、受剎拉桿、電子駐車開關(guān)及電制動(dòng)器等組成，其中，輪速傳感器主要用于采集車輪速度，并將其作為ABS控制策略算法的輸入?yún)?shù)，當(dāng)然，對(duì)于電子駐車開關(guān)，其主要用于產(chǎn)生駐車開關(guān)信號(hào)。當(dāng)車輛點(diǎn)火后，系統(tǒng)中的控制驅(qū)動(dòng)單元檢測到點(diǎn)火開關(guān)后，將進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)自檢和動(dòng)態(tài)自檢，在行車過程中，控制驅(qū)動(dòng)單元將對(duì)電子駐車開關(guān)信號(hào)及制動(dòng)踏板開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集，利用控制策略算法對(duì)最終輸出控制目標(biāo)值進(jìn)行運(yùn)算和判斷，并通過控制量MCU控制單元對(duì)控制目標(biāo)控制量驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，并驅(qū)動(dòng)制動(dòng)電機(jī)和電磁離合器，將兩者集成在電制動(dòng)器總成之內(nèi)，通機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu)，電磁離合器將實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)器力的保持，而制動(dòng)電機(jī)將利用控制驅(qū)動(dòng)單元的電流閉環(huán)控制及機(jī)械減速增矩機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

2 電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由主MCU和監(jiān)控MCU組成的控制電路、由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路和電磁離合器驅(qū)動(dòng)控制電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其中，控制電路主要完成車輛點(diǎn)火、駐車中斷信號(hào)、輪速信號(hào)及踏板位移信號(hào)等輸入信號(hào)的采集。分析主MCU和監(jiān)控MCU，其主要采用基于Power PC構(gòu)架的32位處理器MPC5604和8位處理器MC9S08DZ128，通過模擬開關(guān)控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部分信號(hào)采集及驅(qū)動(dòng)制動(dòng)電機(jī)、電磁離合器的輸出控制，在系統(tǒng)中若采用3路模擬開關(guān)，則可以實(shí)現(xiàn)1路駐車信號(hào)、2路制動(dòng)踏板位移信號(hào)的采集；若采用16路信號(hào)開關(guān)，則可以實(shí)現(xiàn)4路制動(dòng)電動(dòng)機(jī)、4路電磁離合器的控制。然而，對(duì)于切換仲裁控制，其主要由監(jiān)控MCU來實(shí)現(xiàn)的，采用SPI通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主、從MCU監(jiān)控，由于主、從MCU具有整車的CAN通信接口，從整車獲取系統(tǒng)故障報(bào)警信息并發(fā)送到儀表控制單元，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）常規(guī)制動(dòng)控制算法，根據(jù)制動(dòng)踏板位移來判斷駕駛員的制動(dòng)意圖，采集到制動(dòng)踏板位移后，應(yīng)根據(jù)整車踏板位移、電子制動(dòng)踏板位移、前后制動(dòng)器制動(dòng)力分配比例來合理分配前、后輪制動(dòng)力，并根據(jù)電制動(dòng)器的減速比和制動(dòng)效率計(jì)算出制動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩，為了推算出電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流，則需要根據(jù)電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流及電機(jī)輸出扭矩曲線進(jìn)行推算，采用電流閉環(huán)控制算法來獲得PID電流閉環(huán)控制的目標(biāo)電流值，即根據(jù)目標(biāo)電流值、反饋的實(shí)際電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，待反饋值及目標(biāo)值達(dá)到一定的精度范圍后，才能進(jìn)入下一個(gè)常規(guī)制動(dòng)閉環(huán)控制。

（2）駐車制動(dòng)控制算法。首先需要采集制動(dòng)踏板信號(hào)、離合器踏板位移信號(hào)、點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等，并將其作為駐車狀態(tài)和駛離狀態(tài)的判斷條件，在執(zhí)行駐車制動(dòng)中，應(yīng)充分考慮手動(dòng)駐車按鈕開關(guān)信號(hào)及駐車狀態(tài)與駛離狀態(tài)的判別結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)駐車、自動(dòng)駐車和輔助駛離的駐車制動(dòng)控制算法。

（3）系統(tǒng)冗余控制算法。采用主MCU+監(jiān)控MCU結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)冗余控制，即利用SPI通信方式來實(shí)現(xiàn)主、從MCU的相互監(jiān)控，并將發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容作為事先設(shè)定的數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)為事先設(shè)定的數(shù)據(jù)時(shí)，則表示系統(tǒng)運(yùn)行良好，反之，則表示出現(xiàn)故障；當(dāng)主MCU出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控MCU將啟動(dòng)故障報(bào)警按鈕，并通過模擬切換開關(guān)接管控制權(quán)進(jìn)行常規(guī)控制和駐車制動(dòng)的開環(huán)控制。

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)中的電子機(jī)械制動(dòng)器，其主要作為該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由制動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)卡鉗、制動(dòng)片和剎車盤等組成[1]，其中，制動(dòng)電機(jī)通過減速齒輪和驅(qū)動(dòng)減速齒輪帶動(dòng)同軸的滾珠絲桿，將滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)，將活塞作用于剎車片，通過剎車片對(duì)剎車盤進(jìn)行擠壓，并產(chǎn)生夾緊力，以達(dá)到車輛制動(dòng)的效果。

3 電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)測試

利用新型電制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和輔助測試板對(duì)電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，根據(jù)資料表明[1]，如表1所示，電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)距離小、制動(dòng)時(shí)間長及減速度小，其主要原因是制動(dòng)電機(jī)及制動(dòng)力較小，所加載的負(fù)載也比較小，導(dǎo)致制動(dòng)力、車速及滑移率隨著時(shí)間的變化而變化，制動(dòng)力隨著踏板位移變化而呈現(xiàn)平滑變化的趨勢，由于該系統(tǒng)沒有進(jìn)行ABS測試，因此，踏板的滑移率為零。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代汽車制動(dòng)控制技術(shù)正朝著電子制動(dòng)控制方向發(fā)展。全電制動(dòng)控制因其巨大的優(yōu)越性，將取代傳統(tǒng)的以液壓為主的傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，隨著其他汽車電子技術(shù)特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子元件的成本及尺寸不斷下降。

電動(dòng)汽車電子制動(dòng)控制系統(tǒng)將與其他汽車電子系統(tǒng)如汽車電子懸架系統(tǒng)、汽車主動(dòng)式方向擺動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)、電子導(dǎo)航系統(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)等融合在一起成為綜合的汽車電子控制系統(tǒng)，未來的汽車中就不存在孤立的制動(dòng)控制系統(tǒng)，各種控制單元集中在一個(gè)ECU中，并將逐漸代替常規(guī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛控制的智能化。其具有高可靠性、安全環(huán)保及反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，因此，電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉卓.基于FPGA的汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].西安工程大學(xué)，2011.

[2] 左斌.汽車電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2014.