车辆电子驻车制动系统(EPB)的软件设计研究（可编辑）

车辆电子驻车制动系统(EPB)的软件设计研究（可编辑） 车辆电子驻车制动系统(EPB)的软件设计研究 南京理工大学 硕士学位论文 车辆电子驻车制动系统(EPB)的软件设计研究 姓名:赵育良 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:王显会 20090525硕士论文 车辆电子驻车制动系统即的软件设计研究 摘 要 作为线控制动系统的一类,电子驻车制动系统, 是为提高驾驶人员的操作方便性以及行车安全性而研制的一种电控设备。 本文对电子驻车制动系统控制策略及软件进行了探索性的研究与开发,并进 行了 相关实验。对传统驻车制动系统与电子驻车系统的优缺点进行了对比,在分 析相关国 家标准的基础上,对电子驻车系统的系统功能进行了设计,并详细描述了系 统设计的 总体。在简要介绍本课题硬件总体设计的基础上,针对系统功能设计, 提出了常 规驻车制动、坡道辅助起步、辅助应急制动、智能自动驻车及智能自动解锁等智能控 制策略,根据坡度对驻车所需的驻车制动力进行了验算,并利用提出的控制策略对电 子驻车执行机构进行智能控制。系统采用了抗干扰性能更好、可维修性更强的模块化 设计理念,并对关键节点进行了冗余设计。系统共设计了个模拟量采集节点,主要 包括:车速采集节点、发动机转速采集节点、驻车坡度采集节点、驻车电流采集节点, 驻车制动盘压力采集节点、踏板行车制动踏板、离合踏板和油门踏板行程采集节 点,通过这些节点实现了与电子驻车制动系统相关的车辆状态信号的采集与处理,并 根据指令将采集信号传送给中央控制节点及车轮驻车制动节点,根据设定的安全控制 策略进行状态判定。系统利用中央控制节点捕获或查询驻车制动按钮、车门状态开关 量、座椅占用开关量等开关量信息,实现对车辆驻车的安全、智能控制。针对根据提 出的控制策略和系统功能,完成了中央控制节点、左右车轮驻车制动节点及 各参数采 集节点的接口逻辑及软件设计、驻车制动直流伺服电机的驱动接口逻辑及软件设计, 实现了预期的系统功能。建立了基于总线的通讯网络,定义了总线的应用层 ,根据系统需求,规定了总线的通讯机制及总线传输速率。系统利用建立好 一的通讯网络,实现了各种驻车制动系统控制时需要的参数信息及驻车控制指令的传 输。本文最后对系统的抗干扰措施特别是软件方面的抗干扰措施进行了论述。 本系统对总线的数据收发与传输、参数采集节点的数据采集进行了相关实 验,并验证了智能控制的正确性,实现了预期的设计功能,验证了课题研制方案的正 确、可行性。 关键词:线控制动,电子驻车制动,总线,辅助坡道起步硕士论文 .. , . ., , , 黟, . .,: , , ,. ., . . , , .. . , ,,. : ;?; ; 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本 学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发或 公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名 年占其“ 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅惑 上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文,按保密的有关规定和程序处理。 刁年多月埔 研究生签名:一硕士论文 车辆电子驻车制动系统即的软件设计研究 绪论 汽车从诞生至今,在人们生活中扮演着越来越重要的角色,已经成为人类生活中 不可或缺的组成部分。汽车是重要的运输工具,是科学技术发展水平的标志。汽车的 研制、’生产、销售、营运,与国民经济许多部门都是息息相关,对社会经济建设和科 学技术发展起着重要的推动作用。近年来,随着我国国民经济的蓬勃发展与社会的不 断进步,国内汽车产销量逐年递增,城市车流密度迅速增大,车辆行驶安全性问题也 成了令人关注的焦点。与之相适应,作为保证车辆安全的最重要的装置,制动系统也 在不断革新和发展,以满足人们越来越严格的安全要求。而作为制动系统的一部分, 驻车制动系统也正在经历着重要的变革。 驻车制动装置是使汽车在路面包括斜坡上停驻时,为防止车辆滑行,以及汽 车在坡道上起步时,用以防止车辆后退的装置,而且在行车过程中遇到紧急情况时, 可与行车制动系统同时使用,使汽车紧急制动。驻车制动装置有别于行车制动装置, 它们各自有相互独立的操纵装置。现在大多数汽车所使用的驻车制动系统属于人力机 、械式,其传动装置为机械式传动方式,使用杆系或者拉索的结构类型来完成制动功能; 其操纵部分一般采用制动手柄控制。 随着汽车电子技术的发展,在汽车控制领域出现了汽车线控技术,进而出现了 汽车线控制动技术。汽车电子驻车制动系统, 便 是汽车线控制动技术的一类,是为提高驾驶人员的操作方便性以及行车安全性而研制 的一种电控设备。 .线控技术及其在汽车制动技术中的应用现状及发展趋势 ..线控技术简介 线控技术~源于飞机控制系统,飞机控制系统是一种线控系统 ?,它将驾驶员的操纵命令转换成电信号,利用机载计算机控制飞机的 飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上,就是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成 电信号,通过网络直接传输到执行机构。 卜?是一系列汽车底盘综合控制技术的总称,其中可以代表、 、、或者等。用新型的动态可以实时适应各种复杂 情况的电控机构来取代传统的机械结构已经成为了车辆新技术发展的必然潮流和趋 势。 由于采用了新的咱技术,使得汽车更加的轻便、便宜、安全并且使用更 加经济。基于卜技术研发的这些系统可以很轻易的应用到各种车型上去,而 第章绪论 硕士论文 不需要做大的修改和调校,并且不会产生对环境和人体有危害的有害液体。在可以预 见的将来,通过?技术进行整合的汽车底盘综合控制系统将极大地提高车辆 的安全性、操纵稳定性、燃油经济性等,是将来需要重点发展的汽车新技术。 ..线控制动系统简介 线控制动系统?是线控系统?中的一种,指一系列 智能制动控制系统的集成,它提供诸如、车辆稳定性控制、助力制动、牵引力控 制等等现有制动系统的功能,并通过车载有线网络把各个系统有机的结合成一个完整 的功能体系。 传统制动系统是由机械杆件、油管和阀门组成,使用气体或液体作为力的传递媒 介。而线控制动系统则用电线取代部分或全部制动管路。通常汽车线控制动系统由四 个主要部分组成:制动踏板和手刹开关,车轮及制动执行机构,传感器,电子控制单 元。此外,还有电源等辅助系统。如图..所示: 当驾驶员踩下制动踏板,踏板行程传感器感知驾驶员的制动意图,把这一信息传 给中央电子控制单元??中央,中央电子控制单元汇集车速传感器、离合器传感 器、节气门传感器、发动机转速传感器等各路信号,根据车辆行驶状态计算出每个车 轮所需的制动力,再发出指令给各车轮电子控制单元??车轮,车轮电子控制单 元控制相应制动器执行制动。同时,中央也可以集成其它电子辅助系统功能,如 , ,牵引力控制系统,等,从而保证最佳的 减速度和行驶稳定性‘删嘲。 图..汽车线控系统组成示意图 线控制动的优点 车辆电子驻车制动系统的软件设计研究 硕士论文 线控制动目前处于向汽车领域应用的研究和改进阶段,随着技术进步,各种问题 会逐步得到解决,线控制动系统最终会取代传统的以液压为主的制动控制系统以及电 液复合制动系统。线控制动是未来制动系统发展的方向。线控制动具有传统 制动系统 无法比拟的优点。 .结构简单,系统质量比传统制动系统减少很多,从而减少了整车质量。 .制动响应时间短,提高了制动性能,缩短了制动距离。 .系统不需要制动液,维护容易、简单,采用电线连接,系统的耐久性能良好。 .系统总成的制造、装配、调试、标定更快,易于采用模块化结构。 .已经开发出具有容错功能的适用于汽车的网络通讯协议,如/, 等通讯协议可以应用到线控制动系统中。 .易于进行改进和增加功能,可以并入汽车通讯网络进行集中管理和共享信 息。 线控制动需要面对的问题 线控制动技术为将来的智能化车辆提供了条件。基于现在的技术条件,要全 面应 用线控制动,还有很多问题需要面对。 .驱动能源问题。采用线控制动需要较多的电能,目前的汽车电源无法提供 足够大的能量,未来的汽车电源系统需采用高压电源如电源系统,加大能源 供应,以满足各系统能量的需求,同时需解决好高压电源的安全问题。 .设计制动系统时必须考虑制动系统的失效问题。不论是、传感器、制动器 本身、线束失效,都应能使制动系统保证制动的基本性能,除了可以采用冗余 设 计外,实现线控制动的一个关键技术是制动系统失效时的信息通讯协议,如、 /等的研究应用。 .实现线控制动系统和汽车底盘其他控制系统的集成,仍有待研究。 .成本比原有液压制动系统高,提高线控制动系统的性价比也是需要解决的问 题。 线控制动的应用 随着技术的进步,上述的各种问题会逐步得到解决。戴姆勒一克莱斯勒汽车公司 已经把一种线控制动系统??测控一体化制动系统安装在奔驰乘用车上,它是一种功 能强大的机电一体化的系统。在汽车运行中,系统感知制动踏板的动作,并把相关信 ’息传递给控制单元,控制单元发出指令给执行器,执行器控制各个车轮的制动,它可 以根据制动踏板的加速度来识别是否是紧急制动,并做出迅速反应,缩短制动距离, 这种系统会增加驾驶员的安全感和舒适感,使停车过程平顺。不久的将来会有更多的 线控制动系统得到应用,很多汽车和零部件厂商都进行了线控制动系统的研究和推 广,博世、西门子、特维斯等公司已经研制出一些试验成果,线控制动系统必将取代 第章绪论 硕士论文 传统制动系统,汽车底盘进一步一体化、集成化,制动系统性能也会发生质的飞跃。 在年日内瓦汽车展上亮相的 概念车采用的线控制动系统 就是由与意大利著名制动系统生产商合作完成的。该车使用了驾驶员操 作系统,并进行了部分改进。当需要制动时,驾驶员只需双手挤压的手 柄。 一个数字化的命令通过导线传递给每个车轮上的智能机电执行器单元,执行 器将电信号转换成动作,对制动蹄片施加制动力,完成车辆制动。在线控制动系 统中,每个车轮的制动是独立的,并且都有备用系统。 ..线控制动系统发展现状及趋势 美国通用公司在年研制的?概念车和年研制的概念车 上都采用了线控转向和线控制动技术。啃概念车是世界上首辆可驾驶的采用线 控技术的氢燃料电池车。这辆车没有离合、制动和油门踏板,全部通过一个名为 的装置来控制汽车,可以控制转向、制动或是车辆其他的系统,利 用你可以随意选择用左手或是右手来控制加速或者制动。扭动左边或右边的 手柄可以加速,按下制动促进器可以制动,要控制方向可以上移或下移手柄。 在欧洲,,, 和等汽车公司, 等电子公司以及,等大学联合发起了“‘?计 划’’’进行线控系统的实现以及安全性和可靠性方面的研究。?已经 开发出线控概念车“’’,它取消了转向盘、加速踏板和制动踏板,完全采用操纵 杆控制,实现了技术璐。 目前,在新一代雅阁轿车上采用线控油门技术。全电线控制动系统仍 然处于研制阶段,没有批量生产的汽车投入市场。 在国内,除了同济大学研究完成的线控转向系统外,由北京理工大学完成的“一 种电动车辆动力系统关键技术产品及其应用获得了年度国家技术发明奖。其 中的一项技术就是利用线控同步换档和行星传动技术,取消了主离合器,简化了换档 机构,研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。国内的一些高校也正 在进行线控技术的研究。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制,要求在整个系统中有精确高速的 通讯协议网络,使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作;而且需要高效的容 错技术,使得系统出现故障时能够保障一定的安全,即系统有好的可靠性。 目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的 发展需要,线控技术发展迅速,作为一种汽车高新电子技术,线控技术必将得到广泛 的应用。但电子化不可能完全取代机械化,机械系统的损坏通常都是有过程的,而线 硕士论文 车辆电子驻车制动系统的软件设计研究 控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高,造成的 后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。 ..电子驻车制动系统发展现状及趋势 作为线控系统的一类,电子驻车制动技术就是利用线控技术将行车过程中的临 时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起,并且由电子控制方式实现停车制动 的技术。从技术升级上看,比长期使用的传统型手驻车制动模式推进了一大步。 目前,国内关于电子驻车制动技术的研究成果较少,还处于实验阶段。国际上 已经起步,几乎所有大型汽车制造商都在研制开发此类线控技术的相关产品。 与传统的驻车制动系统有着极大的差别,其执行和控制机构需要完全的重 新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳转化为制动蹄块的平动、需要能够 减速增矩、需要能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等,而且由于体积的限 制其结构也必须巧妙和紧凑,是整个系统中非常重要的组成部分;其控制部分 也要求能精确控制电动机的转速和转角从而快速响应驾驶员意图。 最近几年,一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些关于制动系 、 统的研究工作,也申请了一部分专利,主要参与竞争的公司有: 、、、 、、 、等等,而国内在 此项目上的研究基本为空白,仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相 关的研究工作。 如前所述的各家公司都取得了各自的研究成果并成功申请了部分专利保护。从 这些专利成果来看,驻车制动系统从节省能量的角度来说可以分为两个大类,其 一是电动机直接带动机械执行机构然后作用到制动盘上,其典型是 公司研制的制动器;第二类是电动机通过一个自增力机构,间接作用到制动盘上,可 以大大降低系统所消耗的能量。 内部资料显示其公 司研制的制动系统比第一类结构节省了约%的能量。第一种结构形式 的制动器特点是控制简单,制动过程稳定;但是由于电机提供所有推动制动块所需的 推力,使得所需的驱动电机的功率很大,从而造成电机的尺寸、重量和能耗都较大。 第二种结构形式的制动器由于间接利用了汽车的动能作为制动自增力,驱动电机所需 功率可大幅下降,只需要约%的其它替代方案的能耗,其体积、尺寸和重量也必然 比第一种结构形式的制动器小,不过目前这种形式的制动器控制难度大,制动稳定性 也不如前者。 第章绪论 硕士论文 .论文研究的意义和主要内容 ..研究电子驻车系统的背景及意义 ...传统驻车制动系统 传统驻车制动装置口埘一般包括手刹车控制、传动、制动器三个部分。手刹车控 制部分由手刹车操纵杆、按扭、棘爪、棘轮组成,其作用是将手操纵力按一定的传动 比传到钥索上,传动部件为钢索。见图..驻车制动系统结构示意图 .手刹车操纵杆.按钮.棘爪.棘轮.滑轮.钢索 .制动蹄.驻车制动摇臂.轮缸.自调机构.制动蹄 图..驻车制动系统结构示意图 钢索两端分别与左右后轮的制动器中的驻车制动摇臂相连,钢索中间部分通 过滑 轮与手刹车操纵杆相连,手刹车操纵力通过钢索传到制动器内部,使制动器进人工作 状态。制动器包括制动蹄、自调机构、轮缸、驻车制动摇臂等几个重要组成部分。它 将钢索传过来的拉力转变成驻车制动力矩,该力矩通过车轮使车辆稳定停驻在所需坡 度上。当施行驻车制动时,拉动手刹车操纵杆,拉紧与之相连的钢索,通过钢索将拉 力传到后制动器内部的驻车制动摇臂上,该摇臂一端同一制动蹄相连,中间通过自调 机构同另一制动蹄相连,另一端与钢索相连。拉紧钢索时,通过摇臂和自调机构在 驻车时起到传力撑杆的作用将拉力传到两制动蹄上,使制动蹄张开紧紧压在制动鼓 上,制动器便进人工作状态,当达到所需的制动效能时,手刹车操纵杆中的棘爪与棘 轮就起到了制动作用,使整个驻车制动系统可靠的锁紧在制动位置上,保证驻车的可 靠性。要解除驻车制动时,需将手刹车操纵杆扳起少许,再压下操纵杆头上的按扭, 通过操纵杆内的推杆使棘爪离开棘轮,然后将操纵杆向下推到解除制动的位 置,此时 钢索放松,制动蹄在各自回位弹簧作用下,恢复到原来状况,驻车制动解除。 ...传统驻车制动系统存在的问题 。.目前汽车驻车制动装置绝大多数仍为手动驻车制动装置,手动驻车制动装 置存在 硕士论文 车辆电子驻车制动系统的软件设计研究 有如下不足之处: 每次工作需要驾驶员手动操作,操作繁琐,在汽车坡道起步时,操作过于 复杂,一些新手经常因难以控制而导致汽车溜坡,存在安全隐患: 在大角度的坡面上驻车时,操作费力,驻车比较困难,同时经常难以获得 足够大的制动力来确保汽车可靠驻车,存在安全隐患; 不论平地还是坡道,驾驶员习惯把驻车制动操纵杆拉至较大行程,确保汽 车可靠驻车,这样,在平地驻车制动的情况下,也就是说在大的使用条件下, 增大了 制动器、制动拉索等汽车制动机械零部件的磨损与变形; 手动制动装置经过长时间使用,制动拉索中的钢索会变形伸长,钢索变长 会影响其使用性,装置可能因此难以获得足够的制动力而存在安全隐患; 手动驻车制动装置操纵机构庞大,占用了较大的车室空间,影响了驾乘的 舒适性。 ...研究电子驻车系统的意义 作为线控制动系统的一种,是 的缩写,即电子驻车 制动系统,指将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起,并 且由电子控制方式实现停车制动的技术。系统由电子按钮手动操作,并兼备自动 控制功能。电子驻车制动系统由装有行星减速机构和电机的左、右后制动钳和电控单 元组成,该系统电控单元与整车控制器局域网通讯,对左右后卡钳上的电机进 行控制。当需要驻车制动时,按钮被按下,按钮操作信号反馈给电控单元,由电 控单元控制电机和行星减速齿轮机构工作,对左右后制动钳实施制动。 比传统的手驻车制动模式前进了一大步,而与后制动钳一体化更是一种 高端技术。这种一体化的大大提高了驾驶与操纵的舒适性与方便性。不同驾驶员 的力量大小有别,用传统的手拉杆进行驻车制动,可能对制动力的实际作用不同。 以一个触手可及的电子按钮由于取代了手动驻车制动杆。按下按钮,停车、制动、 起步、驶离,均在系统直接指示下进行。驾驶员不必费力拉手驻车制动杆,简单 省力。 尤其值得指出的是,一体化技术的安全性也高于手拉杆驻车制动。系统 的制动力量是系统智能运算的,不会因人而异,出现偏差。不会溜车,总能施加适当 驻车夹紧力。并且在汽车处于行驶状态时,后轮具有防抱死制动功能。 独家首创嫡,最 与后制动钳一体化为美国汽车集团 早于年在菲亚特高档轿车上使用,现在许多北美和欧洲车型包括宾利、 奥迪,,新帕萨特等都配备了的。去年,宣布一体化技术 将在中国实现本土化,由其廊坊合资企业为国内市场提供这项先进技术。 从目前的发展来看,短时间内不可能完全取代传统的机械手刹,特别是在一些汽 第章绪论 硕士论文 车电子技术装备较少的车辆上,一方面,因为从它的工作原理上看,系统电控单 元需要与整车控制器局域网通讯,目前在很多低端车型上并没有采用局域网控 制,主要是成本和可靠性问题。但随着汽车电子技术进一步普及,会将以其优越 的性能得到广泛的研究与应用。 ..研究的主要目标和内容 本课题对电子驻车制动系统控制策略及软件进行了探索性的研究与开发。文中在 介绍电子驻车制动系统原理及总线原理的的基础上,对电子驻车系统总体设 计方 案进行了分析描述,重点介绍了在系统硬件基础上电子驻车系统的安全及控制策略, 中央控制节点、驻车制动节点及各参数采集节点的软件设计,通过软件编程实现一个 安全可靠的驻车制动功能,搭建了网络进行数据传输,研究分析基于协议的 电子制动系统内部数据通讯,根据电子驻车制动系统的功能提出一套通讯实施方 案。 本课题研究的主要内容有: 汽车线控技术、线控制动技术及其发展趋势; 电子驻车制动系统及总线相关原理,包括线控制动系统原理及分类、 电子驻车制动系统的关键技术及技术相关要求、汽车总线原理研究等内容; 电子驻车系统的总体设计方案,包括功能分析及设计、系统参量采集分析、 现场总线选择及软硬件的总体设计; .电子驻车制动安全及控制策略研究,包括常规驻车制动功能及扩展驻车制 动功能实现策略; 电子驻车制动系统的软件设计,。包括软件总体结构、相关采集节点软件设 计、总线通讯软件设计等内容; 系统的防干扰措施。 系统实验及结果硕士论文 车辆电子驻车制动系统的软件设计研究 电子驻车系统及汽车总线原理研究 基于电子驻车系统的特点,其涉及的理论基础主要有两部分,首先是线控制动技 术,其次是用于通讯的现场总线技术。本章分别对这两部分理论进行必要的论述,并 对电子驻车制动系统的关键技术、设计要求及安全相关性能要求进行了分析。 .线控制动系统原理 线控制动系统一般可采用的车轮压力系统有两种:其中一种为电子液压制动系统 , ,另一种为电子机械制动系统, 【 ,如图..所示。是在传统的液压制动器基础上 发展起来的,电子与液压系统相结合所形成的多用途、多形式的制动系统,它由电子 系统提供柔性控制,液压系统提供动力;而则将传统制动系统中的液压油或空气 等传力介质完全由电制动取代,是未来制动控制系统的发展方向。此两类线控制动系 统的共同特点是:均采用踏板转角与踏板力按比例调控的电子踏板;具有控制制动力 矩与踏板转角相对应的程序控制单元;程序控制单元可基于其它传感器或控制器的输 入信号实现主动制动及其它功能。 图..线控制动系统的分类 ..电子液压制动系统船 电子液压制动系统是将电子与液压系统相结合所形成的制动系统。由电子系 统提供柔性控制,液压系统提供动力。结合电子元件提供的电子控制系统,以及中央 控制器对各个信号进行计算,再发出指令给执行机构产生制动力,同时控制制动 力大小,使车辆有效制动。 电子液压制动系统邶的结构原理 传统车辆制动系统的工作过程是,驾驶员通过制动主缸在轮缸上建立制动压力。 而电子液压制动系统是通过蓄能器提供制动压力。蓄能器压力由柱塞泵产生。 电子液压制动的控制系统由传感器、电子控制单元及执行器液压控制单元 第章 电子驻车系统及总线原理研究 硕士论文 等构成嘲刚?,如图。.所示。制动踏板与制动器间无直接动力传递。制动时, 制动力由和执行器控制,踏板行程传感器将信息传给,汇集轮速传感器、 转向传感器等各路信号,根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力,并发出指 令给执行器的蓄能器来执行各车轮的制动。高压蓄能器能快速而精确的提供轮缸所需 的制动压力。 图.. 系统结构原理框图 控制系统还可接受其他电子系统例如、等的传感器信号,从而保证最 佳的减速度和行驶稳定性。与不同,不需要车轮制动器附近的额外空间,也 不会增加额外的重量。为降低能耗,经过良好设计的电源能充分满足要求。在紧 急情况下,制动主缸的压力还可直接施加给两个前轮。因此,就目前而言是实现 的第一步。 的优点与不足 与传统液压制动器相比,有了显著进步:结构紧凑,改善了制动效能;控制 方便可靠,制动噪声显著减小;不需要真空装置,有效减轻了制动踏板的打脚,提供 了更好的踏板感觉;由于模块化程度的提高,使得车辆的设计更加灵活;减少了制动 系统的零部件数量,节省了车内空间。但是还是有其局限性,整个系统仍然需要 液压部件,离不开制动液。 ..电子机械制动系统临 新型的电动制动器是整个电制动系统中的关键部件,也是系统的执行元件。该制 动器采用电力制动、电子控制,有两个输入:即控制电信号输入和供能电流输入,制 动控制器根据制动踏板上传感器传来的信息控制制动器伺服电机的输出力矩和 旋转方向。 电子机械制动系统的结构和原理 最早应用在飞机上,后来才开始在汽车上应用。与传统的制动系统有着 极大的差别,其执行和控制机构都需要重新设计。 硕士论文 车辆电子驻车制动系统的软件设计研究 执行机构应能具有将电动机的转动平稳地转换为制动蹄块的平动、够减速增矩、 自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等功能。由于体积的限制,其结构必须巧妙 和紧凑,减小电控制动系统体积是整个系统设计中非常重要的内容。对于制动控 制部分,则要求能精确控制电动机的转速和转角,从而防止制动抱死。 小型车辆的主要包含以下部分圆嘲‘姗: ? 电制动器:制动动力来自电动机并施加给盘式或鼓式制动盘。 ? 制动控制单元:接收制动踏板发出的信号,控制制动器制动;接收驻 车制动信号,控制驻车制动;接收车轮传感器信号,识别车轮是否抱死、打滑 等;控制车轮制动力,实现制动防抱死和驱动防滑等功能。 ? 制动力传感器:监测电制动器的制动力输出,并将制动器输出力信息传给电 制动控制单元。 ?轮速传感器:准确、可靠、及时地获得车轮的速度信息。 ? 电源:为整个电制动系统提供能源,与其它系统共用。 ,电子机械式线控制动系统的主要优点是: ? 结构简单,省去大量管路及相关部件; ?制动响应时间短,提高了制动性能; ?制造、装配、测试简单快捷,采用模块化结构,维护方便; ?采用电线连接,系统耐久性能良好; ? 易于改进,略加变化即可实现其他的电控功能。 所面临的问题 电子机械制动系统是一个全新的系统,目前尚有很多问题有待解决: ?控制系统失效问题,如果系统或者电源出现故障,如何保证制动系统的有 效 工作由于线控制动系统不存在独立的主动备用制动系统,因此需要一个备 用系统保证制动安全; ?汽车高速制动时会产生大量的热量,因此需要反复验证驱动电机和其他部 件 在高温条件下的工作稳定性; ?汽车上有大量较强的电磁干扰,因此,要求线控制动系统的电子电路良好 的 抗电磁干扰能力; ? 制动电机需消耗大量的电能,这是对目前车辆使用的电源的一个考验; ? 由于线控制动系统采用了大量的传感器、控制芯片和新的技术,使得电制动 系统的成本比现有的液压制动系统高,因此降低系统的制造成本是当前需要 解决的重要问题之一。 的未来研究方向 目前制动系统的技术还不成熟,需要解决的技术问题还很多,国外将电子机 第章电子驻车系统及总线原理研究 硕士论文 械式线控制动系统的研究重点集中在以下几个方面。 ? 耐高温电子元器件的研究对耐高温电子元器件的研究主要涉及到个方面: 一是在电子元器件本身上下工夫,提高其对高温的承受能力和在高温下的工 作稳定性;二就是改良制动盘的材料和提高其散热能力,通过优化设计提高 整个制动器的散热性能,为电子元器件提供良好的工作环境。 ? 机械电子执行机构对于机械电子执行机构的研究已经有几家公司提出了设 计方案并申请了专利,目前的执行机构中机械零件还比较多,结构也很复杂。 ?可自适应调节的控制算法目前车辆制动器在控制算法上主要采用种:滑模 控制、逻辑门限值控制和最优控制算法。以后为了适应的发展还可以采 用新的控制算法。 ? 灵敏度高而又价廉的传感器现使用的传感器功能比较单一,灵敏度也有待提 高。为了保证系统能正常可靠地工作,需要研发灵敏度高、功能集成、 质优价廉的新型传感器。 ? 系统容错控制电控制动系统的容错性牵涉到制动系统的安全性和可靠性,因 此是一个至关重要的研究方向。有些学者用实验的方法检测和评估对制 动请求的响应,通过一定的算法来忽略瞬间的错误信号,借以实现系统的容 错控制;有的是在分布式的线控制动系统中加入一个中央控制芯片,这是一 个专门进行容错控制的冗余设计,并配以专门编写的软件来进行容错控制处 理;最新的研究是:在系统中引入一个监控器,用以检测可能导致系统错误 和失效的信号,然后产生错误检测代码,根据代码来处理失效和提高安全性。 车辆线控系统的容错控制是一个牵涉到计算机硬件、软件、通信协议等多方 面的比较难以解决的问题,也是线控制动系统里非常核心的问题。 ? 高可靠性的电线和连接件在新的制动系统中,电线和连接件取代了原来 .的制动管路及相关零部件,因此要求必须可靠,这将直接影响到整个系统的 安全性和可靠性。 ? 力矩电机的设计的一个极大优势就是制动响应快,所以要求电动机必须 响应迅速。此外也要求电动机功耗小、输出的力矩大。在制动过程中,电机 处在“堵转’’的恶劣环境下工作,因此对电机的可靠性要求高,而且必须结 构小巧紧凑、便于安装、能在各种恶劣环境下可靠工作。 本课题研究的电予驻车制动系统作属于系统,作为一种新型的机电一体化 系统,解决了传统汽车驻车制动系统存在的制动线路长、操作舒适性差、反应慢、安 全性差等问题,与传统驻车制动系统相比具有很多优点:它用电子元件取代部分机械 元件,并通过电线来替代部分或全部制动线路和传动机构,缩短了驻车制动响应时间, 提高了驻车制动性能;节省了空间,质量轻;安装测试更简单快捷模块结构。 硕士论文 车辆电子驻车制动系统啪的软件设计研究 电子驻车制动系统采用全新的电子制动器对汽车实施制动、集中控制的电子控制 单元通过车载网络对车辆参数进行采集后,根据预设的安全控制策略进行系 统的整体控制,每个驻车制动器都有各自的控制单元,可以根据驻车环境自动给每个 车轮施加最佳的驻车制动力。 .电子驻车制动系统的关键技术 由于电子驻车车系统取消了传统的气动、液压及机械连接,取而代之的是传感器、 、电磁的执行机构,因而传感器的精度,硬件的可靠性、抗干扰性,控制算 法的可靠性、容错性,执行机构的快速性、可靠性及不同系统之间通信的实时性, 总线的容错性和仲裁能力及动力电源等都制约着线控技术的广泛应用。制约电子驻车 制动系统的关键技术包括以下几方面。 传感器技术 传感器是组成电子驻车系统的基本且重要末端单元,其中央正是通过采集传 感器相关信息判断并实施相应的驻车动作,例如压力传感器、车速传感器、驻车坡度 传感器、线性位移传感器等,它们提供了电子驻车制动系统所需的主要信息。汽车电 子驻车制动系统的控制效果紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度,因而传感器的 科技含量直接影响整个电子驻车制动系统的性能。如何制造出体积小、成本底、可靠 性高而且测量精度高的传感器就成为线控系统的关键技术之一。 总线技术 国际上众多知名汽车公司早在世纪年代就积极致力于汽车总线技术的研究 与开发。随着汽车总线技术的发展,将会有多种不同的总线技术用于汽车中, 尤其是 具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议,如:、、和。 总线网络用于各电控单元之间的信息交换,车载故障诊断等,应用最广泛。 网根据传输速率的不同分为低速网和高速网。低速网运行在 以下,连接座椅、天窗、车灯等无实时要求的控制模块。高速网一般为, 用于满足实时性高的重要控制。如发动机控制、线控转向、线控制动等。尽管高速 网的波特率最大可达到,但是网高速运行时双绞线电缆中产生很大的 电磁辐射,当传输速率超过时,其能量的损失会迅速增大羽。时间触 发协议是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议,能够支持多种容错策 略,具有节点的恢复和再整合功能;公司的可用于汽车线控系统的 网络通信,其特点是既能满足某些高优先级消息的时间触发,以保证确定延迟的要求, 又能满足某些消息需要事件触发和需要中断处理的要求;而其他汽车制造商目前 采用,这是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信系统,具有容错功能和 确定的消息传输时间,能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。目前标准 第章 电子驻车系统及总线原理研究 硕士论文 的物理层标准己经由公司开发完成,通讯协议正在研发中。该标准的出台不 仅提高了信息传输的一致性、可靠性,而且还简化了信息开发和使用过程, 并降低了 成本.从现在的发展来看,由于是基于时间和事件的触发协议,要优于.’。 基于总线技术的线控制动系统将传统的机械系统变成通过高速容错通信总线相连的 电气系统,实现系统的自动化、智能化、网络化与信息化。 动力电源技术 而在电子驻车制动系统中,由于制动力矩直接由电机提供,使得所需电源功率增 大,而提高电压是增大功率的好方法,所以传统的系统不再能很好地满足要求。 如何提供足够的电能保证系统的稳定运行成为解决问题的关键,电压系统的研究 和电动汽车的深入研究为此技术的解决提供了平台,为驻车制动系统的广泛应用打下 了基础‘幻四叫。 . 容错控制技术 为了满足汽车驻车可靠性与安全性要求,线控制动系统必须采用容错控制技术, 容错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法种。硬件冗余方法主要是通过 对重要部件及易发生故障部件提供备份,以提高系统的容错性能;解析冗余 方法主要 是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度,从而改善系统的容错性能。在 系统中,相对于来说,传感器和执行机构更易发生故障,一些传感器和执行 机构间存在着冗余,冗余是实现容错控制的基础,一旦某部件发生故障,利用冗余关 系可用其他部件代替故障部件,以消除故障。相对传感器和执行机构来说,的可 靠性较高,但一旦出现故障时,后果更为严重,系统不能进行任何操作。基于容 错控制技术的系统,在不影响系统控制功能的情况下,容错控制技术提高了转向 系统的可靠性,保证了车辆的正常行驶及安全性。而可靠性和安全性是制约系统 应用的主要瓶颈之一。当系统的可靠性和安全性能够达到普通动力转向系统水平 时,其产业化也就指日可待了。 .电子驻车制动系统设计要求及安全相关的性能要求 ..驻车制动系统设计要求 制动系统的结构和性能直接关系着车辆和人员的安全,是汽车重要的安全件,受 到普遍重视。在国家强制性标准?《汽车制动系统结构、性能和试验方法》 以及?《机动车运行安全条件》中,对制动系统的结构和性能都做出了严 格的规定。具体设计要求如下: 具有良好的冷态制动效能,能产生足够的制动力,使汽车的行车制动、驻 车制动以及应急制动符合国家强制性标准的要求。 硕士论文 车辆电子驻车制动系统的软件设计研究 具有良好的制动效能恒定性,由于摩擦热的影响或摩擦表面浸水使制动效 能降低的程度应尽可能的小并能够恢复。 具有良好的制动方向稳定性,应使制动力在车轴之间良好分配,并在同一 车轴的左、右车轮之间对称分配。 控制轻便,控制装置的位置应便于操作,控制力和行程应适当。 工作可靠,行车制动系传能装置必须至少采用双回路,反映时间应短;动 力制动系必须具有至少两个储能装置。,, 制动衬片块磨损小,制动间隙的检查、调整和制动衬片块的更换应方 便。 各部件特别是车轮制动器的尺寸和质量应尽可能小。 ..驻车制动系统安全相关的性能要求 前面介绍了线控驻车制动系统关键技术,线控制动系统是一种精密的车载控 制系 统,它的制动控制理论和传统制动系统一样,建立在车辆制动动力学的基础 上,由于 制动系统是车辆行驶最重要的安全保证,而线控系统又是一项有待进一步完 善的新技 术,所以在设计线控系统时必须考虑安全因素。 线控制动系统最具特色的地方是它使用了关键的安全装置,因此它有着许多方面 的安全要求。通常我们期望当系统发生故障时不会危及乘员及路人的人身和财产安 全。因此,要求线控制动系统应具有自检测功能,即将检测到的故障以编码的方式存 到系统自带的存储器中,并及时调用应急处理方案。如果系统某个节点发生错误,系 统要能有容错功能,并且保证车辆在行驶过程中不丧失制动能力,或者是能够低速行 驶到修理点进行修理。所以制动系统必须能在这段有限的时间内提供有效的安全操作 功能,这意味着整个制动系统必须对假设的错误都具有容错功能。除此之外,子系统 还有着更严格的安全要求,在子系统中出现的错误不能影响到整个制动系统,每一个 子系统的数据输入、工作进程、数据输出都必须能容错。如果某个子系统检测出错误, 适当的减少和关闭它的功能都是允许的,但前提是这样不能影响到车内乘员、车外行 人和车辆的安全。系统在探测到错误之后应立即采取相应的安全保障措施,这些措施 在运行的同时不能终止制动系统功能。此外,系统应尽可能地修复那些可以自修复的 错误,例如节点时基错误等。 线控制动车辆应该具有车载自诊断系统 ,以 便系统对检测到的任何错误有所反应。当错误发生时,自诊断系统在恢复错误时必须 保持系统按照安全制动策略运行。自诊断系统将错误按照严重程度和是否可以恢 复进行分类。当系统发生严重故障时,如丧失制动能力,自诊断系统在启动紧急防护 措施的同时与发动机管理系统进行通讯,以限制汽车的行驶速度,便于车辆能缓慢行 第章电子驻车系统及总线原理研究 硕士论文 驶到修理地点。当系统间断地发生一些故障时,自诊断系统调用应急功能并发出警示 信号,同时将故障代码存入故障代码存储器中,便于修理时读取。此外,自诊断系统 能向外输出制动系统的内部参数,例如车轮的载荷、制动器电机电流等等。 系统发生安全故障或者错误的频率应该有限制,一般来说每个节点单元连续发生 两次故障的时间间隔不能超过×小时,自诊断系统自始至终都将错误或者故障 下来,用来判断系统的工作状态是否良好。 .汽车总线原理研究 总线是由德国公司开发的一种有效支持分布式实时控制的串行通信网 络,主要用于嵌入式控制器的通信系统及智能装置的开放通信系统。总线作为一 种现场总线在具有现场总线的开放式、数字化、多点通信等特点的同时,还具有可靠 性高、纠错能力强等优点。由于电子设备在汽车上应用的普及,车上电控单元 不断增加,总线的提出从很大程度上解决了车上电控单元间的信息交换问题。 总线被汽车行业广泛应用,逐渐形成了.、.和.等国际标准,同 时也成为了和的标准。随着总线的飞速发展,其应用范围已经不再局限 于汽车行业,已经扩展到了机械工业、纺织工业、数控机床、医疗器械以及家用电器 等领域。总线已经发展成国际上应用最普遍的现场总线之一,并且被公认为最有 发展前景的现场总线。 .. 总线的性能特点 ,全称为“ ,即控制器局域网,是国际上应用最 广泛的现场总线之一。最初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换 而开发的一种串行数据协议,被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子 控制装置之间交换信息,形成汽车电子控制网络。目前己成为国际标准化组织 标准,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,的应 用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、 传感器、防滑系统等应用中,的位速率可高达。同时,它可以廉价地应用 于交通运载的电气系统中,例如:灯光聚束、电气窗口等等,以替代所需要的硬件连 接。总线广泛的应用与其良好的性能密切相关,其特点如下引: 可实现全分布式多机系统,且无主、从之分,网络上任意一个节点均 可在任意时刻,主动地向其它节点发送信息,通讯方式灵活,利用这一特点,可以方 便地构成多机备份系统。 网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实事要求,高优 先级的数据最多可在 内得到传输。 硕士论文 车辆电子驻车制动系统口的软件设计研究 采用非破坏性总线优先级仲裁技术,当两个节点同时向网络上发送消 息时,优先级低的节点主动停止发送数据,而优先级高的节点可以不受影响 地继续发 送信息,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况 下也不会 出现网络瘫痪情况。 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接收数据,无需专门的“调度。 的直接通信距离最远可达速率;通信速率最高可达 此时通信距离最长为。 上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达个;报文标示符 ,可达种.。 采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,具有极好的检错效果。’ 的每帧信息都有校验及其他检错措施,保证了数据出错率极低。 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节 点的操作不受影响。 .. 总线应用设计 ... 网络结构 网络结构对系统的特性有很大影响,网络采用的是总线形结构,但又有多种 具体的连接方式。在特定的应用环境下,网络结构选择的一般原则是:在同样 的 硬件参数下,尽量提高网络的电磁兼容性。 网络基本结构如图..所示。其中为端点匹配电阻,阻值为欧姆。 这种网络结构简单易实现,因而应用范围也最广泛。图.. 网络基本结构 ... 节点结构 节点是网络信息的接收和发送站,总线网络中有两种类型的节点:使用独立 控制器的节点和使用集成控制器的节点,两种节点结构如图..所示。使 用独立控制器的节点可用于多种,为一个系统开发的软件也适用于其它系 统, 即使是对于不同的系统;而为集成控制器的节点开发的软件就很难应用于其 它网络。但使用集成控制器的节点的读写访问速度快,器件成本低。 第章 电子驻车系统及总线原理研究 硕士论文 状态与控制信号 篙旦楼雾霸舔器习’量餐雾霸蔷剥壁控制器 掣:毫酬习渊?旧着姿鋈 独立控制器节点结构 微控制器 ? 撅飘周 ? :蝴?..幽 集成控制器节点结构 图..两种节点结构 ... 控制器结构 控制器包括协议的控制电路、接口、接收/发送缓冲器和硬件接收 过滤电路,如图..所示。其中协议控制器是控制器的核心,具有数据解包、 帧编码、错误检测、错误信令、应答、位编码以及同步等一系列功能。硬件 接收过滤 电路完成对接收到的信息进行甄别的功能,使用硬件过滤电路可以大大地减 轻 进行过滤处理的运算负担。接收和发送信息缓冲器负责与控制器之间数据传 输速度的匹配。 状态与控制信号 发送信息 爝 剁 缓冲器 .一卜 洲一 滋 :;;; 善据 。霉,’,霭 硬件?接收信息 锄, 一一一洲 接收过滤器’缓冲器 图.. 控制器结构 .. 总线技术规范 由于技术应用的普遍推广,导致要求通讯协议的标准化。为此,年 月公司制定并发布了技术规范 .该技术规范包含和 两部分。年月正式颁布了道路交通运载工具一数字交换一高速通讯控制 器局部网国际标准 ,为控制器局部网标准化、规范化的推广铺 平了道路。 ... 通讯协议 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。通讯层的定义与开放系统 硕士论文 车辆电子驻车制动系统耻的软件设计研究 互连模型 一致。每一层与另一设备上相同的 那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层,而设备只通过模型 物理层的 物理介质互连。的规范定义了模型的最下面两层帕:数据链路层包括逻辑链 路 控制子层和媒体访问控制子层和物理层,的分层结构和功能如图.. 所示。 数据链路层 逻辑链路子屡。 嚣警薹蒜 怒载通知 监控墨 恢复管理 媒体访问控翻子屡 数据封袭/拆装 帧编码曩充懈赡囊宪 媒体访问管理 故障界定 篁墨鉴銎 出错标定 应答 串行化/解除串行化 特惠层 位编码/解码 位定时 总线故障管理 同步 疆动/攮较?特性 图.. 的分层结构和功能 子层的主要功能是:为数据传送和远程数据请求提供服务,确认由子层 接收的报文实际已被接收,并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时, 存在许多灵活性。子层的功能主要是传送规则,亦即控制帧结构、执行仲裁、错 误检测、出错标定和故障界定。子层也要确定,为开始一次新的发送,总线是否 开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是子层的一部分。子层特性不存 在修改的灵活性。 在物理层,能够使用很多物理介质,例如双绞线、光纤等。只要物理驱动器 是在“开集电极’’,而且每个节点都能够监听到它自己以及其他所有节点,那么 就能够工作。最常用的就是双绞线,一个信号能够使用差分电压传送,驱动器能 够因此而避免噪声和容错,这两条信号线被称为“和“?,静态时是.。 用?比?高表示的逻辑“,被称为“显形位;而用比?高表 示的逻辑“”,叫做“隐性位”。差分的电压令网络即使在一条信号线断开或者 在噪声极大的环境中也能够工作。只需要一对双绞线,差分的输入就能够很有效 地抵偿噪音。总线位的数值表示如图..所示: 第章 电子驻车系统及总线原理研究 硕士论文 & 平 均 ‘卜鼬 下‘ 电 压 ?.? . 稳性位 最巾位 稳性位 时闻 图.. 总线位的数值表示 图.. 通讯层概念 在建立一个实际运行的?通讯网络时,由底层硬件来实现对物理层、 数据链路层的控制。.协议规定的通讯检错机制已足够保证?通讯网络 具有非