機(jī)電伺服制動(dòng)助力系統(tǒng)控制器開發(fā)

潘麗美，錢煒

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車與自動(dòng)駕駛汽車市場(chǎng)具有很大的應(yīng)用潛力。機(jī)電伺服制動(dòng)助力系統(tǒng)控制器作為核心組成之一，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度以及可靠性等方面具有非常重要的影響[1]。從機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，國(guó)外的應(yīng)用較為成熟，不僅裝車試驗(yàn)且大都發(fā)展到了二代以上，但成本相對(duì)較高。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于機(jī)電制動(dòng)的應(yīng)用理論和控制算法研究較多，對(duì)控制器技術(shù)的研究相對(duì)較少[2-5]。為此，本文闡述了一種基于XC2365A 的機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方案，為機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)控制的自主研發(fā)提供參考。

1 控制器功能需求和控制方案

1.1 控制器組成和功能需求

機(jī)電伺服制動(dòng)助力系統(tǒng)主要由主缸壓力傳感器、踏板行程傳感器、踏板力傳感器、控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和ESC 組成，具體如圖1 所示。

本研究中，傳感器包括踏板行程傳感器、踏板力傳感器、主缸壓力傳感器和角度傳感器，不難看出，硬件上對(duì)外采集接口至少需要包含3 路AD 采集口、2 路輸入捕獲引腳口和1 路開關(guān)量采集口。對(duì)外通訊接口選擇了CAN 通訊、K 線診斷通訊和串口通訊電路。采用12 V 蓄電池，電源芯片選擇必須滿足汽車級(jí)要求。

圖1 伺服制動(dòng)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of servo braking system

機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)電機(jī)來(lái)增壓、保壓和減壓的，因此，電機(jī)的選擇尤為重要。考慮到機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)本身并不需要高精度的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置控制，系統(tǒng)本身有主缸壓力閉環(huán)和踏板傳感器位移閉環(huán)，且無(wú)刷電機(jī)在性價(jià)比和體積上比伺服電機(jī)更勝一籌，因此選用無(wú)刷電機(jī)，但需要選擇合適的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和大功率MOS 管[6-9]。

1.2 系統(tǒng)的控制方案

機(jī)電伺服制動(dòng)助力系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能：助力功能、主動(dòng)增壓和協(xié)助能量回收。由于本文只是在臺(tái)架上研究且側(cè)重研究底層，所以在能量回收這功能上不做過(guò)多討論。

助力功能主要根據(jù)駕駛員踩的踏板力或踏板行程來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)車上是沒有踏板力傳感器的。本研究的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)上，踏板力傳感器只作標(biāo)定用，角度傳感器和踏板行程傳感器相互冗余，所以該助力功能主要是根據(jù)踏板行程的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓、減壓和保壓。

主動(dòng)增壓理論上來(lái)說(shuō)只有與雷達(dá)、攝像頭和ESC 配合使用，才可以實(shí)現(xiàn)緊急情況或者無(wú)人駕駛狀態(tài)下的自動(dòng)制動(dòng)。本論文的主動(dòng)增壓主要是對(duì)機(jī)電伺服系統(tǒng)的響應(yīng)特性作出驗(yàn)證。

以上功能實(shí)現(xiàn)都是在無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成的，所以系統(tǒng)的控制主要是無(wú)刷電機(jī)的控制。圖2 是機(jī)電伺服助力制動(dòng)系統(tǒng)的方案流程圖。

圖2 機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)方案流程Fig.2 Electromechanical servo braking system program flow

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

圖3 所示是整個(gè)控制器的硬件框圖。

圖3 控制器電氣原理圖Fig.3 Controller electrical schematic

2.2 主控的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控芯片選擇了英飛凌專門針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的16 位單片機(jī)XC2365A-104F。該單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)80 MHz，支持多達(dá)96 個(gè)中斷源、分為16 級(jí)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)[10]。具有5 個(gè)定時(shí)器的多功能通用定時(shí)器單元，16 通道通用捕獲/比較單元（CAPCOM2）[11]。有用于靈活產(chǎn)生PWM信號(hào)的捕獲/比較單元（CCU6x），2 個(gè)可同步的ADC，支持多達(dá)9 路通道、10 位轉(zhuǎn)換精度。以上特性既能處理傳感器接收的各種信號(hào)，又能向執(zhí)行器輸出響應(yīng)所需控制信號(hào)，特別是可用于產(chǎn)生靈活PWM 的CCU6x，大大簡(jiǎn)化了無(wú)刷電機(jī)控制程序。

為保證整個(gè)MCU 的電源供電穩(wěn)定，布線時(shí)濾波電容或者臨時(shí)電源要盡可能靠近相應(yīng)的引腳。模擬地和數(shù)字地簡(jiǎn)單處理時(shí)可以直接用0R電阻相連，而模擬地的波動(dòng)較大時(shí)，可以根據(jù)噪聲的頻率和幅值選擇相對(duì)應(yīng)的磁珠。晶振也應(yīng)該靠近時(shí)鐘引腳。如圖4 是本文設(shè)計(jì)的MCU 電源系統(tǒng)。

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

2.3 控制系統(tǒng)電源和通訊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源帶有點(diǎn)火信號(hào)使能和斷電延時(shí)功能，如圖5 中的UZ 和PW_HD 引腳所示。加入了電池電壓檢測(cè)電路，防止電池電壓在非正常情況下工作。線性穩(wěn)壓器選擇了ST 公司的L5300AH7TR，該芯片支持5.6～40.0 V 的電壓轉(zhuǎn)換至5 V，是一款具有微處理器控制功能的低壓差線性穩(wěn)壓器。

圖5 系統(tǒng)電源電路Fig.5 System power circuit

電壓調(diào)節(jié)器使用P 溝道MOS 晶體管作為調(diào)節(jié)元件，可以獲得高達(dá)300 mA 的電流下的極低壓差。輸出電壓的高精度（2%）通過(guò)預(yù)先修整的參考電壓獲得。在輕負(fù)載條件下，靜態(tài)電流僅降至55μA（低功耗模式），在“未啟用”模式下，它降至10 μA。

CAN 通訊電路作為對(duì)外的唯一通訊接口，其重要性不言而喻。CAN 收發(fā)器選擇了恩智浦公司的TJA1051，為（帶有）CAN 協(xié)議控制器的微控制器提供差分發(fā)送和接收功能[12]。圖6 是CAN通訊電路，L2 是共模濾波電感，布線時(shí)要注意布成差分線。

圖6 CAN 通訊電路Fig.6 CAN communication circuit

2.4 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇英飛凌TLE7189QK 芯片；MOS 管選擇英飛凌能過(guò)120 A 的IPP120N04S402。TLE7189QK 是一款專用于控制6～12 個(gè)外部MOSFET、構(gòu)成汽車行業(yè)大電流3 相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器，它集成了短路檢測(cè)、診斷和高輸出性能等特性，在電池電壓低時(shí)也具有全部功能。TLE7189QK 的3 個(gè)低邊和3 個(gè)高邊強(qiáng)大的推挽輸出級(jí)均為浮動(dòng)模塊，允許將輸出級(jí)直接連接到每個(gè)單一MOSFET 的源極。所有6 個(gè)輸出級(jí)具有相同的輸出功率，并且由于采用了電荷泵原理，它們可以全部切換到30 kHz。該芯片通過(guò)內(nèi)部放大器檢流信號(hào)調(diào)理，經(jīng)過(guò)采樣電阻的分壓，可以測(cè)得母線電流。

圖7 是采用三相全橋逆變電路得到的整個(gè)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)電路采樣母線電流優(yōu)勢(shì)在于，既可以使電流和轉(zhuǎn)矩更加呈線性關(guān)系，又可以使電流采集變得更加簡(jiǎn)單，而不用軟件將三相電流相加得到總電流。

根據(jù)以上各模塊的電路設(shè)計(jì)，最終完成控制器電路板的設(shè)計(jì)，如圖8 所示。

圖7 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 Brushless motor drive circuit

圖8 控制器電路板Fig.8 Controller circuit board

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需要，將程序劃分為通訊、片上調(diào)試和傳感器信號(hào)的采集、無(wú)刷電機(jī)的控制3 部分。采用模塊化編程設(shè)計(jì)方法減少差錯(cuò)，提高效率。

3.1 通訊模塊功能實(shí)現(xiàn)

CAN 通訊模塊的主要功能是和系統(tǒng)總線通訊。因?yàn)闄C(jī)電伺服助力制動(dòng)系統(tǒng)要和ESC 協(xié)同工作，所以還制定了和ESC 基于Motorola 協(xié)議下的通訊協(xié)議。

3.2 片上調(diào)試和傳感器信號(hào)的采集模塊功能實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)調(diào)節(jié)使用主缸壓力調(diào)節(jié)環(huán)來(lái)代替。雖然驅(qū)動(dòng)器自帶過(guò)流檢測(cè)，但是硬件上的過(guò)流保護(hù)在硬件確定后電流大小是確定的，所以還設(shè)計(jì)了軟件過(guò)流保護(hù)在不同的工況有不同的過(guò)流閾值，當(dāng)超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)將電機(jī)的電流慢慢降低直至等于過(guò)流閾值，這也是電流調(diào)節(jié)的一部分。

傳感器信號(hào)采集主要是5 個(gè)AD 采集和2 個(gè)脈寬、1 個(gè)開關(guān)量的捕獲，包括踏板力、踏板行程和主缸壓力的獲取，其中為了提高采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，踏板力做相應(yīng)倍數(shù)放大處理。

3.3 無(wú)刷電機(jī)控制模塊功能實(shí)現(xiàn)

電機(jī)模塊的控制主要分為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、PWM 調(diào)制輸出、速度計(jì)算和調(diào)節(jié)、電流檢測(cè)和調(diào)節(jié)以及無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的錯(cuò)誤診斷和錯(cuò)誤解除。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和PWM 調(diào)制輸出依靠讀取相鄰3 個(gè)引腳的I/O 電平來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置，最后根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系一次輸出相應(yīng)的PWM 波。程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程首先設(shè)置無(wú)刷電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)電流（轉(zhuǎn)矩）、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和起始轉(zhuǎn)動(dòng)命令，使用時(shí)先測(cè)試轉(zhuǎn)速環(huán)屏蔽速度環(huán)，因?yàn)殡p環(huán)控制存在不確定性。要使用緊急制動(dòng)，將主缸壓力加入到電流環(huán)之中去，還需測(cè)試堵轉(zhuǎn)時(shí)和正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提供相同轉(zhuǎn)矩，母線電流是否相等。軟件中還加入了緊急電機(jī)處理。

本文采用捕獲模式下計(jì)算來(lái)回兩次跳變沿之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。英飛凌的CCU60 提供的霍爾模式轉(zhuǎn)速的計(jì)算，可以根據(jù)兩次的正確霍爾事件時(shí)間差來(lái)計(jì)算。該模式下計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，采樣點(diǎn)更多，這樣也保證了計(jì)算轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性。將計(jì)算一次正確的霍爾事件時(shí)間的函數(shù)放至正確霍爾事件中斷即可計(jì)算出無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)TLE7189QK 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得出電流計(jì)算公式為

由式（1）并通過(guò)軟件濾波后計(jì)算出的電流值很穩(wěn)定。受環(huán)境溫濕度和電阻元器件差異性的影響，運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓會(huì)有所變化，所以需要自標(biāo)定。自標(biāo)定的思路是，系統(tǒng)啟動(dòng)后且無(wú)刷電機(jī)作用前，采樣數(shù)次基準(zhǔn)電壓的值，將數(shù)次基準(zhǔn)電壓的值進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波作為最后的基準(zhǔn)電壓，每次系統(tǒng)啟動(dòng)后都要先自標(biāo)定。

無(wú)刷電機(jī)的錯(cuò)誤信號(hào)診斷主要是通過(guò)兩個(gè)I/O 來(lái)和無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通訊。

4 臺(tái)架主動(dòng)增壓的控制思路及測(cè)試結(jié)果

4.1 主動(dòng)增壓控制思路

主動(dòng)增壓算法的目標(biāo)是控制主缸迅速建立液壓并跟隨目標(biāo)壓力，控制框圖如圖9 所示。ECU接收來(lái)自于底盤主動(dòng)安全技術(shù)提出的主動(dòng)增壓需求，對(duì)采集的制動(dòng)管路實(shí)際壓力進(jìn)行濾波，以目標(biāo)壓力與實(shí)際壓力的差值作為控制變量進(jìn)行PID控制并產(chǎn)生無(wú)刷電機(jī)控制PWM 信號(hào)。無(wú)刷電機(jī)推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞建立液壓，構(gòu)成閉環(huán)控制。目的是驗(yàn)證底層程序的準(zhǔn)確性和響應(yīng)特性。

圖9 主動(dòng)增壓控制框圖Fig.9 Active boost control block diagram

4.2 階躍信號(hào)響應(yīng)測(cè)試

為測(cè)試主動(dòng)增壓算法的響應(yīng)特性，進(jìn)行了階躍信號(hào)輸入測(cè)試，圖10—圖13 為測(cè)試結(jié)果。可以看到，當(dāng)建立起目標(biāo)壓力之后，算法可以控制跟隨保持目標(biāo)主缸壓力。為防止電機(jī)負(fù)載過(guò)大而報(bào)錯(cuò)，在算法中對(duì)PWM 進(jìn)行了門限值限制（40%），導(dǎo)致圖13 中壓力跟隨存在穩(wěn)態(tài)誤差，可以通過(guò)提高PWM 門限值消除高目標(biāo)壓力工況下的穩(wěn)態(tài)誤差。建立目標(biāo)壓力耗時(shí)如表1 所示。

圖10 目標(biāo)壓力5 MPaFig.10 Target pressure 5 MPa

圖11 目標(biāo)壓力6 MPaFig.11 Target pressure 6 MPa

圖12 目標(biāo)壓力7 MPaFig.12 Target pressure 7 MPa

圖13 目標(biāo)壓力8 MPaFig.13 Target pressure 8 MPa

表1 不同目標(biāo)壓力階躍響應(yīng)時(shí)間Tab.1 Different target pressure step response time

4.3 階梯信號(hào)響應(yīng)測(cè)試

為測(cè)試算法階躍響應(yīng)的一致性，進(jìn)行了階梯目標(biāo)壓力信號(hào)輸入響應(yīng)測(cè)試。起始目標(biāo)壓力為3 MPa，之后目標(biāo)壓力每間隔2 s 增加1 MPa，直至8 MPa。圖14 為測(cè)試結(jié)果。

圖14 階梯目標(biāo)壓力信號(hào)Fig.14 Step target pressure signal

4.4 主動(dòng)減壓響應(yīng)測(cè)試

主動(dòng)減壓響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖15、圖16 所示。目標(biāo)壓力先階梯增加至8 MPa，之后分兩次減壓至4 MPa。可以看出，當(dāng)需要主動(dòng)減壓時(shí)，雖然算法可以迅速調(diào)整并減小占空比，但主缸內(nèi)實(shí)際壓力降低存在明顯滯后。

圖15 主動(dòng)減壓工況1Fig.15 Active decompression condition 1

圖16 主動(dòng)減壓工況2Fig.16 Active decompression condition 2

4.5 踏板（齒條）回位測(cè)試

在主缸內(nèi)建立8 MPa 壓力，分別于4 MPa 和6 MPa 保壓2 s 后，控制電機(jī)使能端關(guān)閉，使踏板自由回位，測(cè)試結(jié)果如圖17、圖18 所示。

圖17 回位初始?jí)毫? MPaFig.17 Return initial pressure 4 MPa

圖18 回位初始?jí)毫? MPaFig.18 Return initial pressure 6 MPa

在未使用反轉(zhuǎn)的情況下，3 種工況下踏板回位分別耗時(shí)8.0，8.5 s，且主缸內(nèi)均存在殘余壓力，即踏板未回到初始位置。

5 結(jié)語(yǔ)

為滿足電動(dòng)汽車和新能源汽車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)提出的高要求，設(shè)計(jì)了一種基于XC2365A 的機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)控制器。將所設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行主動(dòng)增壓算法臺(tái)架測(cè)試，測(cè)試多種工況下脈沖響應(yīng)、階梯響應(yīng)等。測(cè)試結(jié)果表明，控制器對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較快、超調(diào)量較小、跟隨性不錯(cuò)，且主動(dòng)增壓過(guò)程中響應(yīng)特性效果尤為顯著，驗(yàn)證了控制器以及底層程序設(shè)計(jì)有效性，對(duì)我國(guó)機(jī)電伺服制動(dòng)系統(tǒng)控制的研發(fā)及應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。