基于單片機的電動車電液復合制動系統控制器

劉 兵，孫澤昌，王 猛

（同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

隨著當今節能環保要求的提高，汽車行業面臨巨大挑戰。電動汽車以其部分或全部電機驅動和制動能量回收等特點正好滿足了節能環保的要求。制動時，電動機可以作為發電機產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提供制動力，所以往往要根據不同的制動需求，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。電液復合制動系統就是指這種根據制動需求，通過再生制動和液壓制動單獨或共同提供制動力的系統。

1 一種新型電液復合制動系統

目前電液復合制動的關鍵技術主要由豐田、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壁壘。對此，本文設計了一種新型電液復合制動系統，該系統具有集助力、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。該新型電液復合制動系統的設計方案如圖1所示。

圖1 新型電液復合制動系統結構圖

圖1中，預載單元與儲液室通過一個常開的預載電磁閥相連，當預載電磁閥關閉時，可通過高壓泵提高預載單元中的液體壓力。預載單元與一體式主缸僅在制動狀態下接通。液壓執行單元為8個電磁閥（4個升壓閥和4個減壓閥），其中，每個車輪對應一個常開的升壓閥和一個常閉的減壓閥，其布置與常規ABS的結構相同。該新型電液復合制動系統的制動過程包含3種狀態：初始狀態、工作狀態和失效狀態。

(1)初始狀態。預載電磁閥打開，預載單元與儲液室連通，此時兩者壓力相同。預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。

(2)工作狀態。ECU上電，預載電磁閥關閉，升壓閥關閉，由于預載單元和儲液室以及一體式主缸斷開連接，高壓泵將使預載單元壓力升高至一定高壓。駕駛員產生制動動作時，一體式主缸的機械結構使得預載單元與一體式主缸接通，此時預載單元中的高壓經一體式主缸傳至升壓閥。ECU根據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 (VMS);VMS根據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經過信息處理發送PWM波給執行器 (即液壓執行單元)，使執行器按照一定頻率開啟，并因此產生液壓制動力。另外，通過ECU控制液壓控制單元還能實現ABS和ESP功能。制動結束后，系統將恢復至ECU上電狀態，為下一次制動做好準備。

(3)失效狀態。若電氣系統失效（例如突然掉電），則ECU斷電，所有執行器都將處于初始狀態。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構直接接通，因此可以進行常規制動。

2 控制器硬件設計

由于該新型電液復合制動系統所需處理的信號量大，且驅動執行器多，因此考慮使用雙PCB板設計。板一設計為雙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；板二負責給傳感器供電和信號處理以及執行器驅動。系統硬件設計方案如圖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。

圖2 新型電液復合制動系統控制器硬件設計方案

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出，液壓傳感器信號由布置在液壓管路中的液壓傳感器發出。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換為標準的電壓信號，將該信號傳輸至板一MCU1的A/D轉換口進行A/D轉換。相應的信號處理電路如圖3所示。

2.1.2 輪速信號

輪速信號由輪速傳感器發出，其主要形式為正弦波交流信號。因此，需要對該信號進行處理，轉換成標準的TTL電平再輸入至板一中MCU1的脈沖計時器。控制器使用定時和計數的方法測得輪速，并且通過相鄰兩次測速的時間間隔求出車輪制動加速度[1]。車速計算公式為：

式中，Δt為計數器完成一次計數所用的時間間隔,N為Δt時間內的脈沖數，R為車輪半徑，np為車輪轉一周的過程中輪速傳感器所發出的脈沖數。輪速信號處理電路如圖4所示。先通過二極管對輪速信號進行整流，去除負電流；隨后通過比較器LM139產生與信號頻率相應的標準脈沖電壓信號，通過單穩態觸發器74HC123去除抖動；最后，通過反相器74HC14將所得信號整形,即可得到標準的TTL電平脈沖信號。

2.2 MCU

電液復合制動系統控制器需要對數據進行實時處理，由于數據量大，對數據處理速度要求很高，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

圖4 輪速信號處理電路

ECU的輸出信號主要用于控制預載電磁閥的通斷，控制高壓泵的電機轉動使預載單元內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。因此，通過MCU2的普通IO口控制預載電磁閥的通斷和高壓泵電機、回液泵電機的運轉，通過MCU2的PWM口控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率。電磁閥驅動芯片選用TLE6216[2]，電機的驅動芯片選用BTS6144[3]。二者均有相應的電流或電壓反饋，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。電機驅動電路如圖5所示。圖中，芯片BTS6144的IN口為驅動信號輸入端；OUT口輸出經放大的功率信號，用于驅動電機；IS口輸入電機電流的反饋信號。

圖5 電機驅動電路

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

3 控制器軟件設計

電液復合制動系統控制器軟件基于C語言設計，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。以制動踏板角速度作為目標制動工況識別的參數，先對兩種工況設置特定的踏板角速度閾值(80°/s)，在一段較短時間內對踏板角速度取平均值，若該平均值在閾值內，則判定汽車進入相應制動工況；以制動踏板角位移作為目標制動強度識別的參數，先設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發生。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目標制動減速度的對應信息，當制動行為發生時，通過查詢該表就可以計算出目標制動減速度。制動意圖識別程序流程圖如圖7所示。

圖6 電磁閥驅動電路

圖7 制動意圖識別程序流程圖

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系[4]。因此，控制相應制動輪缸內的液體壓力就能控制車輪上的制動力。

電液復合制動系統ECU通過調節PWM波脈寬來控制升壓閥和減壓閥的開閉頻率，從而調節制動輪缸中的壓力大小。設定PWM波脈寬調節時間間隔為40 ms，即每隔40 ms進行一次PWM波脈寬調節，并制定一個查詢表，該表包含PWM波脈寬和輪缸目標壓差間的相互關系。一體式主缸壓力控制在13 MPa，對應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波脈寬調節便可達到目標壓力。若目標壓差大于0，則常閉閥關閉，針對常開閥查表并對其進行相應PWM波控制；若目標壓差小于0，則常開閥關閉，針對常閉閥查表并對其進行相應PWM波控制。

另外，電液復合制動系統ECU還將通過電機和電磁閥驅動芯片的反饋信號判斷系統是否發生故障。若發生故障，則讓所有執行器處于初始狀態，利用一體式主缸的機械結構進行常規制動。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合制動系統進行控制器設計。在硬件電路方面，對相應傳感器信號進行了處理，并對相應執行器進行了驅動設計；在軟件控制方面，對各信號進行了數據分析和駕駛員制動意圖判斷，并對執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合制動系統的數據處理和控制要求，為整個系統的實車驗證打下了堅實基礎。

[1]鄒素瑞,岳繼光,蘇永清,等.基于 MC9S12DP256B的客車ABS控制器設計[J].電子技術應用,2006,32(10):102-104.

[2]劉佃瑞,邱緒云 .一種大型車輛防抱死控制器設計及仿真[J].重型汽車,2008(4):6-8.

[3]楊其校,劉昭度,齊志權,等.汽車ABS電機故障診斷[J].儀器儀表學報,2005,26(z1):771-772.

[4]譚川.電液復合制動系統制動力分配方法研究[D].上海：同濟大學中德學院,2007.