車輛電控駐車制動系統的控制方法的設計與實現

(煙臺汽車工程職業學院 車輛運用工程系，煙臺 264000)

0 引言

為代替汽車機械式手剎裝置，對于車輛駐車的控制，ECPB執行器及其控制系統可通過電子控制實現，從而使坡道起步溜車等風險得到有效避免，目前國內由于技術及知識產權等的限制，許多國產車輛無法安裝該項新技術裝置，因此對車輛電控駐車制動系統的控制方法進行研究是目前的研究重點[1]。

1 ECPB系統結構原理及通訊架構

1.1 原理

汽車電控駐車制動系統主要由永磁式無刷直流電機、電控駐車制動模塊(ECPB ECU)、制動器及鋼絲拉索組成，ECPB系統的工作原理為：通過CAN總線實現電控駐車制動模塊的信號控制端與車身電子穩定模塊(ESP ECU)與連接；永磁體無刷電機電信號連接制動模塊的指令輸出端，當永磁體無刷電機通電后處于工作狀態時，空心轉子(空心轉子的輸出端設計有蝸套)在旋轉的永磁體的帶動下隨之旋轉，從而驅動連接著駐車拉索一端的蝸桿開始轉動，駐車制動器連接著蝸桿的另一端，鋼索直線運動通過蝸桿傳動機構轉變其旋轉運動即可實現，最后制動鼓在制動摩擦片的作用下產生制動力，實現車輛駐車過程。當需停止駐車制動時，制動摩擦片在電機反轉的作用下得以釋放，降低制造成本及操作的復雜性，在進行 ECPB改裝時可以充分利用現有的前盤后鼓式制動器的車型，此種方法還能夠提高駐車的性能，確保駐車控制系統的安全性和可靠性，具有較大的潛在應用前景[2]。

1.2 通訊架構

永磁式電控駐車制動系統的通訊結構主要組成部件為：傳感器、執行器、ECPB ECU、ESP ECU、發動機ECU、網關ECU、轉向盤模塊ECU等。ECPB的運行由ESP控制器通過CAN通訊實現控制過程，網絡架構的主要組成部分為：CAN CAR車身網、CAN動力IS網、CAN CONF舒適網；車速、發動機轉速、駐車制動開關、加速踏板位置、離合器位置、制動力傳感器、變速器位置(受控)、道路坡度信號等信號的采集過程則由ECPB控制器負責完成，并將采集到的信號進行分析和計算后，以控制指令的形式完成輸出，無刷電機接收到這些控制指令后完成對鋼索運動的驅動，從而使駐車功能得以實現[3]。

2 系統的動力學特性

(1)電機轉矩

當駐車過程經過永磁體無刷電機繞阻時由Iqf(A)表示其所產生的電流值，由ξ表示無刷電機的電極對數，由θ表示電極的爪系數，由φqf表示每個磁極的磁通量，由n表示每相串聯的匝數，用Tas表示電機在工作狀態時的輸出總轉矩，用T∑w表示承受的外部總轉矩，二者相等[4]，具體表達如式(1)。

(1)

各車輪的駐車制動力由駐車環境自動施加，制動力隨著制動鼓與摩擦片間接觸面積的增大而增大，此時處于堵轉狀態的無刷直流電機輸出軸端的輸出轉矩仍由T∑w表示，無刷直流電機輸出軸端由Tdz表示其堵轉總轉矩，滾動軸承、蝸套、蝸桿間的傳動效率則由ηω表示(取值0.99)，電源的工作效率由ηdf表示(取值范圍在0.7～0.75間)，蝸套與蝸桿間的傳動比由iω表示(取值為1)[5]，無刷直流電機軸端的轉矩在此種狀態下的計算式可表達如式(2)。

(2)

(2)駐車鋼索最大拉力的確定

鋼索的拉力最大值為國家標準值與手剎放大系數的積，在具體計算過程中需將安全系數考慮在內。用Tas表示無刷直流電機的轉矩，由D表示傳動蝸桿的芯軸直徑，在永磁式電控駐車制動系統中，t為螺紋軸距，則連接鋼索的傳動蝸桿拉力的計算式如式(3)。

(3)

(3)車輛的駐車制動力的確定

用α表示道路的坡度角，如果車輛在其上駐車，根據實際的停車需要，同時參考汽車機械設計的計算方法，完成駐車制動力的確定，車輛的總質量為滿乘員同行李艙最大載重之和，具體由Mmax表示車輛最大總質量，車輪的滾動半徑用Rω表示，滾動摩擦系數用μ表示，r為后制動鼓半徑用，手剎的放大系數用kz表示，具體表達式如式(4)。

(4)

(4)車輛動態制動運動學模型

在實際駕駛過程中易出現一些緊急情況，需要駕駛員進行緊急制動，此時需系統參與完成緊急制動，則可通過長按ECPB按鈕實現，結合運動學原理，根據車輛制動系統設計要求，制動距離用Sqa表示，制動開始前的車速用V0表示，消除車輛制動間隙耗時為τb1，在車輛持續制動階段用uqs表示其平均減速度，制動器制動力增加的時間用τb2表示[6]。具體的制動距離、時間與初速度的關系表達式如式(5)。

(5)

3 駐車控制模塊通訊的實現

ECPB的運行需以獲取ESP控制器發出的指令為準，ECPB電控駐車制動的工作模式包括：手動駐車，通過ECPB開關的操作實現；自動駐車，車輛在發動機熄火后自動施加駐車功能，改功能在車輛起步后則會自動釋放；通過ECPB開關的操作實現動態制動，使行駛狀態的車輛停駐，并在駐車期間監控車輛移動情況。(1)當ECPB需同ESP通訊時，在駐車過程中發送的數據信息包括：在牽引鋼索上的制動力信息，應用自動駐車功能(駐車制動器)的實時狀態，駐車制動器工作狀態及故障診斷信息。

(2)ESP需同ECPB通訊時，需發送無刷電動機旋轉速度，以ESP控制器診斷的電源信息為依據，應用速度在較低的電源電壓下則相應較慢；根據車輛的重量、道路坡度等信息，請求ESP駐車指令，通過ECPB控制開關的使用實現獲取或解除駐車制動力；ESP控制器在車輛需持續制動或使ECPB獨立工作時需向ECPB發出指令。

汽車電控駐車制動系統硬件構成部分包括驅動執行電路、單片機、各種傳感器和處理電路等，系統的關鍵在于控制器，控制器模塊的主控芯片使用了PIC18F458(microchip公司生產)單片機微處理器，集成了CAN通信接口，外圍接口電路的接口芯片則使用了PCA82C250(Philips公司生產)芯片，執行CAN 2.0 A/B 協議，控制器的邏輯關系如圖1所示。

圖1 ECPB駐車系統邏輯框圖

中央控制器使用單片機完成車速、發動機轉速、電機轉速、含側向和縱向加速度信號的坡道角度、變速器位置(受控)、駐車開關、油門位置、離合器位置等信號的采集和計算分析，然后發給執行電機驅動鋼索完成駐車過程。在駐車時ECPB系統控制器的工作流程，如圖2所示[7]。

4 仿真結果與分析

4.1 取樣車輛參數

為檢測本文所設計的車輛電控駐車制動系統的控制方法的有效性，取樣車輛(額定功率85千瓦)動力型號EP6FD，其主要相關參數如表1所示。

一輛配備ECPB，一輛未配備ECPB，在道路(水平、干燥、良好)上進行緊急制動，對兩臺車輛的制動距離及時間進行仿真測試。

4.2 緊急制動性能仿真及結果

需在進一步仿真分析的基礎上對ECPB系統的緊急制動效果進行評價，根據上文表達式完成對駐車時系統需考慮的策略要素(電機電流、堵轉轉矩、力矩、轉速和鋼索拉力)的分析，根據建立的車輛緊急制動的運動模型，對制動初速度進行設置(范圍為0～35 km/h)，對兩臺車輛的緊急制動距離和時間的仿真計算通過使用Matlab軟件完成，緊急制動距離、時間隨制動初速度變化的響應曲線，如圖3所示。

圖2 駐車控制器運行流程

參數名稱數值最大整備質量/kg1 670總長/mm4610總寬/mm1 770軸距/mm2 720前懸/mm960后懸/mm950最大爬坡度/%>20最高車速/(km·h-1)185制動性/m<17

圖3 緊急制動距離和時間仿真結果

圖中的線Ⅰ和線Ⅱ分別表示未配備ECPB的車輛和已配備ECPB的車輛仿真測試的輸出結果，說明配備ECPB的車輛性能更好。為對曲線Ⅰ、Ⅱ的差異做進一步說明，緊急制動在制動初速度為每小時25 km時實施，測量停車水平距離表明安裝ECPB的車輛比未配備ECPB的車輛縮短了410 mm；緊急制動在制動初速度為每小時30 km時實施，測試結果為安裝ECPB的車輛的停車水平距離更短(比未配備ECPB的車輛縮短了1 020 mm)，超過取樣車型前懸的距離，進一步證明了應用ECPB的優勢所在，在緊急制動時，本文設計的系統可有效降低追尾或事故發生的概率，從而使車輛安全性得以提高[8]。

5 總結

本文主要對車輛電控駐車制動系統的控制方法進行研究，執行器及其系統的核心模塊為永磁式無刷直流電機，并對其通訊結構進行闡述，在對電控駐車的動力學特性進行分析的基礎上，結合其執行器結構及原理，提出以CAN通訊為基礎的駐車制動系統的控制方法，完成車輛動態制動運動學模型的構建，結合駐車主動安全技術(ESP要求)的運用，據此完成了電控駐車制動系統控制方法的設計，為電控駐車制動系統的設計提供參考。