电子制动助力器ECU 温度降级管理模块设计

张宝峰， 钟义祥， 李建文， 刘 娜， 张全慧

（1.天津理工大学， 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室， 天津 300384；2.苏州海之博电子科技有限公司， 江苏苏州 215000）

1 前言

在车用电子制动助力系统中， ECU充当着大脑的作用，对于高速行驶的汽车来说至关重要。 和传统真空助力器相比， 电子助力器具有更多的先天优势， 例如更舒适的驾驶体验， 更迅速地响应制动需求， 更安静等。 但是它们也由于自身材料的原因， 相较于真空助力器对高温更为敏感。因此， 为了能够避免ECU在持续高温中长时间工作， 保护制动系统中的制动电机和ECU， 本文设计一种基于双NTC热敏电阻的温度降级管理模块。 当制动电机长期处于高负载状态且由于外部环境恶劣不能有效进行散热时， ECU上势必会发生积热， 而本模块则可以对ECU上面的热源点进行实时监控， 一旦温度超过某些阈值， 则将当前采集到的温度信息上报， 并采取相应措施减少热量的积累， 避免ECU持续升温造成更为严重的损害。

2 总体架构设计

本文设计的电子制动助力器ECU温度降级管理模块主要由温度采集、 信号处理、 降级管理、 CAN通信和上位机软件5个部分组成。 首先， 利用NTC热敏电阻将温度信号转换为电信号； 再利用单片机片上集成的ADC采样模块将温度的模拟量转换为数字信号； 然后， MCU对ADC转换后的数字信号进行分析处理， 将有效的ADC采样值转换为摄氏温度信号； 最后根据当前的温度进行降级管理， 调节电动机的输出扭矩。 为了能够实时监控整个采集处理过程的有效性， 利用MCU内部集成的CAN通信模块将中间变量发送出来， 再经转换器到上位机上进行分析。 本文设计的总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

为验证温度采集模块和信号处理两个子模块的准确性，将利用可程式恒温恒湿箱进行多次的温度测定实验。 因为该高低温箱的精度有限， 只能保持在设定温度的左右2℃范围内， 所以本文额外选取了一款更高精度的温度传感器。该温度传感器是向上海佳敏仪表有限公司定制的一款pt1000高精度数字温度计， 具有±0.2℃的测温精度和-40～150℃的测温范围， 完全满足测试需求。 可程式恒温恒湿箱如图2所示。

图2 可程式恒温恒湿箱

3 各模块设计

3.1 温度采集模块

现阶段利用NTC 热敏电阻来进行温度采集的方法主要有3种： 一种是惠斯通非平衡电桥法， 另外两种是恒流源法和恒压源法，后两种测量方案都具有较高的精度。 还因为ECU的生命周期和汽车一样长达10多年之久， 所以为了增加系统的可靠性， 又采用了双NTC 热敏电阻互为备份的设计。 本文设计的NTC测温电路原理图如图3所示。

图3 NTC测温电路图

3.2 信号处理模块

信号处理模块是本系统的一个软件子模块， 主要是对温度采集模块采集到的ADC采样值进行初步处理， 主要包括滤波、 有效性判断和摄氏温度换算3种功能。

由于单片机内部的ADC采样模块采集到的信号有一定的噪音， 因此在本模块中设计了专门的滤波算法。 在本文中， 选择了限幅滤波、 滑动平均滤波和低通滤波3种滤波算法进行研究， 经Matlab数据分析后分别采用了0.01、 100和1作为这3种滤波算法的阈值， ADC采样的原始信号和滤波处理后的信号如图4、 图5、 图6所示。 由实验结果可知， 相较于滑动平均滤波法， 低通滤波的效果更好， 抖动更小且响应及时。

图4 低通滤波

图5 滑动平均滤波

图6 限幅滤波

像NTC这样的可变电阻， 长时间工作后， 具有较高的失效率。 因此还需要对ADC采样信号进行有效性判断， 一旦ADC读取到的采样值超过设定的阈值， 则认为该传感器已经发生故障， 进而完全采用另一传感器上采集到的信号。有效性分析的流程如图7所示。

图7 有效性分析流程图

由于NTC热敏电阻的阻值与温度并非是线性关系， 因此在进行温度换算时， 通常会采用经验指数方程法、 分段多项式拟合法和Steinhart-Hart方程法来逼近当前温度的真实值。 鉴于TC234L的运算资源有限， 因此在本文中采用了分段多项式拟合法， 将需要测量的温度区间划分为从-40～150℃每5℃划分一个子区间， 分段多项式拟合曲线如图8所示。

图8 多项式拟合曲线图

3.3 降级管理模块

降级管理模块的主要作用是通过调整电机的输出扭矩，进而调整制动器在制动时电动机上消耗的电能， 最终调节驱动电动机过程中所产生的热量。 然而在调节的过程之中应尽量平缓， 逐级下降， 避免过大的突变造成电动机运动时产生不连续的大幅减速或加速。 一旦电动机的调节幅度在短时间内变化过大， 就有可能导致系统跟随不上而产生剧烈抖动。 据此本文在设计降级管理模块时， 根据不同的温度将管理等级分为了normal、degrade、shutdown 和off 四个等级， 分别采用不同的调节策略。 当ECU的温度处于-40 ～125℃时， ECU 上面的所有元器件都可以承受这种程度的温度， 系统处于正常工作的normal状态， 制动电机可以全力输出。 当ECU 的温度超过125℃时， 说明车辆内部的散热出现异常在持续升温当中， 部分元器件的使用寿命将会下降， 此时将系统状态下调为degrade状态， 然后将温度异常的故障码和故障快照提交给制动系统主程序的故障诊断模块，同时较为平缓地调整电动机的输出扭矩。 为了能够实现这种快速且连续的输出扭矩控制， 根据 Y=-x设计了调节算法。 最终制动电动机的输出扭矩如图9所示。

图9 电机输出

3.4 CAN通信模块

CAN通信模块的主要作用是实现与车上其他ECU之间相互通信或与诊断仪之间进行相互通信。 由于ECU 上的MCU的引脚只能产生TTL电平， 驱动能力十分有限， 因此在进行长距离通信时都必须要经过特定的通信芯片来将常见的TTL 信号转换为标准的CAN 信号。 本系统中选用了TJA1043T作为CAN通信芯片， 因为该芯片不仅可以自由配置TTL电平的电平等级还可以检测CAN通信收发时的异常并通过ERR脚将异常信息进行反馈， 还支持低功耗的睡眠模式。 本系统的CAN通信电路图如图10所示。

图10 CAN通信电路图

3.5 上位机模块

上位机是我们用来观察MCU内部程序的运行状况的窗口， 在调试和分析的时候都是至关重要的存在。 在本文中，上位机模块包括了CANFD-X1PRO转换器和上位机软件构成。 CANFD-X1PRO是一款内置了120Ω终端电阻， 并且还支持二次开发的一款CAN转USB转换器。 上位机软件在QT环境中， 用C++程序语言编写完成。 上位机软件的主要原理是开辟两个内存池用来轮流保存数据， 再有两个线程分别用来接收数据加处理数据和保存数据加清空内存池。 上位机软件从下到上可以分为驱动层、 服务层和用户界面（UI） 3 个部分。 其中， 驱动层主要是直接调用CANFDX1PRO的配置文件和底层驱动等； 用户界面则是将服务层中的各个接口进行图形化， 方便用户通过图形界面直接进行终端电阻配置等操作； 服务层则根据UI相关配置和服务请求来执行相应的逻辑操作。 上位机软件操作界面如图11所示。

图11 上位机软件界面

该上位机软件界面简洁， 易于操作， 能够配置6组数据同时从CAN通信线上读取， 并且可配置终端电阻， 将读取到的数据生成EXCEL表格， 当一个表格中存满200000行数据后， 将再新建一个表格进行存储。 在本文中， 此上位机模块主要用于将ADC采样值、 换算后的温度值、 状态机和输出扭矩等数据读出。

4 实验验证

4.1 温度采集准确度验证

本文为了验证温度采集模块的精确度， 在可程式恒温恒湿箱中进行了38组不同温度下的对比实验。 实验结果见表1。

在表1中对3块ECU进行了温度实验， 每块ECU上有2条温度采样通道， 将2条通道上的温度进行平均后， 得到每块ECU上的测试温度值， 测试值与参考值之间的温度误差控制在1.5℃范围内。 需要注意的是， 系统在量产时不会对NTC进行标定， 因此1.5℃的误差在系统允许范围内。 3组实验的温度误差统计如图12所示。

图12 温度误差统计图

表1 温度对比实验结果表

4.2 降级管理模块功能验证

本文设计的电子制动助力器ECU温度降级管理模块最终在简易测试台架上进行了验证。 为模拟散热不良的情况，在ECU背部贴上了隔热保温的高密度橡塑板， 然后经过CAN总线将实测数据读出。 温度降级管理的温度对比曲线图如图13所示。

图13 温度对比曲线图

对实验数据进行分析， 可以发现当制动系统不具有温度降级管理模块时， 在短短的9min 内就从46℃上升到了163℃以上， 并且还保持着极大的上升趋势， 极大地威胁到了系统安全。 而在温度降级管理模块的加持下， 系统在5min后， 将温度维持在134℃左右并且不再增加， 始终低于系统的最高工作温度。

5 结论

经实验验证， 本文设计的电子制动助力器ECU温度降级管理模块能够准确获取ECU上的温度， 然后根据当前的温度稳定地调节电机的输出扭矩， 并最终使ECU的温度始终保持在150℃的最高工作温度范围内， 有效避免了ECU持续升温， 保证ECU不会因为持续的高温灼烤而宕机或损坏。