一种汽车线控制动系统的设计及实现

张明容 李景彬 袁 敏

（广州城市理工学院汽车与交通工程学院，广东 广州 510800）

0 引言

随着智能汽车技术的发展，目前很多高校和企业都投入了大量资金对智能汽车进行研究，线控底盘是智能汽车的躯体，没有线控底盘，智能汽车将无法行驶[1]。制动系统是线控底盘的主要组成部分，目前线控制动主要有以下3种：1） 纯粹的线控制动系统。ECU处理踏板位移传感器和车速传感器信号，通过控制电子机械制动器电机来对车辆进行制动。这对于一些整车厂的线控底盘技术来说，例如英菲尼迪的线控底盘，要实现对它的智能控制，就需要先解析它的CAN协议，这个非常困难或者需要花高价去购买相应的技术。2） 在原车上面进行改装，并联或串联制动回来，例如电子液压制动系统（EHB），有的高校对其进行了研究，博士的液压制动就属于这类，其操作难度非常大。3） 在原来的基础上增加动力装置，并对其进行控制[2-3]。该文的研究对象为纯电动汽车御捷E330，它的制动系统是真空阻力液压制动系统。为了实现线控制动，的左端在原车制动系统中添加动力结构的方法。

1 线控制动系统整体设计方案

该文采用STM32单片机对辅助执行机构的电机进行控制，整体方案如图1所示，上位机通过传感器采集周围环境、车速以及车与障碍物的距离等信息，并对其进行分析计算，得出相应的制动控制指令（制动系统制动情况），通过CAN通信模块传输给微控单元（STM32F4x），微控单元通过计算制动系统制动情况与制动踏板位置的关系，得出制动踏板的位移，并发送PWM信号对电机进行控制[4]，电机输出相应扭矩和转动的圈数来控制制动踏板，从而实现准确的制动。

图1 线控系统方案

2 制动辅助执行机构的设计

制动辅助执行机构采用电机加拉索的形式，如图2所示。电机通过法兰固定安装在电机机架座上，机架安装在车制动踏板的前壁。电机转轴连接器3的左端与电机轴7相连，另一端连接轴8上有拉索安装孔，用于固定拉索。在制动踏板臂6上打孔，用于固定拉索的另一端。滑轮支架固定在制动踏板臂安装孔的正前方，拉索绕过固定滑轮与电机连轴轴孔端部呈90°，改变拉索的运动方向，使制动踏板臂和电机连接轴都只受一个方向的力。经过反复试验，拉索采用尼龙材料效果较好；为了准确控制踏板移动的距离，控制电机选用两相步进电机。

图2 制动辅助执行机构简图

3 线控制动系统的硬件设计

制动控制系统以STM32F407ZGT6最小系统芯片为核心处理器，由制动控制模块、CAN总线控制器模块、通信模块和电源组成，如图3所示。STM32F4F407ZGT6最小系统是将ROM、RAM和I/O口等系统集成在一个芯片上，支持SPI、IIC以及UART等电信号及协议，其电路设计主要有5 V和3.3 V电源供电、晶振时钟电路、复位电路、串口电路以及JTAG程序下载接口。

图3 制动控制系统组成

3.1 制动控制模块

制动控制模块由电机控制器、单轴2相步进电机组成。系统制动控制工作原理是STM32F407ZGT6芯片接收上位机发来的模拟CAN信号，由芯片对执行机构发出执行动作的指令，电机驱动器驱动电机单输出轴进行正转或反转，使拉绳伸长或缩短，拉绳拉动制动踏板上下摆动，从而控制制动踏板的移动，如图3所示。

3.2 CAN总线控制模块

该文选用的CAN总线控制器TAJ1050模块与电动车连接实现总线的通信，电路原理如图4所示。TAJ1050根据2根线CANH与CANL上的电位差来判断总线电平，用于实现CAN总线的协议底层以及数据链路层，生成CAN帧并以二进制码流的方式发送出去。

图4 CAN总线控制器TAJ1050电路原理图

3.3 串口通信模块

串口通信是系统与上位机交互的重要部分。该系统采用的STM32F407ZGT6最小系统芯片内置3个UART，其 中UART1中PA9、PA10复用引脚作为与USB-TTL接口的连接，以达到与上位机通信的目的，支持RS232协议，且具有很高的传输速率，可与USB-TTL串口进行通信。

4 线控制动系统的软件设计

STM32F407ZG6芯片采用的开发环境是由美国Keil Software公司开发设计的一个ARM微处理器集成开发环境软件Keil uVison5，其采用C语言进行编程。

4.1 与上位机的通信

该系统程序与上位机进行串口通信接口UART是复用I/O口PA9、PA10分别为发送和接收引脚，与上位机进行通信；程序首先进入主程序初始化，开始接收数据直到中断数据接收；其次，读取接收到的程序数据，再进行地址的判断，判断正确则对数据进行CRC校验，校验结果正确则执行子程序控制模块进行相关模块的子程序控制。串行通信接口输出的是RRL电平，可以通过USB与电脑连接，将数据及时发送至上位机并显示出来。

4.2 制动控制程序设计

在制动控制模块中，是通过驱动电机来实现相关功能的，而其中电机驱动需要通过改变脉冲宽度来调整输出频率。该系统使用的STM32F4芯片内置了多个功能强大的TIM定时器时钟，设置TIM值即可以输出PWM信号改变占空比。程序中采用TIM1通道，定时器所有相关设置都是通过软件编程来实现的，通过相关函数设置输出频率、占空比，且有专门的向上计数器。在该系统的软件设计中，使用了TIM1时钟，使能I/O口PF8/PF9复用为TIM1-CH1,设置PF8/PF9复用推挽输出，速率为100 MHz，初始上拉，设置分频系数，向上计数，电机控制设置频率上限为100 kHz，占空比上限为50%,计算出周期、脉宽值，电机正反转，PWM输出。制动控制流程如图5所示。

图5 制动控制流程图

5 仿真与测试

5.1 与上位机通信仿真

采用Keil5编写完成的程序通过STC－ISP 软件烧录至开发板，该文的微控制系统可以对整个线控系统进行控制，如图6所示。该文主要研究制动系统的控制，即对电机进行控制。

图6 微控制系统

采用STM32F407ZGT6芯片中的UART口通过USB与上位机连接搭建串口通信，以实现上位机模拟CAN信号对ACU发送相关模块控制报文后达到执行相关指令控制的目的，同时也能接收ACU反馈的控制信号。

在Keil5仿真运行程序后，打开串口调试小工具XCOM进行基本配置，选择串口COM4，波特率为115200，其余配置默认，打开串口，即可接收到程序运行时的通信，在发送编辑口可以编辑发送协议。通过串口调试小工具来显示数据的接收与发送内容。显示屏能很好地显示发送的数据，显示发送完成，证明了通信的可行性。

5.2 实车测试

为防止电机安装后对人工踩制动踏板造成干扰，在防火墙壁安装电机法兰，其安装位置如图7所示。该车上位机采用的是工控机，在上位机上通过串口输入串口调试小工具XCOM向控制器发送脉冲信号，电机执行相应的动作，从而实现制动踏板的相应运动。

图7 控制电机的安装

6 结论

该文以STM32单片机为控制核心，外加制动执行机构，实现了对制动系统的线控制动。当上机位通过CAN线发送制动信号给控制器时，控制器发送信号给电机驱动器，驱动电机正转、反转和停止，带动执行机构对制动踏板实现上下运动，模拟人工踩踏板，从而达到制动的目的。通过在实车上进行软件调试，该系统能正常传送制动信号，较好地实现了制动控制，但控制精度有待提高。该系统成本低，易于实现，可以应用于教学试验和对精度要求不高的线控底盘。