凸轮式汽车线控制动系统控制器的设计

2014-10-15朱东阳张兴旺王舒阳

机电信息 2014年18期

朱东阳张兴旺王舒阳

（南昌工程学院机械与电气工程学院，江西南昌330099）

0 引言

汽车线控制动系统（Brake－By－Wire）是将传统的液压或气压制动执行元件改为电驱动元件，由电机来提供制动力的一种制动系统。由于其具有结构简单、质量轻、响应迅速、易于采用模块结构、易于进行改进与增加功能等诸多优点，现在已经成了汽车制动研究的热点［1－3］。电机线控制动控制器是汽车线控制动系统的重要组成部分。

本文针对所提出的一种凸轮式线控制动系统［4］设计了专门的制动控制器，并通过试验进行了测试，结果显示，该系统具有结构简单、响应速度快的特点，满足了线控制动系统的控制要求。

1 凸轮式线控制动系统控制器的硬件设计

凸轮楔块式汽车线控制动系统主要包含电子踏板模拟器、制动系统控制器、功率驱动电路和机械执行机构4部分，如图1所示。电子踏板模拟器把驾驶员踩踏制动踏板的力转化为制动信号，传递给制动系统控制器；制动系统控制器是整个系统的核心控制部分，接收各个传感器的信号，根据一定的算法对制动电机进行控制，并给电子踏板模拟器提供反馈信号；功率驱动电路主要为电机提供电流并对其进行保护；机械执行机构的主要功能是对制动电机进行减速增矩，并把产生的力矩作用到制动盘上产生制动力矩。

图1 制动系统框图

制动系统控制器硬件电路采用DSP芯片TMS320F2812作为控制核心，并采用专门为两相／四相步进电机设计的TB6560双全桥驱动芯片作为功率驱动芯片，实现对两相混合式步进电机的细分控制。

2 凸轮式线控制动系统控制器的软件设计

2．1 汽车动力学模型

汽车常用的车辆模型有一般车辆模型、四轮车辆模型、二轮车辆模型和单轮车辆模型。由于汽车是一个复杂的多自由度空间运动系统，若考虑所有的自由度，就必须列出相应数量的运动微分方程，使分析和求解变得极为困难，而且所需车辆参数较多，大多不易精确测量，可实现性差，实时控制精度不高。为了简化研究问题，根据所设计装置的具体要求，本文选用二自由度单轮车辆模型［5］，并忽略空气阻力和车轮滚动阻力。二自由度单轮车辆动力学模型方程如下：

式中，m为车辆质量；v为行车速度；Fx为车轮摩擦力；J为车轮转动惯量；ω为车轮角速度；Tb为制动器制动力矩；R为车轮滚动半径；μ为车轮附着系数；Fz为地面的反作用力。

汽车力矩由刹车系统所产生的旋转力矩Te提供，可认为Tb＝Te。

2．2 软件系统

按照线控制动系统工作原理，软件系统通过对踏板信号采样，汽车轮速采样，步进电机两相电流采样，控制系统采用双闭环结构，进行电制动联合控制。其中内环为电流环，通过电流调节控制制动器的输出转矩，实现制动力控制；外环为速度环，实现车轮速度控制。

3 试验结果及分析

所选用两相（A相和B相）步进电机，当开始刹车时，通电时序为从A相线圈的正输入端A＋开始，经过B相线圈的负输入端B－，再经A相负输入端A－，最后是B相正输入端B＋，电机正转实现制动刹车过程；当通电时序为A＋、B＋、A－、B－时电机反转，退出刹车过程。图2（a）所示为两相位驱动信号波形，二者呈正弦交替变化。如图2（b）所示，通过电流采样霍尔元件得到电机A、B两相绕组电流变化波形，电机两相绕组的电流按照正余弦规律变化，实现了均匀细分，电机运行稳定可靠。

4 结语

本文设计了基于凸轮式线控制动系统的制动控制器，控制器的运动控制模型采用了汽车单轮二自由度模型，控制软件采用双闭环结构，并以DSP芯片TMS320F2812为控制核心设计了以两相步进电机为执行机构的驱动控制电路。试验结果证明，驱动控制器具有响应速度快、控制精度高等优点，能够满足线控制动系统的设计要求。