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基于單片機的電動車電液復(fù)合制動系統(tǒng)控制器

發(fā)布時間:2012-12-19 14:57    發(fā)布者:wp1981
作者:劉兵, 孫澤昌, 王猛  來源:微型機與應(yīng)用2012年第22期

摘要: 研究了一種新型電動車電液復(fù)合制動系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進行了控制器硬件和軟件設(shè)計。硬件電路包括對傳感器信號進行處理的信號處理電路和對執(zhí)行器(電磁閥和電機)進行驅(qū)動的驅(qū)動放大電路,軟件設(shè)計包括對輸入信號的分析、駕駛員制動意圖的識別和為達到理想制動力而對執(zhí)行器的精確控制。

隨著當(dāng)今節(jié)能環(huán)保要求的提高,汽車行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。電動汽車以其部分或全部電機驅(qū)動和制動能量回收等特點正好滿足了節(jié)能環(huán)保的要求。制動時,電動機可以作為發(fā)電機產(chǎn)生制動力的同時回收制動能量。但是,由于電機特性的限制,制動時提供的再生制動力有限,在制動減速度較大以及緊急制動時,仍然需要液壓制動系統(tǒng)提供制動力,所以往往要根據(jù)不同的制動需求,利用電動機再生制動力和液壓制動單獨或者共同提供制動力。電液復(fù)合制動系統(tǒng)就是指這種根據(jù)制動需求,通過再生制動和液壓制動單獨或共同提供制動力的系統(tǒng)。

1 一種新型電液復(fù)合制動系統(tǒng)

目前電液復(fù)合制動的關(guān)鍵技術(shù)主要由豐田、博世和大陸等大型汽車整車及零部件廠商所掌握,其他汽車廠商很難突破它們的技術(shù)壁壘。對此,本文設(shè)計了一種新型電液復(fù)合制動系統(tǒng),該系統(tǒng)具有集助力、制動踏板感覺模擬、踏板位移傳感器于一體的一體化主缸,獨立的四通道輪缸壓力主動控制。該新型電液復(fù)合制動系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示。



圖1中,預(yù)載單元與儲液室通過一個常開的預(yù)載電磁閥相連,當(dāng)預(yù)載電磁閥關(guān)閉時,可通過高壓泵提高預(yù)載單元中的液體壓力。預(yù)載單元與一體式主缸僅在制動狀態(tài)下接通。液壓執(zhí)行單元為8個電磁閥(4個升壓閥和4個減壓閥),其中,每個車輪對應(yīng)一個常開的升壓閥和一個常閉的減壓閥,其布置與常規(guī)ABS的結(jié)構(gòu)相同。該新型電液復(fù)合制動系統(tǒng)的制動過程包含3種狀態(tài):初始狀態(tài)、工作狀態(tài)和失效狀態(tài)。

(1)初始狀態(tài)。預(yù)載電磁閥打開,預(yù)載單元與儲液室連通,此時兩者壓力相同。預(yù)載單元和一體式主缸不接通,ECU和液壓控制單元均處于斷電狀態(tài)。

(2)工作狀態(tài)。ECU上電,預(yù)載電磁閥關(guān)閉,升壓閥關(guān)閉,由于預(yù)載單元和儲液室以及一體式主缸斷開連接,高壓泵將使預(yù)載單元壓力升高至一定高壓。駕駛員產(chǎn)生制動動作時,一體式主缸的機械結(jié)構(gòu)使得預(yù)載單元與一體式主缸接通,此時預(yù)載單元中的高壓經(jīng)一體式主缸傳至升壓閥。ECU根據(jù)制動踏板位移信號判斷駕駛員的制動意圖并計算需要多大制動力,再將其傳輸給整車管理系統(tǒng)(VMS);VMS根據(jù)電機控制策略計算出再生制動力和液壓制動力,并將該信息傳輸回ECU;ECU經(jīng)過信息處理發(fā)送PWM波給執(zhí)行器(即液壓執(zhí)行單元),使執(zhí)行器按照一定頻率開啟,并因此產(chǎn)生液壓制動力。另外,通過ECU控制液壓控制單元還能實現(xiàn)ABS和ESP功能。制動結(jié)束后,系統(tǒng)將恢復(fù)至ECU上電狀態(tài),為下一次制動做好準(zhǔn)備。

(3)失效狀態(tài)。若電氣系統(tǒng)失效(例如突然掉電),則ECU斷電,所有執(zhí)行器都將處于初始狀態(tài)。隨著制動踏板位移的進一步加大,制動踏板將與一體式主缸的機械結(jié)構(gòu)直接接通,因此可以進行常規(guī)制動。

2 控制器硬件設(shè)計

由于該新型電液復(fù)合制動系統(tǒng)所需處理的信號量大,且驅(qū)動執(zhí)行器多,因此考慮使用雙PCB板設(shè)計。板一設(shè)計為雙MCU,其中,MCU1用于信號采集和處理,MCU2用于算法計算和通信,兩個MCU之間通過SPI連接;板二負責(zé)給傳感器供電和信號處理以及執(zhí)行器驅(qū)動。系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖2所示。由于篇幅有限,本文主要針對信號輸入、MCU和信號輸出進行說明。

2.1 信號輸入

輸入信號主要包括制動踏板位移信號、液壓傳感器壓力信號和輪速信號。這些信號都必須通過相應(yīng)電路對其進行去噪和放大等處理才能傳輸至MCU1。

2.1.1 踏板位移信號和液壓傳感器信號

制動踏板位移信號由踏板位移傳感器發(fā)出,液壓傳感器信號由布置在液壓管路中的液壓傳感器發(fā)出。位移信號和液壓信號均為0~5 V的電壓信號,因此可以用相同的處理電路對兩種信號進行處理。傳感器信號首先通過一個防靜電二極管去除靜電,隨后通過由兩個電容和一個電阻組成的π型濾波電路進行低通濾波,由OPA2340芯片形成的電壓跟隨器能將濾波信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號,將該信號傳輸至板一MCU1的A/D轉(zhuǎn)換口進行A/D轉(zhuǎn)換。相應(yīng)的信號處理電路如圖3所示。





2.2 MCU

電液復(fù)合制動系統(tǒng)控制器需要對數(shù)據(jù)進行實時處理,由于數(shù)據(jù)量大,對數(shù)據(jù)處理速度要求很高,因此,MCU1和MCU2均選用飛思卡爾MC9S12XDT512控制器芯片。該芯片為16 bit高性能芯片,除了強大的運算能力外,其還含有16路A/D轉(zhuǎn)換通道、8路脈沖計時器和8路PWM波輸出,剛好符合控制器的高性能要求。

2.3 控制輸出

ECU的輸出信號主要用于控制預(yù)載電磁閥的通斷,控制高壓泵的電機轉(zhuǎn)動使預(yù)載單元內(nèi)的液體壓力上升到一定高壓范圍,控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率和回液泵電機的運轉(zhuǎn)。因此,通過MCU2的普通IO口控制預(yù)載電磁閥的通斷和高壓泵電機、回液泵電機的運轉(zhuǎn),通過MCU2的PWM口控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率。電磁閥驅(qū)動芯片選用TLE6216[2],電機的驅(qū)動芯片選用BTS6144[3]。二者均有相應(yīng)的電流或電壓反饋,以對電機和電磁閥進行故障識別,因此,將故障識別信號輸入板一的MCU1進行判斷。電機驅(qū)動電路如圖5所示。圖中,芯片BTS6144的IN口為驅(qū)動信號輸入端;OUT口輸出經(jīng)放大的功率信號,用于驅(qū)動電機;IS口輸入電機電流的反饋信號。



電磁閥驅(qū)動電路如圖6所示。圖中,PWM口為驅(qū)動信號輸入端,OUT口輸出經(jīng)放大的電磁閥驅(qū)動信號,ST口輸入電磁閥電流的狀態(tài)反饋信號。

3 控制器軟件設(shè)計

電液復(fù)合制動系統(tǒng)控制器軟件基于C語言設(shè)計,其主要包括兩個單元:制動意圖識別單元和液壓制動控制單元。

3.1 制動意圖識別

制動工況主要分為緊急制動和一般制動。制動意圖識別通過對制動踏板角位移和制動踏板角速度的處理實現(xiàn)。以制動踏板角速度作為目標(biāo)制動工況識別的參數(shù),先對兩種工況設(shè)置特定的踏板角速度閾值(80°/s),在一段較短時間內(nèi)對踏板角速度取平均值,若該平均值在閾值內(nèi),則判定汽車進入相應(yīng)制動工況;以制動踏板角位移作為目標(biāo)制動強度識別的參數(shù),先設(shè)定一個踏板角位移判斷閾值(5°),超過該閾值說明制動行為已經(jīng)發(fā)生。另外,針對每個工況制定一個查詢表,表中包含踏板角位移和相應(yīng)目標(biāo)制動減速度的對應(yīng)信息,當(dāng)制動行為發(fā)生時,通過查詢該表就可以計算出目標(biāo)制動減速度。制動意圖識別程序流程圖如圖7所示。



3.2 液壓制動控制

在采用盤式制動器的情況下,制動力和制動輪缸壓力具有一定的正比關(guān)系[4]。因此,控制相應(yīng)制動輪缸內(nèi)的液體壓力就能控制車輪上的制動力。

電液復(fù)合制動系統(tǒng)ECU通過調(diào)節(jié)PWM波脈寬來控制升壓閥和減壓閥的開閉頻率,從而調(diào)節(jié)制動輪缸中的壓力大小。設(shè)定PWM波脈寬調(diào)節(jié)時間間隔為40 ms,即每隔40 ms進行一次PWM波脈寬調(diào)節(jié),并制定一個查詢表,該表包含PWM波脈寬和輪缸目標(biāo)壓差間的相互關(guān)系。一體式主缸壓力控制在13 MPa,對應(yīng)最大制動力的輪缸最大壓力為0.9 MPa,一般情況下進行3次PWM波脈寬調(diào)節(jié)便可達到目標(biāo)壓力。若目標(biāo)壓差大于0,則常閉閥關(guān)閉,針對常開閥查表并對其進行相應(yīng)PWM波控制;若目標(biāo)壓差小于0,則常開閥關(guān)閉,針對常閉閥查表并對其進行相應(yīng)PWM波控制。

另外,電液復(fù)合制動系統(tǒng)ECU還將通過電機和電磁閥驅(qū)動芯片的反饋信號判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。若發(fā)生故障,則讓所有執(zhí)行器處于初始狀態(tài),利用一體式主缸的機械結(jié)構(gòu)進行常規(guī)制動。由于篇幅限制,本文不進行詳細描述。

本文針對一種新型電液復(fù)合制動系統(tǒng)進行控制器設(shè)計。在硬件電路方面,對相應(yīng)傳感器信號進行了處理,并對相應(yīng)執(zhí)行器進行了驅(qū)動設(shè)計;在軟件控制方面,對各信號進行了數(shù)據(jù)分析和駕駛員制動意圖判斷,并對執(zhí)行器進行了較為精確的控制。軟、硬件均能達到電動汽車電液復(fù)合制動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制要求,為整個系統(tǒng)的實車驗證打下了堅實基礎(chǔ)。

參考文獻

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