（车辆工程专业论文）汽车电子驻车制动epb控制系统的研制.pdf

1 y 叭帆1 惴8 骶8 黼w 4 吣7 帆9 1 1 骶 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期： ( 惭手、 i 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期： 指导教师鲐刮懈彳、 日期： 、 西华大学硕士学位论文 摘要 生产运输的生产用品，也又可作为代步、休闲、旅游等消费用品。随 展，汽车已经成为人类密不可分的伙伴；与此同时，人们对汽车的舒 越来越高。因此，汽车的安全、环保和节能成为当前汽车技术发展的 子驻车制动系统作为现代汽车主动安全技术的应用之一，越来越受到 电子驻车制动系统的进行研究，通过对系统建模仿真，以及对系统控 所研制的汽车电子驻车制动系统能够满足实际工作的基本需要。 首先，分析电子驻车制动控制系统的结构原理，并利用s i m u l i n k 软件，建立了汽 车电子驻车制动系统的模型，讨论了在不同情况下的控制策略。采用p i d 反馈控制器， 构成闭环控制系统，验证了p i d 控制器的有效性。为电子驻车制动控制系统的软硬件设 计奠定了基础。 其次，以m c 9 s 1 2 x s l 2 8 ( 1 6 位单片机) 作为核心处理器，设计了电子驻车控制系统 硬件电路，包括：单片机的最小系统电路、电源稳压电路、制动电机的驱动电路、c a n 通信电路等。在此基础上，应用a l t i u md e s i g n e r 软件绘制了系统硬件电路的原理图，并 制作了p c b 电路板，采用c o d e w a r r i o r 软件编写系统的程序。 最后，利用发动机模拟箱模拟传感器产生信号，对所设计的e p b 控制系统的软硬件 进行调试，进行了台架试验。 试验结果表明：该控制系统可以实现驻车制动控制，经完善后，具有很好的应用价 值。 关键词：汽车电子驻车制动；系统仿真；p i d 控制器；单片机；m a t l a b s i m u l i n k ； 汽车电子驻车制动( e p b ) 控制系统的研制 a b s t r a c t a u t o m o t i v ei sak i n do ft r a n s p o r t a t i o nt o o la n dak i n do ft o n s u r e a b l ea sw e l l w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , a u t o m o t i v e h a v eb e c o m et oa l li n s e p a r a b l ep a r t i s a nf o r h u m a nb e i n g m e a n w h i l e ，t h er e q u i r e m e n t sf o ra u t o m o t i v ec o m f o r ta n ds a f e t ya r em o r ea n d m o r es t r i c t n o w ，t h es a f e t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n gb e c o m et h em a i n d e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o ra u t o m o t i v et e c h n o l o g y a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ( e p b ) s y s t e ma so n eo fm o d e r n a c t i v es a f e t ya p p l i c a t i o n si sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o m t h er e s e a r c h e r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em o d e lo fe p bs y s t e mi sb u i l tw i t hm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，t h e s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rd i f f e r e n tw o r k i n gc a s e si sd i s c u s s e d b a s e do nt h a t ，a ne p bc o n t r o ls y s t e mw i t hb a s i cf u n c t i o ni sd e s i g n e d f i r s t l y , t h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h ee p bs y s t e ma r ea n a l y z e du s i n gs i m u l i n k s o f t w a r e w i mp i dc o n t r o l l e r ，ac l o s e d l o o pf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mf o re p bi sd e s i g n e d ， a n dt h ee f f e c t i v e n e s so fp i dc o n t r o l l e ri sv e r i 6 e dw i t hs i m u l a t i o n s e c o n d l y ，t h em c 9 s 12 x s12 8 ( 16 - b i tm i c r o c o n t r o l l e r ) i ss e l e c t e da st h em a i np r o c e s s o r o fe p bs y s t e m f o rm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ee p bc o n t r o ls y s t e m ，t h ee l e c t r o n i cc i r c u i t o fc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h em i n i m u ms y s t e mm i c r o c o n t r o l l e rc i r c u i t s ，p o w e r s u p p l ya n db r a k em o t o rd r i v e rc i r c u i t ，c a nc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n ds oo n o nt h eb a s i so f a b o v ew o r k t h ec i r c u i td i a g r a mi sd e s i g n e d 埘t ha l f i u md e s i g n e ra n dt h ep c bd i a g r a mi s p r o d u c e d t h ec o d eo fe p bc o n t r o ls y s t e mi sw r i t t e nw i t hc o d e w a r r i o rs o f t w a r e f i n a l l y ，a ne n g i n es i m u l a t o ri su s e df o rg e n e r a t i n gt h es e n s o rs i g n a l so fe n g i n ef o rt e s t i n g t h ef u n c t i o no fe p bc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tw i t has e l f - d e s i g n e de p b t e s tb e n c h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a nr e a l i z e t h eb a s i cf u n c t i o nf o rc o n t r o l l i n gt h e p a r k i n gb r a k e w i 也f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h ee p bc o n t r o ls y s t e mc a nb eu s e d i nr e a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cp a r k i n gb r a k e ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；p i dc o n t r o l l e r ； m i c r o c o n t r o l l e r ；m a t l a b s i m u l i n k i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1 汽车主动安全技术的应用现状和发展趋势1 1 1 1汽车主动安全技术简介1 1 1 2 汽车主动安全技术的主要应用2 1 1 3 现代汽车主动安全技术的发展趋势3 1 2 电子驻车制动系统的概述及其特点4 1 1 1电子驻车制动系统的概述4 1 2 2e p b 统的特点4 1 3 论文研究的意义和主要内容5 1 3 1 课题研究的意义5 1 3 2 论文研究的主要内容5 2 e p b 控制系统的构成以及控制策略研究。7 2 1 e p b 系统的结构组成及工作原理7 2 1 1电子驻车控制单元8 2 1 2 主要传感器9 2 1 3 主要执行机构1 0 2 2 电子驻车控制系统的控制策略1 2 2 2 1 常规控制策略1 2 2 2 2 智能自动控制策略。1 4 2 2 - 3 坡道辅助起步控制策略1 5 2 2 4 应急制动控制策略17 2 2 5 系统锁止时机的选择和紧急解除1 7 2 3 本章小结1 8 3e p b 系统的建模和仿真1 9 3 1电子驻车控制系统的模型的建立1 9 3 1 1 电气部分模型1 9 3 1 2 传动机构模型2 2 3 。2h 桥驱动模型2 4 i i i 汽车电子驻车制动旧b ) 控制系统的研制 3 3p i d 控制算法及其模型的建立_ 2 5 3 3 1p i d 控制算法2 5 3 3 2p i d 控制模型的建立。2 6 3 4 电动驻车制动系统的仿真2 7 3 5 本章小结2 9 4e p b 系统硬件电路设计3 0 4 1 系统硬件电路总体设计3 0 4 2 最小系统电路设计及扩展电路一3 1 4 2 1主控m c u 选择3 l 3 2 2 最小系统电路。3 2 3 2 3串行通信电路设计3 4 3 2 4c a n 接口电路设计3 4 4 3电源转换及其监控电路设计一3 5 4 4 信号采集接口及处理电路设计3 6 4 4 1 驻车制动按钮信号处理电路3 6 4 4 2 线性位移传感器m x l 9 0 3 6 0 接口电路3 8 4 4 3 油门踏板信号处理电路设计3 8 4 5 驻车制动驱动电机电路设计3 9 4 6 硬件电路抗干扰性设计4 0 4 7 本章小结4 2 5 系统软件设计4 3 5 1软件开发工具简介4 3 5 2 主程序设计4 4 5 3 控制算法子程序4 5 5 4 其它程序设计4 6 5 4 1 初始化子程序设计4 6 5 4 2 信号采集以及处理子程序设计4 9 5 4 3c a n 通信子程序设计5 1 5 4 4 串行通信子程序设计5 3 5 5 上位机软件系统设计5 3 5 5 1l a b v i e w 开发环境简介5 4 西华大学硕士学位论文 5 5 2 上位机软件设计5 4 5 5 3e p b 系统监控界面设计。5 5 5 6 本章小结5 6 6 试验以及结果分析5 7 6 1 试验设备5 7 6 2 试验前调试5 8 6 3 试验以及结果分析6 0 6 4 本章小结6 1 7 总结6 2 7 1全文总结6 2 7 2 展望6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果6 7 致谢6 8 v 1绪论 汽车从诞生至今，在人们生活中扮演的角色越来越重要，已经成为生活中不可或缺 的组成部分。随着汽车电子技术的蓬勃发展和社会的不断进步，汽车工业更是日新月异， 人们在努力追求汽车动力性、经济性的同时，对汽车行驶的安全性、稳定性和驾乘舒适 性也提出了更新更高的要求。 在我国，汽车产销量逐年递增，城市车流密度迅速增大，交通事故频发，给国家和 社会带来严重损失，也给许多家庭带来重大悲剧。交通安全已成为汽车行业发展必须考 虑的重要因素之一。因此，汽车安全如今已经成为汽车研发人员必须综合考量的一个 问题，如何尽量地避免汽车交通事故的发生，成为了人们关注的焦点【2 】。 在汽车1 0 0 多年的发展史中，有关汽车安全性能的研究和新技术的应用正在发生日 新月异的变化，从最初的保险杠减振系统、乘客安全带系统、安全气囊到汽车碰撞试验、 车轮防抱制动系统( a b s ) 、驱动防滑系统( a s r ) ，到无盲点、无视差安全后视镜及儿童座 椅系统的研究，汽车的安全性能正日趋完善【3 一钉。越来越多的消费者开始加大对汽车的安 全性能的关注，从安全配置到安全技术都成为消费者购车的重要参考因素。尽管预紧式 安全带、安全气囊可以在一定程度上有效地保护驾驶者和乘客，但这些被动型的技 术却无法避免交通事故的发生。汽车安全的关键是为防止发生意外事故，因此，更 多的主动安全技术应用于汽车上。 1 1 汽车主动安全技术的应用现状和发展趋势 1 1 1 汽车主动安全技术简介 从整体角度考虑，汽车安全设计不仅要在事故发生时尽量减少驾乘人员的受伤 机率，而且更重要的是要在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶员避免事故的发生， 它是对汽车驾乘人员和其他道路交通参与人员安全的重要保障p 】。 从概念上区分，汽车安全技术可分为主动安全和被动安全两种不同的技术。被 动安全是指汽车在发生事故以后对车内驾乘人员的保护，如今这一的概念已经延伸 到对车内外所有的人员、甚至物体的保护。而汽车的主动安全，顾名思义，就是提 前预判事故或危险的发生，通过车上的一些装置预防事故的发生，从而最大限度的 避免事故的发生，即：汽车回避事故的性能【6 】。主动安全系统主要通过传感器搜集 汽车各种状态及行驶信息，通过由控制芯片组成的控制模块对汽车进行控制，提高 车辆行驶的稳定性，或者在危险到来前提醒驾驶员【7 】。尽量使驾驶员自如地操纵控 制 离 1 计 制 统 避 为 整 因此，采用e b d 系统可以防止在制动抱死时出现后轮先抱死的情况，从而改善制 动力的平衡并缩短汽车制动距离【9 j0 1 。 ( 3 ) 电子稳定装置 电子稳定装置( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m - e s p ) 实际上也是牵引力控制系统 的一种。e s p 控制驱动轮，也控制从动轮。它通过主动干预危险信号，实现车辆平 稳行驶。当汽车的后轮驱动常出现的过多转向情况，会导致后轮失控而发生甩尾现 象。这时，e s p 系统会自动放慢外侧的前轮速度，以稳定车辆；在转向过少时，为 了校正循迹方向，e s p 则会放慢内后轮，从而校正行驶方向【1 1 1 。 ( 4 ) 牵引力控制系统 t c s ( t r a c t i o n c o n t r o l s y s t e m ) 牵引力控制系统。汽车在光滑路面制动时， 车轮会打滑，甚至使方向失控。同样，汽车在起步或急加速时，驱动轮也有可能打 滑，在冰雪等光滑路面上还会使方向失控而出危险。t c s 通过相应的传感器获取车 轮驱动情况，然后不断调节动力的输出，从而使车轮不再打滑，提高加速性与爬坡 能力【1 2 】。 ( 5 ) 电子驻车制动控制系统 西华大学硕士学位论文 电子驻车制动系统( e p b ) 是指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1 3 】。这是本文的研 究对象。 - 一 、 2 、转向类主动安全装置 e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s 。它利用电动机产生的动力协助驾车者进 行动力转向。 3 、碰撞类主动安全装置 ( 1 ) 防碰撞预警系统 a w s 是a d v a n c ew a r n i n gs y s t e m 缩写。它是一个意外事故预防和缓和的驾驶 辅助系统，在危险发生前给驾驶员提供及时的声音和视觉报警。 ( 2 ) 主动防追尾系统 是在车辆的前端装上传感器、雷达、摄像机等设备，能够自动探测出与前车的 距离，并与本车的制动、灯光等系统联动。当跟车距离低于安全距离时，系统会在 零点几秒内启动，以强制拉大跟车距离。 4 、夜视辅助系统 夜视辅助系统能够给驾驶员提供更大的视野范围，且当有逆向的车辆时，驾驶 员不会因此产生晃眼等情况。采用夜视辅助系统，更可以提前看清近光灯照不到的 黑暗中的交通标牌、弯道、行人、汽车、丢失的货物或者道路上其他可以造成危险 的事物，这样，驾驶者可以及时采取制动或者避让措施【1 4 】。 1 1 3 现代汽车主动安全技术的发展趋势 汽车发展的历史也是汽车安全性能不断提高的历史。而随着科学技术的发展， 汽车主动安全技术更已成为当今汽车研发的重要领域【1 5 】。现代汽车主动安全技术的 发展具有以下趋势： 。 ( 1 ) 集成化 现代汽车电子控制正从最初的单一化向集成化发展，从而能共用硬件，传感器 信息等，既能减少过多的线路布置而节约空间，还能保证信息传输的可靠性。因此， 集成化将是汽车主动安全技术的发展一个重要趋势。 ( 2 ) 智能化 随着电子技术和计算机技术的发展，、未来的汽车将是移动的电脑平台。智能化 必将成为汽车主动安全的发展趋势之一，在汽车上发挥越来越大的作用。智能制动、 智能减速和智能转向等将是未来智能汽车的基本特征。 ( 3 ) 系统化 3 汽车电子驻车制动( e p b ) 控制系统的研制 汽车主动安全技术正朝着将汽车、道路、人纳入一个系统来分析研究 相互协调，达到各自性能的最佳匹配，实现驾驶员行为特征、车辆机械特 设施和交通法规之间的最优协调，从而使系统整体达到最佳效益。 ( 4 ) 全员化 在事故发生瞬间极力挽救或减缓人员伤害的被动安全技术，绝大多数 护车内乘员的设计理念，例如：安全带、安全气囊及可吸能转向柱等。今 安全技术正朝兼顾车内、车外人员安全的全员化方向发展。 1 2 电子驻车制动系统的概述及其特点 1 1 1电子驻车制动系统的概述 驻车制动器通常是指机动车辆安装的手动刹车，简称手刹。在车辆停稳后用于 稳定车辆，避免车辆在斜坡路面停车时由于溜车造成事故。常见的手刹一般置于驾 驶员右手下垂位置，便于使用。目前市场上的部分自动挡车型均在驾驶员左脚外侧 设计了功能与手刹相同的脚刹，一些先进车型则加装了电子驻车制动控制系统。 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 ) 是通过手动操作电子按钮， 由电子控制单元控制执行机构一一制动电机及传动机构，实现汽车原地驻留的装置， 即：用电能实现传统驻车制动系统的功能。它可以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。 e p b 系统不仅具有常规的驻车制动功能，还可以保证车辆在3 0 倾角的斜坡上 稳定驻车，从而不出现溜车等现象；同时，e p b 系统还可以根据车辆的状况，智能 地实施驻车制动和制动释放。 1 2 2 e p b 统的特点 目前汽车驻车制动装置绝大多数仍为手动驻车制动装置，与其相比，电子驻车 制动系统具有以下特点： ( 1 ) 传统的手动刹车需要人工来操作，依靠大脑的反映，但因而在事故发生 前的瞬间，可能会由于因为认为的紧张等因素知识来不及操作或错误操作手动刹车 装置，从而导致交通事故的发生。电子驻车制动系统则可以加快反应时间，制动力 量是固定的，不会因人而异，出现偏差。 ( 2 ) 电子驻车制动系统具有辅助坡道起步功能，即当停在上坡的汽车准备起 车时，按下驻车制动释放按钮，电子控制可单元根据油门、离合器、发动机转速等 4 西华大学硕士学位论文 信号，控制执行机构在合适的时机解除驻车制动，从而实现辅助起步，使汽车能够 平稳起步。 ： ( 3 ) 电子驻车制动系统的自动驻车功能可通过纵向加速度传感器来测算坡度，从 而可以算出车辆在斜坡上由于重力而产生的下滑力，电脑通过电机对后轮施加制动力来 平衡下滑力，使车辆能停在斜坡上，不溜车。并且e p b 系统可以设计为发动机熄火后 自动实施驻车制动的动作。 。 ( 4 ) 在行驶过程中如果需要紧急制动，按下手刹按钮，电子驻车制动系统会根据 车速选择适当的制动力保证行驶的安全性，这样可提高主动安全性能。 ( 5 ) 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原有的机械式驻车 制动系统，即车厢内将取消驻车制动杆，取而代之的是一个停车制动电子按钮，驾驶者 不必费力用手拉驻车制动杆，只需要按压开关按钮即实现驻车制动意图，简单方便， 为驾驶人员提供了更好的操作舒适性，同时为车厢内留出更多的空间，可用来安装 装饰部件及便利的设施等。蕊 ( 6 ) 成本合理，体积小而紧凑。仅采用一个作动器单元，可适用于所有车型和制 动类型，组装时无须特殊调整。 1 3 论文研究的意义和主要内容 匙 1 3 1课题研究的意义 汽车的主动安全设备有着广阔的发展前景，越来越受到汽车生产企业、政府管理部 门和消费者的重视。目前，世界各国都在运用现代高新科，加紧研制各种汽车主动安全 设备，一批批有关汽车安全的前沿技术、新产品陆续装车使用，使汽车更加安全。 电子驻车制动系统作为近年来汽车主动安全设备之一，越来越多地开始在汽车上应 用。如：市面上常见的大众迈腾、奥迪a 4 、a 6 以及新君威等都已经配备了电子驻车制动 系统。 本文针对汽车电子驻车制动控制系统开展研究，采用基于模型的开发方法，在系统 建模仿真的基础上，进行实际电控系统的软硬件开发。采用这种方法，能够避免直接开 发电控系统容易出现的错误和带来的不必要损失，可大大缩短开发周期，实现系统优化 设计的目的。所以，研究利用这种方法开发电子驻车控制系统具有重要意义。 1 3 2 论文研究的主要内容 本文主要针对电子驻车制动控制系统进行研究，并且开发能满足基本要求的软硬件 平台，主要的研究内容有： 汽车电子驻车制动( e p b ) 控制系统的研制 ( 1 ) e p b 系统的基本结构及仿真分析 研究电子节气门结构和各组成部分的特点和功能，设计控制方案，进行仿真研究。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对e p b 系统模型进行了仿真与结果分析，优化控制策略。 ( 2 ) 控制系统硬件电路设计 以“飞思卡尔 十六位单片机m c 9 s 1 2 x s l 2 8 为核心处理器，设计控制系统硬件，包 括：最小系统电路、电源电路、以及信号采集接口电路和制动电机驱动电路，并绘制p c b 图。 ( 3 ) 控制系统软件设计 研究单片机资源和编程原理，采用模块化的思想进行系统软件设计，把整个程序划 分为：主程序、初始化程序、数据采集程序、控制模块、驻车制动电机驱动子程序、串 行通讯程序，结合设计的硬件电路，进行调试。 ( 4 ) 进行模拟试验调试和台架试验 利用发动机信号发生器采集发动机转速等辅助信号；利用l a b v l e w 串行模块开发 监控和标定软件。通过串行通讯获取试验数据，并对试验数据进行分析。最后，通过试 验验证所研制的电控系统的基本功能，以及需要改进的地方，并提出改进的方法和措施。 本文的研究工作受到四川省高校重点实验室开放研究基金“电子驻车制动系统 ( e p b ) 研究”项目( s z j j2 0 0 9 0 1 1 ) 和四川省车辆工程重点学科建设项目( s z d 0 4 1 0 ) 的资助。 西华大学硕士学位论文 2 e p b 控制系统的构成以及控制策略研究 要安全地实施驻车，满足车辆系统的应用要求，必须制定良好的控制策略。本章首 先分析e p b 系统的组成和工作原理，在充分考虑驾驶员的驻车意图，以及可能会发生的 意外情况等不同工况的基础上，对e p b 系统控制策略进行研究。 2 1 e p b 系统的结构组成及工作原理 电子驻车制动控制系统主要由采集车辆运行状态信息的传感器、驻车制动按钮、控 制单元e c u 、直流伺服电机、丝杠螺杆传动机构、制动拉索和制动器等组成。概括起来， 即由传感器，电控单元e c u 和执行器三大部分组成。系统结构示意图如图2 1 所示。 图2 1e p b 系统结构示意图 f i g 2 1 e p bs y s t e ms t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g 图2 1 表明：构成e p b 系统的三个主要部分，传感器主要包括车辆状态信息( 如： 车速) 、驻车按钮、制动力等传感器；电控单元e c u 为1 6 位单片机；执行器由电机、 丝杠螺母传动机构以及制动器等构成。 为了更可靠地传递和接收数据，考虑到多个传感器被不同的子系统所共用，以及汽 车中各子系统之间的通信问题，本文在上图的基础上做了改进，采用如图2 2 所示的设 计方案，利用c a n 总线网络进行信息传输，使系统反应更为迅速。 汽车电子驻车制动( e p b ) 控制系统的研制 c a n 总线 车辆运行状态数据采集e c u 控制命令 驻车制动 驻车制动执行机构 按钮 e c u 1 制动力、 电移l 电况 图2 2e p b 系统设计方案示意图 f i g 2 2 e p bs y s t e md e s i g n i n gs c h e m e s 如上图所示，本文中采集和实施制动控制功能将不由同一个e c u 来完成，即车辆状态 信息的采用一块单独的e c u 来采集，其采集的信息包括车速、发动机转速、离合器位置、 节气门位置、制动踏板位置、点火开关等辅助判断车辆状态的信息。而驻车制动系统的 功能则由另一块e c u 来完成，这样做的好处是利用数据采集e c u 来模拟发动机e c u 或是 其它功能e c u 。 电子驻车控制系统工作原理是：当驾驶员按下驻车制动按钮之后，e c u 通过c a n 总 线接收相关传感器信号，对车辆的运行状态进行分析判断，向执行器发出控制指令，而 执行器按照e c u 指令进行运作。主要的基本动作有： ( 1 ) 驻车制动 直流电动机输出转矩；传动机构降速增矩，并将旋转运动转换成直线运动；制动块 压紧制动盘，实施制动。 ( 2 ) 解除制动 直流电动机反转，摩擦块松开，解除制动。 2 1 1 电子驻车控制单元 电子控制单元是控制系统中最重要的组成部分。它在一定程度上决定着控制系统的 性能，是一种以单片机为核心的综合控制装置。其功能是判断执行驻车功能( 制动开关 信号) 之后，采集控制系统所需要的传感器信号；根据输入信号信息判断当前车辆的状 况，再根据相应的控制策略发出控制指令( 即输出信号) 。结合e p b 控制系统的特点， 综合考虑成本等因素，本文中核心控制单元的m c u 选择“飞思卡尔”公司生产的汽车级 微处理芯片m c 9 s 1 2 x s l 2 8 单片机。 8 西华大学硕士学位论文 2 1 2 主要传感器 电子驻车制动控制系统所需要采集的传感器信号分为模拟和数字两种类型。为使传 感器信号能够更好地被单片机接收，需要对传感器产生的信号进行滤波、整形、放大及 光电隔离处理，除去杂波，转化为控制器能够接收的信号。由于汽车工作情况恶劣，而 传感器又直接与采集现场相连，因此必须采取适当的抗干扰措施，确保系统工作正常。 电子驻车制动控制系统的所需要采集的信号包括：车速信号、制动力信号、驻车开 关信号以及节气门传感器和制动踏板信号等辅助判断信号。本节将介绍一些论文中用到 的主要传感器。 ( 1 ) 车速传感器 大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，这种传感器稳定性较 好，经过简单的信号调理电路就可以转成方波信号。考虑到目前决大部分汽车都有电子 仪表板，有现成的车速信号，可以直接使用，因而本设计的车速信号直接取自模拟箱中 的方波信号。 ( 2 ) 非接触式位移传感器 在电子驻车制动系统中，考虑到执行机构布置空间等因素，要直接采集制动力的大 小比较困难，而制动力又是实现控制系统精确控制中必不可缺的信号，因此本设计采用 间接测量方法：通过检测丝杠螺母的位移，利用丝杠螺母位移和制动力之间的关系式得 到制动力大小，实现采集制动力大小的目的。本文中采用的位移传感器是m e l e x i s 公司的 非接触式线性位移传感器芯片m l x 9 0 3 6 0 t 1 6 】。 m l x 9 0 3 6 0 是一种测定范围可编程的线性位移传感器，具有模拟输出和p w m 输出两种模 式可以选择，其应用广泛，适宜汽车复杂的工作环境。芯片封装引脚图如下。 v d 同 v s s l v d d l t e s t 0 1 t e s t2 2 o u l 2 f u s e d 2 t e s t l 2 图2 3m l x 9 0 3 6 0 芯片引脚图 f i g 2 3m l x 9 0 3 6 0c h i pp i n s 9 “ 抬玉 ：吣忱恍 汽车电子驻车制动( e p b ) 控制系统的研制 ( 3 ) 倾角传感器 在e p b 系统在，为了实现坡道时轻松驻车的目的，则需要采集坡道倾角角度。通常 倾角的计算是利用加速度传感器来测量。本文中的采用m m a 7 3 6 1 l c 芯片来进行坡道倾 角计算方法是：通过单片机的a d 口得n x 、y 和z - - 轴的输出电压的数字值之后，通过 公式计算得到各轴加速度情况，最后通过查表得到倾角。该芯片是f r e e s c a l e 公司生产的 一种低功耗、小型电容式加速度传感器，具有信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自 检、带有线性自由落体检测的重力检测【r 7 1 。传感器模块如图2 4 所示： f i g 2 4m m a 7 3 61l cm o d u l e 2 1 3主要执行机构 如图2 1 所示，e p b 系统的主要执行机构是直流伺服电机，丝杠螺杆传动机构和制 动盘。下面具体介绍一下本设计所选取的执行机构。 ( 1 ) 直流伺服电机 直流电机在本系统中起驱动作用，在接收到e c u 发来的信号之后，会根据制动或 缓解产生不同的转动方向。为了实现这一转动方向的不同，硬件电路采用了h 桥式电路 来驱动电机。 由于刹车系统对电机参数要求较高，故电机的选择是设计过程中重要的环节。经过 对比与试验，本项目选择的电机参数如下。 1 0 t a b 2 1m o t o r p a r a m e t e r s 名称 电枢电阻( q ) 电枢电感( h ) 电机常数 额定电压( v ) 最大允许转速( r a d m i n ) 转矩常数( n m a ) ( 2 ) 丝杠螺母传动机构 在e p b 系统中，采用滑动丝杠螺母传动机构作为系统的传动机构，其主要功能是将 伺服电机的旋转运动转换为直线运动，从而带动拉索，通过制动器( 本文中采用的是盘 式制动器) 实现制动或缓解的动作。本设计采用滑动丝杠螺母传动机构的原因是：此种 传动机构具有自锁的功能，即：当制动器制动后，不需要提供能量使制动器保持制动状 态，传动机构的自锁功能即可维持其制动状态，可满足车辆实际应用的需要【1 8 】。 图2 5 丝杠螺母传动机构示意图 f i g 2 5 s c r e wn u tt r a n s m i s s i o ns c h e m e s ( 3 ) 制动器 在e p b 系统中，制动器作为重要的执行机构，其选取也应具有代表性。本文中的制 动器选用的是浮钳盘式制动器。浮钳盘式制动器在兼充行车和驻车制动器的情况下， 4 6 粕一 一 地 似 汽车电子驻车制动( e p b ) 控制系统的研制 只须在行车制动钳油缸附近加装一些用以推动油缸活塞的驻车制动机械传动零件即 可。 图2 6 制动器不意图 f i g 2 6 b r a k es c h e m e s 2 2 电子驻车控制系统的控制策略 电子驻车制动控制系统要实现的功能不仅是制动，同时还兼具坡道起步等辅助功能。 本节将从常规驻车制动功能和其它功能两方面，讨论系统控制策略。 2 2 1常规控制策略 e p b 系统常规功能是电子驻车系统最基本的功能，即：当驾驶员实施驻车制动操作 时，系统会判定是否具备了正常驻车制动和释放的条件。在具备条件的情况下，只要驾 驶员按下驻车制动按钮，驻车制动e c u 就会通过c a n 总线得到车辆的运行状态信息， 实施驻车制动，而当按钮抬起，系统释放制动。 为保证行车安全，e p b 控制系统常规功能定义了两种工作模式： 1 、静态模式 一 静态模式分静态制动和静态释放两种工况。 静态制动：车辆停止时，只要按下e p b 开关，e p b 执行器就会在最短的时间内提供 足够的力给驻车制动器，实施驻车制动。同时点亮绿色指示灯，此时不管点火钥匙是否 在锁芯内。 静态释放：点火开关必须置于o n 位置，踩住刹车，抬起e p b 开关，e p b 执行器会松 开驻车制动。静态模式下制动力的期望情况如图2 7 所示。 西华大学硕士学位论文 最大值 l t l a j l j 力 圆圈 图2 7 静态模式下制动力的期望值 f i g 2 7 s t a t i cm o d eb r a k i n gf o r c ee x p e c t a t i o n s 2 、动态模式：此模式下，当按下制动按钮后，如果车辆运行速度大于预先设定阈值， 当e c u 接收到制动命令后，制动系统开始启动，但制动力应缓慢上升；同时检测车辆的 运行速度，当车辆的运行速度小于预先设定的速度阂值后，加大制动力使其尽快达到最 大值。在此模式下，有两种工作方式，这两种工作方式的制动力的期望情况如下图2 8 所 示： 最大翎动 f l a x 达到最大值。 2 2 2 智能自动控制策略 力和车速的情况，细 车速小于阈值时，应 了预期的最大值动力 ，再加大制动力使其 e p b 系统智能自动控制即使当驾驶员没有按下或抬起之车制动按钮时，系统根据车 辆状态信息自动判读实施驻车制动或是释放的功能。因此，智能自动控制可以分为智能 自动驻车制动控制和智能自动释放控制。 1 、智能自动驻车制动控制策略 当发动机熄火车辆停车后，有时会发生驾驶员没有按下驻车制动按钮就离开车辆的 情况，这种情况有可能会造成车辆由于外力或是其它因素作用而出现溜车的现象，从而 造成不必要的损失，形成不安全因素。 为了避免这种能够情况的发生，本系统设计了智能自动驻车功能。为实现此功能， 必须要明确判断驾驶员的意图，从而自动实施驻车制动。而不同的驾驶员有不同的驾驶 习惯，要单一的判断某一条件可能会使判断不充分，因此，要实施此功能，判断驾驶员 的意图，必须同时满足以下几个条件： ( 1 ) 发动机熄火，即：发动机转速为零。 ( 2 ) 点火开关关闭。 1 4 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 节气门处于关闭状态或油门踏板位置为零。 ( 4 ) 驾驶员侧门关闭。 2 、智能自动释放控制策略 、 除上面的情况外，还有一种情况也可能形成车辆的不安全因素，即由于驾驶员的疏 忽或是其对驾驶的不熟练，从而忘记抬起驻车按钮，没有释放驻车制动系统就开始加速 行驶车辆，这会损坏驻车制动系统，造成不必要的损失，并形成不安全因素。 为了避免这种情况出现，e p b 系统设置了智能自动释放功能。为了实现此功能，系 统要满足以下条件，即：发动机启动，即发动机转速不为零；点火开关打开；同时还要 判断离合器位置与油门踏板或节气门位置状态情况。 2 2 3 坡道辅助起步控制策略 当汽车暂时或长时间停驻在坡道上，驾驶员启动汽车时，如果直接解除驻车制动则 会产生溜车现象。为了防止这种情况的发生，当汽车启动时就涉及到坡道起步的问题。 坡道起步控制比较复杂，与离合器的接合规律密切相关。因为车辆从静止到最小稳定车秘 速之间的速度增长过程，取决于离合器的接合方式。要实现平稳的坡道辅助起步，其控 制难点在于准确的判断解除制动的时机，即找到离合器的摩擦力矩和起步阻力矩相等的 点一半结合点的时机。而根据驾驶员的驾驶经验，有两个释放驻车制动的时机，即u 引： 、 ( 1 ) 当油门比较大，且离合器结合深时，可以释放驻车制动； ( 2 ) 当发动机转速小于一定值( 但要大于8 0 0 转分) ，即在9 5 0 转分至9 6 0 转时， 可以释放驻车制动。 基于上述可知，要实现坡道起步辅助功能，必须准确的判断驻