（光学工程专业论文）汽车电子驻车制动系统epb的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活品质的逐步提高，人们对汽车性能的要求也与日俱增，这些 性能不仅包括传统观念中的动力性、经济性和安全性，还包括有时尚性、智能 化和人性化等诸多元素。基于此目的，美国天合汽车集团成功研发并首先推出 了汽车电子驻车制动系统，它用电子控制系统取代了原来的机械式结构，使车 辆的驻车控制更加的便捷与安全，同时可以与车辆上的其他电子控制系统相协 同工作，使得汽车更加的智能化，可以说，电子驻车制动系统是车辆系统应用 中人性化、智能化的又一体现，而市场表现也充分表明了电子驻车制动系统应 用的成功。 对于传统的机械式驻车制动系统，其存在着许多的缺点，诸如需要消耗驾 驶员的体力，操作上比较麻烦，存坡道卜起步时需要驾驶员有一定的技能，并 且机械结构在使用上会存在一定的安全隐患等等问题，而电子驻车制动系统则 可以有效的克服这一系列的问题，其能够实现缓速制动，坡道智能辅助起步， 与行车电脑进行数据交换和共享等机械式驻车制动系统所不能达到的功能。 本文系统的对电子驻车制动系统进行了讨论和研究，为电子驻车制动系统 的开发提供了一定的方法、理论依据及设计要求。本文首先介绍了电子驻车制 动系统的国内外研究现状及传统的机械式驻车制动系统所存在的问题，阐述了 电子驻车制动系统的基本原理，并对相应的国家标准进行了系统分析，基于此 分析，本文对电子驻车制动系统的产品开发的各个参数采集模块和实现各项功 能的控制策略分别进行了讨论和研究。在参数采集模块中，分别研究了车速、 发动机转速、制动力、制动盘压力等模块的计算方法，而在控制策略部分，则 研究了包括实施驻车制动、解除驻车制动、起步阻力辨识、坡道起步等的控制 策略。然后，对系统进行了优化设计分析，从硬件系统和软件系统着手分别对 系统的抗干扰设计进行了相关分析研究。最后，建立了电子驻车制动系统中电 机和丝杆传动机构的数学模型，并在m a t l a b 中搭建了仿真平台进行了仿真分析。 关键词：电子驻车，系统研究，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sp e o p l e sl i f e q u a l i t yi n c r e a s e sg r a d u a l l y , p e o p l e sr e q u i r e m e n t si nc a r s p e r f o r m a n c e s a l s oi n c r e a s e s t h e s ep e r f o r m a n c e sn o t o n l yi n c l u d e st r a d i t i o n a l p e r f o r m a n c e ss u c ha sd y n a m i c ，e c o n o m ya n ds a f e t yp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oi n c l u d e s m a n yo t h e rp e r f o r m a n c ee l e m e n t s ，s u c ha sf a s h i o n , i n t e l l e c t u a l i z e da n dh u m a n i z e d a i m e da tt h e s ep u r p o s e t h et r wi nu s a s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da n dl a u n c h e dt h e e l e c t r i cp a r k i n gb r a k es y s t e mf i r s t l y i tu s e st h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mt or e p l a c e t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h u s ，m a k et h ec o n t r o lo ft h ep a r k i n gb r a k ei s m o r ec o n v e n i e n ta n ds a f e ，i ta l s oc a nb ea s s o c i a t e d 丽t ht h eo t h e rv e h i c l ee l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m st om a k et h ev e h i c l em o r ei n t e l l i g e n t w ec a ns a yt h a te l e c t r i c p a r k i n gb r a k es y s t e mi sa n o t h e ri n t e l l e c t u a l i z e da n dh u m a n i z e ds y s t e mi nv e h i c l e a p p l i c a t i o n ，i t sm a r k e ts a l e sa l s od e m o n s t r a t e st h a te l e c t r i cp a r k i n gb r a k es y s t e mi s s u c c e s s f u l f o rt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l t y p ep a r k i n gb r a k es y s t e m ，i th a sm a n y d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h en e e do fd r i v e r sp h y s i c a lc o n s u m p t i o n ，t h eo p e r a t i o ni s c o m p l i c a t e d ，t h ed r i v e rs h o u l dh a v eac e r t a i ns k i l lw h e ns t a r to nt h er a m p ，b e s i d e s ， t h em e c h a n i cc o m p o n e n t sm a y b ef a i l u r ea f t e ral o n gt i m e t ot h ee l e c t r i cp a r k i n g b r a k es y s t e m ，i tc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，b e s i d e s ，i tc a nr e a l i z et h e s l o ws p e e db r a k e ，r a m pi n t e l l i g e n ta u x i l i a r ys t a r t i n g ，d a t ae x c h a n g ea n ds h a r i n gw i t h t h ev e h i c l ec o m p u t e rw h i c ht h em e c h a n i ct y p ep a r k i n gb r a k es y s t e mc a nn o tr e a l i z e i nt h i sp a p e r w ed i s c u s s ea n dr e s e a r c h et h ee l e c t r i cp a r k i n gb r a k es y s t e m ，a n d p r o v i d ed e v e l o p i n gm e t h o d s ，t h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r i c p a r k i n gb r a k es y s t e m t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fe l e c t r i cp a r k i n g b r a k es y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a n dt h ee x i s t e n c ep r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a l m e c h a n i ct y p ep a r k i n gb r a k es y s t e m ，t h e ne l a b o r a t et h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i c p a r k i n gb r a k es y s t e ma n da n a l y s et h ec o r r e s p o n d i n gn a t i o n a ls t a n d a r d s b a s e do n t h i sa n a l y s i s ，t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e s e da n dr e s e a r c h e di ne a c hp a r a m e t e r a c q u i s i t i o n m o d u l ea n dr e a l i z et h ef u n c t i o n s c o n t r o l s t r a t e g y i nt h ep a r a m e t e ra c q u i s i t i o n m o d u l e ，r e s p e c t i v e l ys t u d i e di nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fv e h i c l es p e e d ，e n g i n e 武汉理丁大学硕士学位论文 s p e e d ，b r a k i n gp r e s s u r e ，b r a k ed i s cp r e s s u r ea n ds oo n ，i nt h ec o n t r o ls t r a t e g yp a r t , i t h a sb e e ns t u d i e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea c t i o no fp a r k i n gb r a k e ，r e l e a s ep a r k i n g b r a k e ，s t a r tr e s i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o n ，r a m ps t a r ta n ds oo n t h e n ，t oo p t i m i z et h e d e s i g na n da n a l y s i so ft h es y s t e m ，u n d e r t o o k r e l e v a n t a n a l y s i sr e s p e c t i v e l yf r o m t h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mo nt h es y s t e ma n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g n f i n a l l y , e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e m o t o ra n dm e c h a n i c a ls c r e w t r a n s m i s s i o ni nt h ee l e c t r i cp a r k i n gb r a k es y s t e m ，a n db u i l ds i m u l a t i o np l a t f o r mi n m a t l a ba n dd ot h es i m u l a t i o na n da n a l y s i s k e yw o r d s ：e l e c t r i cp a r k i n gb r a k e ，s y s t e mr e s e a r c h , s i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车是重要的交通工具之一，汽车产业的发展水平是一个国家和地区工业 制造生产、高科技研发和软硬件创新实力发展水平的重要标志。汽车从诞生至 今，在国民经济领域和对人们的日常生活的推动作用越来越突显。尽管相较于 西方国家我国汽车产业诞生较晚，且在初期发展十分缓慢，但自改革开放以后， 由于中国发展的现实需要，中国汽车产业崛起迅速，但与巨大的汽车市场和增 长的潜力相比，国内自主研发和创新存在相对不足，导致中国汽车产业显现出 大而不强的局面。对于用户而言，汽车产品仍存在着刚性的需求，同时也曾现 出需求多元化的趋势，冈此，汽车产品的性能提升和创新成为客观现实需要。 对于中国车主而言，不仅存在着道路交通拥挤，道路条件复杂，气候变化 较大等驾驶环境问题，还存在着驾驶员自身状况和驾驶经验和技术等方面的问 题，因此，车辆行驶的安全性问题成为了人们关注的焦点之一，而汽车制动及 其辅助系统作为保障汽车行驶安全的主力配置，也在不断的进行改进，而驻车 制动系统是车辆制动系统的重要组成部分之一，也在不断的创新和改进中。 汽车驻车制动系统俗称手刹，其用途为在汽车在路面或坡道上停驻时，驻 车制动系统通过制动器锁住传动轴( 中央制动器) 或者车轮( 轮边制动器) ，以 避免车辆溜滑，此外，当汽车在行驶过程中突遇紧急情况需要迅速制动时，驻 车制动系统可以和行车制动系统共同作用，以实现紧急制动。在汽车设计中， 为保障制动系统的可靠性，驻车制动系统和行车制动系统为独立工作的装置， 从而在一套装置失效时另外一套制动装置仍然能够有效起到制动作用。目前， 一般车辆上广泛使用着机械式传动方式的人力机械式驻车制动系统，它通过驾 驶员脚动操纵制动控制踏板来实现驻车制动功能。 随着汽车发展更加趋向电子化、信息化和智能化，汽车电子技术和控制技 术在汽车上不断得到应用并日趋成熟，汽车电子驻车制动系统( e l e c t r o n i c p a r k i n gb r a k es y s t e m ) 即e p b 也已经成功研制并得到了成熟的应用，它采用先 进的机电一体化自动控制系统取代了人力机械式驻车系统，从而可以依据最优 控制策略智能轻松的面对各种复杂的运行工况，具有更高的安全性、舒适性和 武汉理工大学硕士学位论文 良好的操纵性能。 1 2 电子驻车制动技术国内外研究现状综述 根据北京奥尔威咨询有限公司最近完成的2 0 0 9 2 0 1 0 年中国电子驻车制动 器( e p b ) 行业发展分析报告中显示：电子驻车制动器( e l e c t r i c a lp a r kb r a k e ) 产品技术最早出现于1 9 9 8 年，该产品是传统手刹制动器的替代产品：拥有一键 制动及自动驻车的功能并大大节省了车内的空间。e p b 分整合卡钳式( c a l i p e r i n t e r g r a t e d t y p e ) 和钢索牵引式( c a b l e p u l l e r t y p e ) 两种类型( 如图1 2 3 ) 。电 子驻车制动系统( e p b ) 产品由美国t r w 公司最先提出概念并成功研发，于 2 0 0 1 年最先配备在菲亚特中高级轿车l a n c i a 上，随后配备到北美和欧洲地区的 许多车型上，截止2 0 0 9 年，天合( n 涮) e p b 系统的产量已经突破1 0 0 0 万套， 占据全球一半的市场份额。德国库斯特( k u e s t e r ) 是生产钢索牵引式e p b 的企业，其e p b 系统占据了伞球e p b 市场4 5 1 5 的市场份额。至2 0 0 8 年，欧 洲已有3 0 0 万辆车配置了电子驻车制动器( e p b ) ，2 0 1 5 年这一数字将增至1 1 0 0 万。据奥尔威咨询预计：到2 0 1 2 年，电子驻车制动系统( e p b ) 在欧洲驻车制 动系统产品中份额将达到3 0 以上。目前，主要参与e p b 产品竞争的有：t r w 、 c o n t i n e n t a lt e v e s 、s i e m e n s 、b o s c h 、e a t o n 、d u r a 、b r o s e 、m a n d o 等。由此可 见，国外e p b 的研究和产品应用已经成熟，具备了系统的研发能力并制定了相 关标准。但限于知识产权保护因素，我们能获取的参考文献比较有限。 曼厂、j) c 蛐时，e c u 厂、爹 钢索牵引式( c a b l ep u l l e rt y p e ) 2 武汉理： 大学硕士学位论文 。 e c u n 罗飞罗 “飞滔 整合卡钳式( c a l i p e ri n t e r g r a t e dt y p e ) 图1 一l 在我国，电子驻车制动器( e p b ) 系统起步较晚，从2 0 0 8 年才由天合( t i 州) 廊坊的工厂开始小批量生产。目前，我国配置电子驻车制动器( e p b ) 系统的 都是合资的或外资品牌的整车厂商的高端车型：一汽大众的奥迪、迈腾，上海 大众的途观，上海通用的别克等。这些车型的e p b 均由天合( t r w ) 、大陆 ( c o n t i n e n t a l ) 等外资e p b 供应商供应。 在e p b 的研究领域，许多机构和学者在各方面都进行了深入的研究。在结 构设计研究方面，西门子公司的a n t o n i oa r c a c i 详细介绍了该e p b 系统的执行 器的技术参数和特征，形象的表示出了其执行机构，霍尔传感器、压力触发器、 压力传感器、电机连接器，并在应用实现中与传动系统、车身和悬架的接口做 了一些说明。j s c h e o n 等酗主要对电缆驱动型和卡钳综合型e p b 系统的主要 设计因素和整体的软件结构进行了研究，其指出指出e p b 比传统的驻车系统具 有安全，舒适和节省空问的优点，然后介绍了两种类型系统的执行机构的设计 形式，电缆驱动型的驱动力传感器、变速箱、螺杆、电机和驻车电缆，卡钳综 合型的活塞缸、螺杆、变速箱和电机；执行机构的设计流程：车辆规格、预期 制动力、执行器的驱动力、电机或机械执行机构的规格( 容量、电流、转速扭 矩，传动比、有效半径等) ；然后做了一下两种类型的性能比较，电缆驱动型在 执行器电流为1 5 a 时可以达到1 2 0 k g f , 而卡钳式泄露压力可达1 5 0 0 k g f ，电缆 驱动型的响应时间为1 0 s ，卡钳式响应时问为o 7 s ，在耐久性试验中，电缆驱 动型可达1 5 0 ，0 0 0 测试循环，而卡钳式则为1 0 0 ，0 0 0 测试循环。在软件设计中， 其定义了固定模块和可变模块。固定模块包括输入命令和功能输出，输入模块 包括车辆状态，开关状态和e p b 状态，功能输出包括静态应用，静态释放和动 态驻车；可变模块为实现功能的主要逻辑，包括电机驱动，驱动力或者电流的 武汉理工大学硕士学位论文 控制和连接的方式；文章还指出了设计的目标指数，在静态应用时为应用时间， 电流，噪声质量和水平，在静态释放时为释放时间，噪声质量和谁水平，在动 态驻车时则为车轮锁死和减速。然后文章讨论了运用反馈控制对两种类型系统 的控制结构，并作出了在适当占空比下，转速、扭矩和电流之间的特性曲线。 最后，其给出了再静态和动态下，两种类型系统的性能试验参数。在系统性能 研究方面， m i n s e o kj a n g 等n 3 1 研究了一个新型的e p b 系统的钳力控制方法， 该方法没有使用力传感器。对于一个简单的控制结构，这个控制方法包含3 个 步骤。第一，展示如何恰当的用电机的角速度来检测制动块和制动盘之间原始 的结合点。第二，钳力( c l a m p i n gf o r c e ) 用最大角速度中的角位移函数来估 计。第三，因电机在断电之后仍继续旋转数十毫秒，提出了一个新型的快关控 制方法来减小d c 直流电机的惯性作用。此外，其对所提出的控制方法进行了 验证。y o u n go l e e 等舳建立了一个非线性的比例控制器，通过l y p u n o v 和 l a s a l l e s 理论验证了它的稳定性。结果显示它的平衡点基本一致并且极限有界。 近期，在d r d i r kk e s s e l g r u b e r 等的努力下，t w r 汽车集团成功开发了e p b i 系统，其在e p b 原有部件上，将所需电子硬件和软件集成于一个现有的车辆控 制单元中，从而获得更优的产品质量、性能和经济效益。 虽然目前我国各研究单位还没有成熟的e p b 产品上市，但自e p b 问世以来， 我国的许多研究机构和学者都在进行e p b 相关的研究工作。在e p b 系统的软硬 件研究方面，南京理工大学的王超勇和赵育良基于和奇瑞汽车公司的合作项目， 王超勇完成了对e p b 系统的硬件系统的设计研究和开发，在硬件设计开发方面， 其依据e p b 系统总体功能需求，基于c a n 总线技术，设计了各个硬件模块的电路， 其组成包括：中央控制单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 、左、右车轮e c u 、 车辆参数采集节点模块及其外围接口电路。对于电机驱动电路模块，其采用了h 桥式电路。在车辆参量采集节点模块的设计中，采用了模块化设计的理念，其 所设计的采集模块主要包括：车速采集节点、发动机转速采集节点、驻车坡度 采集节点、驻车电流采集节点，驻车制动盘压力采集节点、踏板( 离合器和刹车 踏板) 行程采集节点，通过这些节点实现了与电子驻车制动系统相关的车辆状态 信息的采集与处理，以供中央e c u 及车轮e c u 根据设定的安全策略和控制程序， 实现对车辆驻车的安全控制。另外，在本系统电控部分的硬件设计中对停驻在 上坡的汽车的坡道起步辅助控制进行了探索；考虑到信息在不同节点上的共享 性、电子驻车制动系统的可扩展性以及与其他控制系统的可融合性，在系统硬 件各节点的开发设计中均搭建了c a n 网络数据通讯接口，并通过制定相应的c a n 4 武汉理工大学硕士学位论文 应用层协议，使左、右车轮制动节点接收c a n 网络的信息，完成驻车制动功能； 赵育良则完成了e p b 系统的软件部分的开发，在软件开发方面，其在硬件总体设 计的基础上，提出了常规驻车制动、坡道辅助起步、辅助应急制动、智能自动 驻车及智能自动解锁等智能控制策略，根据坡度对驻车所需的驻车制动力进行 了验算，并利用提出的控制策略对电子驻车执行机构进行智能控制。系统共设 计了8 个模拟量采集节点，主要包括：车速采集节点、发动机转速采集节点、驻 车坡度采集节点、驻车电流采集节点，驻车制动盘压力采集节点、踏板( 行车制 动踏板、离合踏板和油门踏板) 行程采集节点，通过这些节点实现了与电子驻车 制动系统相关的车辆状态信号的采集与处理，并根据指令将采集信号传送给中 央控制节点及车轮驻车制动节点，根据设定的安全控制策略进行状态判定；建 立了基于c a n 总线的通讯网络，定义了c a n 总线的应用层协议，根据系统需求， 规定了c a n 总线的通讯机制及总线传输速率阳1 。此外，浙江亚太机电股份有限公 司的郭立书等在电子驻车制动系统的结构和工作原理的分析基础上，对e p b 系统 的执行机构进行了力学分析。并接合t 稃实际，研究开发了一套基于p h i l i p s 5 9 2 单片机为中央控制器的e p b 系统，该系统实施或解除驻车制动目的是通过同步带 传动机构、少齿差行星齿轮传动机构和蜗杆传动机构组成的执行机构，此执行 机构由直流电机驱动。其针对具体车型，在台架上试验验证了其所开发的e p b 系统的有效性。根据惯性式制动器测功机的实验结果可以看出，该系统的动静 态特性均满足预期。 在系统仿真和性能研究方面，西华大学的彭忆强教授利用m a t l a b s i m u li n k 仿真环境研制了汽车电子驻车制动系统的模型，以驻车制动系统模型为控制对 象，研制了p i d 控制算法 4 3 1 0 随后，其分析了电子驻车系统的数学模型，运用 a m e s i m 仿真工具软件建立了其物理模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下构建了系 统的模糊控制器。通过a m e s i m 与m a t l a b s i m u li n k 的结合，评估了模糊控制器的 性能，结果显示，e p b 控制系统的响应性能比传统的p i d 控制要好得多。武汉理 工大学的吴昊天等基于驾驶意图和行驶条件的识别研究，延伸至半坡起步时驻 车制动的目标值的识别方法并且根据驾驶员的经验设计了一个模糊识别控制器 ( f i c ) ，通过基于d s p a c e 平台的硬件在环仿真的方法来鉴别f i c 的性能嘲1 。南 京理工大学的王淑娟等则研究了通过s c a 6 1 t 传感器来收集到停车等级，并且这 种等级信息通过c a n 总线实时传送至u e c u 。这样，这种电停放系统可以实时控制 停车力度。通过这种方法，当车辆处于不同的等级时，相应的停车力度可以控 制在一个合适的范围内。通过这种方法可以使得电停车系统更加经济节能。 武汉理工大学硕十学位论文 1 3 研究意义和主要内容 1 3 1 机械驻车制动系统存在的问题 对于传统机械驻车制动系统所存在的问题，驾驶员应该是深有体会。其问 题主要体现在： ( 1 ) 操作复杂，有的还要求驾驶员需要有较大的力量，对于一些女性驾驶 员而言，这是一个巨大的负担。在城市路况中，道路不顺畅的时候需要驾驶员 对其进行频繁的操作； ( 2 ) 安全性低。通常驾驶员在实施驻车的过程中，并不清楚需要将手刹拉 到多少行程，所以为了保险起见，驾驶员都会讲手刹拉到最大的行程，这样在 使驾驶员在消耗较大体力的同时，还会加速驻车制动系统中机械部件的磨损， 导致其寿命降低，而一旦机械部件出现应力疲劳时，则极易发生危险事故；而 在车辆起步的过程中，由于驾驶员的疏忽而忘记释放驻车制动，这也会给车辆 的安全带来极大的伤害；在坡道起步时，如果驾驶员缺乏经验而导致溜车现象， 也会容易导致车辆撞上后面的车辆或行人。 ( 3 ) 扩展功能低。机械驻车制动系统只能实现其单一的功能，无法与a b s 、 e s p 等汽车上其他的电子控制系统进行辅助控制，无法与车辆进行数据共享和 信息交流。 ( 4 ) 占用车内空间。对于机械式驻车制动系统，通常其会占用较大的车内 空间，不利于未来车辆概念的设计。 1 3 2 研究的意义 自汽车于1 8 8 6 年诞生以来，汽车工程师们一直都在致力于汽车技术的研 发，在不同的历史时期，面对着不同的实际问题，也有着不同的解决方案。如 在发生交通事故后，汽车工程师则致力于汽车安全的研究；在汽车成为人们的 伙伴并关注娱乐后，汽车则具有了包括影音娱乐系统在内并不断发展的电气电 子系统；在石油危机出现能源问题突出后，汽车工程师则推出了许多新能源车 型和节油技术；在环境问题f j 益尖锐后，汽车工程师则不断的致力于降低车辆 排放的技术研究等。而如今，在信息化和智能化的浪潮下，汽车产品也自然不 能走在后面，故而，在汽车产业内部，出现了许多提供新的电子技术和各种解 决方案的汽车零部件公司和汽车技术服务公司。美国天合t w r 汽车集团就是 6 武汉理工人学硕十学位论文 一家致力于汽车安全的汽车零部件公司，该公司最先开发出电子驻车制动产品 并于2 0 0 1 年在菲亚特l a n c i a 轿车上成功应用，随后在许多其他北美和欧洲车 型上都广泛应用，在亚洲韩国的研究机构和企业进行了相关研究并成功应用， 而在我国则目前还只是出于实验试制阶段，没有成功的成熟产品进行应用，而 只有和天合的合资企业通过技术引进在进行电子驻车制动产品的生产。 除基于我国目前在电子驻车制动技术研究相对落后的因素外( 如前所述) ， 对电子驻车制动进行研究更是基于该项产品的本身特性。除前面所提到的诸多 现实优点外，电子驻车制动系统更代表和反应的是一种趋势，代表着更加智能 化、信息化和人性化的趋势。因电子驻车制动系统引进了电子控制单元和电控 执行机构，其能建立起基于专家经验的先进的智能控制系统，能够通过总线技 术和车辆上的其他电子控制系统，如电控悬架、电控转向、电子导航等其他系 统进行数据共享和信息交流，从而达到综合的车辆控制，从而也使得车辆更加 的人性化。 1 3 3 研究的主要内容 本文在基于对电子驻车制动产品的了解和对国内外相关文献的综合研究， 对驻车制动系统的相关标准进行了分析并对电子驻车制动系统进行了设计分析 研究，讨论了组成实现系统功能的各个模块并对各个模块的设计计算方法进行 了研究，研究了电子驻车制动系统软件实现中的各功能的控制策略，并对系统 的软硬件设计优化进行了相关分析研究，最后建立了电子驻车制动系统的数学 模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 巾搭建模型并进行了仿真分析。 本文主要内容包括： ( 1 ) 电子驻车制动系统概述及其优点分析； ( 2 ) 基于国标的电子驻车制动系统的标准分析及扩展功能的作用和其技术实 现的难点；- ( 3 ) 基于电子驻车制动系统分析的系统设计，重点研究了各个参数采集模块 的算法，主要包括车速采集、发动机转速采集、制动压力、制动盘压力、坡度 采集等的算法； ( 4 ) 对电子驻车制动系统的控制策略进行了研究，主要研究了常规制动下的 驻车制动实施、解除、起步阻力辨识、辅助坡道起步、辅助应急制动和智能自 动驻车等的控制策略； ， 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 对系统的优化设计进行了研究，主要从软硬件两方面的抗干扰设计进行 了讨论和方法研究； ( 6 ) 建立了电子驻车制动系统电机和丝杆传动机构的数学模型，并进行了仿 真分析研究。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电子驻车制动系统原理与设计分析 相较于传统的机械式驻车制动系统，电子驻车系统有许多优点，除了具有 更高的安全性和舒适性，增大了驾驶舱空间外，还有潜在的意义，因为表示了 汽车朝着更加电子化、智能化的发展方向，它没有了原来的机械式的机构笨重、 功能性专一、结构性失效等缺点，而电子驻车系统则可以根据先进的控制思想 和理论设计其控制器，其电子控制单元能有效保证实现精准最优控制，因其具 有总线接口，则可以和中央控制器模块进行数据传输和交换，便于驻车制动系 统和其他系统( 如a b s 、e s p 等系统) 的集成，且其模块化结构方便于装置的 测试和维护。 2 1 传统驻车制动系统的组成与结构 驻车制动装置的功用是使已经停止各种路面上的汽车保持不动，同时在车辆 在坡道上起步时，防止车辆后退的装置，而在紧急情况下，其可以和行车制动 装置同时使用而增加车辆的制动效果。由于经济原因，目前经济型车型普遍使 用的是传统的机械式驻车制动系统。其装置一般由操纵器、传动机构、制动装 置三个部分组成。 图2 - 1 机械驻车制动系统组成示意图 按照制动时的作用部位，驻车制动器可以分为卡住变速器输出轴的中央制动 器和制动车轮的轮边制动器。而按照制动器的形式还可以分为鼓式制动器和盘 式制动器。对于鼓式制动器，在实施驻车制动时，操纵控制机构，经过拉索的 9 武汉理r t 大学硕士学位论文 传动，将力传递至制动器上，鼓式制动器结构如图2 2 ( a ) 所示。然后经刹车 分泵，推动摩擦衬片绕着支点转动，直至接触并压紧在制动鼓上，从而产生摩 擦力，实现驻车制动的功能；而对于盘式制动器，与其相似，只是后面的制动 器的执行机构的形式不一样。 3 2 ( a ) 图2 - 2 ( a ) 鼓式制动器示意图 2 2 电子驻车制动技术概述 ( b ) ( b ) 盘式制动器示意图 和其他许多先进的技术和系统来源于飞机上的应用一样，线控技术最早也 是应用于飞机的控制上一样，而本文所讲述的电子驻车制动系统则属于线控技 术的一类应用。飞机的新型飞行控制系统是一种线控系统( f l y b y w i r e ) ，通过 该系统，将飞机飞行员的控制命令转换成电信号，利用计算机对电信号的计算 处理，按照预设模型来控制飞机的飞行。类似的将这种控制理念移植到汽车控 制上，则是通过传感器把驾驶员的操纵动作信息转化成电信号，经由网络传输 和功率放大电路来控制执行机构。图2 3 是线控过程。 图2 - 3 线控系统的组成框图 线控系统实质就是在需要有机构动作的地方不是应用液压系统来传递操纵 1 0 武汉理- t 大学硕士学位论文 动作，而是利用弱电信号再控制强电执行机构来完成。线控系统中弱电信号早 期用模拟信号较多，目前多用数字信号。线控技术“x b y w i r e 可理解为电控 方式，“x 代表替代符号，可以是机械或液压控制的各个部件，如：制动、转 向、悬架、油门、离合器、门锁等，典型的有线控转向( s t e e r - b y w i r e ) 、线控 制动( b r a k e - b y w i r e ) 等1 4 0 1 。通常情况下，汽车线控制动系统由四个主要部分 组成：制动踏板和驻车开关；车轮及制动执行机构；传感器；电子控制单元 ( e c u ) 。其系统如图2 _ 4 所示。 图2 _ 4 汽车线控系统组成示意图 电子驻车制动技术不仅仪是一种简单的替代，用电子控制电驱动技术取代 原来的机械或液压力传动，而是在实现车辆保持长时性制动功能的基础上整合 了缓速制动功能。 ( 1 ) 电子驻车制动的优点 电子驻车制动由于突出的优点已经被公认为未来汽车新技术的发展方向， 目前，其仍处于研究和优化阶段，相对于传统制动系统，线控制动具有以下优 点。 i 降低部件的复杂性，减少液压与机械控制装置，操纵方便，更加的人性化； i i 减少杠杆、轴承等金属连接件，减轻质量； i i i 智能电子控制单元的介入提高了制动时系统的可靠性和安全性，同时可以与 武汉理下大学硕士学位论文 其他系统进行辅助作用，实现数据共享和信息交流； 布置灵活，扩大了汽车设计的自由空间。 图2 5电子驻车制动系统的驻车按钮 图2 - 6 电子驻车制动系统的执行机构内部图 r 图2 7电子驻7 f 制动系统执行机构电机及减速机构 ( 2 ) 驻车制动需要面对的问题 基于线控技术是车辆智能化的基石和目前现有技术，要实现电子驻车制动 功能，有以下关键技术。 i 驱动能源问题。目前车辆广泛使用的是1 2 v 电源系统，蓄电池工作时的电压 约为1 4 v ，而线控系统需要较大的电气消耗，则要求汽车有更大的能源供应， 对于此较大的用电系统，安全问题也需要认真设计。 1 i 传感器技术。先进汽车技术发展的显著标志就是更加广泛的部件和系统实行 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 电子控制。传感器的信息采集和反馈精度决定着汽车电子控制系统的控制效果。 因此，传感器技术的发展直接关系着整个汽车电子控制系统的性能。汽车电子 驻车制动系统e p b 中涉及到的传感器有：车轮速度传感器、踏板行程传感器、 驻车坡度传感器等。 i 总线技术。因汽车总线技术减少了电子电气设备问导线的数量，在减少汽车 总量和占用空间的同时，提高了传输效率和质量，因而得到了广泛的应用。按 照传输速度和作用的标准，s a ej 2 0 5 7 ) ) 将汽车网络分为a ( 低速) 、b ( 中速) 、 c ( 高速) 三类。其中低速网络主要应用于车身控制系统，如座椅、天窗的控 制；高速网络则应用于对实时控制性能要求较高的控制系统，如发动机、线控 制动系统的控制。目前许多单位和机构在汽车总线技术方面进行了许多深入的 研究，包括了如c a n 、1 v r p ( 时间触发协议) 、b y t e f l i g h t 和f l e x w a y 等。对于 c a n 总线网，其高速传输速度可达1 m b p s ，但在其运行时，传输介质双绞线中 会产生很大的电磁辐射，在给电气系统和环境带来损害的同时还会造成很大的 能量损失。对于下一代的汽车通讯网络系统，还府有良好的容错功能和确定的 消息传输时间。 2 3 驻车制动系统国家标准分析 汽车知识杂志社主编陈新弧指出目前汽车动力系统所存在的问题不在 驱动系统，而在于汽车的制动系统。因为在汽车遇到紧急状况时，能否有效制 动关乎着车辆及乘员的安全，在我困，每年的交通事故带来了巨大的损失，由 此，汽车制动系统的结构和性能备受瞩目，汽车工程师们则在不断致力于汽车 制动性能的提升、开发与优化。而政府部f - j 在g b l 2 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结 构、性能和试验方法以及g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全条件中，对我国 道路车辆的制动系统的结构和性能都做出了相当严格的规定1 9 1 0 具体设计要求 如下： ( 1 ) 对于一般车辆其满载时，驻车制动系统应保证其能在1 8 的坡道上可 靠驻车；对于牵引车，驻车坡道的最低限值为1 2 ； ( 2 ) 对于驻车制动系统的控制装置，其应为独立于行车制动系统的机构； ( 3 ) 对于驻车制动系统，要求其实现可靠驻车的锁止装置为纯机械式，因 此种方式有较强的抵抗外界干扰的能力同时系统自身也具有较好的可靠性。同 时，对于驾驶员的操纵力也有要求，对于乘用车，驾驶员施加的操纵力不大于 武汉理工大学硕士学位论文 4 0 0 n ，对于其他机动车辆，操纵力不大于6 0 0 n ，从而提高车辆的操纵舒适性。 若为汽车列车和轮式拖拉机运输机组，如果挂车与牵引车脱离时，则要求挂车 的装载质量在30 0 0k g 以下的，仍能产生驻车制动； ( 4 ) 在使用较长时间制动器磨损后，驻车制动系统必须能够容易的来对制 动间隙进行补偿调节，低配置车型可以采用手动的方式进行调节，对于高配置 车型，则可以采用自动调节方式进行调节，对于其控制和传能装置及制动器的 零部件的设计，必须保证其具有一定的储备行程。在缓速制动的过程当中制动 器发热或制动衬片( 块) 达到一定程度的模损时，对于驻车制动系统的设计， 要求在不必立即对制动间隙进行调整( 手动或自动) 的情况下仍可以保证制动 效能。 ( 5 ) 对于加装助力装置的机械式驻车制动系统，其设计时应保证即使助力 装置失效，驻车制动系统仍能实施驻车制动，在能量供给无法达到要求的情况 下，设计者可采用一个储能器，此装置应和正常供助力装置相对独立，但也可 以和行车制动系统的储能器共用。 ( 6 ) 对于拉索式等驻车制动系统的操纵装置，其应设计有足够的自由行程 ( 开关按钮式操纵装置除外) ，通常在控制机构行程的三分之二以内产生规定的 制动效能；装有自动调节功能装置的可以放宽至行程的四分之三内产生规定的 制动效能。对于棘轮式制动操纵装置，在其达到所规定的驻车制动效能时，其 操纵装置的操纵杆被往复拉动的次数不能超过三次； ( 7 ) 性能验证：空载车况时，要求驻车制动机构可以使车辆在坡度是2 0 、 轮胎和路面的附着系数大于等于0 7 的坡路上保持固定不动的状态，且持续时间 不小于5 m i n 。 ( 8 ) 实施驻车制动时，在其达到所规定的性能之前，允许驾驶员有若干次 促动驻车制动系统控制机构的动作。 ( 9 ) 驻车制动系统各部件特别是车轮制动器，其尺寸和质量应尽可能小， 从而能节省安装的空间，不增加簧下质量。 2 4 汽车c a n 总线技术的研究 电子驻车制动系统作为线控技术的一种，其研究的重点之一为汽车总线技 术。总线控制系统既是一个能够通过节点互联的开放的通信网络，同时又是一 个全封闭的控制系统。因其在智能控制系统中起着信息传递的巨大作用，故被 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 称为智能设备的“桥梁”。总线系统具有减少线束，传感器共享，减少装配时间， 质量更可靠等优点，更总要的是其增大了汽车智能控制系统的开发余地，能从 容应对汽车控制系统的复杂化、多样化，故而汽车总线技术自诞生以来不断获 得广泛的应用，许多公司和机构都对其进行了研究，取得了巨大的成果。 德国b o s c h 公司开发的c a n 总线是一串行数据通信协议，其通信速率可达 1 m b p s 。c a n 协议一个显著优点是利用通信数据块进行编码，从而使得网络内 的节点个数不受限制，还可以使不同节点同时接受到相同数据；此外，其数据 段长度最多为8 字节，可以满足一般控制系统的要求，同时耗时较短保证了通 信的实时性；其还有较好的容错性能保证了系统的可靠运行。基于这些优越的 性能，c a n 越来越受到工业界的重视。 2 4 1c a n 总线系统结构 c a n 总线系统包括：控制单元( c p u ) 、控制器( c o n t r o l l e r ) 、收发器 ( t r a n c e i v e r ) 和数据传输终端，其结构图如下。 图2 - 8c a n 总线系统组成 ( 1 ) 控制单元。控制单元是数据总线的主要计算器，对接受的控制器信息 根据设定的程序运算处理，然后把计算所得返回给控制器。 ( 2 ) 控制器。控制器接受传感器的信号，依据控制策略( 事先规定好的程 序来处理输入值) 产生指令，或将信号转换传给控制单元( c p u ) ，然后将信号 经由发送器传输到总线上。 ( 3 ) 收发器。c a n 收发器包括发送器和接收器，其作用是对需要传输的 信号进行发送和接收。发送器将控制器传来的连续的逻辑电平转换成电压值， 武汉理工大学硕七学位论文 适合在导线上传输；接收器则将电压信号转换成逻辑电平，供控制单元进行计 算。 ( 4 ) 数据传