电子论文-基于CAN的载重汽车制动集中控制系统.pdf

基于基于 CAN 的载重汽车制动集中控制系统的载重汽车制动集中控制系统 吴修德 1 2 李刚炎2 胡剑2 1 长江大学机械工程学院 湖北荆州 434023 2 武汉理工大学机电工程学院 湖北武汉 430070 教育部 高等学校博士学科点专项科研基金项目 项目编号 20020497009 摘要摘要 针对载重汽车行车制动 驻车制动和辅助制动系统的现状 分析了制动控制系统存在的问题 提 出了相应的对策 制动集中控制 设计了基于 CAN 的载重汽车制动集中控制系统 为实现制动控制 系统与载重汽车底盘其它控制系统的一体化和集成化奠定了基础 关键词关键词 CAN 载重汽车 制动 电子控制单元 中图分类号中图分类号 TP273 U463 文献标识码文献标识码 A 1 载重汽车制动系统的现状载重汽车制动系统的现状 目前 载重汽车向高档化 电子化 重型化方向发展 对主动安全性的要求越来越高 制动控制系 统对保障载重汽车行驶安全的作用是不言而喻的 其性能的改善可大大提高载重汽车的主动安全性 载重汽车制动系统包括行车制动 驻车制动和辅助制动系统 驻车制动主要采用机械制动 行车制 动系统由制动能源 控制装置 传动装置 制动器等 4 个部分组成 其中控制装置包括产生制动动作和 控制制动效果的部件 同时还包括制动力调节装置 报警装置 压力保护装置等 从最早的通过机械连 接产生制动动作的人力制动 发展到人力控制制动 其主要特点是能均匀分配制动压力 目前 防抱死 制动系统 Anti lock Braking System ABS 已成为现代载重汽车的重要装备 ABS 主要采用独立控制 智 能选择控制 模糊 PID 控制等多种控制方法 可有效地避免车轮被制动抱死时出现的甩尾及横向侧滑 现象 使汽车的方向稳定性及转向操纵性得到明显提高 由于不能精确检测车速和路面附着情况 ABS 并未达到最佳的制动效果 不具备很强的自适应性 难以适应各种制动工况 采用 ABS ASR 驱动防 滑系统 可更加有效地分配基本制动力 有利于提高制动的稳定性 安全性和有效性 然而 ABS ASR 只是解决了紧急制动时附着系数的利用 可获得较短的制动距离及制动方向稳定性 为了提高响应速度 增加制动效能 避免液压 或气压 回路泄漏的隐患 降低装配和维护的难 度 国外出现了电子制动系统 Brake By Wire System 其原理如图 1 所示 电子制动系统有许多传统 制动系统不可比拟的优势 但仍然存在很多亟待解决的问题 1 2 图 1 电子制动系统原理图 载重汽车的辅助制动系统对确保车辆制动安全可靠及提高制动器寿命影响巨大 其作用是行车制动 和驻车制动系统不可替代的 载重汽车常用的辅助制动装置有发动机制动 排气制动 电磁缓速器 液 力缓速器等 发动机制动和排气制动是最简单 成本最低的辅助制动装置 但是 发动机制动 排气制 动的制动功率有限 适用于较高的发动机转速 如果车辆经常处于起步 停车工况时效果不佳 液力缓 速器可提供多档不同的制动转矩 驾驶员可根据具体情况自主控制 液力缓速器在低速情况下制动效果 不佳 当车速接近 40km h 时可提供最大制动转矩 电磁缓速器利用电涡流产生的电磁场提供阻力矩 其制动效果取决于定子线圈的励磁强度 由于电磁缓速器重量较大 通常安装在变速器后部或主减速器 中央控制模块 控制模块 制动执行机构 CAN 控制模块 CAN 制动执行机构 踏板模块 各传感器 输入端 电磁缓速器适用于低速 频繁起步 停车工况 冷态时的制动效能很好 热态下的制动力矩不 如液力缓速器大 对大型载重汽车而言 发动机排气制动 缓速器制动应是最佳的选择 它不仅提高了 制动安全性 而且减少了磨损和维修工作量 虽然缓速器的成本较高 但可节省车辆的运行成本 3 4 2 载重汽车制动控制系统存在的问题载重汽车制动控制系统存在的问题 2 1 结构复杂化结构复杂化 随着人们对制动性能要求的提高 防抱死制动系统 驱动防滑控制系统 电子稳定性控制 主动 避撞技术的功能逐渐融入到制动系统当中 需要在制动系统上添加许多附加装置来实现这些功能 这就 使得制动系统结构复杂化 增加了液压回路泄漏的可能性以及装配 维修的难度 而制动系统要求结构 更加简洁 功能更加全面可靠 因此 复杂制动系统的管理也就成为必然要面对的问题 2 2 系统间关联性强系统间关联性强 各种制动系统的有效作用均有其局限性 针对不同的路况和制动要求 常常需要联合采取多种制动 方式 辅助制动将使汽车的制动特性和稳定性发生很大的改变 表明辅助制动与主制动系统间有较强的 关联性 此外 每个制动器都有自己的控制单元 控制单元越来越多 越来越复杂 各控制系统之间信 息的传递和关联性也越来越重要 充分利用各类信息资源 减少信息冗余 要求大批数据信息能在不同 的电子控制单元中共享 需要综合考虑行车制动 驻车制动与辅助制动控制系统之间的信息传递和关联 控制 但目前电子控制单元各自独立 驾驶几无关联性可言 反而带来安全隐患 2 3 对驾驶员的操纵能力要求更高对驾驶员的操纵能力要求更高 载重汽车行驶的安全性主要依赖于驾驶员的熟练程度 大量电子控制单元的独立工作 要求驾驶员 必须熟练掌握各单元操作方法和操作时序 从而增加了驾驶员的劳动强度和精神负担 误操作概率上升 易导致载重汽车制动平稳性和安全性的降低 3 制动集中控制策略制动集中控制策略 为了改善载重汽车的制动安全性 减少行车制动器的磨损 在行车制动实施之前 先应用辅助制动 器施行减速 由于各辅助制动装置单独作用时存在着一定的缺陷 所以采用发动机制动 排气制动与电 磁缓速器联合作用的辅助制动方式是比较合理的方案 3 4 联合作用的辅助制动系统虽然可以满足汽车在各种不同坡度的坡道上下坡稳定行驶的制动要求 但 是 驾驶员必须不断地判断道路坡度的大小 再根据坡度和要求的车速选择适当的变速器挡位 选择发 动机制动 排气制动或电磁缓速器制动的挡位 其制动操作过程复杂 有时还需要进行换挡操作 很难 保证汽车以希望的稳定车速行驶 并且增加了驾驶员的操作难度与工作强度 采用制动集中控制系统将 会较好地解决上述问题 制动集中控制原理框图如图 2 所示 图 2 基于 CAN 的制动集中控制原理框图 压力传感器与制动踏板安装在一起 压力信号的大小与驾驶员脚下用力大小有关 中央控制器又称 为电子控制单元 Electro Control Unit ECU 可以依据压力信号 自动确定辅助制动后的目标车速的 中央控制器 排气制动控制发动机制动行车制动控制 电磁缓速器制动控制 压力传感器 速度传感器加速度传感变速箱档位传感器 大小 当变速箱处于某一档位时 根据辅助制动后的目标车速以及测得的行车速度和加速度的大小 ECU 确定辅助制动力的大小 辅助制动力 Ft 可用下式表示 Ft K1 Vt Vs t K2Jt 式中 Vt 为行车速度 Vs为制动时的目标车速 Jt为汽车加速度 K1 K2为常数 t 为时间常数 其取值与允许的制动加速度有关 中央控制器是基于 CAN 的制动集中控制系统的中枢 各种传感器信号 各辅助制动器的状态信号和 行车制动状态等信息分别传递至中央控制器 经中央控制器分析处理后产生控制策略 并将信息传递给 相应电子控制系统 中央控制器依据获得的行车速度 加速度 目标车速以及变速箱的档位 自动调节 发动机排气制动和电磁缓速器的制动力矩 从而使汽车速度稳定在目标车速附近 保证其在各种坡度的 坡道上以一定的车速稳定行驶 且较少或不必使用行车制动 4 中央控制器中央控制器 控制器局域网 5 Controller Area Network CAN 是德国 Robert Bosch 公司在 20 世纪 80 年代初为 了解决汽车众多控制设备和仪器仪表之间的数据交换而开发的一种车载专用串行数据通信总线 利用 CAN 将汽车上的各个控制单元衔接起来形成整车信息的集中控制系统 CAN 总线采用点对点 点对多 点 全局广播等几种方式发送数据 可实现全分布式多机系统 采用面向控制的短帧结构 使得每帧数 据的出错率低 且实时性好 CAN 满足美国 SAE 汽车工程师协会 所定义的三类车用网络 适用于 实时控制与检测 已成为广泛应用的专用车载网络 国际化标准组织 ISO 也颁布了道路交通运载工具 数字交换 高速通信控制器局部网的国际标准 ISO11898 在国外 CAN 广泛用于汽车动力控制系 统 车身控制系统及娱乐 服务 移动通信 信息处理等汽车信息控制系统 已成为部分汽车必须采用 的装置 但在国内汽车电子控制方面的应用还处于起步阶段 随着汽车电子控制技术的迅速发展 CAN 总线技术在载重汽车上的全面推广应用是大势所趋 6 7 4 1 中央控制器的结构设计中央控制器的结构设计 中央控制器的硬件电路主要由 CAN 双绞线 CAN 节点 微控制器 I O 信号电路等构成 其硬件原 理框图如图 3 所示 图 3 中央控制器硬件原理框图 由于所需的 I O 接口数不多 采用 CAN 节点与微控制器共用微处理器 微处理器采用 AT89C51 的结构 为了提高系统抗干扰能力 在微控制器的 I O 接口中采用了光电隔离电路 对开关量 I O 信号 采用普通型隔离电路 对功率输出信号采用达林顿型光电隔离电路 4 2 CAN 节点设计节点设计 CAN 节点结构如图 4 所示 CAN 控制器采用 Philips 公司的 SJA1000 CAN 收发器采用 82C250 芯片 为了增强 CAN 总线节点的 CAN 节点 输入信号 光电隔离 微控制器 光电隔离 输出信号 CAN H CAN L 抗干扰能力 SJA1000 通过高速光电耦合器 选用 6N137 与 82C5250 相连 以实现总线上各 CAN 节点 间的电气隔离 82C250 是 CAN 控制器与物理总线之间的接口 可以提供对总线的差动发送和接受功能 通过对 CAN 控制器工作状态的设置 实现报文的发送和接收 AT89C51 负责 SJA1000 的初始化 以中断 的方式控制 SJA1000 实现数据的接收和发送等通讯任务 同时还可以接收外围设备和传感器信号 并控 制执行器工作状态 传感器完成信号检测并上传的任务 执行器根据微处理器的控制指令完成控制任务 外围设备负责人机交互 图 4 CAN 节点结构图 5 结束语结束语 本文针对载重汽车的各种制动方法 分析了制动控制系统的应用现状及存在的问题 探讨了载重汽 车主制动和辅助制动集中控制的策略 设计了基于 CAN 的载重汽车制动集中控制系统 在实验室模拟验 证了相关控制策略 说明了所设计的制动集中控制系统的可行性 为实现制动控制系统与载重汽车底盘 其它控制系统的一体化和集成化奠定了基础 采用辅助制动器后 载重汽车主制动器的更换间隔可从 200 000km 提高到 750 000km 具有显著的经济效益 8 本文作者创新点 提出了利用电磁缓速制动器和主制动器实现载重汽车制动集中控制的控制策略 并设 计了基于 CAN 的制动集中控制系统 参考文献参考文献 1 Park Shinsuk Numerical evaluation of braking feel to design optimal brake by wire system J International Journal of Vehicle Design 2005 37 1 1 23 2 汪洋 翁建生 车辆电控机械制动系统的研究现状和发展趋势 J 商用汽车杂志 2005 11 102 104 3 余强 陈萌三 马建 发动机制动 排气制动与缓行器联合作用的模糊控制系统研究 J 汽车工程 2004 26 4 476 480 4 余强 陈荫三 马建 发动机制动 排气制动与缓速器联合作用时的非连续线性控制系统的研究 J 中国公路学报 2005 18 1 117 121 5 饶运涛 邹继军 现场总线 CAN 原理与应用 M 北京 北京航空航天大学出版社 2003 6 6 胡剑 李刚炎 CAN 在客车网络控制系统设计中的若干问题研究 J 微计算机信息 22 6 2 110 112 7 王华平 苗长云 陈弘等 基于 CAN 总线的电动汽车车门控制系统的设计 J 微计算机信息 22 9 2 239 241 8 汤海川 李星原 商用车辆制动系统的革新 J 驱动系统技术 2004 3 11 15 作者简介作者简介 吴修德 1965 08 男 汉族 湖北省荆州市人 长江大学机械工程学院副教授 武汉 理工大学博士研究生 主要研究方向 机电一体化技术及制造业信息化 Biography Wu Xiude 1965 Male Associate professor of School of Mechanical Engineering Yangtze University Doctoral candidate of Wuhan University of Technology Work in manufacturing informatics CAN CAN 收发器 光电 耦合器 CAN 控制器 微处理器 外围设备 传感器 执行器 通讯地址通讯地址 湖北省武汉市珞狮南路 205 武汉理工大学机电工程学院 李刚炎实验室 邮 编邮 编 430070 E mail wuxiude65 Research on integrated control system of truck s brakes based on CAN Bus WU Xiude1 2 LI Gangyan2 HU Jian2 1 School of Mech