基于FlexRay通信的汽车线控制动系统设计

郭超++张凤登

摘要：随着汽车电气自动化的深入发展，线控技术成为汽车控制领域的重要研究课题之一。为提高系统在故障状态下的运行能力，提高这类强实时系统的可靠性、安全性和稳定性，提出了汽车在制动节点故障状态下的制动力分配策略。建立了一种线控制动模型，通过对线控制动系统提出的制动力分配策略，对节点故障下制动力分配策略进行了实验与分析验证。实验表明，该制动力分配策略可使汽车在节点故障的情况下顺利完成汽车减速或停止动作，提高了系统安全性和可靠性。

关键词：线控制动；FlexRay；制动力分配；故障运行

DOIDOI：10.11907/rjdk.171660

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010011203

0引言

随着车速和车重的不断提高，对汽车制动系统的要求也越来越高，制动性能已成为检验汽车安全可靠性能的一个重要标准[1]。相较于传统液/气压制动系统，线控制动系统具有显著优势[2]。在线控制动系统中，用导线取代了液压管路，无液体媒介参与，因而对制动命令的响应速率比液压制动系统快得多，同时，电子执行器的响应频率比气/液压要高很多。与此同时，响应速率的加快，较好地改善了防滑性。由于去掉了液压配件，失效危险大大降低，提升了安全性，也减轻了质量[3]。

1线控制动系统

1.1线控制动系统结构

线控制动系统共设计5个节点完成整个制动操作。其中，中央控制节点1个，制动力控制节点4个。

1.2制动力分配策略

1.2.1三轮制动模式

当某一制动节点出现故障时，汽车必须启动紧急制动方案，这时必然存在一侧单轮制动，一侧双轮制动[4]。Control of Brake and SteerbyWire Systems During Brake Actuator Failure一文中提到，在三轮制动过程中，单侧车轮制动力等于另外一侧双轮制动力之和时车辆不会跑偏[5]。在车速很高的情况下，必须在有限保证车辆稳定的前提下施加制动力。当车速降到一个比较安全的范围后再逐渐增大双轮制动侧的制动力，以便迅速使车辆安全制动。这时车辆两侧制动力分配不均匀，但由于车速较低，可通过调整方向盘来保持车辆稳定性。三轮制动模式的制动力分配曲线如图1所示。

图1三轮制动力变化曲线

（1）假设故障轮在左侧，则在高速段按如下策略进行制动力分配：

FL=FRF+FRR（1）

其中，FL为左侧制动力，FRF、FRR为施加在右侧前后车轮制动力大小。

（2）在过渡段按如下策略进行制动力分配：

在故障侧达到最大附着极限之前制动力分配策略同公式（1）。故障侧达到附着极限以后，缓慢增加右前轮制动力：

FRR=FRF·FZRdynFZFdyn（2）

（3）在低速段，FRR制动力分配策略同公式（2），FL制动力分配策略相同，见公式（1）。

1.2.2两轮制动模式

两轮制动分同轴制动和对角制动两种情况。当同轴的两个车轮制动器发生故障时，无故障轴左右两个车轮的制动力应保持相等。随着制动意图增加，当制动力达到最大地面附着极限时，制动力保持最大不变。对角制动时，由于前后轮可提供的最大制动力不同，随着制动意图的增大，后轮会优先达到最大附着极限，后轮制动力不再随着制动意图的增大而增加，这时可缓慢增大前轮制动力，使其达到前轮附着极限，最大利用地面附着系数。

（1）同轴制动力分配策略如下：

FL=FR≤Fmax（3）

其中FL、FR分别为无故障左侧、右侧车轮制动力，Fmax为后轮最大制动力。

（2）对角制动力分配策略如下：

FR=FF·FZRdynFZFdyn（4）

其中FL、FR分别为无故障左侧、右侧车轮制动力。

1.2.3同侧双轮与单轮制动模式

當汽车发生同侧两个节点故障或三节点同时故障时，需要尽可能地应对当前危险状态。在单轮制动情况，不能单纯依靠制动节点制动，此时应充分发挥主观能动性，通过控制方向盘来保持车体方向。在速度较高情况下，施加较小的制动力，随着车速的降低再逐渐增大汽车制动力。可以间歇式施加制动力，在保障汽车方向的前提下尽可能让汽车停止前进。

2线控制动系统硬件设计

2.1硬件设计方案

线控制动系统共设计5个节点，系统整体设计如图2所示。

图2线控制动系统硬件设计

2.2微控制器MC9S12XF512最小系统设计

线控制动系统节点采用Freescale公司的16位车用微处理器，可满足线路板空间有限且又要求具有高性能、高稳定性、可靠性的应用，具有高速率、高稳定性、成本低等特点[7]。

2.3制动意图采集模块设计

采用压力传感器模拟驾驶员制动意图信息。压力传感器选用电阻应变式传感器，将力学信号转化为电信号。压力传感器将制动意图（力信号）转化为电信号，再经A/D转换电路，转化为数字信号传给微控制器。微控制器根据采集到的数字信号和制动力分配算法来控制制动执行机构工作[8]。

3线控制动系统软件设计

3.1系统软件架构

线控制动系统软件架构如图3所示，该图清晰地描述了整个系统的数据流向：中央节点1采集压力传感器数据，以此判断驾驶员制动意图；根据其余4个节点采集并传送到中央控制节点的轮速，由制动力分配算法合理分配制动力矩，然后传送到4个节点；4个节点根据此数据控制磁粉制动器制动，以完成可靠有效的停车制动。

本系统控制逻辑主要由节点1完成。节点1起着故障监测及制动力分配的重要作用。节点1循环监测制动意图以及故障情况，当监测到驾驶员制动意图时会迅速判断节点故障状态。当有节点发生故障时，节点会根据相应的制动力分配策略分配制动力[9]。endprint

3.3线控制动系统从节点

本系统通过控制PWM波实现磁粉制动器的线性控制。从节点的主要作用就是接收中央控制节点的制动力分配策略，根据驾驶员制动意图完成汽车减速或者停车。此外制动节点还要实时采集当前轮速，反馈给中央控制节点，从而更加安全合理地分配制动策略。

4实验及分析

4.1实验方法

采用TrueTime Simulator & RealTime Debugger进行实验仿真，数据采集采用PC端仿真器，制动力采集采用输入磁粉制动器两端电压进行测量，通过人为多次改变制动意图，观测4个制动力执行机构输出的制动力大小[10]，通过监测数据参数的变化判断系统性能。

4.2实验结果及分析

设置制动节点故障，此时系统会启动相应故障状态下的制动策略。在故障状态下，施加制动意图，通过测量不同时速下从施加制动意图到汽车停止的距离得到实验结果，如图4所示。《机动车运行安全技术条件》要求汽车紧急制动情况下，初始速度在30km/h时制动距离应小于38.0m。实验结果表明本系统在单节点故障、两节点故障情况下，在初始速度為30km/h时，制动距离均小于38.0m，满足了紧急情况下对制动系统的要求。系统三节点故障和同侧两节点故障属于严重故障，此时可以保障汽车安全停止，但为了优先保障安全性，制动距离和制动时间有所增加。所以，本系统采用的制动策略可以保障汽车在故障状态下稳定停车。

5结语

本文论述了基于FlexRay通信的汽车线控制动系统设计与实现，选择一种汽车线控制动方案来搭建汽车线控制动硬件模型，并提出了一种新的制动力分配策略，使本系统可以在制动节点故障状态下，完成三轮制动、两轮制动、单轮制动，很大程度上提高了系统的可靠性与稳定性。

参考文献参考文献：

[1]曲万达.汽车线控制动之硬件系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[2]陈兴隆，张凤登.安全性汽车线控制动系统及其控制方法研究[J].通信电源技术，2014，31（4）：2527.

[3]林鹰.现代汽车电制动新技术[J].交通与运输，2005（2）：12.

[4]黄源，彭晓燕，谭震.线控制动系统制动力分配策略的研究与仿真[J].计算机仿真，2011，8（10）：324327.

[5]金紫阳.FlexRay总线在嵌入式线控制动系统的应用与实现[J].电气应用，2015，34（10）：103106.

[6]刘祥志，毛成勇，张瑞锋，等.基于FlexRay的线控制动系统的研究[J].山东科学，2010，23（3）：3537.

[7]FLEXRAY CONSORTIUM. FlexRay electrical physical layer application[EB/OL].www.flexray.com.

[8]张成利.汽车线控制动系统及其控制算法与仿真研究[D].沈阳：东北大学，2008.

[9]LEE K J， KI Y H， CHEON J S， et al. Approach to functional safetycompliant ECU design for electromechanical brake systems[J]. International journal of automotive technology，2014，15（2）：325332.

[10]任灵童.车载网络仿真与评测系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）endprint