電子駐車制動卡鉗電控性能測試系統的設計與實現

曾繁卓，王應國，楊永鋒，辛元強，雷 文，李 偉，任學良，李宗玉

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

隨著汽車發展更加趨向電子化、信息化和智能化，汽車電子技術和控制技術在汽車上的應用日趨成熟，汽車電子駐車制動系統（Electrical Park Brake，EPB）也已成功研制并得到應用，它采用先進的機電一體化自動控制系統取代了人力機械式駐車系統，從而可以依據最優控制策略輕松地面對各種復雜的運行工況，具有更高的安全性、舒適性和良好的操縱性能[1]。未來該系統將向模塊化、信號傳播準確化、功能多面化方向發展，是自動泊車、自動巡航、自動駕駛等未來汽車技術發展方向不可缺少的關鍵技術[2]。

電子駐車制動卡鉗是EPB的核心零件，它包含傳統的機械卡鉗和電機驅動模塊，將電信號轉變為機械運動[3]。目前，機械卡鉗經過幾十年的發展，產品技術和測試規范相對比較成熟。2018年中國汽車工業協會發布了T/CAAMTB 6—2018《電子駐車制動鉗總成性能要求及臺架試驗方法》，但該方法中電機驅動模塊的電控性能并沒有詳細的測試規范和技術要求。為了真實地從零部件層面反映出駐車制動工況，依據某企業標準的具體要求，構建EPB卡鉗電控性能試驗測試系統。

1 EPB卡鉗的工作原理

EPB的工作原理與傳統的機械式駐車制動器相同，都是通過制動盤與摩擦片產生的摩擦力來達到控制駐車制動的目的，只不過控制方式由先前的機械式駐車制動器變為電子按鈕[4]。目前，在汽車上應用比較廣泛的電子駐車技術是卡鉗集成式EPB，卡鉗集成式電子駐車制動器總成如圖1所示。駐車時，當駕駛員操作EPB電子按鈕后，電子控制單元將控制集成在左、右制動卡鉗內的電機動作，并帶動制動卡鉗活塞移動產生機械夾緊力從而完成駐車制動[5]。

圖1 卡鉗集成式電子駐車制動器總成

卡鉗集成式EPB中的后輪制動執行器主要由制動鉗體、電機、皮帶、齒輪組等組成。其電機驅動模塊借助1個電機，1套多級齒輪機構和1個絲桿傳動裝置，采用電信號傳遞控制命令，將“啟動駐車制動”的指令轉化為所需的力，從而使制動摩擦片與制動盤接觸[6]?？ㄣQ集成式電子駐車制動器電機驅動模塊如圖2所示。

圖2 卡鉗集成式電子駐車制動器電機驅動模塊

2 測試系統總體設計

2.1 測試系統設計原理

EPB卡鉗電控性能測試系統的目的是在零部件層面上真實反映駐車制動工況，無液壓夾緊釋放功能是模擬在靜態駐車制動工況下，卡鉗夾緊力與電機工作電流的動態變化關系，通過該測試項目考核EPB卡鉗在一定電流下的卡鉗夾緊力以及卡鉗駐車夾緊和釋放時間。無液壓情況下時間-電流、夾緊力曲線如圖3所示。

圖3 無液壓情況下時間-電流、夾緊力曲線

有液壓夾緊釋放功能是模擬在有行車制動液壓配合的情況下，車輛從啟動駐車制動到解除駐車制動的過程，整個過程包括如下動作：駕駛員行車制動-啟動電子駐車-松開電子駐車按鈕-解除行車制動-行車制動-釋放電子駐車-解除行車制動?？己嗽诖诉^程中卡鉗夾緊力、電機電流、行車制動液壓的隨動變化關系。有液壓情況下時間-電流、夾緊力、行車制動液壓曲線如圖4所示。

圖4 有液壓情況下時間-電流、夾緊力、行車制動液壓曲線

電機的過載性和欠電性測試的目的是考核在車輛電瓶電壓有變化的情況下對駐車制動的影響，分別模擬電瓶充滿電和饋電兩種情況下，通過設定指定的駐車夾緊時間觀察卡鉗夾緊力與電機工作電流的動態變化關系。電機的過載性和欠電性曲線如圖5所示。

圖5 電機的過載性和欠電性曲線

2.2 測試系統設計思路

在EPB卡鉗電控性能測試系統中電機驅動機構提供實現電子駐車所需的電流和電壓，液壓驅動機構通過氣液轉換的方式產生液壓，單片機的數據采集模塊用于采集電機的電流信號、卡鉗輸入液壓信號及卡鉗夾緊力信號，經過綜合判斷處理，單片機通過輸出控制模塊及時改變電機驅動機構的輸出參數，以保證電機輸入電流及駐車夾緊時間的穩定性和準確性。同時，單片機將采集到的信號傳送到上位機，上位機用于監視試驗運行情況并實時顯示試驗曲線。系統總體框架如圖6所示。

圖6 系統總體框架

2.3 測試系統主要參數選擇

EPB卡鉗電控性能測試系統主要由數據采集模塊、氣液轉換驅動模塊、電機驅動模塊、單片機控制輸出模塊以及計算機數據處理系統組成，各模塊的具體參數選擇如下：

數據采集模塊中監測EPB卡鉗的電流選用深圳圣斯爾電子技術有限公司生產的小電流單路直流電流隔離變送器，其供電電源DC 12 V、量程DC 0～30 A、輸出DC 0～5 V標準電壓信號；采集輸入到EPB卡鉗的液壓值選用供電電源DC ±12 V、量程0～25 MPa、輸出DC 0～5 V標準電壓信號的液壓傳感器；采集卡鉗的夾緊力選用供電電源DC ±12 V、量程0～50 000 N、輸出DC 0～5 V標準電壓信號的拉壓力傳感器。

氣液轉換驅動模塊二位五通電磁閥選用亞德客電磁閥，型號為4V310-10，工作壓力為0.15～0.80 MPa，工作電壓為DC 24 V；二位五通氣控閥選用亞德客氣孔閥，型號為4A310-10，工作壓力為0.15～0.80 MPa。

電機驅動模塊中用于控制EPB卡鉗中電機正反轉用接觸器選用施耐德的接觸器，型號為A9C20842，控制電壓為AC 220 V，額定電流為63 A。

下位機系統采集電流值、液壓值和夾緊力變化信號，提供控制氣液轉換驅動模塊中二位五通電磁閥，以及控制EPB卡鉗中電機正反轉換向用接觸器的開關脈沖信號，綜合考慮A/D模擬量輸入功能、D/O數字量輸出功能等因素，選用飛思卡爾公司生產的HCS12X系列16位單片機，型號為MC9S12XS128MAL， 由 128 kB 程 序 Flash、8 kB RAM、8 kB數據Flash組成片內存儲器。主要功能模塊包括內部PLL鎖相環模塊、2個異步串口通訊SCI、16通道A/D轉換模塊以及輸入/輸出數字I/O口。這些特性可完全滿足對系統采集和控制的需求。

上位機應用LabVIEW 2014編程環境進行數據分析與處理，LabVIEW是一個借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形化編程設計系統，其采用可視化的圖形編程語言，已被看作是標準的數據采集控制編程軟件。運用LabVIEW面向組件技術構建自動測量系統，程序機構好，穩定性高，資源消耗低[7]。

3 測試系統硬件設計

3.1 測試系統機械部分設計

由于卡鉗內部空間狹小，且卡鉗的夾緊力達到30 000 N以上，因此用于測量卡鉗夾緊力的力傳感器不能直接安裝于卡鉗內部。為解決上述問題，拆除了EPB卡鉗電控性能測試系統中的卡鉗總成U形支架和摩擦片。在保留浮動鉗的情況下設計了用于測量卡鉗夾緊力的測試裝置，如圖7所示。該裝置主要由底座、支架、測力裝置、間隙調整裝置、力傳感器和導向裝置組成。其中，間隙調整裝置不僅可以將夾緊力傳遞給力傳感器而且可用來模擬摩擦片與制動盤之間的間隙，測力裝置用于將夾緊力傳遞回卡鉗的鉗體上，導向裝置與卡鉗總成的活塞同軸，保證夾緊力有序傳遞。

圖7 測試系統卡鉗夾緊力測試裝置

3.2 測試系統氣液轉換部分設計

EPB卡鉗電控性能測試系統的氣液轉換部分主要是完成對EPB卡鉗輸入液壓的控制，通過改變氣液轉換裝置的輸入氣壓達到卡鉗總成輸入液壓變化的目的。測試系統氣液轉換部分設計圖如圖8所示，其中液壓傳感器將卡鉗輸入液壓轉換為標準電壓信號并送入單片機的數據采集模塊；氣液轉換裝置將氣壓轉換為液壓；二位五通電磁閥接收來自單片機系統發出的換向脈沖電壓信號，控制二位五通氣控閥動作實現氣液轉換裝置換向操作，加入氣控閥的主要目的是為了滿足在換向壓力調壓閥輸出較低的驅動氣壓時可實現順利換向動作；卡鉗輸入的不同液壓通過轉換壓力調節閥調節氣壓得到，經過控制壓力調節閥調節輸出的氣壓用于對二位五通氣控閥的控制。試驗過程中，40 L儲氣筒充氣，控制壓力調節閥將氣壓調節至0.4 MPa保持不變，轉換壓力調節閥則需根據氣液轉換裝置的尺寸及輸出液壓的大小進行調節。

圖8 測試系統氣液轉換部分設計圖

3.3 測試系統測控部分設計

EPB卡鉗電控性能測試系統的測控部分主要應用到MC9S12XS128MAL單片機的ATD模塊、DO數字量控制輸出模塊及SCI串口通信模塊。ATD數據采集模塊中電流傳感器接AN00（67腳），用來監測輸入到駐車制動卡鉗電機的電流變化；液壓傳感器接AN01（69腳），實現對卡鉗輸出液壓的測量；力傳感器接AN02（71腳），完成實時采集制動卡鉗夾緊力值的任務。在DO數字量控制輸出模塊中，控制卡鉗總成電機驅動夾緊用的接觸器KM1經固態繼電器SSR1和ULN2003接PB0（24腳），控制卡鉗總成電機驅動放松用的接觸器KM2經固態繼電器SSR2和ULN2003接PB1（25腳），控制卡鉗總成輸入液壓用的接觸器KM3經固態繼電器SSR3和ULN2003接PB2（26腳）。測試系統電路部分設計如圖9所示。

圖9 測試系統電路部分設計圖

4 測試系統軟件實現

下位機軟件的實現是整個電控性能測試系統的主要組成部分，測試系統運用C語言作為開發工具，在MC9S12X系列單片機的開發環境Code Warrior下編程，其主要包括AD模擬量數據采集程序、DO數字量控制輸出程序和SCI串口通信程序。

4.1 AD模擬量數據采集程序實現

由測試系統測控部分設計可知，直流電流隔離變送器、液壓傳感器和力傳感器分別接入單片機ATD模塊的AN00～AN02。因此，每個序列的轉換長度設置為3，AD轉換模擬時鐘頻率設置為2 MHz。由于在指定頻率下采集的全部數據在時間軸上是等間距的，所以數據采集模式選擇多通道掃描，連續轉換序列模式。AD轉換精度設置為12位，不采用外部觸發的工作方式，MC9S12XS128MAL單片機ATD模塊模擬量輸入量程為0～5 V，從單片機中讀取的AD端口數據為ATD0DRn，電壓值為Volt，量程的轉換公式為：

Volt=（ATD0DRn/4096）×5 000

利用查詢方式，最后通過SCI串口通信程序將數據上傳至上位機。AD模擬量數據采集部分程序如下。

4.2 DO數字量控制輸出程序實現

由測試系統測控部分設計可知，EPB卡鉗總成電機驅動夾緊和放松分別由單片機的PB0和PB1口控制，單片機PB1口控制二位五通電磁閥的通斷。程序中設置相應的引腳為輸出，輸出引腳置1則對應的閥或接觸器閉合工作，輸出引腳置0則轉換為常開狀態。DO數字量控制輸出部分程序如下。

4.3 SCI串口通信程序實現

串口通信程序的目的是將單片機采集到的數據發送到上位機，波特率設置為9 600 B，采用查詢的方式發送數據，SCI串口通信部分程序如下。

5 EPB卡鉗電控性能測試系統的應用

5.1 無液壓夾緊釋放功能試驗

將EPB卡鉗總成安裝到測試系統的夾具上，測試系統給電機通電DC 12 V，工作電流達到13 A。駐車夾緊和釋放3次，記錄時間-電流、夾緊力的曲線關系，測量卡鉗的夾緊力、夾緊時間（從啟動電子駐車到達至恒定夾緊力所經歷的時間）、釋放時間（從釋放電子駐車到夾緊力為0所經歷的時間）。EPB卡鉗總成無液壓夾緊釋放功能測試曲線如圖10所示。

圖10 EPB卡鉗總成無液壓夾緊釋放功能測試曲線

5.2 有液壓夾緊釋放功能試驗

將EPB卡鉗總成安裝到測試系統的夾具上，加注制動液排凈空氣。測試系統施加2 MPa（4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa）液壓，穩壓過程中，同時通電DC 12 V，工作電流達到13 A。使電機完成作動夾緊，然后泄壓為0 MPa；再施加2 MPa（4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa）液壓，穩壓過程中，通電DC 12 V，使電機完成作動釋放，然后泄壓為0 MPa，記錄時間-電流、液壓、夾緊力的曲線關系，測量卡鉗的夾緊力、夾緊時間（從啟動電子駐車到達至恒定夾緊力所經歷的時間）、釋放時間（從釋放電子駐車至夾緊力達到恒定所經歷的時間）。EPB卡鉗總成有液壓夾緊釋放功能測試曲線如圖11所示。

5.3 電機過載性試驗

將EPB卡鉗總成安裝到測試系統的夾具上，測試系統給電機通電DC 15 V，夾緊時間2.5 s，記錄時間-電流、夾緊力的曲線關系，測量卡鉗的夾緊力和最大工作電流。EPB卡鉗總成電機過載性測試曲線如圖12所示。

圖11 EPB卡鉗總成有液壓夾緊釋放功能測試曲線

圖12 EPB卡鉗總成電機過載性測試曲線

5.4 電機欠電性試驗

將EPB卡鉗總成安裝到測試系統的夾具上，測試系統給電機通電DC 9 V，夾緊時間2.5 s，記錄時間-電流、夾緊力的曲線關系，測量卡鉗的夾緊力和最大工作電流。EPB卡鉗總成電機欠電性測試曲線如圖13所示。

圖13 EPB卡鉗總成電機欠電性測試曲線

6 結論

EPB卡鉗電控性能測試系統由數據采集模塊、驅動加載模塊、控制輸出模塊以及計算機處理模塊組成，整個裝置操作簡單，測量精準，可實現對EPB卡鉗的無液壓夾緊釋放功能、有液壓夾緊釋放功能、電機過載性和電機欠電性測試。將該測試系統搭載到制動部件滑阻及密封性試驗臺上，經中國汽研部件與材料測評研究中心制動實驗室實際應用，試驗結果表明，該系統達到了企業提供的技術條件下對設備的要求和預期效果，能夠滿足各類相關標準的檢測需要。