基于CAN通訊的汽車電控駐車技術

許炳照，　張榮貴，　蘇慶列

(福建船政交通職業學院 汽車運用工程系， 福建 福州　350007)

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基于CAN通訊的汽車電控駐車技術

許炳照，張榮貴，蘇慶列

(福建船政交通職業學院 汽車運用工程系， 福建 福州350007)

摘要：基于CAN通訊駐車安全策略，在分析典型盤式電控駐車制動器結構、工作原理的基礎上，對執行機構進行了動力學分析。 通過ESP要求駐車制動力驗算實例，提供了為制動技術與整車匹配的一種方法。

關鍵詞：汽車; CAN通訊; 電控; 駐車

0引言

電控駐車制動系統(Electrical Controlled Park Brake, ECPB)利用電機的動力實施或解除駐車制動，將行車過程中的臨時性制動和停車后的長時性制動功能整合在一起，實現駐車制動、緊急制動(動態制動)、發動機切斷點火后的自動制動施加、自動制動解除(駛離)和停車時監控車輛的移動功能[1]。由于采用電子控制系統，易于實現坡道起步、制動間隙自調整，提高了汽車的安全性和可靠性[2-3]。2001年，電控駐車技術最早在菲亞特Lancia車型上得到應用，隨后國內外合資包括歐系、美系和日系等車系的中高檔轎車上都得到不同程度的應用，是汽車駐車技術應用和發展的必然趨勢[4]。

1ECPB的類型

目前，電控駐車制動系統可分為鋼索牽引式和整合卡鉗式兩種類型[4-5]。

1.1鋼索牽引式電控駐車制動系

鋼索牽引式電控駐車執行機構與傳統手剎無異，同為制動鼓(或制動盤)式，僅僅是把原來用于平衡左右側駐車制動力的手剎拉索平衡器換成電子控制拉索控制模塊而已，如圖1所示。

(a) 鋼索牽引式電控駐車制動系(b) 執行控制模塊示意圖

圖1鋼索牽引式電控駐車制動系示意圖

由于鋼索牽引式電控駐車裝置的加裝成本低，結構緊湊，因而更利于對普通車型應用時的設計變更。

1.2整合卡鉗式電控駐車制動系

整合卡鉗式電控駐車制動系統需要專用的制動卡鉗和相關的執行機構，其執行部件均位于后輪制動卡鉗上，沒有了傳統的手剎拉索，系統變得更加簡單，但成本相對較高,如圖2所示。

(a) 整合卡鉗式電控駐車制動系(b) 執行機構組成示意圖

圖2整合卡鉗式電控駐車制動機構示意圖

由于整合卡鉗式電控駐車制動系統采用電線進行指令信號傳遞，因而更利于對普通車輛的組裝(或改裝)及駐車系統的簡化,更經濟實用。

2ECPB結構組成與原理

2.1ECPB結構組成

控制系統的硬件主要由傳感器及其信號通訊與處理電路、電子控制模塊、執行機構及驅動電路3部分組成，其結構框圖如圖3所示。

它通過ESP(電子穩定程序)計算機控制電控駐車的電子控制模塊?？刂破鞑杉囁佟l動機轉速、駐車制動開關(機械式為手剎)、離合器位置、變速器位置、制動踏板開關、道路坡度、加速踏板位置、制動力傳感器等信號，控制指令輸出到左右制動鉗駐車執行機構。網絡架構則由CAN動力IS網、CAN車身網和CAN舒適網等組成。

2.1.1電子穩定程序模塊與駐車制動模塊的通訊

電控駐車制動器控制模塊接收的信息[6]如下:

1)如果必須持續制動、解除或者使電控駐車制動器獨立，那么ESP控制模塊須向電控駐車制動器發出指令。

2)ESP控制模塊計算的制動、解除設置可以根據車輛的坡度、重量、關閉發動機的請求，按下電控駐車制動控制鍵，扭矩和加速踏板增強或減弱駐車的制動力或解除制動。

3)執行電動機旋轉速度根據ESP控制模塊診斷的電源電壓，駐車制動器以不同的速度被應用(如果電池電壓較低，應用速度較慢)。

2.1.2駐車制動模塊與電子穩定程序模塊的通訊

電控駐車制動器控制模塊與ESP控制模塊通訊發送的信息[6]如下:

1)施加于制動器(或拉索)上的制動力;

2)駐車制動器電控裝置的狀態顯示;

3)駐車制動器應用自動功能的實時狀態;

4)駐車制動器的故障自診斷。

ECPB的執行機構主要由直流電機、傳動帶、行星齒輪減速機構、蝸桿傳動機構、制動盤和制動摩擦片等組成，如圖4所示。

圖4　執行機構組成原理示意圖

2.2ECPB執行機構的工作原理

當ECPB工作時，ESP控制模塊向駐車控制模塊發出駐車指令，電機輸出經傳動帶和行星齒輪減速機構降速增加扭矩后，由蝸桿傳動機構將旋轉運動轉化為制動輪缸活塞的直線運動，最后通過制動摩擦片對制動盤產生制動力。當需要釋放駐車制動時，電機反轉，制動摩擦片得以釋放。由于行星齒輪減速機構傳動比很大，蝸桿傳動機構推動制動輪缸活塞的直線位移很小，通過控制電機的轉速，就可以控制制動盤和制動摩擦片之間的間隙，實現制動間隙自動調整的功能。

2.3ECPB的制動策略[7]

2.3.1應用 ESP 要求的制動駐車策略

電控制動駐車策略條件說明見表1。

表1　電控制動駐車策略條件說明

ESP控制模塊根據“發動機的狀態”、“車速”、“自動功能的狀態”信息和相關的延時(短時間內沒有重新啟動的操作)確定制動。ESP計算機在以下情況下發出應用電控駐車制動指令:

1)當ESP 控制模塊檢測到車輛移動并同時應用電控駐車制動時，ESP請求應用最大制動力(含緊急制動)。

2)如果制動力符合表 1的策略1，那么發動機變為“發動機未運行”狀態，同時“電控駐車制動”功能處于自動模式，如果應用的制動力和參考制動力之間的差值大于7%，ESP控制模塊發出符合表1的策略2的制動力應用。

3)如果應用的制動力符合表1的策略1，并且監控時間大于10 min，其應用的制動力和參考制動力之間的差值大于3%，那么 ESP 控制模塊發出符合表1的策略2的制動力。

4)如果沒有檢測到故障，ESP控制模塊發出電控駐車制動電機旋轉設置的最大速度。

5)如果應用的制動力符合表 1，ESP控制模塊在坡度上發生變化時發出不要釋放或者重新應用。

在發動機突然熄火時自動應用期間，駐車控制模塊應用 ESP控制模塊發出的制動力。

當發動機關閉，駐車制動被確定時，ESP控制模塊向電控駐車制動發送符合表1策略2的應用參考值。

2.3.2起步時請求解除電控駐車制動策略

當駕駛員請求起步信息被確認時，電控駐車制動釋放在后制動鉗上的制動力策略條件見表 2。

表2　釋放電控駐車制動策略條件說明

2.3.3駐車期間監控和維持ESP請求的制動力策略

駐車監控期間，駐車制動控制模塊測量應用于制動鉗的制動力，誤差為±10%。如果制動力下降，電控駐車制動控制模塊在制動鉗上施加附加制動力，以滿足ESP要求的參考值效果。一旦操縱制動踏板或者執行特定機制，電控駐車制動控制模塊便隨即通知車輛抓地狀況的監控。當應用到制動鉗上的制動力低于產生初始制動功能的制動力時，便檢測到施加在制動鉗上的制動力的降低，這時電控駐車制動不符合制動要求，駐車系統恢復ESP控制模塊要求的參考值。

3整合卡鉗式ECPB的動力特性分析

3.1最大制動力矩的確定[8-9]

假設車輛需要停駐在a角的坡度路面上，ECPB的單個后輪駐車制動器最大力矩的一半為：

(1)

式中:G----整車質量;

Re----后車輪有效滾動半徑;

amax----最大坡度角。

3.2制動器的制動力矩特性分析

除了最低配置的車輛外，中高配置的車輛后輪為盤式制動器(這里以盤式制動器為例)，其制動力矩為：

T0=2μFR

(2)

式中:μ----摩擦系數;

R----制動力作用半徑;

F----制動摩擦塊對制動盤的制動力;

R1、R2----分別為制動摩擦塊扇形表面作用在制動盤上的內半徑和外半徑。

3.3制動器最大壓緊力的計算[8-9]

如果需要安全可靠的駐車，則制動力矩應滿足條件：

式中:γ----安全系數，根據試驗計算，其值大于1。

根據式(1)和式(2)可以得出：

那么

式中：Fmax----制動摩擦塊對制動盤的最大壓緊力。

執行器電機的輸出扭矩經減速器增扭后應略大于最大制動摩擦塊對制動盤的最大壓緊力。

4應用ESP要求的電控駐車制動力驗算

4.1試驗車輛取樣

根據現有的試驗條件選擇某一歐系品牌汽車參數,見表3。

表3　待驗證車輛主要結構參數

該車型配置有自動輔助駐車功能，駕駛員可以通過中控面板開關進行設置，可設定為自動駐車或手動駐車，在斜坡上停駐車輛,斜坡上起步時，ESP控制模塊向駐車控制模塊發指令，使制動器制動壓力保持一段時間，駕駛員可通過這段時間松開制動踏板,加速，而車輛不會后退，車輛起步后制動壓力自動釋放。

4.2取樣車輛最大壓緊力計算

駐車控制模塊請求應用 ESP(穩定程序)的制動力，測量應用于制動鉗的制動力的靈敏度選用±15%。樣本最大壓緊力的離散點計算結果見表4。

表4　制動摩擦塊對制動盤的最大壓緊力驗算

根據上述制動摩擦塊對制動盤的最大壓緊力的離散取樣試驗計算結果，將數據進行了整理，可以看出：隨著坡度的增加，制動摩擦塊對制動盤的最大壓緊力也不斷的增加，當縱向坡度高于17%以后，由于車輛最大允許總質量在坡道上的分力保持平衡，其值不再增加。實驗值與該車型的技術參數(理論值)相比較，滿載駐車坡度≥20%有所差異，也就是說,該車輛的駐車最大坡度值為17%，誤差為-3%。

電機作為執行機構的驅動元件，其最大制動力矩的確定又為電機匹配與選型提供參考。

上述取得的相關信息為ECPB的CAN通訊提供關鍵的技術支撐，由 ESP 計算要求的電控駐車制動力的合理匹配，滿足安全性與使用可靠性的要求，盡量全面考慮系統安全策略的數據需要。

5結語

基于CAN通訊的電控駐車技術涉及到機、電、液和車載網絡諸領域一體化的綜合應用，該技術正處于不斷改進和提高階段，因此，對于今后的發展，可以加強集成車身控制系統多功能角度的研發[11]，同時結合ESP 系統的安全策略，實現車輛的穩定控制和行車安全輔助功能：

1)通過ESP計算機對駐車系統的控制是一種主動安全性策略的延伸，取決于三傳感器(縱向加速度、側加速度和坡道角傳感器)的應用，是實現電控駐車功能的關鍵。

2)駐車期間自動監控和維持 ESP 要求的制動力策略，也是一種主動安全策略延伸，取決于駐車的電控模塊中力的傳感器應用，它實現車輛抓地狀況的實時監控信息獲取功能。

3)基于CAN的通訊需要，網絡結構相對復雜，自動駐車安全策略因快速通信而得到保障，它也是將來車輛駐車技術的主流方向。

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Automobile electronic parking technology based on CAN communication

XU Bingzhao，ZHANG Ronggui,SU Qinglie

(Department of Auto Application, Fujian Chuanzheng & Communication College, Fuzhou 350007， China)

Abstract：Based on CAN communication security strategy for automobile parking, we first analyze the structure and operation principle of the disc electric vehicle brake system, and then study its dynamic executive mechanism. With an example of ESP parking brake force calculation, the matching technique between parking brake system and the whole vehicle is offered.

Key words：automobile; CAN communication; electronic control; parking.

收稿日期：2016-01-29

基金項目：福建省教育廳A類項目(JA14373); 福建省交通廳科技項目(2014Y062)

作者簡介：許炳照(1964-)，男，漢族，福建安溪人，福建船政交通職業學院副教授，主要從事汽車運用工程方向研究,E-mail:shmmd@126.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.12

中圖分類號：TP 273

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)02-0165-06