電子制動(dòng)助力器ECU 溫度降級(jí)管理模塊設(shè)計(jì)

張寶峰， 鐘義祥， 李建文， 劉 娜， 張全慧

（1.天津理工大學(xué)， 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384；2.蘇州海之博電子科技有限公司， 江蘇蘇州 215000）

1 前言

在車(chē)用電子制動(dòng)助力系統(tǒng)中， ECU充當(dāng)著大腦的作用，對(duì)于高速行駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。 和傳統(tǒng)真空助力器相比， 電子助力器具有更多的先天優(yōu)勢(shì)， 例如更舒適的駕駛體驗(yàn)， 更迅速地響應(yīng)制動(dòng)需求， 更安靜等。 但是它們也由于自身材料的原因， 相較于真空助力器對(duì)高溫更為敏感。因此， 為了能夠避免ECU在持續(xù)高溫中長(zhǎng)時(shí)間工作， 保護(hù)制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)電機(jī)和ECU， 本文設(shè)計(jì)一種基于雙NTC熱敏電阻的溫度降級(jí)管理模塊。 當(dāng)制動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)載狀態(tài)且由于外部環(huán)境惡劣不能有效進(jìn)行散熱時(shí)， ECU上勢(shì)必會(huì)發(fā)生積熱， 而本模塊則可以對(duì)ECU上面的熱源點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 一旦溫度超過(guò)某些閾值， 則將當(dāng)前采集到的溫度信息上報(bào)， 并采取相應(yīng)措施減少熱量的積累， 避免ECU持續(xù)升溫造成更為嚴(yán)重的損害。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電子制動(dòng)助力器ECU溫度降級(jí)管理模塊主要由溫度采集、 信號(hào)處理、 降級(jí)管理、 CAN通信和上位機(jī)軟件5個(gè)部分組成。 首先， 利用NTC熱敏電阻將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 再利用單片機(jī)片上集成的ADC采樣模塊將溫度的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； 然后， MCU對(duì)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理， 將有效的ADC采樣值轉(zhuǎn)換為攝氏溫度信號(hào)； 最后根據(jù)當(dāng)前的溫度進(jìn)行降級(jí)管理， 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。 為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控整個(gè)采集處理過(guò)程的有效性， 利用MCU內(nèi)部集成的CAN通信模塊將中間變量發(fā)送出來(lái)， 再經(jīng)轉(zhuǎn)換器到上位機(jī)上進(jìn)行分析。 本文設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

為驗(yàn)證溫度采集模塊和信號(hào)處理兩個(gè)子模塊的準(zhǔn)確性，將利用可程式恒溫恒濕箱進(jìn)行多次的溫度測(cè)定實(shí)驗(yàn)。 因?yàn)樵摳叩蜏叵涞木扔邢蓿?只能保持在設(shè)定溫度的左右2℃范圍內(nèi)， 所以本文額外選取了一款更高精度的溫度傳感器。該溫度傳感器是向上海佳敏儀表有限公司定制的一款pt1000高精度數(shù)字溫度計(jì)， 具有±0.2℃的測(cè)溫精度和-40～150℃的測(cè)溫范圍， 完全滿(mǎn)足測(cè)試需求。 可程式恒溫恒濕箱如圖2所示。

圖2 可程式恒溫恒濕箱

3 各模塊設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集模塊

現(xiàn)階段利用NTC 熱敏電阻來(lái)進(jìn)行溫度采集的方法主要有3種： 一種是惠斯通非平衡電橋法， 另外兩種是恒流源法和恒壓源法，后兩種測(cè)量方案都具有較高的精度。 還因?yàn)镋CU的生命周期和汽車(chē)一樣長(zhǎng)達(dá)10多年之久， 所以為了增加系統(tǒng)的可靠性， 又采用了雙NTC 熱敏電阻互為備份的設(shè)計(jì)。 本文設(shè)計(jì)的NTC測(cè)溫電路原理圖如圖3所示。

圖3 NTC測(cè)溫電路圖

3.2 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊是本系統(tǒng)的一個(gè)軟件子模塊， 主要是對(duì)溫度采集模塊采集到的ADC采樣值進(jìn)行初步處理， 主要包括濾波、 有效性判斷和攝氏溫度換算3種功能。

由于單片機(jī)內(nèi)部的ADC采樣模塊采集到的信號(hào)有一定的噪音， 因此在本模塊中設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的濾波算法。 在本文中， 選擇了限幅濾波、 滑動(dòng)平均濾波和低通濾波3種濾波算法進(jìn)行研究， 經(jīng)Matlab數(shù)據(jù)分析后分別采用了0.01、 100和1作為這3種濾波算法的閾值， ADC采樣的原始信號(hào)和濾波處理后的信號(hào)如圖4、 圖5、 圖6所示。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 相較于滑動(dòng)平均濾波法， 低通濾波的效果更好， 抖動(dòng)更小且響應(yīng)及時(shí)。

圖4 低通濾波

圖5 滑動(dòng)平均濾波

圖6 限幅濾波

像NTC這樣的可變電阻， 長(zhǎng)時(shí)間工作后， 具有較高的失效率。 因此還需要對(duì)ADC采樣信號(hào)進(jìn)行有效性判斷， 一旦ADC讀取到的采樣值超過(guò)設(shè)定的閾值， 則認(rèn)為該傳感器已經(jīng)發(fā)生故障， 進(jìn)而完全采用另一傳感器上采集到的信號(hào)。有效性分析的流程如圖7所示。

圖7 有效性分析流程圖

由于NTC熱敏電阻的阻值與溫度并非是線(xiàn)性關(guān)系， 因此在進(jìn)行溫度換算時(shí)， 通常會(huì)采用經(jīng)驗(yàn)指數(shù)方程法、 分段多項(xiàng)式擬合法和Steinhart-Hart方程法來(lái)逼近當(dāng)前溫度的真實(shí)值。 鑒于TC234L的運(yùn)算資源有限， 因此在本文中采用了分段多項(xiàng)式擬合法， 將需要測(cè)量的溫度區(qū)間劃分為從-40～150℃每5℃劃分一個(gè)子區(qū)間， 分段多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)圖

3.3 降級(jí)管理模塊

降級(jí)管理模塊的主要作用是通過(guò)調(diào)整電機(jī)的輸出扭矩，進(jìn)而調(diào)整制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)上消耗的電能， 最終調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量。 然而在調(diào)節(jié)的過(guò)程之中應(yīng)盡量平緩， 逐級(jí)下降， 避免過(guò)大的突變?cè)斐呻妱?dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不連續(xù)的大幅減速或加速。 一旦電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)幅度在短時(shí)間內(nèi)變化過(guò)大， 就有可能導(dǎo)致系統(tǒng)跟隨不上而產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)。 據(jù)此本文在設(shè)計(jì)降級(jí)管理模塊時(shí)， 根據(jù)不同的溫度將管理等級(jí)分為了normal、degrade、shutdown 和off 四個(gè)等級(jí)， 分別采用不同的調(diào)節(jié)策略。 當(dāng)ECU的溫度處于-40 ～125℃時(shí)， ECU 上面的所有元器件都可以承受這種程度的溫度， 系統(tǒng)處于正常工作的normal狀態(tài)， 制動(dòng)電機(jī)可以全力輸出。 當(dāng)ECU 的溫度超過(guò)125℃時(shí)， 說(shuō)明車(chē)輛內(nèi)部的散熱出現(xiàn)異常在持續(xù)升溫當(dāng)中， 部分元器件的使用壽命將會(huì)下降， 此時(shí)將系統(tǒng)狀態(tài)下調(diào)為degrade狀態(tài)， 然后將溫度異常的故障碼和故障快照提交給制動(dòng)系統(tǒng)主程序的故障診斷模塊，同時(shí)較為平緩地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)這種快速且連續(xù)的輸出扭矩控制， 根據(jù) Y=-x設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)算法。 最終制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩如圖9所示。

圖9 電機(jī)輸出

3.4 CAN通信模塊

CAN通信模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)與車(chē)上其他ECU之間相互通信或與診斷儀之間進(jìn)行相互通信。 由于ECU 上的MCU的引腳只能產(chǎn)生TTL電平， 驅(qū)動(dòng)能力十分有限， 因此在進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)都必須要經(jīng)過(guò)特定的通信芯片來(lái)將常見(jiàn)的TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的CAN 信號(hào)。 本系統(tǒng)中選用了TJA1043T作為CAN通信芯片， 因?yàn)樵撔酒粌H可以自由配置TTL電平的電平等級(jí)還可以檢測(cè)CAN通信收發(fā)時(shí)的異常并通過(guò)ERR腳將異常信息進(jìn)行反饋， 還支持低功耗的睡眠模式。 本系統(tǒng)的CAN通信電路圖如圖10所示。

圖10 CAN通信電路圖

3.5 上位機(jī)模塊

上位機(jī)是我們用來(lái)觀察MCU內(nèi)部程序的運(yùn)行狀況的窗口， 在調(diào)試和分析的時(shí)候都是至關(guān)重要的存在。 在本文中，上位機(jī)模塊包括了CANFD-X1PRO轉(zhuǎn)換器和上位機(jī)軟件構(gòu)成。 CANFD-X1PRO是一款內(nèi)置了120Ω終端電阻， 并且還支持二次開(kāi)發(fā)的一款CAN轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器。 上位機(jī)軟件在QT環(huán)境中， 用C++程序語(yǔ)言編寫(xiě)完成。 上位機(jī)軟件的主要原理是開(kāi)辟兩個(gè)內(nèi)存池用來(lái)輪流保存數(shù)據(jù)， 再有兩個(gè)線(xiàn)程分別用來(lái)接收數(shù)據(jù)加處理數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)加清空內(nèi)存池。 上位機(jī)軟件從下到上可以分為驅(qū)動(dòng)層、 服務(wù)層和用戶(hù)界面（UI） 3 個(gè)部分。 其中， 驅(qū)動(dòng)層主要是直接調(diào)用CANFDX1PRO的配置文件和底層驅(qū)動(dòng)等； 用戶(hù)界面則是將服務(wù)層中的各個(gè)接口進(jìn)行圖形化， 方便用戶(hù)通過(guò)圖形界面直接進(jìn)行終端電阻配置等操作； 服務(wù)層則根據(jù)UI相關(guān)配置和服務(wù)請(qǐng)求來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的邏輯操作。 上位機(jī)軟件操作界面如圖11所示。

圖11 上位機(jī)軟件界面

該上位機(jī)軟件界面簡(jiǎn)潔， 易于操作， 能夠配置6組數(shù)據(jù)同時(shí)從CAN通信線(xiàn)上讀取， 并且可配置終端電阻， 將讀取到的數(shù)據(jù)生成EXCEL表格， 當(dāng)一個(gè)表格中存滿(mǎn)200000行數(shù)據(jù)后， 將再新建一個(gè)表格進(jìn)行存儲(chǔ)。 在本文中， 此上位機(jī)模塊主要用于將ADC采樣值、 換算后的溫度值、 狀態(tài)機(jī)和輸出扭矩等數(shù)據(jù)讀出。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 溫度采集準(zhǔn)確度驗(yàn)證

本文為了驗(yàn)證溫度采集模塊的精確度， 在可程式恒溫恒濕箱中進(jìn)行了38組不同溫度下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

在表1中對(duì)3塊ECU進(jìn)行了溫度實(shí)驗(yàn)， 每塊ECU上有2條溫度采樣通道， 將2條通道上的溫度進(jìn)行平均后， 得到每塊ECU上的測(cè)試溫度值， 測(cè)試值與參考值之間的溫度誤差控制在1.5℃范圍內(nèi)。 需要注意的是， 系統(tǒng)在量產(chǎn)時(shí)不會(huì)對(duì)NTC進(jìn)行標(biāo)定， 因此1.5℃的誤差在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。 3組實(shí)驗(yàn)的溫度誤差統(tǒng)計(jì)如圖12所示。

圖12 溫度誤差統(tǒng)計(jì)圖

表1 溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4.2 降級(jí)管理模塊功能驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的電子制動(dòng)助力器ECU溫度降級(jí)管理模塊最終在簡(jiǎn)易測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行了驗(yàn)證。 為模擬散熱不良的情況，在ECU背部貼上了隔熱保溫的高密度橡塑板， 然后經(jīng)過(guò)CAN總線(xiàn)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)讀出。 溫度降級(jí)管理的溫度對(duì)比曲線(xiàn)圖如圖13所示。

圖13 溫度對(duì)比曲線(xiàn)圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)不具有溫度降級(jí)管理模塊時(shí)， 在短短的9min 內(nèi)就從46℃上升到了163℃以上， 并且還保持著極大的上升趨勢(shì)， 極大地威脅到了系統(tǒng)安全。 而在溫度降級(jí)管理模塊的加持下， 系統(tǒng)在5min后， 將溫度維持在134℃左右并且不再增加， 始終低于系統(tǒng)的最高工作溫度。

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 本文設(shè)計(jì)的電子制動(dòng)助力器ECU溫度降級(jí)管理模塊能夠準(zhǔn)確獲取ECU上的溫度， 然后根據(jù)當(dāng)前的溫度穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出扭矩， 并最終使ECU的溫度始終保持在150℃的最高工作溫度范圍內(nèi)， 有效避免了ECU持續(xù)升溫， 保證ECU不會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)的高溫灼烤而宕機(jī)或損壞。