基于單片機(jī)的電動(dòng)車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器

關(guān)鍵詞： 制動(dòng)系統(tǒng) , 電磁閥 , 電動(dòng)汽車

作者：劉兵， 孫澤昌， 王猛  來(lái)源：微型機(jī)與應(yīng)用2012年第22期

摘要： 研究了一種新型電動(dòng)車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制器硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件電路包括對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理的信號(hào)處理電路和對(duì)執(zhí)行器（電磁閥和電機(jī)）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)放大電路，軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)輸入信號(hào)的分析、駕駛員制動(dòng)意圖的識(shí)別和為達(dá)到理想制動(dòng)力而對(duì)執(zhí)行器的精確控制。

隨著當(dāng)今節(jié)能環(huán)保要求的提高，汽車行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車以其部分或全部電機(jī)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收等特點(diǎn)正好滿足了節(jié)能環(huán)保的要求。制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力的同時(shí)回收制動(dòng)能量。但是，由于電機(jī)特性的限制，制動(dòng)時(shí)提供的再生制動(dòng)力有限，在制動(dòng)減速度較大以及緊急制動(dòng)時(shí)，仍然需要液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)力，所以往往要根據(jù)不同的制動(dòng)需求，利用電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)單獨(dú)或者共同提供制動(dòng)力。電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)就是指這種根據(jù)制動(dòng)需求，通過(guò)再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)單獨(dú)或共同提供制動(dòng)力的系統(tǒng)。

1 一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

目前電液復(fù)合制動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由豐田、博世和大陸等大型汽車整車及零部件廠商所掌握，其他汽車廠商很難突破它們的技術(shù)壁壘。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有集助力、制動(dòng)踏板感覺(jué)模擬、踏板位移傳感器于一體的一體化主缸，獨(dú)立的四通道輪缸壓力主動(dòng)控制。該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2012-12-19 14:55:49 上傳

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圖1中，預(yù)載單元與儲(chǔ)液室通過(guò)一個(gè)常開(kāi)的預(yù)載電磁閥相連，當(dāng)預(yù)載電磁閥關(guān)閉時(shí)，可通過(guò)高壓泵提高預(yù)載單元中的液體壓力。預(yù)載單元與一體式主缸僅在制動(dòng)狀態(tài)下接通。液壓執(zhí)行單元為8個(gè)電磁閥（4個(gè)升壓閥和4個(gè)減壓閥），其中，每個(gè)車輪對(duì)應(yīng)一個(gè)常開(kāi)的升壓閥和一個(gè)常閉的減壓閥，其布置與常規(guī)ABS的結(jié)構(gòu)相同。該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程包含3種狀態(tài)：初始狀態(tài)、工作狀態(tài)和失效狀態(tài)。

(1)初始狀態(tài)。預(yù)載電磁閥打開(kāi)，預(yù)載單元與儲(chǔ)液室連通，此時(shí)兩者壓力相同。預(yù)載單元和一體式主缸不接通，ECU和液壓控制單元均處于斷電狀態(tài)。

(2)工作狀態(tài)。ECU上電，預(yù)載電磁閥關(guān)閉，升壓閥關(guān)閉，由于預(yù)載單元和儲(chǔ)液室以及一體式主缸斷開(kāi)連接，高壓泵將使預(yù)載單元壓力升高至一定高壓。駕駛員產(chǎn)生制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得預(yù)載單元與一體式主缸接通，此時(shí)預(yù)載單元中的高壓經(jīng)一體式主缸傳至升壓閥。ECU根據(jù)制動(dòng)踏板位移信號(hào)判斷駕駛員的制動(dòng)意圖并計(jì)算需要多大制動(dòng)力，再將其傳輸給整車管理系統(tǒng)(VMS);VMS根據(jù)電機(jī)控制策略計(jì)算出再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力,并將該信息傳輸回ECU；ECU經(jīng)過(guò)信息處理發(fā)送PWM波給執(zhí)行器(即液壓執(zhí)行單元)，使執(zhí)行器按照一定頻率開(kāi)啟，并因此產(chǎn)生液壓制動(dòng)力。另外，通過(guò)ECU控制液壓控制單元還能實(shí)現(xiàn)ABS和ESP功能。制動(dòng)結(jié)束后，系統(tǒng)將恢復(fù)至ECU上電狀態(tài)，為下一次制動(dòng)做好準(zhǔn)備。

(3)失效狀態(tài)。若電氣系統(tǒng)失效（例如突然掉電），則ECU斷電，所有執(zhí)行器都將處于初始狀態(tài)。隨著制動(dòng)踏板位移的進(jìn)一步加大，制動(dòng)踏板將與一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接接通，因此可以進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

由于該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)所需處理的信號(hào)量大，且驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器多，因此考慮使用雙PCB板設(shè)計(jì)。板一設(shè)計(jì)為雙MCU，其中，MCU1用于信號(hào)采集和處理，MCU2用于算法計(jì)算和通信，兩個(gè)MCU之間通過(guò)SPI連接；板二負(fù)責(zé)給傳感器供電和信號(hào)處理以及執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。由于篇幅有限，本文主要針對(duì)信號(hào)輸入、MCU和信號(hào)輸出進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 信號(hào)輸入

輸入信號(hào)主要包括制動(dòng)踏板位移信號(hào)、液壓傳感器壓力信號(hào)和輪速信號(hào)。這些信號(hào)都必須通過(guò)相應(yīng)電路對(duì)其進(jìn)行去噪和放大等處理才能傳輸至MCU1。

2.1.1 踏板位移信號(hào)和液壓傳感器信號(hào)

制動(dòng)踏板位移信號(hào)由踏板位移傳感器發(fā)出，液壓傳感器信號(hào)由布置在液壓管路中的液壓傳感器發(fā)出。位移信號(hào)和液壓信號(hào)均為0~5 V的電壓信號(hào)，因此可以用相同的處理電路對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行處理。傳感器信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)防靜電二極管去除靜電，隨后通過(guò)由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成的π型濾波電路進(jìn)行低通濾波，由OPA2340芯片形成的電壓跟隨器能將濾波信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，將該信號(hào)傳輸至板一MCU1的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。相應(yīng)的信號(hào)處理電路如圖3所示。

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