一種汽車線控制動系統的設計及實現

張明容 李景彬 袁 敏

（廣州城市理工學院汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著智能汽車技術的發展，目前很多高校和企業都投入了大量資金對智能汽車進行研究，線控底盤是智能汽車的軀體，沒有線控底盤，智能汽車將無法行駛[1]。制動系統是線控底盤的主要組成部分，目前線控制動主要有以下3種：1） 純粹的線控制動系統。ECU處理踏板位移傳感器和車速傳感器信號，通過控制電子機械制動器電機來對車輛進行制動。這對于一些整車廠的線控底盤技術來說，例如英菲尼迪的線控底盤，要實現對它的智能控制，就需要先解析它的CAN協議，這個非常困難或者需要花高價去購買相應的技術。2） 在原車上面進行改裝，并聯或串聯制動回來，例如電子液壓制動系統（EHB），有的高校對其進行了研究，博士的液壓制動就屬于這類，其操作難度非常大。3） 在原來的基礎上增加動力裝置，并對其進行控制[2-3]。該文的研究對象為純電動汽車御捷E330，它的制動系統是真空阻力液壓制動系統。為了實現線控制動，的左端在原車制動系統中添加動力結構的方法。

1 線控制動系統整體設計方案

該文采用STM32單片機對輔助執行機構的電機進行控制，整體方案如圖1所示，上位機通過傳感器采集周圍環境、車速以及車與障礙物的距離等信息，并對其進行分析計算，得出相應的制動控制指令（制動系統制動情況），通過CAN通信模塊傳輸給微控單元（STM32F4x），微控單元通過計算制動系統制動情況與制動踏板位置的關系，得出制動踏板的位移，并發送PWM信號對電機進行控制[4]，電機輸出相應扭矩和轉動的圈數來控制制動踏板，從而實現準確的制動。

圖1 線控系統方案

2 制動輔助執行機構的設計

制動輔助執行機構采用電機加拉索的形式，如圖2所示。電機通過法蘭固定安裝在電機機架座上，機架安裝在車制動踏板的前壁。電機轉軸連接器3的左端與電機軸7相連，另一端連接軸8上有拉索安裝孔，用于固定拉索。在制動踏板臂6上打孔，用于固定拉索的另一端。滑輪支架固定在制動踏板臂安裝孔的正前方，拉索繞過固定滑輪與電機連軸軸孔端部呈90°，改變拉索的運動方向，使制動踏板臂和電機連接軸都只受一個方向的力。經過反復試驗，拉索采用尼龍材料效果較好；為了準確控制踏板移動的距離，控制電機選用兩相步進電機。

圖2 制動輔助執行機構簡圖

3 線控制動系統的硬件設計

制動控制系統以STM32F407ZGT6最小系統芯片為核心處理器，由制動控制模塊、CAN總線控制器模塊、通信模塊和電源組成，如圖3所示。STM32F4F407ZGT6最小系統是將ROM、RAM和I/O口等系統集成在一個芯片上，支持SPI、IIC以及UART等電信號及協議，其電路設計主要有5 V和3.3 V電源供電、晶振時鐘電路、復位電路、串口電路以及JTAG程序下載接口。

圖3 制動控制系統組成

3.1 制動控制模塊

制動控制模塊由電機控制器、單軸2相步進電機組成。系統制動控制工作原理是STM32F407ZGT6芯片接收上位機發來的模擬CAN信號，由芯片對執行機構發出執行動作的指令，電機驅動器驅動電機單輸出軸進行正轉或反轉，使拉繩伸長或縮短，拉繩拉動制動踏板上下擺動，從而控制制動踏板的移動，如圖3所示。

3.2 CAN總線控制模塊

該文選用的CAN總線控制器TAJ1050模塊與電動車連接實現總線的通信，電路原理如圖4所示。TAJ1050根據2根線CANH與CANL上的電位差來判斷總線電平，用于實現CAN總線的協議底層以及數據鏈路層，生成CAN幀并以二進制碼流的方式發送出去。

圖4 CAN總線控制器TAJ1050電路原理圖

3.3 串口通信模塊

串口通信是系統與上位機交互的重要部分。該系統采用的STM32F407ZGT6最小系統芯片內置3個UART，其 中UART1中PA9、PA10復用引腳作為與USB-TTL接口的連接，以達到與上位機通信的目的，支持RS232協議，且具有很高的傳輸速率，可與USB-TTL串口進行通信。

4 線控制動系統的軟件設計

STM32F407ZG6芯片采用的開發環境是由美國Keil Software公司開發設計的一個ARM微處理器集成開發環境軟件Keil uVison5，其采用C語言進行編程。

4.1 與上位機的通信

該系統程序與上位機進行串口通信接口UART是復用I/O口PA9、PA10分別為發送和接收引腳，與上位機進行通信；程序首先進入主程序初始化，開始接收數據直到中斷數據接收；其次，讀取接收到的程序數據，再進行地址的判斷，判斷正確則對數據進行CRC校驗，校驗結果正確則執行子程序控制模塊進行相關模塊的子程序控制。串行通信接口輸出的是RRL電平，可以通過USB與電腦連接，將數據及時發送至上位機并顯示出來。

4.2 制動控制程序設計

在制動控制模塊中，是通過驅動電機來實現相關功能的，而其中電機驅動需要通過改變脈沖寬度來調整輸出頻率。該系統使用的STM32F4芯片內置了多個功能強大的TIM定時器時鐘，設置TIM值即可以輸出PWM信號改變占空比。程序中采用TIM1通道，定時器所有相關設置都是通過軟件編程來實現的，通過相關函數設置輸出頻率、占空比，且有專門的向上計數器。在該系統的軟件設計中，使用了TIM1時鐘，使能I/O口PF8/PF9復用為TIM1-CH1,設置PF8/PF9復用推挽輸出，速率為100 MHz，初始上拉，設置分頻系數，向上計數，電機控制設置頻率上限為100 kHz，占空比上限為50%,計算出周期、脈寬值，電機正反轉，PWM輸出。制動控制流程如圖5所示。

圖5 制動控制流程圖

5 仿真與測試

5.1 與上位機通信仿真

采用Keil5編寫完成的程序通過STC－ISP 軟件燒錄至開發板，該文的微控制系統可以對整個線控系統進行控制，如圖6所示。該文主要研究制動系統的控制，即對電機進行控制。

圖6 微控制系統

采用STM32F407ZGT6芯片中的UART口通過USB與上位機連接搭建串口通信，以實現上位機模擬CAN信號對ACU發送相關模塊控制報文后達到執行相關指令控制的目的，同時也能接收ACU反饋的控制信號。

在Keil5仿真運行程序后，打開串口調試小工具XCOM進行基本配置，選擇串口COM4，波特率為115200，其余配置默認，打開串口，即可接收到程序運行時的通信，在發送編輯口可以編輯發送協議。通過串口調試小工具來顯示數據的接收與發送內容。顯示屏能很好地顯示發送的數據，顯示發送完成，證明了通信的可行性。

5.2 實車測試

為防止電機安裝后對人工踩制動踏板造成干擾，在防火墻壁安裝電機法蘭，其安裝位置如圖7所示。該車上位機采用的是工控機，在上位機上通過串口輸入串口調試小工具XCOM向控制器發送脈沖信號，電機執行相應的動作，從而實現制動踏板的相應運動。

圖7 控制電機的安裝

6 結論

該文以STM32單片機為控制核心，外加制動執行機構，實現了對制動系統的線控制動。當上機位通過CAN線發送制動信號給控制器時，控制器發送信號給電機驅動器，驅動電機正轉、反轉和停止，帶動執行機構對制動踏板實現上下運動，模擬人工踩踏板，從而達到制動的目的。通過在實車上進行軟件調試，該系統能正常傳送制動信號，較好地實現了制動控制，但控制精度有待提高。該系統成本低，易于實現，可以應用于教學試驗和對精度要求不高的線控底盤。