基于FPGA的汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究

嚴(yán)舒+歐陽(yáng)乾

摘 要 科技研究的進(jìn)步和先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，給汽車行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)繁榮，同時(shí)人們對(duì)汽車的要求也在日益提高，對(duì)其安全性能、舒適程度以及外觀方面都在不斷的追求完美。目前，汽車的控制系統(tǒng)中加入了大量的電子控制系統(tǒng)，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)沒(méi)有太高的難度，體積較小，同時(shí)功能集成性能可靠性較強(qiáng)，因此受到較為廣泛的推廣應(yīng)用[1]。文章就汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合FPGA可編程邏輯門陣列進(jìn)行編程數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)；可編程邏輯門陣列（FPGA）；安全系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0028-01

汽車在數(shù)字技術(shù)不斷進(jìn)步的前提下，已經(jīng)開(kāi)始向電子智能化方向發(fā)展，汽車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來(lái)越多的應(yīng)用電子技術(shù)，現(xiàn)代汽車一項(xiàng)重要的標(biāo)志就是汽車電子化的程度。汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是汽車進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新、完善汽車性能的重要技術(shù)措施。

1 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展要求

在汽車制造的過(guò)程中傳統(tǒng)的液壓空氣制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但是人們生活水平的日益提升，使人們對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)性能的要求越來(lái)越高，新型汽車在制造的過(guò)程中引進(jìn)了全新的電子制動(dòng)系統(tǒng)。例如，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用到汽車制動(dòng)系統(tǒng)中。在制動(dòng)線路上更多的附加結(jié)構(gòu)被安置上，傳統(tǒng)的液壓空氣制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足復(fù)雜的結(jié)構(gòu)程序需求，管路的設(shè)置更加的復(fù)雜多變，汽車在設(shè)計(jì)、制造、裝配、維過(guò)程中的難度越來(lái)越大，并且汽車中的安全隱患也面臨著大幅度的提升。這與當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保發(fā)展主題不符[2]。現(xiàn)代汽車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，簡(jiǎn)單精準(zhǔn)、功能全面、反應(yīng)靈活都是現(xiàn)代汽車制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。更加便捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車的首選。

2 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械連接上能夠簡(jiǎn)化程序操作，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中不需要使用制動(dòng)液，簡(jiǎn)化制動(dòng)管路，節(jié)省制動(dòng)油箱。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，體積較小，并且容易維護(hù)，利于對(duì)車內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)制造的過(guò)程中不會(huì)存在液壓泄露的問(wèn)題，更加環(huán)保[3]。采用汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車荷載傳遞的平穩(wěn)，并且在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪音較小，性能平穩(wěn)。利用電線對(duì)能量進(jìn)行傳遞，這種方式傳播信號(hào)的速度快，傳動(dòng)率高，并且反應(yīng)靈活，耐久性良好。在汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)是連接制動(dòng)執(zhí)行的主要構(gòu)造，這在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器件是沒(méi)有的，大大簡(jiǎn)化了操作控制過(guò)程中的速度，同時(shí)提升了制動(dòng)器的精確度。由于控制的信號(hào)是電信號(hào)決定的，所以采用電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的控制功能，并且通過(guò)系統(tǒng)的主要程序以及相關(guān)的參數(shù)對(duì)制定器的性能進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的控制，更加有利于實(shí)現(xiàn)ABS等功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制模塊的相應(yīng)性的軟件仿真，對(duì)系統(tǒng)程序的控制功能進(jìn)行驗(yàn)證。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中利用電能作為運(yùn)行能量，電機(jī)是動(dòng)力產(chǎn)生的裝置。在電控單元中系統(tǒng)內(nèi)部的資源功能強(qiáng)大，有利于對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)。

3 汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

汽車電子機(jī)械制定系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。當(dāng)要進(jìn)行剎車并且踩下制動(dòng)板的時(shí)候，制動(dòng)板能夠通過(guò)電子感應(yīng)了解到踏板在運(yùn)動(dòng)時(shí)候的加速度，力的大小，位移的情況，進(jìn)而辨別出駕駛?cè)藛T的制動(dòng)意圖。產(chǎn)生的制動(dòng)指令通過(guò)相應(yīng)的模塊轉(zhuǎn)化成為信號(hào)發(fā)送到電控單元中，電控單元通過(guò)傳感器的列陣信號(hào)以及車輛行駛的狀態(tài)明確車輪制動(dòng)的大小，這樣就是電控單元的傳輸信號(hào)[4]。傳輸信號(hào)通過(guò)隔離電路以及放大電路對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制疏導(dǎo)，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出力矩進(jìn)行限制，之后再將信號(hào)傳輸?shù)诫姍C(jī)控制器，這樣就能夠在執(zhí)行器中產(chǎn)生相應(yīng)的制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)控制器會(huì)根據(jù)制動(dòng)傳感器、電流傳感器等對(duì)信號(hào)進(jìn)行反饋，并且將反饋之后的信號(hào)傳送到電控單元，對(duì)反饋的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就提升了對(duì)制動(dòng)壓力的精確度，實(shí)現(xiàn)車輛在行駛過(guò)程中的平穩(wěn)運(yùn)行。

汽車在行駛的過(guò)程中，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的主要功能就是在規(guī)定的踏板制動(dòng)信號(hào)控制下通過(guò)電控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的主要模塊組成部分為電子踏板單元、電控單元ECU，無(wú)刷直流電機(jī)、車速采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊等，并且在電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)控制器、無(wú)刷直流電機(jī)單元、傳感器等是被同一個(gè)電控單元控制的。本文中主要是對(duì)單一性的車輪控制進(jìn)行分析說(shuō)明，其他的車輪可以通過(guò)相似的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)隨著科技的不斷進(jìn)步已經(jīng)成為未來(lái)汽車制動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。汽車制動(dòng)主要有緊急制動(dòng)與普通制動(dòng)兩個(gè)方面，在緊急制動(dòng)中更多的會(huì)增加ABS等控制模塊以及相應(yīng)的算法。而普通制動(dòng)中主要是建立FPGA作為主控器的電機(jī)控制，采取的主要系統(tǒng)算法是PID 模糊算法。對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)中的控制模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與仿真研究，這樣能夠證明程序的準(zhǔn)確性。但是在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到實(shí)現(xiàn)的限制，模塊要在理論研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的分析與仿真驗(yàn)證，沒(méi)有對(duì)整體控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證[5]。因此汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)在這方面還有待進(jìn)一步的完善創(chuàng)新。采用FPGA的SOPC技術(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)采集模塊、控制模塊以及模糊PID算法模塊融合在一個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行仿真式檢測(cè)。

基金項(xiàng)目

九江學(xué)院校級(jí)課題2011KJ18用FPGA技術(shù)產(chǎn)生混沌吸引子的研究

參考文獻(xiàn)

[1]周潤(rùn)景，圖雅，張麗敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010（8）：408-411.

[2]李伯全，田洪勝，王瑞，等.基于FPGA的EMB力矩電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011（7）.

[3]Steve Kilts著.高級(jí)FPGA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)、和優(yōu)化[M].孟憲元譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010（2）：23-55.

[4]王奎洋，唐金花.電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（06）.

[5]陳賾，鄒道勝，朱如琪.CPLD/FPGA與ASIC設(shè)計(jì)實(shí)踐教程[M].北京：科學(xué)出版社，2010（9）：164-176.endprint