车辆电控驻车制动系统的控制方法的设计与实现

(烟台汽车工程职业学院 车辆运用工程系，烟台 264000)

0 引言

为代替汽车机械式手刹装置，对于车辆驻车的控制，ECPB执行器及其控制系统可通过电子控制实现，从而使坡道起步溜车等风险得到有效避免，目前国内由于技术及知识产权等的限制，许多国产车辆无法安装该项新技术装置，因此对车辆电控驻车制动系统的控制方法进行研究是目前的研究重点[1]。

1 ECPB系统结构原理及通讯架构

1.1 原理

汽车电控驻车制动系统主要由永磁式无刷直流电机、电控驻车制动模块(ECPB ECU)、制动器及钢丝拉索组成，ECPB系统的工作原理为：通过CAN总线实现电控驻车制动模块的信号控制端与车身电子稳定模块(ESP ECU)与连接；永磁体无刷电机电信号连接制动模块的指令输出端，当永磁体无刷电机通电后处于工作状态时，空心转子(空心转子的输出端设计有蜗套)在旋转的永磁体的带动下随之旋转，从而驱动连接着驻车拉索一端的蜗杆开始转动，驻车制动器连接着蜗杆的另一端，钢索直线运动通过蜗杆传动机构转变其旋转运动即可实现，最后制动鼓在制动摩擦片的作用下产生制动力，实现车辆驻车过程。当需停止驻车制动时，制动摩擦片在电机反转的作用下得以释放，降低制造成本及操作的复杂性，在进行 ECPB改装时可以充分利用现有的前盘后鼓式制动器的车型，此种方法还能够提高驻车的性能，确保驻车控制系统的安全性和可靠性，具有较大的潜在应用前景[2]。

1.2 通讯架构

永磁式电控驻车制动系统的通讯结构主要组成部件为：传感器、执行器、ECPB ECU、ESP ECU、发动机ECU、网关ECU、转向盘模块ECU等。ECPB的运行由ESP控制器通过CAN通讯实现控制过程，网络架构的主要组成部分为：CAN CAR车身网、CAN动力IS网、CAN CONF舒适网；车速、发动机转速、驻车制动开关、加速踏板位置、离合器位置、制动力传感器、变速器位置(受控)、道路坡度信号等信号的采集过程则由ECPB控制器负责完成，并将采集到的信号进行分析和计算后，以控制指令的形式完成输出，无刷电机接收到这些控制指令后完成对钢索运动的驱动，从而使驻车功能得以实现[3]。

2 系统的动力学特性

(1)电机转矩

当驻车过程经过永磁体无刷电机绕阻时由Iqf(A)表示其所产生的电流值，由ξ表示无刷电机的电极对数，由θ表示电极的爪系数，由φqf表示每个磁极的磁通量，由n表示每相串联的匝数，用Tas表示电机在工作状态时的输出总转矩，用T∑w表示承受的外部总转矩，二者相等[4]，具体表达如式(1)。

(1)

各车轮的驻车制动力由驻车环境自动施加，制动力随着制动鼓与摩擦片间接触面积的增大而增大，此时处于堵转状态的无刷直流电机输出轴端的输出转矩仍由T∑w表示，无刷直流电机输出轴端由Tdz表示其堵转总转矩，滚动轴承、蜗套、蜗杆间的传动效率则由ηω表示(取值0.99)，电源的工作效率由ηdf表示(取值范围在0.7～0.75间)，蜗套与蜗杆间的传动比由iω表示(取值为1)[5]，无刷直流电机轴端的转矩在此种状态下的计算式可表达如式(2)。

(2)

(2)驻车钢索最大拉力的确定

钢索的拉力最大值为国家标准值与手刹放大系数的积，在具体计算过程中需将安全系数考虑在内。用Tas表示无刷直流电机的转矩，由D表示传动蜗杆的芯轴直径，在永磁式电控驻车制动系统中，t为螺纹轴距，则连接钢索的传动蜗杆拉力的计算式如式(3)。

(3)

(3)车辆的驻车制动力的确定

用α表示道路的坡度角，如果车辆在其上驻车，根据实际的停车需要，同时参考汽车机械设计的计算方法，完成驻车制动力的确定，车辆的总质量为满乘员同行李舱最大载重之和，具体由Mmax表示车辆最大总质量，车轮的滚动半径用Rω表示，滚动摩擦系数用μ表示，r为后制动鼓半径用，手刹的放大系数用kz表示，具体表达式如式(4)。

(4)

(4)车辆动态制动运动学模型

在实际驾驶过程中易出现一些紧急情况，需要驾驶员进行紧急制动，此时需系统参与完成紧急制动，则可通过长按ECPB按钮实现，结合运动学原理，根据车辆制动系统设计要求，制动距离用Sqa表示，制动开始前的车速用V0表示，消除车辆制动间隙耗时为τb1，在车辆持续制动阶段用uqs表示其平均减速度，制动器制动力增加的时间用τb2表示[6]。具体的制动距离、时间与初速度的关系表达式如式(5)。

(5)

3 驻车控制模块通讯的实现

ECPB的运行需以获取ESP控制器发出的指令为准，ECPB电控驻车制动的工作模式包括：手动驻车，通过ECPB开关的操作实现；自动驻车，车辆在发动机熄火后自动施加驻车功能，改功能在车辆起步后则会自动释放；通过ECPB开关的操作实现动态制动，使行驶状态的车辆停驻，并在驻车期间监控车辆移动情况。(1)当ECPB需同ESP通讯时，在驻车过程中发送的数据信息包括：在牵引钢索上的制动力信息，应用自动驻车功能(驻车制动器)的实时状态，驻车制动器工作状态及故障诊断信息。

(2)ESP需同ECPB通讯时，需发送无刷电动机旋转速度，以ESP控制器诊断的电源信息为依据，应用速度在较低的电源电压下则相应较慢；根据车辆的重量、道路坡度等信息，请求ESP驻车指令，通过ECPB控制开关的使用实现获取或解除驻车制动力；ESP控制器在车辆需持续制动或使ECPB独立工作时需向ECPB发出指令。

汽车电控驻车制动系统硬件构成部分包括驱动执行电路、单片机、各种传感器和处理电路等，系统的关键在于控制器，控制器模块的主控芯片使用了PIC18F458(microchip公司生产)单片机微处理器，集成了CAN通信接口，外围接口电路的接口芯片则使用了PCA82C250(Philips公司生产)芯片，执行CAN 2.0 A/B 协议，控制器的逻辑关系如图1所示。

图1 ECPB驻车系统逻辑框图

中央控制器使用单片机完成车速、发动机转速、电机转速、含侧向和纵向加速度信号的坡道角度、变速器位置(受控)、驻车开关、油门位置、离合器位置等信号的采集和计算分析，然后发给执行电机驱动钢索完成驻车过程。在驻车时ECPB系统控制器的工作流程，如图2所示[7]。

4 仿真结果与分析

4.1 取样车辆参数

为检测本文所设计的车辆电控驻车制动系统的控制方法的有效性，取样车辆(额定功率85千瓦)动力型号EP6FD，其主要相关参数如表1所示。

一辆配备ECPB，一辆未配备ECPB，在道路(水平、干燥、良好)上进行紧急制动，对两台车辆的制动距离及时间进行仿真测试。

4.2 紧急制动性能仿真及结果

需在进一步仿真分析的基础上对ECPB系统的紧急制动效果进行评价，根据上文表达式完成对驻车时系统需考虑的策略要素(电机电流、堵转转矩、力矩、转速和钢索拉力)的分析，根据建立的车辆紧急制动的运动模型，对制动初速度进行设置(范围为0～35 km/h)，对两台车辆的紧急制动距离和时间的仿真计算通过使用Matlab软件完成，紧急制动距离、时间随制动初速度变化的响应曲线，如图3所示。

图2 驻车控制器运行流程

参数名称数值最大整备质量/kg1 670总长/mm4610总宽/mm1 770轴距/mm2 720前悬/mm960后悬/mm950最大爬坡度/%>20最高车速/(km·h-1)185制动性/m<17

图3 紧急制动距离和时间仿真结果

图中的线Ⅰ和线Ⅱ分别表示未配备ECPB的车辆和已配备ECPB的车辆仿真测试的输出结果，说明配备ECPB的车辆性能更好。为对曲线Ⅰ、Ⅱ的差异做进一步说明，紧急制动在制动初速度为每小时25 km时实施，测量停车水平距离表明安装ECPB的车辆比未配备ECPB的车辆缩短了410 mm；紧急制动在制动初速度为每小时30 km时实施，测试结果为安装ECPB的车辆的停车水平距离更短(比未配备ECPB的车辆缩短了1 020 mm)，超过取样车型前悬的距离，进一步证明了应用ECPB的优势所在，在紧急制动时，本文设计的系统可有效降低追尾或事故发生的概率，从而使车辆安全性得以提高[8]。

5 总结

本文主要对车辆电控驻车制动系统的控制方法进行研究，执行器及其系统的核心模块为永磁式无刷直流电机，并对其通讯结构进行阐述，在对电控驻车的动力学特性进行分析的基础上，结合其执行器结构及原理，提出以CAN通讯为基础的驻车制动系统的控制方法，完成车辆动态制动运动学模型的构建，结合驻车主动安全技术(ESP要求)的运用，据此完成了电控驻车制动系统控制方法的设计，为电控驻车制动系统的设计提供参考。