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南京理工大学硕士论文 车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 摘要 电子驻车制动系统( e l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ，e p b ) 是汽车线控制动系统的一类， 也是车辆驻车制动系统的发展方向。它用电线取代传统手制动装置的拉索和传动机 构，用电制动器代替传统的制动器，用电子控制单元结合车辆驻车环境的状况控制驻 车制动力的大小和各轮驻车制动力的分配，并具有辅助驾驶员坡道起步和智能驻车 解除功能，是车辆驻车制动系统的革新。本文主要对电子驻车制动系统电控部分的硬 件原理电路进行了研究与设计开发。 本文首先介绍了汽车电子技术的发展趋势，以及电子驻车制动系统的应用现状、 原理、优点与难点。然后详细描述了电子驻车制动系统的硬件总体方案的设计与软件 设计的总体要求。按照系统电控部分的硬件功能要求，本文设计了电子驻车制动系统 的中央控制单元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，设计了满足要求的h 桥电机驱动模块电路，组成了电子 驻车制动系统的硬件部分，并以c a n 总线为脉络组成控制器局域网进行了调试。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，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 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。 电子驻车制动装置与传统的手动驻车制动装置相比，不论在汽车起步，还是停驶 驻车时，驾驶员都不需要再操作手动制动手柄，这大大降低了驾驶员的操作难度，提 高了驾驶的舒适性和制动性能，同时也提高了驾驶的安全性、有利于环保，而且对电 子行车制动系统的开发起到推进作用。所以说，电子驻车制动系统的开发具有极其重 要的意义。 关键词：线控制动，驻车制动，c a n 总线，汽车电子控制 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t 耽es y s t e mo fe l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ( e p b ) i sat y p eo ft h ea u t o m o b i l e sb r a k i n g s y s t e r nc o n t r o l l e d - b y - w i r e ，i sa l s ot h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ev e h i c l e sb r a k i n g s y s t e m i tr e p l a c e st h ep u l l t i g h t w i r ea n db r a k ee q u i p m e n to ft r a d i t i o n a lh a n d - b r a k e s y s t e mb yt h ew i r e ，r e p l a c e st h et r a d i t i o n a lb r a k e sb ye l e c t r o n i cb r a k e s ，w h i c hc o n t r o l l e d t h em a g n i t u d eo fv e h i c l ep a r k i n g - s t r e n g t ha n dd y n a m i c a l l yd i s t r i b u t ep a r k i n g - s t r e n g t ho n e a c hw h e e lc o m b i n e dt h e c a re n v i r o n m e n to fc o n d i t i o nw i t ht h ee l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ( e c u ) n i se p bh a v et h ef u n c t i o no fh i l ls t a r t i n ga i d ( h s a ) a n di n t e l l i g e n c e so f p a r k i n g r e l i e ff u n c t i o n t h i ss y s t e mi st h ei n n o v a t i o no ft h ev e h i c l ep a r k i n gs y s t e r n t m s t e x tm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ee p bd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t s t l i st e x ti n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g yf i r s t a n dt h ee l e c t r o n i cp a r k i n gs y s t e m sa p p l i e d p r e s e n tc o n d i t i o n ，t h ep r i n c i p l e ，t h ea d v a n t a g e a n dt h ed i m c u r t h e nd e t a i l e dd e s c r i b e dt h et o t a ld e s i g no fh a r d w a r ea n dt o t a lr e q u e s to f t h es o f t w a r ed e s i g n s a c c o r d h a gt ot h eh a r d w a r e sf u n c t i o nr e q u e s to ft h es y s t e m ，t h i st e x t d e s i g n st h ec e n t r a le c uo fe p b ，l e f ta n dr i g h tw h e e le c u ，t h ec o l l e c t i n gm o d u l eo f v e h i c l ep a r a m e t e ra n di t so u t e rc i r c l e st oc o n n e c tap e o p l e sc i r c u i t d e s i g n e dt h eh b r i d g e e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gd r i v ec i r c u i t a 1 1a b o v eh a r d w a r ec o n s t i t u t et h ee p bs y s t e m a n d t a k ec a nb u sa st h ea r e an e tw h i c hh a sb e e na d j u s t e dt os u c c e s s i nt h ed e s i g no ft h e c o l l e c t i n gm o d u l eo fv e h i c l ep a r a m e t e r , a d o p t e dm o d u l ep r i n c i p l e , t h en o d e si n c l u d e ： c a r - s p e e dp a r a m e t e rc o l l e c t i n gn o d a l ，e n g i n e s p e e dp a r a m e t e rc o l l e c t i n gn o d a l ， h i l l p a r k i n gp a r a m e t e rc o l l e c t i n gn o d a l ，p a r k i n g - c u r r e n tp a r a m e t e rc o l l e c t i n gn o d a l ， f o o t p l a t ej o u r n e yp a r a m e t e rc o l l e c t i n gn o d a l ( c l u t c ha n db r a k ep e d a l ) ，t h r o u g ht h e s en o d e s c o l l e c ta l lt h ep a r a m e t e r sr e l a t e dt ov e h i c l ep r o c e s s i n gs i g n a l p r o v i d e dt ot h ec e n t r a le c u a n dt h ew h e e le c uw h i c ha c c o r d i n gt ot h es a f es t r a t e g ya n dt h ec o n t r o lp r o c e d u r e so ft h e e n a c t m e n t ，r e a l i z a t i o nt oc o n t r o l l e dt h ev e h i c l es a f ep a r k i n g m o r e o v e r , i nt h eh a r d w a r e d e s i g no ft h i ss y s t e mt r yt oh i l ls t a r ta i d ；i nc o n s i d e r a t i o no ft h es h a r eo fi n f o r m a t i o ni n d i f f e r e n tn o d e s ，t h ee x p a n do fe p bs y s t e m ，a n db l e n dw i t ho t h e rc o n t r o ls y s t e m s ，a l lt h e h a r d w a r eh a v et h ec a nb u si n t e r f a c et oc o n n e c to t h e rc o n t r o lu n i t t h r o u g ht h ed e s i g no f c a nb u sa p p l i c a t i o nl a y e ra g r e e m e n t m a k et h el e f ta n dr i g h tw h e e ln o d em o v er e c e i v e s t h ei n f o r m a t i o nf r o mc a n b u s c o m p l e t et h ef u n c t i o no fp a r k i n gt h ec a r c o m p a r e dt h ee p bw i t h 仃a d i t i o n a lh a n db r a k i n gs y s t e m i ns p i t eo fi nt h e a u t o m o b i l e ss t a r t i n g ，o rt h ep a r k i n gt h ec a r , t h ed r i v e rd on o tn e e dt oo p e r a t et h eh a n d l e b r a k i n gp o l e ，t h i sc o n s u m e d l yr e d u c et h ed r i v e r so p e r a t i o nd i f ! f i c u l t y , r a i s et h e d r i v e c o m f o r ta n dr a i s et h eb r a k e - f u n c t i o n ，a l s or a i s e dt h es a f e t y , b ea d v a n t a g e o u st ot h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n dh a v et h ep r o p u l s i o nt ot h eb r a k e b y - w i r es y s t e m s o ，t h e r e s e a r c ho nd e s i g no fh a r d w a r ei ne l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k es y s t e mh a sv e r yi m p o r t a n t m e a n i n g k e yw o r d s ：b r a k e - b y - w i r e ，p a r k i n gb r a k e ，c a nb u s ，v e h i c l ee l e c t r o n i cc o n t r o l i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：v 裼 f 0 7 年钿徊 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 口3 年g 只哆日 硕士论文 车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 1 绪论 汽车驻车制动系统是指可以使汽车可靠的在原地停驻，并使其在任何情况下不 得自行滑行，而且在行车过程中遇到紧急情况时，可与行车制动系统同时使用，使汽 车紧急制动的一种制动系统。驻车制动系统有别于行车制动系统，一般它们各自有相 互独立的操纵装置。现在大多数汽车所使用的驻车制动系统属于人力机械式，其传动 装置为机械式传动方式，使用杆系或者拉索的结构类型来完成制动功能；其操纵部分 采用手柄控制。 汽车电子驻车制动系统( e p b ，e l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ) 是为提高车辆的可操作 性以及驻车安全性而研制的一种线控制动设备。电子驻车制动系统使用先进的机电一 体化自动控制系统取代现有的人力机械式驻车制动系统，驾驶者只需要按压按钮即可 使驻车制动器接合或松开，为驾驶人员提供了更好的操作舒适性和更多的安全性。这 种形式的电子驻车制动系统是随着电子技术和控制技术的发展成熟而应运而生的。 1 1 汽车电子技术的发展 汽车电子技术的发展归结为两方面：首先是不断适应各个时期的社会背景，如 能源危机、环境污染和高速公路网的发展等，满足人们对汽车使用性能的更高要求， 如舒适性、安全性、操纵方便等。目前，机械装置与技术己相当成熟，有的已达到了 其物理极限。其次是由于电子技术的发展给汽车电子技术的发展提供了必要的物质条 件：电子技术产品质量轻，占用空间小，处理速度快，传感精确，信息容量大，发展 与应用前景十分广阔。电子学和相关的社会背景促进汽车电子技术的发展过程可用图 1 1 1 来描述l 。 从图中可以看到，电子技术的发展，同社会需求的牵引、法规的推动和技术的 进步，导致了汽车上更多地采用电子技术，并蓬勃发展起来。因此汽车上许多机械控 制系统被电子控制系统所取代，汽车电子化的程度也就越来越高。 汽车电子技术的形成与发展主要分为如下三个阶段【2 1 。 第一阶段：从2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代末期，主要是从技术革新着眼，应 用电子装置改善部分机械部件的性能，如燃油喷射控制、车载收音机、发电机硅整流 器等。这些革新往往是局部的、不很关键的，针对汽车各部件完成相对独立的自动控 制功能。 第二阶段：从2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代末期，汽车电子技术开始形成。主要 特点是在汽车大部件及至总成的设计和生产中，应用电子装置解决机械部件所无法解 决的复杂问题，如自动变速系统、制动防抱死系统、电子仪表群等。在这一阶段，大 1 绪论 硕士论文 规模集成电路和4 位、8 位微处理器广泛应用，从而减少了电子系统的体积，增加了 可靠性。 + i1 2 鱼q 生i1 2 2 q 生i1 2 1 q 生ii 里2 q 生 发明光纤光纤通讯问世第五代计算机 人工智能 采用晶体管 维修方便 提高性能 发动机具备更高智能人工智能 智能功能低排放交通系统 抑制排放低油耗协调管理 图1 1 1电子学、社会背景与汽车电子技术的发展 第三阶段：从2 0 世纪9 0 年代末期，预测到2 0 1 5 年，汽车电子作为工程技术已 经成熟。汽车电子学也就在这一时期诞生，它是一门机电一体化的多学科的特色鲜明 的新兴边缘学科。它由第一和第二阶段的“机械功能替代 或“增添式”的设计思路 和方法转变为“机电一体化 的汽车整体设计思想，重视总体、系统。在这一时期， 出现更先进的灵巧电源、灵巧传感器和具有大容量内存的1 6 位或3 2 位微处理器。汽 车电子技术开始广泛应用计算机网络与信息技术，使汽车更加自动化、智能化。 就像汽车电子技术在2 0 世纪7 0 年代引入集成电路、8 0 年代引入微处理器一样， 近1 0 年数据总线技术的引入将推动线控技术在汽车领域中的推广和使用，将会是汽 车电子技术发展的一个里程碑。 1 2 电子驻车制动技术及其应用现状 1 2 1 电子驻车制动技术概述 电子驻车制动技术是线控技术的一类，而线控技术( x - b y w h ) 源于飞机控制 系统。飞机控制系统是最初投入实际应用的一种线控系统( f l y - b y - w i r e ) ，它将驾驶 2 硕士论文车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 员的操纵命令转换成电信号，利用机载计算机控制飞机的飞行。这种控制方式引入到 汽车驾驶上，就是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成电信号，通过网络直接传输 到执行机构。 线控技术中“x - b y - w i r e 可理解为电控方式，而这里的“x 就像数学方程中的 未知数，代表汽车中传统上由机械或液压控制的各个部件，如：发动机、悬架、油门 等。例如线控转向( 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 ) 、线控油门 ( t h r o t t l e - b y - w i r e ) 等【3 1 。 线控系统网络实际上是一种特殊的局域网，它的使用环境与普通的局域网不同。 汽车机舱内温度变化大；汽车行驶中可能出现较大振动；点火喷射系统等装置会带来 较大的电磁干扰等。尤其是转向系统和制动系统对车辆安全性的要求极高，这就要求 网络系统具有高速度、实时性、可靠性和抗干扰能力。 电子驻车制动技术就是利用线控技术将行车过程中的临时性制动和停车后的长 时性制动功能整合在一起，并且由电子控制方式实现停车制动的技术。从技术升级上 看，比长期使用的传统型手驻车制动模式推进了一大步。 1 2 2 电子驻车制动技术国内外研究现状及发展趋势 目前，国内关于电子驻车制动技术的研究成果较少，还处于实验阶段。国际上 已经起步，几乎所有大型汽车制造商都在研制开发此类线控技术的相关产品。 e p b 与传统的驻车制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构需要完全的重 新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳转化为制动蹄块的平动、需要能够 减速增矩、需要能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等，而且由于体积的限 制其结构也必须巧妙和紧凑，是整个e p b 系统中非常重要的组成部分；其控制部分 也要求能精确控制电动机的转速和转角从而快速响应驾驶员意图。 最近几年，一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些关于e p b 制动系 统的研究工作，也申请了一部分专利，主要参与竞争的公司有：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 、a l l i e ds i g n a l 、d e l p h i 、v a r i t yl u c a s 、h a y e s 等等，而国内在 此项目上的研究基本为空白，仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相 关的研究工作。 如前所述的各家公司都取得了各自的研究成果并成功申请了部分专利保护。从 这些专利成果来看，e p b 驻车制动系统从节省能量的角度来说可以分为两个大类，其 一是电动机直接带动机械执行机构然后作用到制动盘上，其典型是c o n t i n e n t a lt e v e s 公司研制的制动器；第二类是电动机通过一个自增力机构，间接作用到制动盘上，可 以大大降低系统所消耗的能量。g e r m a na e r o s p a c ec e n t e r ( d l r ) i 内部资料显示其公司 研制的e p b 制动系统e b r a k e 比第一类结构节省了约8 3 的能量。第一种结构形式的 3 1 绪论硕士论文 制动器特点是控制简单，制动过程稳定；但是由于电机提供所有推动制动块所需的推 力，使得所需的驱动电机的功率很大，从而造成电机的尺寸、重量和能耗都较大。第 二种结构形式的制动器由于间接利用了汽车的动能作为制动自增力，驱动电机所需功 率可大幅下降，只需要约3 的其它替代方案的能耗，其体积、尺寸和重量也必然比 第一种结构形式的制动器小，不过目前这种形式的制动器控制难度大，制动稳定性也 不如前者。 电子驻车制动系统所采用技术的核心和本质就是线控技术。而线控技术在车辆 的其他方面也有一定的应用。如美国通用公司在2 0 0 3 年研制的h y - w i r e 概念车和 2 0 0 5 年研制的s e q u e l 概念车上率先采用了线控转向和线控制动技术。h y - w i r e 概念车 是世界上首辆可驾驶的采用线控技术的氢燃料电池车。这辆车没有离合、制动和油门 踏板，全部通过一个名为x - d r i v e 的装置来控制汽车，x d r i v e 可以控制转向、制动或 是车辆其他的系统，利用x d r i v e 你可以随意选择用左手或是右手来控制加速或者制 动。扭动左边或右边的手柄可以加速，按下制动促进器可以制动，要控制方向可以上 移或下移手柄。 在欧洲，d a i r n l e r - c h r y s l e r ，f i a t ，f o r de u r o p e 和v o l v o 等汽车公司，b o s c h 等电 子公司以及c h a l m e r s ，v i e n n a 等大学联合发起了“b f i t e e u r a m x - b y - w i r e 计划m 进行线控系统的实现以及安全性和可靠性方面的研究。d a i m l e r - c h r y s l e r 已经开发出 线控概念车“r 1 2 9 ，它取消了转向盘、加速踏板和制动踏板，完全采用操纵杆控制， 实现了x - b y - w i r e 技术【3 】【4 】【6 】【7 】。 目前，h o n d a 在新一代雅阁v 6 轿车上采用线控油门技术。全电线控制动系统 仍然处于研制阶段，没有批量生产的汽车投入市场。专家们估计，大约到2 0 1 2 - - 2 0 1 3 年才会较普遍地使用线控技术，欧洲的汽车组织预计到2 0 1 0 年，4 0 的欧洲汽车将 采用x - b y - w i r e 技术。未来汽车的主体是低排放汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、 燃料电池汽车( p c e v ) 、电动汽车( e v ) 等四大e v 汽车，这给线控技术带来了更 加广阔的应用前景。 1 3 项目意义和主要内容 1 3 1 项目研究的意义 从汽车诞生时起，车辆的制动系统在其安全性方面就扮演着至关重要的角色。 近年来，随着城市车流密度的增大，高速公路的发展，制动系统也在不断革新和发展， 以满足人们越来越严格的安全要求。 据统计，汽车7 0 的创新来自于汽车电子技术。电子技术已经深入到汽车的所 有系统，电子产品占整车成本的4 0 5 0 。随着电子技术和控制技术的成熟，现代 4 硕士论文车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 汽车制动技术正朝着电子制动控制线控制动方向发展。线控制动( x - b y - w i r e ) 系统【9 】【1 0 】【1 1 1 ，是将计算机微处理器及电控技术运用在车辆制动系统上。是用电线取代 部分或全部液压管路，以及很多阀门；用高性能的电制动器代替传统的制动器，用电 子元件控制制动力的大小和各轴制动力的分配；在车辆上尽可能地使用电能，从而减 少各种造成污染的液体的使用，符合“绿色环保车 的发展趋势【1 2 】；它易与其它电控 系统结合在一起，如a b s ，e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ，电子行车稳定程序) ， 以及电子悬架系统、电子导航系统、防碰撞系统等，为汽车实现电子化提供了良好条 件。控制信号和数据在车载网络中传输，减少线束的同时增加了多单元间的信息共享。 这种新型的制动系统代表了制动技术的发展趋势。因此，研究线控制动系统具有重要 意义。 作为线控制动系统的一种，与传统驻车制动系统通过机械传动系统控制不同， 电子驻车制动系统通过电路进行控制，把行车过程中的临时性制动和停车后的长时性 制动功能整合在一起，并且以电子控制方式实现停车制动的技术。e p b 系统通过电子 按钮手动操作，并兼备自动控制功能。目前，国外开发成型的电子驻车制动系统产品 一般由装有行星减速机构和电机的左、右后制动钳和电控单元组成，该系统电控单元 与整车控制器局域i 网( c a n ) 通讯，对左右后卡钳上的电机进行控制。当需要驻车制动 时，e p b 按钮被按下，按钮操作信号反馈给电控单元，由电控单元控制电机和行星减 速齿轮机构工作，对左右后制动钳实施制动。 e p b 比传统的手驻车制动模式前进了一大步，而与后制动钳一体化e p b 更是一 种高端技术。这种一体化的e p b 大大提高了驾驶与操纵的舒适性与方便性。不同驾 驶员的力量大小有别，用传统的手拉杆进行驻车制动，可能对制动力的实际作用不同。 e p b 以一个触手可及的电子按钮由于取代了手动驻车制动杆。按下e p b 按钮，停车、 制动、起步、驶离，均在e p b 系统直接指示下进行。驾驶员不必费力拉手驻车制动 杆，简单省力。 尤其值得指出的是，一体化e p b 技术的安全性也高于手拉杆驻车制动。e p b 系 统的制动力量是系统智能运算的，不会因人而异，出现偏差。不会溜车，总能施加适 当驻车夹紧力。并且在汽车处于行驶状态时，后轮具有防抱死制动功能。 与后制动钳一体化e p b 为美国t r w 汽车集团( t r w a u t o m o t i v e ) 独家首创，最 早于2 0 0 1 年在菲亚特高档轿车l a n c i a 上使用，现在许多北美和欧洲车型包括宾利、 奥迪a 8 ，a 6 ，新帕萨特b 6 等都配备了t r w 的e p b 。去年，t r w 宣布一体化e p b 技术将在中国实现本土化，由其廊坊合资企业为国内市场提供这项先进技术。 从目前的发展来看，短时间内不可能完全取代传统的机械手刹，特别是在一些 汽车电子技术装备较少的车辆上，一方面，因为从它的工作原理上看，e p b 系统电控 单元需要与整车控制器局域网( c a n ) 通讯，目前在很多低端车型上并没有采用局域网 5 1 绪论硕士论文 控制，主要是成本和可靠性问题。另一方面，目前e p b 技术完全掌握在欧美等一些 大公司手中，国产化e p b 技术的电子驻车制动系统对于提高国产汽车的整体制造水 平具有重大的推动意义。相信在不远的将来，随着汽车电子技术在国产车辆上的进一 步普及，e p b 会将以其优越的性能得到广泛的研究与应用。 1 3 2 项目的主要研究内容 本课题对电子驻车制动系统进行了探索性的研究与开发。文中在介绍线控制动 的原理和c a n 总线通讯机制的基础上，对电子驻车制动系统硬件总体结构的设计和 软件设计要求进行了简要描述，重点介绍了电子驻车制动系统电控部分的各节点的硬 件原理设计，通过设计的模块化硬件电路，搭建了利用c a n 总线进行数据传输的硬 件网络结构。 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 汽车线控技术、电子驻车制动技术及其发展趋势； ( 2 ) 电子驻车制动系统的相关要求和关键技术； ( 3 ) 电子驻车系统的总体设计方案，包括功能分析及设计、系统参量采集分析、 现场总线选择、硬件的总体设计及软件设计的总体要求； ( 4 ) 汽车c a n 总线的性能、特点，比较了目前应用比较广泛的各类c a n 总线 控制器； ( 5 ) 电子驻车制动系统中中央e c u 和左、右车轮e c u 的硬件电路设计研究， 并在这两个主要的系统节点中设计了人机交互的界面和系统安全监测硬件； ( 6 ) 电子驻车制动系统的参数采集节点的模块化设计，包括车速、发动机转速、 驻车坡度、驻车电流、驻车制动盘压力、油门踏板行程和刹车踏板行程等参数采集电 路的设计、c a n 总线接口电路的设计等内容； ( 7 ) 电子驻车制动系统一体化执行机构的h 桥驱动电路的硬件原理设计。 1 4 本章小结 综上所述，随着电子汽车技术的发展，传统驻车制动模式必然变革为电子驻车 制动模式。而且随着国内对电子驻车制动技术的进一步摸索与研究，电子驻车制动技 术的发展必将为电子行车制动技术的国产化的成熟与发展奠定基础。 6 硕士论文车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 2 电子驻车制动系统原理 汽车电子驻车制动系统( e p b ) 是一种新型的机电一体化系统，解决了传统汽车 驻车制动系统存在的制动线路长、操作舒适性差、反应慢、安全性差等问题，与传统 驻车制动系统相比具有很多优点：它用电子元件取代部分机械元件，并通过电线来替 代部分或全部制动线路和传动机构，缩短了驻车制动响应时间，提高了驻车制动性能； 节省了空间，质量轻；安装测试更简单快捷( 模块结构) 。 电子驻车制动系统采用全新的电子制动器对汽车实施制动、集中控制的电子控制 单元( e c u ) 通过车载网络对车辆参数进行采集后，根据预设的安全控制策略进行系 统的整体控制，每个驻车制动器都有各自的控制单元，可以根据驻车环境自动给每个 车轮施加最佳的驻车制动力。 2 1 传统驻车制动系统的组成与结构 驻车制动装置是使汽车在路面( 包括斜坡) 上停驻时，为防止车辆滑行，以及汽 车在坡道上起步时，用以防止车辆后退的装置。驻车制动装置有别于行车制动装置， 它们各自有相互独立的操纵装置，驻车制动装置常采用手操纵机构，所以通常又称为 手制动，但驻车制动装置既可以是手操纵也可以是脚操纵。一般小汽车和轻型卡车采 用手操纵机构，而大型车辆则采用脚操纵的驻车制动踏板机构。 驻车制动装置包括驻车制动器和驻车驱动机构两部分。驻车制动器按其作用部位 分为两种类型，一种是制动传动轴的中央制动器，另一种是与行车制动器共用的车轮 制动器，目前，多采用作用于后轮的驻车机构。驻车驱动机构因其对可靠性的要求 较高，一般都采用机械式的驱动机构，但究竟是采用中央制动器驻车还是采用车轮制 动器驻车，其驻车驱动机构有所不同，而不管是哪一种的驻车类型，制动器都有鼓式 和盘式之分，所以，驻车驱动机构还有所差异。 图2 1 1 为采用盘式中央制动器的驻车制动装置，图2 1 2 为采用鼓式中央制动器 的驻车制动装置。在鼓式制动器中利用行车制动器作手制动器使用时，如图2 1 3 ， 一般是在它的后制动蹄上通过周定销装有一个制动蹄杠杆，在这个杠杆的中间通过一 根制动蹄推杆同前制动蹄连接。驻车制动时，拉紧或摆动手制动操纵杆，经一系列杠 杆和拉绳传动，将驻车制动杠杆的下端向前拉，使之绕固定销转动，其中间支点推动 制动推杆左移，将前制动蹄推向制动鼓。当前制动蹄压靠到制动鼓上之后，推杆停止 移动，此时制动杠杆绕中间支点继续转动，于是制动杠杆的上端向右移动，使后制动 蹄压靠到制动鼓上，从而产生驻车制动作用。 7 2 电子驻车制动系统原4硕士论女 图2 1 1 解放c a l 0 9 l 汽车驻车制动装置 图2 12 鼓式车轮驻车制动装置 对于带有驻车制动的盘式车轮制动器，如图2 1 a ，驻车时是通过驻车拉索的拉 动使位于制动钳体内的推销推动辅助活塞移动，辅助活塞进而顶住活塞移动，先使活 塞一侧的制动块压靠到制动盘，接着，此反作用力则推动制动钳体连同另一侧的制动 块靠压到制动盘，从而产生驻车制动作用。 幽2 13 鼓式车轮驻车制动器刳2 14 盘式车轮驻车制动器 硕士论文车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 2 2 电子驻车制动系统的优点 电子驻车制动系统的创新点首先体现在全新的电制动器上，还有其全新的制动管 理系统。传统驻车制动系统中手柄和机械传动部件全部被取代，汽车电制动器直接采 用电力进行制动，驻车制动系统由电制动控制单元( e c u ) 控制，单个制动器又分别 由各自制动器e c u 控制。电子驻车制动系统的优点如下： ( 1 ) 系统结构简单，省去了大量的车内空间和机械传动等部件。减轻了汽车的 质量，降低了汽车制造成本，提高了汽车燃油经济性。 ( 2 ) 整个系统使用电传操纵，制动响应时间短，基本上没有迟滞时间，提高了 驻车制动系统的实时性。 ( 3 ) 系统制造、装配、测试简单快捷，采用模块化结构，维护简单。 ( 4 ) 所有部件之间采用电线连接，都是柔性连接，没有任何力和扭矩载荷，系 统耐久性能良好。 ( 5 ) 对单个车轮的制动力控制更加精准和及时，实现其他的一些功能( a b s 或 者a s r 等) 不需要增加额外的部件，只需在控制单元的指令数据库中设置好相关控 制程序即可。 ( 6 ) 取消了驻车制动的拉锁或杆系，并有智能辅助坡道起步功能，提高驾驶的 安全性和舒适性，降低了驾驶难度。 2 3 电子驻车制动系统的相关技术要求 线控系统已经在航空飞机上建立和发展了许多年。如今，出现一个很明显的趋势， 没有机械和液压后备系统的线控系统将逐渐在车辆中得到应用和发展。其中，所需要 的电子系统必须有好的稳定性和严格的安全性。 2 3 1 电子驻车制动系统的基本要求 电子驻车系统的基本要求包括系统安全、可靠性、可维护性、实用性等几个方面： ( 1 ) 安全性：在出现突发失效的情况下，系统要具备保持正常工作的能力，而 且要保持足够的驻车制动力； ( 2 ) 可靠性：线控制动系统至少要能够和现有的机械制动系统具有同样的可靠 性； ( 3 ) 实用性：具备现有系统的基本功能； ( 4 ) 可维护性：维护周期至少要和目前的系统一样长； ( 5 ) 寿命：不低于目前的水平； ( 6 ) 汽车工程协会定义的汽车通信系统分为了a 、b 、c 三类。和安全相关的通 9 2 电子驻车制动系统原理硕士论文 信系统中，采用c 类协议是必须的； ( 7 ) 成本：与传统的系统成本相差不大； ( 8 ) 车内空间：占用空间尽可能小。 为了达到这些基本要求，常用且有效的方法是在线控制动系统中采用冗余技术。 2 3 2 电子驻车制动系统的设计要求 制动系统的结构和性能直接关系着车辆和人员的安全，是汽车重要的安全件，受 到普遍重视。在国家强制性标准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，对制动系统的结构和性能都做出了严 格的规定。具体设计要求如下： ( 1 ) 行车制动的控制装置与驻车制动的控制装置应相互独立； ( 2 ) 采用弹簧储能制动装置做驻车制动时，应保证在失效状态下能快速解除驻 车状态；如需使用专用工具，这种工具应作为随车工具； ( 3 ) 驻车制动应能使机动车即使在没有驾驶员的情况下，也能停在上、下坡道 上。驾驶员必须在座位上就可以实现驻车制动。对于汽车列车和轮式拖拉机运输机组， 若挂车与牵引车脱离，挂车( 由轮式拖拉机牵引的装载质量30 0 0k g 以下的挂车除外) 应能产生驻车制动。挂车的驻车制动装置应能够由站在地面上的人实施操纵。； ( 4 ) 驻车制动应通过纯机械装置把工作部件锁止，并且驾驶员施加于操纵装置 上的力：手操纵时，乘用车不应大于4 0 0n ，其它机动车不应大于6 0 0n ；脚操纵时， 乘用车不应大于5 0 0n ，其它机动车不应大于7 0 0n ； ( 5 ) 驻车制动的控制装置的安装位置应适当，其操纵装置应有足够的储备行程 ( 开关类操作装置除外) ，一般应在操纵装置全行程的三分之二以内产生规定的制动 效能；驻车制动机构装有自动调节装置时允许在全行程的四分之三以内达到规定的制 动效能。棘轮式制动操纵装置应保证在达到规定驻车制动效能时，操纵杆往复拉动的 次数不允许超过三次； ( 6 ) 驻车制动性能的检验：在空载状态下，驻车制动装置应能保证机动车在坡 度为2 0 ( x , - j - 总质量为整备质量的1 2 倍以下的机动车为1 5 ) 、轮胎与路面间的附 着系数不小于0 7 的坡道上正、反两个方向保持固定不动，其时间不应少于5 m i n 。对 于允许挂接挂车的汽车，其驻车制动装置必须能使汽车列车在满载状态下时能停在坡 度为1 2 的坡道( 坡道上轮胎与路面间的附着系数不应小于0 7 ) 上； ( 7 ) 制动衬片( 块) 磨损小，制动间隙的检查、调整和制动衬片( 块) 的更换应方便； ( 8 ) 各部件特别是车轮制动器的尺寸和质量应尽可能小。 2 3 3 电子驻车制动系统的评价指标 汽车的制动性是指强制汽车在短距离内减速、停车、控制下坡速度且维持行驶方 1 0 硕士论文车辆电子驻车制动( e p b ) 控制系统的硬件设计研究 向的稳定性和保证汽车较长时间停放在斜坡上的能力。前者为汽车的行车制动性能， 后者为汽车的驻车制动性能。作为汽车制动性能的一部分，驻车制动性和行车制动性 一样都要从制动效能、制动效能的恒定性和制动时汽车的方向稳定性三方面来评价。 ( 1 ) 制动效能：即制动距离与制动减速度，是指在良好路面上，汽车以一定初 速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度，是制动性能最基本的评价指标。制 动距离与汽车的行驶安全有直接的关系，它指的是汽车空档时以一定初速，从驾驶员 踩着制动踏板开始到汽车停止为止所驶过的距离。制动距离与制动踏板力以及路面附 着条件有关。制动减速度反映了地面制动力，因此它与制动器制动力( 车轮滚动时) 及附着力( 车轮抱死拖滑时) 有关汽车动力性不同，对制动效能的要求也就不同：一 般轿车、轻型货车的行驶速度高，所以要求其制动效能高；而重型货车行驶速度相对 较低，其制动效能的要求相对稍低。 ( 2 ) 制动效能的恒定性：制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收 转化为热能，汽车在繁重的工作条件下制动( 例如下长坡长时间、连续制动) 或高速 制动时，制动器温度常在3 0 0 以上，有时甚至达到6 0 0 7 0 0 * ( 2 ，制动器温度上升后， 摩擦力矩会显著下降，这种现象就称为制动器的热衰退。所以制动器温度升高后，能 否保持在冷状态时的制动效能已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。汽车在高 速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。制动器抗热衰 退性能一般用一系列连续制动时制动效能的保持程度来衡量。根据国际标准草案i s o d i s 6 5 9 7 ，要求以一定车速连续制动1 5 次，每次的制动强度为3 m i s 2 ，最后的制动 效能应不低于规定的冷试验制动效能( 5 8 3 m i s 2 ) 的6 0 ( 在制动踏板力相同的条 件下) 。制动器抗热衰退性能与制动器材料和制动器的结构型式有关。 汽车在涉水行驶后，制动器还存在水衰退的问题。当汽车涉水时，水进入制动器， 短时间内制动效能的降低称为水衰退。汽车应该在短时间内迅速恢复原有的制动效 能。 ( 3 ) 制动时汽车的方向稳定性：即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向 能力的性能。制动过程中，有时会出现制动跑偏、后轴侧滑或前轮失去转向能力而使 汽车失去控制离开原来的行驶方向，甚至发生撞入对方车辆行驶轨道、下沟、滑下山 坡的危险情况。一般把汽车在制动过程中维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力称为 制动时汽车的方向稳定性。在试验时常规定一定宽度的试验通道( 如1 5 倍车宽或 3 7 m ) ，制动时方向稳定性合格的车辆在试验过程中不允许产生不可控制的效应使它 离开这条通道。 制动时汽车自动向左或向右偏驶称为“制动跑偏”。造成汽车制动时跑偏的原因 有两个：一是汽车左、右车轮，特别是前轴左、右车轮( 转向轮) 制动器动力不相等； 二是制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调( 互相干涉) 。其中第一 2 电子驻车制动系统原理硕士论文 个原因是制造、调整误差造成的，汽车究竟向左还是向右跑偏，要根据具体的情况而 定：第二个原因是设计造成的，制动时汽车总是向左( 或向右