实时汽车电子辅助制动控制系统的设计研究

张洪飞，闫守成

（黄淮学院电子科学与工程系，河南驻马店　463000）



实时汽车电子辅助制动控制系统的设计研究

张洪飞，闫守成

（黄淮学院电子科学与工程系，河南驻马店463000）

摘要：针对传统电子辅助制动方法需要结合驾驶员操纵来实现制动操作，研究了一种实时电子辅助制动系统，该系统采用电子感应传感器与高速芯片组成硬件系统，使用OMAP⁃L137芯片作为中央处理器，使用MSP430F169芯片作为制动等功能模块的实时处理器，OMAP⁃L137芯片与各个MSP430F169芯片之间通过CAN总线进行数据传输。同时使用基于考虑车辆安全性能和舒适性能的发动机辅助接入时机控制策略、BSG电机和离合器协调策略以及TM电机的转矩控制策略作为实时电子辅助制动系统的核心控制策略。最后，通过实验对研究的实时电子辅助制动系统的性能进行实验研究，结果表明在使用了该系统后，对于提高乘坐舒适性以及提高汽车驱动系统寿命都是十分有益的。

关键词：实时电子辅助制动；CAN总线；发动机辅助制动；数据传输

0　引言

在汽车的发展史上，不同时期对于汽车的性能要求各不相同，在这种情况下衍生出来的汽车制动控制技术就需要不断进行提高。现在，人们对于汽车控制技术已经达到了一个比较高的程度，而要想突破这种物理极限，就需要结合其他控制技术，从而达到提升汽车制动控制技术的目的。在现实生活中，出现过各种汽车制动控制技术，有利用电子、气压、液压等对汽车进行制动控制。在这些媒介当中，电子制动控制因其具有灵活、精确、舒适等特点，被大多数汽车制造商采用。而科学的高度发展使得电子技术在汽车制动控制技术方面得到了广泛应用，其占用空间小、处理速度快、传感精确等特点更是为其提供了一定的优势，使其在汽车制动控制技术中占据着不可替代的地位。在汽车电子制动控制系统中，通过对汽车运动时其整体各种性能的检测，对汽车的安全性问题做出评估，从而全面了解汽车的应用性[1]。

对于汽车的动力控制系统，在其内部进行数据传输、信息交流、资源共享时，汽车电子控制系统都起着至关重要的作用。但是电子控制系统在发挥其优越性的同时，也带来了人们对汽车安全性、实时可靠性方面的思考，也就是说，构建安全汽车电子制动系统，就需要充分考虑汽车的实时处理，从而实现安全高效的汽车电子制动控制[2]。

1　电子辅助制动控制系统组成

本文以混合动力汽车的实时电子辅助制动控制系统为研究对象。实时电子辅助制动控制系统主要由车轮转速采集传感器模块、车轮制动执行模块、方向盘转角采集传感器模块、车辆加速度传感器模块、车辆速度传感器模块、刹车踏板压力采集模块、车辆姿态检测模块、BSG电机转速检测模块、发动机制动转矩检测模块、离合器工作状态检测模块以及相关控制器等组成[3]。

2　电子辅助制动控制系统硬件设计

本文研究的实时电子辅助制动控制系统的硬件部分主要包括车轮转速采集传感器模块、车轮制动执行模块、方向盘转角采集传感器模块、车辆加速度传感器模块、车辆速度传感器模块、刹车踏板压力采集模块、车辆姿态检测模块、BSG电机转速检测模块、发动机制动转矩检测模块、离合器工作状态检测模块以及嵌入式系统模块等。其中嵌入式系统模块包括ARM&DSP和单片机等处理器单元、通信接口、UART等。

在ARM的调配下，7个单片机发出汽车车轮制动的命令以及发动机辅助制动、BSG电机和离合器工作指令，其余单片机将调理器通道获得的数据信息传递给DSP，接收到信息后，信号处理器利用一定的电子处理方法对其实时处理，并将得到的结果传递回去。这些制动信息在ARM的调配下，在控制系统中逐层传递，作用于相应部件，从而使得控制系统发挥作用[4]。

本文设计的处理系统，在充分考虑了汽车运行的稳定性及中央控制单元设计要求的情况下，利用ARM926EJ⁃S结合TMS320C6747的双核芯片作为内部单元，可以使其最高频率达到433 MHz。使用TI公司的OMAP⁃L137处理器，负责车轮的制动信息传递以及人际交互的应用，而DSP则主要是接收信息及处理相应的制动控制。

在汽车辅助制动控制系统中，处理器联系越紧密，通信速率越高，系统的响应速度也就越快。在对整个系统实时性以及安全度综合考虑的情况下，就需要设计出高性能的总线接口。

汽车的实时处理系统包括1个OMAP⁃L137和15个MSP430F169，并通过它们的信息交换实现汽车的制动控制，所以其对系统的运行速度和性能有着至关重要的作用。两者之间的总线接口，有CAN总线方式、RS 485扩展串口方式、无线网络通信方式等接口方式[5]。

CAN总线方式是采用一对双绞线的共模作用，针对数据通信的高效安全性而设计的半双工差分通信构架。若应用到处理系统中，就能够在一定程度上，使数据通信线路不过于复杂，提高系统优化的能力，便于高效操作。同时，它还能够促进系统内部构件的控制，使系统内部联系密切，从而提高系统多处理器的功能，其具体的通信接口如图1所示。

图1　CAN总线结构

在本设计中，对于线路中多处理器的通信接口设置，CAN总线方式以其独特的优势被采纳，应用在此项设计中。在某些比较严格的工作环境中，CAN总线会降低响应速度，此时可以通过系统的车轮制动模块来影响控制频率，从而达到系统的有效制动。同时利用差分传输和纠错能力使CAN总线接口与处理器一一对应，保证数据传输的实时性与安全性。在本设计中，通过CAN总线接口来链接平台的MCU之间的信息交换。

对于处理系统的硬件接口，其总线控制是由一个MCP2515和一个TJA1050构成，并利用总线控制器与MCU一一对应以及OMAP⁃L137对多个MSP430F169的设计方式，从而实现系统的实时通信。

这种总线控制接口方式基于MCP2515，能够实时对串行数据缓冲存储，且达到设定值时，会通过中断信号来实现与MCU之间的信息传递，从而保障数据传输的实时可靠。若MCP2515与MCU不是一一对应传输，就可能使数据传输延迟。同时，这种处理系统的设计也使得系统各部件的联系更加紧密，提高数据传输的安全性。

因此，总线控制内部控制部件与MCU只有一种可靠的连接方式，而且大多数时候，MCU对总线控制的信号交换也有一定影响。与此同时，也正因为MCU的差别才导致了起连接作用的引脚不一样，至于信号中断后的接收接口和通信使用的接口也都是OMAP⁃L137提供的，分别是专用的引脚GPIO1_0与引脚GPIO。除此之外，MCP2515如果想正常使用，最终的总线电压信号也是必不可少的，这是由TJA1050提供支持的。OMAP⁃L137端用来发送相应数据的硬件结构[5]，如图2所示。

图2中的MCU_1就是ARM92EJ⁃S，它负责实时发送相关数据；MCP2515是一种有特定功能的控制器，使用的是CAN协议，而使用这个协议的接收器也是TJA1050结构，其性能很高，是一种具有高性能的CAN

收发器，CGND为TJA1050的一种控制开关。图3所示的硬件结构图就是OMAP⁃L137端用来实时接收相关数据的接口。

图2　实时数据发送硬件原理图

图3　实时数据接收硬件原理图

OMAP⁃L137内部的DSP和ARM之间也是采用统一标准的接口GPIO连接起来[6]。

3　电子辅助制动控制系统软件设计

本文研究的实时电子辅助制动系统的软件部分主要针对发动机辅助接入时机控制策略、BSG电机和离合器协调策略以及TM电机的转矩控制策略三部分。其中，发动机辅助接入时机控制策略的研究从安全性能的角度进行考虑；BSG电机和离合器协调策略从舒适性能的角度进行考虑，以降低发动机辅助接入时的冲击为目标；TM电机的转矩控制策略主要针对车速进行控制。

3.1发动机辅助接入时机控制策略

经过调查研究发现：车辆在下坡时产生滑行事故的主要原因是用来起辅助作用的制动转矩不足进而使得速度无法掌控造成的，所以本文提出的方法是辅助制动的转矩是否足够是判断辅助制动是否合格的主要指标，简单来说就是当电机的辅助制动转矩不足时可以用发动机辅助制动。

通过对比两种辅助方式发现，依据电机辅助制动转矩为条件，触发电机辅助制动的使用比用车辆的速度为依据来触发发动机辅助制动好得多，因为这样可以准确地判断出车辆的状态，在车辆快速下坡时可以控制车辆的速度，保持车辆的行使安全；还有就是电机能量相互补充的特点也能使用，可以减少能量损失，降低车辆成本，提高车辆的经济性。当车辆离开下坡后，发动机辅助制动退出的过程为：

式中：B′eng_on=1表示接入发动机辅助制动；B′eng_on=0表示退出发动机辅助制动；BTM_ max表示电极制动转矩最大值；a为一常数，由实验确定；Pa为加速踏板的行程值；Pb为刹车踏板的行程值[7]。

3.2BSG电机和离合器协调策略

对发动机辅助制动的过程和混合动力汽车内部结构以及工作特点仔细研究后制定了以下策略：启动发动机内部的BSG，因为它可以拖动发动机，使发动机不再使用燃油，使发动机的速度快速降下来，当速度达到要求时（期望和实际差值不大于阈值c），启动与离合器连接的动作，结合到一定的时间（阈值b）后，这个时候发动机辅助制动就开始运行了，当车辆滑行运动结束后发动机辅助制动也就结束了。

式（2）和式（3）是两种不同辅助接入方法的计算公式，式（2）为BSG电机的控制方法，式（3）是接入离合器的控制策略：

式中：ig, i0和ie_B分别为主减速比、变速箱减速比以及发动机和BSG电机的减速比；r为车轮半径；b和c分别为一时间常数和速度差常数；ωBSG为BSG电机转速[8]。

3.3TM电机协调控制策略

发动机辅助制动时，电机辅助制动转矩方程表示为：

式中：Ff,Fw,Fi和Fj分别表示滚动阻力、空气阻力、坡度阻力以及加速阻力。

设定一常数g，g表示为：

则式（4）可以表示为：

TM电机协调控制目标为保证汽车下坡时速度稳定，因此，在此使用PID算法对TM电机的转矩进行控制，其控制原理如图4所示[9]。

图4　TM电机转矩PID控制方法框图

4　实验研究

使用本文研究的实时汽车电子辅助制动控制系统前后，将静止状态发动机接入辅助制动系统的制动效果实验如图5所示。

图5　将静止状态发动机接入辅助制动系统实验结果

在未使用本文研究的制动系统时，离合器接合过程中，TM电机的最快速度和最慢速度分别为1 696 r/min 和1 480 r/min，转速波动最大值达到了216 r/min，同时发动机的转速以及汽车的速度波动较大，汽车上人员能够感觉到此过程有较为明显的振动。在使用本文研究的制动系统后，离合器接合过程中，TM电机的最快速度和最慢速度分别为1 580 r/min和1 491 r/min，转速波动最大值只有89 r/min，同时发动机的转速以及汽车的速度波动较小，汽车上人员基本感觉不到此过程的振动冲击，电机转速与使用本文研究制动系统前相比，降低了58.8％，有利于提高汽车驱动系统的寿命。

使用本文研究的实时汽车电子辅助制动控制系统前后，将怠速状态发动机接入辅助制动系统的制动效果实验如图6所示。

图6　将怠速状态发动机接入辅助制动系统实验结果

在未使用本文研究的制动系统时，离合器接合过程中，TM电机的最快速度和最慢速度分别为1 593 r/min 和1 489 r/min，转速波动最大值只有104 r/min，同时发动机的转速以及汽车的速度波动较小，汽车上人员能够感觉到此过程的振动不明显。在使用本文研究制动系统后，离合器接合过程中，TM电机的最快速度和最慢速度分别为1 553 r/min和1 512 r/min，转速波动最大值只有41 r/min，同时发动机的转速以及汽车的速度波动较大，同样汽车上人员基本感觉不到此过程的振动冲击。虽然在使用本文研究的制动系统前后，汽车上人员基本察觉不出差别，但是电机转速与使用本文研究的制动系统前相比，降低了60.5％，这对于提高乘坐舒适性以及提高汽车驱动系统寿命都是十分有益的。

5　结论

现在，人们对汽车控制技术的研究已经达到了一个比较高的程度，而要想突破这种物理极限，就需要结合其他控制技术，从而达到提升汽车制动控制技术的目的。现实生活中，出现过各种汽车制动控制技术，有利用电子、气压、液压等对汽车进行制动控制。传统电子辅助制动方法需要结合驾驶员操纵来实现制动操作，因此本文研究一种实时电子辅助制动系统，该系统采用电子感应传感器与高速芯片组成硬件系统，同时使用基于考虑车辆安全性能和舒适性能的发动机辅助接入时机控制策略、BSG电机和离合器协调策略以及TM电机的转矩控制策略作为实时电子辅助制动系统的核心控制策略。最后，通过实验对本文研究的实时电子辅助制动系统的性能进行实验研究。

参考文献

[1]文天光.实时汽车电子辅助制动控制系统的关键技术研究与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[2]何伟丽，刘光.实时汽车电子辅助制动控制系统的关键技术研究与实现[J].电子制作，2014（17）：73.

[3]韩云武，罗禹贡，赵峰，等.混合动力汽车发动机辅助制动控制方法[J].汽车工程，2014（12）：1433⁃1438.

[4]韩云武，罗禹贡，李克强，等.混合动力汽车下坡辅助电⁃液复合制动控制方法[J].农业工程学报，2015（8）：112⁃118.

[5]彭晓燕.汽车线控制动系统安全控制技术研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[6]赵迎生.辅助制动和汽车主制动装置联合控制理论和方法的研究[D].镇江：江苏大学，2008.

[7]韩云武.坡道工况下混合动力汽车安全辅助控制[D].北京：清华大学，2014.

[8]卢从娟.汽车长下坡速度控制研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[9]陈俊仁.汽车电制动联合控制系统的研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[10]林双武.电动汽车制动控制策略的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

Design and research of real⁃time electronic auxiliary braking control system for automobile

ZHANG Hongfei，YAN Shoucheng
（Department of Electronic Science and Engineering，Huanghuai University，Zhumadian 463000，China）

Abstract：Since the traditional electronic auxiliary braking method needs combine with the driver manipulation to realize the braking operation，a real⁃time electronic auxiliary braking system is studied，in which the electronic sensor and high speed chip are adopted to form the hardware system，the chip OMAP⁃L137 is used as the central processing unit and chip MSP430F169 as the real⁃time processor of the function modules，and data transmission between OMAP⁃L137 and each MSP430F169 is conducted through CAN bus. The timing control strategy of the engine auxiliary access，BSG motor and clutch coordination strategy，and torque control strategy of TM motor based on the vehicles safety and comfort performances are taken as the core control strategy of the electronic auxiliary braking system. The performance of the studied real⁃time electronic auxiliary braking system is studied with experiment，and the experimental results show that the system is beneficial to improve the life of the automobile driving sys⁃tem and ride comfort.

Keywords：real⁃time electronic auxiliary braking；CAN bus；engine auxiliary braking；data transmission

作者简介：张洪飞（1967—），男，河南驻马店人，硕士，高级实验师。主要从事汽车电子控制技术方面的研究。

收稿日期：2015⁃08⁃19

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.01.040

中图分类号：TN876⁃34

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）01⁃0153⁃04