一種汽車線控制動系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

張明容 李景彬 袁 敏

（廣州城市理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著智能汽車技術(shù)的發(fā)展，目前很多高校和企業(yè)都投入了大量資金對智能汽車進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)。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(jī)械制動器電機(jī)來對車輛進(jìn)行制動。這對于一些整車廠的線控底盤技術(shù)來說，例如英菲尼迪的線控底盤，要實現(xiàn)對它的智能控制，就需要先解析它的CAN協(xié)議，這個非常困難或者需要花高價去購買相應(yīng)的技術(shù)。2） 在原車上面進(jìn)行改裝，并聯(lián)或串聯(lián)制動回來，例如電子液壓制動系統(tǒng)（EHB），有的高校對其進(jìn)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(chǔ)上增加動力裝置，并對其進(jìn)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(tǒng)是真空阻力液壓制動系統(tǒng)。為了實現(xiàn)線控制動，的左端在原車制動系統(tǒng)中添加動力結(jié)構(gòu)的方法。

1 線控制動系統(tǒng)整體設(shè)計方案

該文采用STM32單片機(jī)對輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行控制，整體方案如圖1所示，上位機(jī)通過傳感器采集周圍環(huán)境、車速以及車與障礙物的距離等信息，并對其進(jìn)行分析計算，得出相應(yīng)的制動控制指令（制動系統(tǒng)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(tǒng)制動情況與制動踏板位置的關(guān)系，得出制動踏板的位移，并發(fā)送PWM信號對電機(jī)進(jìn)行控制[4]，電機(jī)輸出相應(yīng)扭矩和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)來控制制動踏板，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的制動。

圖1 線控系統(tǒng)方案

2 制動輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計

制動輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電機(jī)加拉索的形式，如圖2所示。電機(jī)通過法蘭固定安裝在電機(jī)機(jī)架座上，機(jī)架安裝在車制動踏板的前壁。電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接器3的左端與電機(jī)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(jī)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(jī)連接軸都只受一個方向的力。經(jīng)過反復(fù)試驗，拉索采用尼龍材料效果較好；為了準(zhǔn)確控制踏板移動的距離，控制電機(jī)選用兩相步進(jìn)電機(jī)。

圖2 制動輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖

3 線控制動系統(tǒng)的硬件設(shè)計

制動控制系統(tǒng)以STM32F407ZGT6最小系統(tǒng)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(tǒng)是將ROM、RAM和I/O口等系統(tǒng)集成在一個芯片上，支持SPI、IIC以及UART等電信號及協(xié)議，其電路設(shè)計主要有5 V和3.3 V電源供電、晶振時鐘電路、復(fù)位電路、串口電路以及JTAG程序下載接口。

圖3 制動控制系統(tǒng)組成

3.1 制動控制模塊

制動控制模塊由電機(jī)控制器、單軸2相步進(jìn)電機(jī)組成。系統(tǒng)制動控制工作原理是STM32F407ZGT6芯片接收上位機(jī)發(fā)來的模擬CAN信號，由芯片對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行動作的指令，電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)單輸出軸進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，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(xiàn)總線的通信，電路原理如圖4所示。TAJ1050根據(jù)2根線CANH與CANL上的電位差來判斷總線電平，用于實現(xiàn)CAN總線的協(xié)議底層以及數(shù)據(jù)鏈路層，生成CAN幀并以二進(jìn)制碼流的方式發(fā)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(tǒng)與上位機(jī)交互的重要部分。該系統(tǒng)采用的STM32F407ZGT6最小系統(tǒng)芯片內(nèi)置3個UART，其 中UART1中PA9、PA10復(fù)用引腳作為與USB-TTL接口的連接，以達(dá)到與上位機(jī)通信的目的，支持RS232協(xié)議，且具有很高的傳輸速率，可與USB-TTL串口進(jìn)行通信。

4 線控制動系統(tǒng)的軟件設(shè)計

STM32F407ZG6芯片采用的開發(fā)環(huán)境是由美國Keil Software公司開發(fā)設(shè)計的一個ARM微處理器集成開發(fā)環(huán)境軟件Keil uVison5，其采用C語言進(jìn)行編程。

4.1 與上位機(jī)的通信

該系統(tǒng)程序與上位機(jī)進(jìn)行串口通信接口UART是復(fù)用I/O口PA9、PA10分別為發(fā)送和接收引腳，與上位機(jī)進(jìn)行通信；程序首先進(jìn)入主程序初始化，開始接收數(shù)據(jù)直到中斷數(shù)據(jù)接收；其次，讀取接收到的程序數(shù)據(jù)，再進(jìn)行地址的判斷，判斷正確則對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，校驗結(jié)果正確則執(zhí)行子程序控制模塊進(jìn)行相關(guān)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(shù)據(jù)及時發(fā)送至上位機(jī)并顯示出來。

4.2 制動控制程序設(shè)計

在制動控制模塊中，是通過驅(qū)動電機(jī)來實現(xiàn)相關(guān)功能的，而其中電機(jī)驅(qū)動需要通過改變脈沖寬度來調(diào)整輸出頻率。該系統(tǒng)使用的STM32F4芯片內(nèi)置了多個功能強大的TIM定時器時鐘，設(shè)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(guān)設(shè)置都是通過軟件編程來實現(xiàn)的，通過相關(guān)函數(shù)設(shè)置輸出頻率、占空比，且有專門的向上計數(shù)器。在該系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，使用了TIM1時鐘，使能I/O口PF8/PF9復(fù)用為TIM1-CH1,設(shè)置PF8/PF9復(fù)用推挽輸出，速率為100 MHz，初始上拉，設(shè)置分頻系數(shù)，向上計數(shù)，電機(jī)控制設(shè)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(jī)正反轉(zhuǎn)，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(jī)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(fā)板，該文的微控制系統(tǒng)可以對整個線控系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖6所示。該文主要研究制動系統(tǒng)的控制，即對電機(jī)進(jìn)行控制。

圖6 微控制系統(tǒng)

采用STM32F407ZGT6芯片中的UART口通過USB與上位機(jī)連接搭建串口通信，以實現(xiàn)上位機(jī)模擬CAN信號對ACU發(fā)送相關(guān)模塊控制報文后達(dá)到執(zhí)行相關(guān)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(diào)試小工具XCOM進(jìn)行基本配置，選擇串口COM4，波特率為115200，其余配置默認(rèn)，打開串口，即可接收到程序運行時的通信，在發(fā)送編輯口可以編輯發(fā)送協(xié)議。通過串口調(diào)試小工具來顯示數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送內(nèi)容。顯示屏能很好地顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯示發(fā)送完成，證明了通信的可行性。

5.2 實車測試

為防止電機(jī)安裝后對人工踩制動踏板造成干擾，在防火墻壁安裝電機(jī)法蘭，其安裝位置如圖7所示。該車上位機(jī)采用的是工控機(jī)，在上位機(jī)上通過串口輸入串口調(diào)試小工具XCOM向控制器發(fā)送脈沖信號，電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)制動踏板的相應(yīng)運動。

圖7 控制電機(jī)的安裝

6 結(jié)論

該文以STM32單片機(jī)為控制核心，外加制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了對制動系統(tǒng)的線控制動。當(dāng)上機(jī)位通過CAN線發(fā)送制動信號給控制器時，控制器發(fā)送信號給電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)對制動踏板實現(xiàn)上下運動，模擬人工踩踏板，從而達(dá)到制動的目的。通過在實車上進(jìn)行軟件調(diào)試，該系統(tǒng)能正常傳送制動信號，較好地實現(xiàn)了制動控制，但控制精度有待提高。該系統(tǒng)成本低，易于實現(xiàn)，可以應(yīng)用于教學(xué)試驗和對精度要求不高的線控底盤。