基于CAN总线的汽车EMB结构设计

彭旻洋　吕景亮　曹达　白宇　贾永凯　赵峰

摘   要：在汽车电子机械制动系统的基础上，引入了一种新的结构布置形式，包括电子制动踏板模块、中央控制单元、电控制动模块和制动执行模块。其中，电子制动踏板模块与中央控制单元连接，中央控制单元与汽车的CAN总线连接，电控制动模块与汽车的CAN总线连接，电控制动模块安装于底盘悬架上实现电动机力矩控制，制动执行系统与电控制动模块连接，制动执行模块安装于车轮上块进行制动操作。该结构实现了制动控制，具备一定的稳定性。

关键词：CAN总线  汽车  EMB制动系统

中图分类号：TP27                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0031-02

1  基于CAN总线的汽车电子机械制动系统的优势

现阶段汽车制动系统广泛使用的是液压制动与气压制动系统。传统的液压制动系统会在制动时使制动液受热部分制动液汽化，进而在管路中形成气泡，严重影响液压传输，使制动系统效能降低，甚至完全失效。气压制动必须有空气压缩机、贮气筒、制动阀等装置、结构复杂、笨重、成本高;管路中压力的建立和撤除都较慢，滞后时间较长（0.3～0.9s），使得制动距离加长;管路工作压力低，一般为0.5～0.7MPa，所以制动气室的直径设计得大，且只能置于制动器外部;气压制动系统是通过杆件和凸轮或楔块来驱动制动蹄，增加了簧下质量;制动气室排气有很大噪声，因此无法满足现在车辆行业的更新需求，然而新兴产生的电子机械制动（electro-mechanical brake，EMB） 系统采用高效的线控技术具有传统制动系统无法比拟的优势，极大地提高了容错性，稳定性和通信效率，可以有效避免传统液压、气压制动缺点，受到了广泛的关注和研究。

但是线控技术数据量十分庞大，制动过程中需要采集大量的信息和信号，所以，传统的通信方式显得不太适用，缺点很多，采用CAN总线通信，具有较高的容错性，稳定性和较高的通信效率，故基于CAN总线的汽车EMB系统有很大的发展前景。本文主要基于CAN总线通信，对电子机械制动系统进行研究和模块设计。

2  汽车CAN总线的EMB系统总体设计方案

2.1 汽车CAN总线的EMB系统的组成

该电子制动制动系统采用了分模块化的思想进行设计，提出了一种基于CAN总线的汽车电子机械式制动系统（EMB），通过电子制动踏板产生制动信号，再由中央控制单元实现控制制动执行器工作。系统的总体方案结构由图1所示。

该系统包括四个模块，分别是电子制动踏板模块、中央控制单元（利用CAN总线进行信号传输）、电控制动模块和执行制动模块四个部分。其特征在于，所述电子制动踏板模块会采集对制动踏板的操作并由传感器输出相应的信号;中央控制单元可与电子制动踏板模块的传感器相接，将采集的信號转换为系统的传输信号并将此信号高效、可靠地传送;电控制动模块能将传递过来的信号转换为控制执行制动模块的控制信号;执行制动模块会根据控制信号的控制完成制动器的动作。

2.2 汽车CAN总线的EMB系统设计方案

汽车CAN总线的汽车EMB控制系统的具体工作是当车辆制动时，驾驶员会对制动踏板施加一个作用力，使制动踏板产生位移，位移传感器输出信号A，与此同时电子制动踏板的机构产生相对应的压力，压力传感器输出脉冲信号B。信号A、B经过相应的数模转换传递给单片机进行处理，经过内部设计的算法进行综合分析处理，计算所需要的电机的转向与转速，将计算结果传送到CAN总线。通过CAN总线的节点进行编码与相应分析，再由CAN L 与CAN H 双绞线分别传送到与四个车轮相连的节点进行译码，将信号传送到电控制动模块。电动制动模块从总线接收信号，单片机程序将信号进行分析，传递给与伺服电机驱动器（TB6600），此驱动器连在伺服电机上，可以根据信号控制电机的转速和转矩。

3  硬件电路设计

3.1 硬件电路设计方案

电子制动踏板模块包括三个部分：制动踏板、踏板感觉模拟器、踏板角度传感器。踏板位移传感器安装在电子制动踏板上，且与中央控制单元连接。

中央控制单元由A /D 转换模块，ECU，CAN总线等所组成。其最核心的部分是ECU，是整个中央控制单元的核心，它可以接收各传感器传入的信号，进行信号处理和分析，从而识别驾驶员制动意图。中央控制单元通过CAN总线将信号传输进行通信，解码并重新编码新的数字信号作为输出信号传递给电控制动模块。

电控制动模块将传输过来的信号分析，并进行处理输出控制信号，传给执行制动模块。

执行制动模块包括电动机驱动器、车载电源、直流电动机、行星滚柱丝杠减速增矩装置、制动钳。制动钳由驱动装置驱动产生制动力施加在制动盘，控制汽车的制动。

图 3 所示为汽车EMB系统的总体结构硬件组成框架图，其包括ECU、A/D转换模块、信号采集模块、制动踏板单元以及伺服电动机单元。

3.2 CAN总线通信电路

CAN总线通信电路由三个部分组成，分别是微控制器，CAN控制器和CAN收发器。控制器和收发器的芯片分别选用SJA1000以及CTM1050T。微控制器采用AT89C52。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，它将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。CTM1050T是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN收，发器件，具有提供 DC2500 V 电气隔离功能和ESD保护功能，可以避免由于浪涌、干扰产生的元件故障和总线错误问题，其包括CAN 收发器、ESD 总线和电源保护电路、隔离电路等，通过 RXD 和 TXD 引脚便可与 SJA1000 相连。复位电路选用 MAX708 芯片，以实现高低电平有效复位信号的同时输出。

4  结语

本文主要研究了一种基于CAN总线的汽车电子制动系统，作为线控技术在制动方面的拓展，电子制动系统有着传统制动系统无可比拟的优势。它具有可控性好，稳定性好，制动反应速度快，具有较高的容错性和稳定性以及较高的通信效率等优点。不仅如此，EMB系统的可扩展性能强，修改 ECU 的控制算法就能实现ABS、ESP、等附加功能，可以改进制动性能。

可以预见，基于CAN总线的EMB制动系统作为一种全新的制动系统，未来必将取代传统的制动系统。设计出符合新型汽车需求的电子机械制动系统，是汽车行业生产的未来发展方向。

参考文献

[1] 杨坤，赵颖，王栋.基于CAN总线的汽车电子机械制动系统设计[J].机械设计与制造工程，2008，47（5）：61-64.

[2] 汤锴杰.基于CAN总线的电子机械制动系统研究[D].重庆交通大学，2014.

[3] 辛改芳，李威.基于CAN总线的车辆电子驻车制动系统的设计[J].中国矿业大学机电工程学院，2013（3）：44-46，53.