基于CAN總線的電子機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)電控單元的實(shí)現(xiàn)

隨著機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)也滲入到了汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了稱為“電子制動(dòng)系統(tǒng)”的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)系統(tǒng)不同，電子制動(dòng)系統(tǒng)以電子元件替代了大部分液壓和機(jī)械元件，減少了制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的滯后時(shí)間。它根據(jù)駕駛員進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，踏板行程傳感器探知駕駛員的制動(dòng)意圖，進(jìn)而對(duì)各輪制動(dòng)力進(jìn)行精確的控制，縮短了制動(dòng)距離，從而增加了交通安全性[1]。
2、EMB
線控制動(dòng)系統(tǒng)目前分為兩種類型,一種為電液制動(dòng)系統(tǒng)EHB (Electro-hydraulic Brake),另一種為電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)EMB (Electro-Mechanical Brake)[2]。本文主要討論的內(nèi)容是后者。
相比傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)，電子機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)[3]：
①　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,省去大量管路系統(tǒng)及部件;
②　制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短,提高了制動(dòng)性能;
③　系統(tǒng)制造、裝配、測(cè)試簡(jiǎn)單快捷,采用模塊化結(jié)構(gòu),維護(hù)簡(jiǎn)單;
④　采用電線連接,系統(tǒng)耐久性能良好;
⑤　易于改進(jìn),略加變化即可增設(shè)各種電控制功能。
電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)包含如下部分：
①　電源：采用車載電源。
②　電制動(dòng)器：采用可連續(xù)堵轉(zhuǎn)的力矩電機(jī)。
③　電制動(dòng)控制單元(ECU)：由二部分構(gòu)成，主控節(jié)點(diǎn)和從控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收制動(dòng)踏板傳感器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的算法計(jì)算，將數(shù)據(jù)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，控制制動(dòng)器制動(dòng);接收車輪傳感器信號(hào)，識(shí)別車輪是否抱死、打滑等。從控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收發(fā)自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
④　輪速傳感器：使用霍爾傳感器在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生脈沖，由ECU采集。
3、EMB系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)示意圖

3.1 主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
考慮到主節(jié)點(diǎn)需要處理的數(shù)據(jù)比較多，對(duì)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求比較高，因此采用運(yùn)算能力較強(qiáng)的16位微控制器，這里我們采用了英飛凌公司的XC164CM8F40F。它采用高性能16位帶5級(jí)流水線的C166S V2 CPU，提供較好的DSP性能和中斷處理以及外設(shè)集和高性能可靠的片內(nèi)閃存，40MHz CPU時(shí)鐘的單指令時(shí)間25ns，以及16級(jí)優(yōu)先中斷系統(tǒng)多達(dá)75個(gè)中斷源。
外設(shè)方面，它具有14路ADC，多功能通用計(jì)時(shí)器單元，片內(nèi)TwinCAN接口，47個(gè)GPIO，通過(guò)JTAG接口支持在片調(diào)試等豐富的外設(shè)資源。
XC164CM內(nèi)含兩組共五個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，使用其中一個(gè)作為定時(shí)器，用來(lái)計(jì)算車速和踏板行程變化率;使用其余四個(gè)作為計(jì)數(shù)器采集安裝在車輪部的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)。
使用一路ADC采集踏板行程傳感器的模擬電壓值。CAN總線接口方面，片內(nèi)TwinCAN模塊支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.0A/B，大大簡(jiǎn)化了CAN接口應(yīng)用設(shè)計(jì)。使用片內(nèi)TwinCAN模塊中的一路CAN控制器，外接TLE6250作為CAN總線物理接口的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。
3.2 系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)需要四個(gè)相同的從節(jié)點(diǎn)部分，且從節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要從CAN總線接收數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和力矩大小，因此可以采用帶有片內(nèi)CAN控制器價(jià)格較低的T89C51CC01微控制器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片方面采用ST公司單封裝的全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片VNH3SP30。芯片采用小型化封裝，節(jié)省電路板空間、重量和成本。該產(chǎn)品特勝包括30A輸出電流，40V最高工作電壓，支持最高10KHz的脈寬調(diào)制操作。
4、EMB系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
4.1 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖2 主節(jié)點(diǎn)軟件流程

程序首先等待駕駛員踩下踏板。由于非制動(dòng)狀態(tài)時(shí)剎車片與制動(dòng)盤之間保留有一定距離，當(dāng)駕駛員剛剛踩下跳板后，力矩電機(jī)需要迅速消除剎車片與制動(dòng)盤之間的間隙。消除間隙后，程序要能根據(jù)踏板的行程來(lái)控制力矩電機(jī)輸出的力矩。由于在消除了剎車片與制動(dòng)盤之間的間隙后，力矩電機(jī)一直處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此可以采用對(duì)力矩電機(jī)輸出PWM信號(hào)脈寬調(diào)制的方式來(lái)精確控制力矩輸出。
由于采用電子制動(dòng)系統(tǒng)，使對(duì)駕駛員制動(dòng)意圖的監(jiān)測(cè)成為可能。例如在發(fā)生緊急情況時(shí)，駕駛員會(huì)迅速踩下制動(dòng)踏板，在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)中，最大制動(dòng)力是在踏板踩到最底時(shí)提供的。而在電子制動(dòng)系統(tǒng)中，若發(fā)生緊急情況時(shí)，可能提前感知駕駛緊急制動(dòng)意圖，并在駕駛員未將制動(dòng)踏板踩到最底時(shí)，即可提供最大制動(dòng)力，這樣可以大大增加制動(dòng)安全性?；谏鲜隹紤]，制動(dòng)力不能簡(jiǎn)單的和踏板行程相對(duì)應(yīng)，需要采用智能化的模糊控制方法對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行非線性控制。
當(dāng)駕駛員完全放開制動(dòng)踏板時(shí)，雖然此時(shí)無(wú)制動(dòng)力提供，但剎車片和制動(dòng)盤仍有接觸，為了盡量減小拖滯扭矩，此時(shí)需要將剎車片離開制動(dòng)盤一小段距離，這是與駕駛員踩下踏板時(shí)的消除間隙相對(duì)應(yīng)的過(guò)程。
4.2 從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖3 從節(jié)點(diǎn)軟件流程

從節(jié)點(diǎn)要完成的工作則相對(duì)簡(jiǎn)單，從節(jié)點(diǎn)只需要接收CAN總線發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容使用IO接口通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)送PWM信號(hào)來(lái)控制力矩電機(jī)的力矩。