项目五任务2：线控制动系统通信原理-学生手册

任务5.2线控制动系统通信原理-学生手册【任务导入】随着汽车产业的不断创新和电动化趋势的逐渐深入，线控制动系统作为一项先进的汽车制动技术正逐步展现出其在安全性、能回收效率和燃油/电能经济性方面的优势。线控制动系统以其电子化、集成化、轻量化和高效能量化的特点，为汽车制动系统带来了显著的革新。其在提升驾驶安全性、经济性和环保性方面的优势为汽车产业的可持续发展提供了强大的动力通过本次课程，我们将深入探讨线控制动系统通信的原理和技术。我们将了解不同类型的线控制动系统如何实现数据传输、指令控制以及系统状态监测。提示：此次任务提示：此次任务我们理解并熟悉线控制动系统的通信原理，通过学习线控制动系统通信原理的数据传输协议、通信介质以及通信协调策略等了解线控制动系统的通信原理以及实际生活中的应用。

【学习目标】素质目标了解线控制动系统的重要性和应用领域，提高学生的综合素质；通过传感器以及车辆控制单元的学习，加强学生逻辑思维能力；在系统电路拓扑分析过程中，锻炼学生综合分析能力。知识目标理解线控制动系统通信的重要性[K66]；了解线控制动系统通信的应用领域[K67]；理解不同类型压力传感器的工作原理及信号传输原理[K68]；理解车辆控制单元工作原理及作用[K69]；理解电路拓扑分析图[K70]。能力目标能讲解不同类型压力传感器的工作原理[A61]；能讲解压力传感器信号传输原理[A62]；能讲解车辆控制单元工作原理及作用[A63]；能独立完成线控制动系统部分电路图绘制[A64]。【知识准备】线控制动系统通信的重要性和应用领域1.线控制动系统通信的重要性汽车被设计出来到现在，已经发展了上百年，在这期间，汽车的外形、功能、操作等都在不断的改变。从离合到自动挡，从需要司机驾驶到自动驾驶，汽车的操作正在简化，或者说是在向智能化的方向前进，这也就促使汽车在内部的结构上不得不做出一些改变，比如辅助驾驶、电子手刹等等，传统的机械式连接结构不仅精度不够，而且结构上更为复杂，所以为了解决这些问题，线控技术就被应用在汽车上了。目前新能源汽车最被诟病的就是续航问题，而线控技术可以节省空间，汽车可以将更多的空间用在别的地方，一方面增加车内的驾乘空间，另一方面可以用于放置更大电量的电池。线控技术的应用对于汽车的设计也是一大突破，由于没有了传统的机械连接，在整车生产时，只需要将底盘和车身通过预留出来的接口进行连接，大大提升了汽车的生产效率。线控制动系统是一种通过电子信号来控制制动器的制动方式，它可以实现对制动器的精确控制，从而提高制动性能和安全性。线控制动系统由于可实现驾驶员操作和车辆运动的解耦，可提高紧急情况下制动操作正确性和驾驶员的安全性，因此被认为是实现高级自动驾驶的关键系统之一。与传统的机械式制动系统相比，线控制动系统具有更高的响应速度和更好的操控性，主要体现在以下几点：（1）提高制动性能线控制动系统可以实现对制动器的精确控制，从而大大提高制动性能。在紧急会自动情况下，线控制动系统可以迅速响应驾驶员的操作，实现快速制动，有效缩短制动距离，提高行车安全。此外，线控制动系统还可以根据车速、路况等信息自动调整制动力，使制动过程更加平稳，提高驾驶舒适性。（2）实现自动驾驶功能智能网联汽车的一个重要特点是具备自动驾驶功能。而实现自动驾驶功能的关键之一就是需要对车辆的制动系统进行精确控制。线控制动系统可以实现对制动器的实时监控和精确控制，为自动驾驶功能的实现提供了基础。通过线控制动系统，自动驾驶汽车可以根据实时路况、车速等信息自动调整制动力，实现更加安全、舒适的驾驶体验。（3）降低能耗线控制动系统可以实现对制动力的精确控制，从而降低能耗。在行驶过程中，线控制动系统可以根据车速、路况等信息自动调整制动力，避免不必要的能量浪费。此外，线控制动系统还可以实现制动能量回收，将制动过程中产生的能量转化为电能储存起来，进一步提高能源利用效率。（4）维护和管理线控制动系统采用电子信号进行控制，可以实现对制动系统的远程监控和管理。通过对制动系统的实时监控，可以及时发现潜在的故障和问题，提高维修效率。同时，线控制动系统还可以实现对制动系统的远程升级和维护，降低运维成本。2.线控制动系统通信的应用领域由于商用车质量大，对制动力需求大，液压制动力难以满足，同时商用车的制动出现故障时，产生的事故危害大，可靠性要求也更高，液压管路存在受热汽化风险，液压制动难以满足中、重型商用车的要求，所以商用车主要采用气压制动。但液压制动具有制动响应快、制动距离短等优点，最大总质量在6t以下的轻型商用车，特别是轻型客车，则采用液压制动技术。伴随着电动化和电控技术的发展，制动技术也向电控化和复合制动技术方向发展。近年来商用车线控制动技术出现了电控气压制动技术、电动液压助力制动技术、新能源电气复合制动技术和电子机械制动技术等多种型式。这些新技术不但解决了传统制动技术响应慢的问题，还明显改善了整车制动性能，具备主动控制功能，从而提升了制动安全和驾驶体验。（1）电控气压制动技术国外对电控气压制动系统(ElectronicBrakingSystem，EBS)研发较早，产品应用较成熟。美国WABCO和德国KNORR的EBS系统已更新4代以上，其功能已较全面，其中基本功能包括制动力分配、减速度控制、舒适停车、摩擦片均匀磨损控制、主挂车一致性控制缓速器集成控制、制动温度监控、外部制动请求管理等:主动安全功能包括ABS、ASRDTC、坡道起步、ESC等:集成升级成的驾驶辅助功能包括AEB、ACC、LDWS等。国内EBS相关研究起步较晚，不过目前也取得了一些成果。国产气压ABS、ASR已在商用货车上实现了规模化应用，其他功能如ESC、ACC也在小批量验证中。近年来，我国加大了对客运安全的重视力度。2016年，交通运输部发布新版法规标准《JT/T1094-2016营运客车安全技术条件》，其中要求营运车应安装ABS、ESC系统。目前营运客车EBS系统都有ABS、ESC功能。（2）电动液压助力制动技术随着新能源轻型客车的发展，乘用车用电控液压制动技术已不能满足这类产品应用的需要于是出现了电动液压助力制动技术。电动液压助力制动系统采用电动液压泵和蓄能器为制动总泵提供制动助力，替代了真空助力泵，该助力系统助力大、响应快，制动舒适性好，在轻型电动商用车上得到应用。（3）新能源电气复合制动技术新能源电气复合制动技术，是新能源电机能量回收制动和气压制动一起作用的复合制动技术。研究在各种制动工况下如何控制二者的关系，并实现制动安全和能量的最大回收效率是近年的研发热点。研究人员以纯电动公交为研究对象，分析串联和并联再生制动系统的控制策略，研究其与气压制动的协调控制方法，并进行了仿真验证。利用AMESim建立了轮边驱动的电动客车运动学分析模型，分析了制动时能量在轮边独立驱动系统的流向，建立了轮边驱动的再生制动数学模型，并进行了仿真验证。（4）电子机械制动技术电子机械制动(Electro-MechanicalBrake，EMB)系统由驱动电机、减速机构、运动转换装置、制动卡钳等组成，驱动电机的转矩经过减速机构和运动转换装置传递到制动盘产生制动力矩。相较电控气压制动系统，它取消了气压泵、四回路阀、气瓶、控制阀及气路等，并且具有响应快、控制精准、布置简单等优点。目前，国内外对乘用车用EMB技术研究较多，技术路线多样、成果丰富，而对商用车的EMB技术研究较少。2016年，研究人员提出了通过电流信号识别制动过程临界点的EMB制动器间隙调整控制策略，设计了基于滑移率误差连续控制的ABS系统，并进行了试验验证。2019年，开展了EMB驱动电机数学建模研究、电机设计和有限元分析，搭建了样机测试台架，如图17所示。其测试结果表明:设计的样机在消除间隙阶段和制动力增加阶段的制动性能满足商用车的要求。压力传感器工作原理及信号传输原理线控制动系统的信号传输原理是系统中至关重要的一个环节。在线控制动系统中，信号传输的过程主要分为信号采集、信号处理和信号传输三个步骤。线控制动系统中，主要采集信号的传感器为压力传感器。1.工作原理（1）压电压力传感器压电式压力传感器主要基于压电效应(Piezoelectriceffect)，利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在石英上发现的。以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。"它的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量（2）压阻压力传感器压阻压力传感器主要基于压阻效应(Piezoresistiveeffect)。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于上述压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。其中半导体材料中的压阻效应远大于金属。由于硅是现今集成电路的主要，以硅制作而成的压阻性元件的应用就变得非常有意义。电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻，这使得其程度因子大于金属数百倍之多。（3）电容式压力传感器电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难(特别是难以保证对称性)，而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。（4）电磁压力传感器多种利用电磁原理的传感器统称电磁压力传感器，主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等1）电感压力传感器电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大;缺点就是不能应用于高频动态环境。2）霍尔压力传感器霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压(霍尔电压)的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。3）电涡流压力传感器电涡流效应是由一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金基于电涡流效应的压力传感器。属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，就是电磁感应效应所造成。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。（5）振弦式压力传感器振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量具有相当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存储，容易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。2.信号传输原理（1）信号采集信号采集是指通过传感器等设备获取环境或设备的信息，例如温度、压力、位置等数据。传感器将这些信息转化为电信号，并传输给控制系统。智能压力传感器的采集数据功能主要是通过传感器内部的压阻和放大电路来实现的。当物体施加压力时，传感器内部的压阻会发生变化，通过与电路连接的控制器将这一变化转化为电信号进行采集。传感器还可以通过无线通信技术将采集到的数据传输给外部的设备，实现远程实时监测和数据采集。（2）信号处理信号处理阶段是指控制系统对采集到的信号进行处理和分析。在这个阶段，系统会对信号进行滤波、放大、编码等操作，以确保信号的准确性和稳定性。智能压力传感器的处理数据功能包括数据清洗、数据转化和数据分析等多个环节。首先，在数据采集过程中，传感器可能会受到噪声、干扰或漂移等因素的影响，导致采集数据存在一定的误差。因此，需要对采集到的数据进行清洗和滤波，去除异常值和噪声，确保数据的准确性和可靠性。（3）信号传输信号传输是指将经过处理的信号通过有线或无线的方式传输到控制系统中。有线传输方式可以通过电缆或导线连接，传输速度快、稳定可靠；而无线传输方式则可以实现远程监控和控制功能，但受到信号传输距离和干扰的限制。采集到的数据通常是模拟信号，需要将其转化为数字信号进行处理。这一过程称为数模转换(ADC)，可以通过采样和量化的方式将模拟信号转化为数字形式的数据。转化后的数据可以更方便地进行存储处理和传输。（4）数据分析及应用对于处理后的数据，可以进行多方面的分析和应用。例如，可以通过数据可视化的方式将采集到的数据以图表或曲线的形式展示出来，帮助用户更直观地了解压力变化的趋势和规律。同时，还可以通过数据统计和挖掘的方法，对大量数据进行分析，提取其中的关键特征和规律，为用户提供更多的信息和决策文持。此外，智能压力传感器还可以与其他设备和系统进行集成，实现更复杂的功能和应用。例如，在工业生产环境中，可以将智能压力传感器与自动控制系统连接，实现对压力变化的实时监测和调节。总而言之，智能压力传感器的采集和处理数据功能是其核心的技术特点之一、通过采集和处理数据，智能压力传感器可以实现对压力变化的准确监测和分析，为用户提供更全面的信息和决策支持，推动相关领域的发展和进步。车辆控制单元工作原理及作用1.整车控制器（VCU）工作原理及作用（1）工作原理VCU作为新能源汽车的核心控制单元，其工作原理主要基于对车辆各部件信号的采集、处理和分析。通过CAN总线等通信方式，VCU与车辆各子系统进行实时数据交互，从而实现对车辆的全面监控和精准控制。在VCU中，集成了多种传感器和执行器，如加速踏板传感器、制动踏板传感器、电机控制器等等。这些传感器和执行器能够实时感知驾驶员的驾驶意图和车辆状态，并将相关信息传递给VCU。VCU接收到这些信息后，通过内部算法对数据进行处理和分析，生成相应的控制指令，再通过CAN总线等通信方式发送给各子系统，实现对车辆的精准控制。（2）作用1）实现车辆的行驶控制VCU根据驾驶员的驾驶意图和车辆状态，生成相应的控制指令，驱动电机控制器等执行器工作，从而实现对车辆的行驶控制。在新能源汽车中，VCU能够根据驾驶员的加速和制动操作，精确控制电机的输出功率和扭矩，确保车辆安全、平稳地行驶。2）实现整车的网络化管理VCU作为整车网络的核心节点，能够实现整车的网络化管理。通过CAN总线等通信方式，VCU与车辆各子系统进行实时数据交互，实现信息的共享和协同工作。同时，VCU还能够对各子系统的故障进行诊断和处理，确保整车的正常运行。3）实现制动能量的回馈控制在新能源汽车中，VCU能够根据加速踏板和制动踏板的开度以及动力电池的SOC值来判断是否可以进行制动能量回馈。当满足回馈条件时，VCU向电机控制器发出制动指令回收部分能量并存储在储能装置中。这种能量回馈控制能够提高能量的利用率，延长车辆的续航里程。4）实现整车的能量管理和优化VCU负责整车的能量管理，通过对电池电量、电机输出功率等参数的监测和分析，实现能量的优化分配。在电池电量较低时，VCU会对电动附件进行限制，降低其输出功率，从而延长车辆的续航里程。同时，VCU还能够根据驾驶员的驾驶习惯和路况信息，智能调整车辆的运行模式和能量分配策略，提高整车的经济性和舒适性。5）实现车辆状态的监测和显示VCU能够实时监测车辆的状态信息，包括电机转速、车速、电池电量等。这些信息会被发送到车载信息显示系统，通过仪表盘等显示设备展示给驾驶员。驾驶员可以通过这些信息了解车辆的运行状态和故障情况，及时采取相应措施确保行车安全。2.制动控制器工作原理及作用（1）工作原理汽车制动控制器是汽车制动系统中的重要部件，它负责控制汽车的制动力度和制动方式。在行驶过程中，当驾驶员踩下制动踏板时，制动控制器会根据不同的情况来控制制动系统的工作以实现车辆的制动效果。汽车制动控制器的工作原理可以分为两个方面:处理输入信号和控制输出信号：1）处理输入信号制动控制器会处理来自驾驶员踩下制动踏板的输入信号当驾驶员踩下制动踏板时，踏板上的传感器会将信号发送给制动控制器。制动控制器会根据信号的大小和变化率来判断驾驶员的制动意图，并将其转化为相应的控制命令。这些命令通常包括制动力度和制动方式等信息2）控制输出信号制动控制器会控制制动系统的输出信号。制动系统通常由制动液、制动泵、制动盘和制动片等部件组成。当制动控制器接收到驾驶员的制动命令后，它会通过电磁阀等装置来控制制动液的流动，从而实现对制动系统的控制。制动控制器可以根据不同的情况来调节制动力度和制动方式，以适应不同路况和驾驶需求。在具体的工作过程中，制动控制器会根据车速、车重和路面情况等因素来调节制动力度。当车速较低或路面附着力较高时，制动控制器会减小制动力度，以防止车轮锁死;而当车速较高或路面附着力较低时，制动控制器会增大制动力度，以确保车辆的安全制动。此外，制动控制器还可以根据车辆的运动状态来选择最合适的制动方式。例如，在紧急制动时，制动控制器会采用防抱死制动系统(ABS)，通过快速地施加和释放制动力来使车轮保持旋转，以增加车辆的制动效果。而在紧急避让时，制动控制器会采用电子稳定控制系统(ESC)，通过调节车轮的制动力度来实现车辆的稳定控制。（2）作用制动控制器是一种用于控制机动车辆制动系统的装置，主要用于控制制动时的压力分配和断开操作，以提高车辆制动性能和安全性。制动控制器的作用包括以下几个方面：1）制动力分配根据车辆的动力状况和负荷状态，通过传感器采集数据，并根据设定的算法，控制不同轮胎的制动力分配，实现制动效果的优化2）刹车助力制动控制器可以根据驾驶员的刹车踏力大小通过电脑处理信号，控制制动助力器输出相应的制动力，提供更好的刹车效果。3）刹车防抱死通过对轮胎的转速进行实时监测，制动控制器可以根据不同的路况和车速情况下，控制制动力的大小，避免轮胎阻塞，提供更稳定的制动效果。4）刹车回缩在释放刹车踏板时，制动控制器可以控制刹车助力器的回缩力，使刹车片与刹车碟之间的接触力得以减小，减少能量损失和制动系统的磨损。线控制动系统电路拓扑分析1.线控制动系统电路图线控制动系统电路图如REF_Ref166081522\h图5-2-1所示。图5-2-SEQ图_5-2-\*ARABIC1电路图由图可知，线控底盘域控制器（VCU）会发送各种设备状态和控制命令给制动控制器，以便实现车辆的安全运行和制动控制。图中线控底盘域控制器分为A端和B端，A端和B端由保险盒1给其供电，A9连接12V正极，A1接地，B24连接12V正极，B16接地。A端与压力传感器正极连接，在A端内部存在降压器，电源输出电压为5V。B端接收压力传感器反馈的制动压力信号，并且控制刹车灯进行可视化反馈。CAN信号通过CAN1通道进行通信，CANH和CANL分别如图中A16和6号接口，CANH和CANL分别接在线控底盘域控制器和制动控制器。2.线控底盘域控制器（VCU）针脚解析线控底盘域控制器分为两个公头，电路图中A端为白色公头，B端为黑色公头，实物如REF_Ref166162900\h图