摘   要： 研究了一種新型電動(dòng)車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制器硬件和軟件設(shè)計(jì),。硬件電路包括對傳感器信號進(jìn)行處理的信號處理電路和對執(zhí)行器（電磁閥和電機(jī)）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)放大電路,，軟件設(shè)計(jì)包括對輸入信號的分析、駕駛員制動(dòng)意圖的識別和為達(dá)到理想制動(dòng)力而對執(zhí)行器的精確控制,。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī),；電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)；一體式主缸,；電磁閥

    隨著當(dāng)今節(jié)能環(huán)保要求的提高,，汽車行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車以其部分或全部電機(jī)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收等特點(diǎn)正好滿足了節(jié)能環(huán)保的要求,。制動(dòng)時(shí),，電動(dòng)機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力的同時(shí)回收制動(dòng)能量。但是,，由于電機(jī)特性的限制,，制動(dòng)時(shí)提供的再生制動(dòng)力有限，在制動(dòng)減速度較大以及緊急制動(dòng)時(shí),，仍然需要液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)力,，所以往往要根據(jù)不同的制動(dòng)需求，利用電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)單獨(dú)或者共同提供制動(dòng)力,。電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)就是指這種根據(jù)制動(dòng)需求,，通過再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)單獨(dú)或共同提供制動(dòng)力的系統(tǒng)。
1 一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)
    目前電液復(fù)合制動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由豐田,、博世和大陸等大型汽車整車及零部件廠商所掌握,，其他汽車廠商很難突破它們的技術(shù)壁壘。對此,，本文設(shè)計(jì)了一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),，該系統(tǒng)具有集助力、制動(dòng)踏板感覺模擬,、踏板位移傳感器于一體的一體化主缸,，獨(dú)立的四通道輪缸壓力主動(dòng)控制。該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示,。

    圖1中,，預(yù)載單元與儲液室通過一個(gè)常開的預(yù)載電磁閥相連,，當(dāng)預(yù)載電磁閥關(guān)閉時(shí)，可通過高壓泵提高預(yù)載單元中的液體壓力,。預(yù)載單元與一體式主缸僅在制動(dòng)狀態(tài)下接通,。液壓執(zhí)行單元為8個(gè)電磁閥（4個(gè)升壓閥和4個(gè)減壓閥），其中,，每個(gè)車輪對應(yīng)一個(gè)常開的升壓閥和一個(gè)常閉的減壓閥,，其布置與常規(guī)ABS的結(jié)構(gòu)相同。該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程包含3種狀態(tài)：初始狀態(tài),、工作狀態(tài)和失效狀態(tài),。
    (1)初始狀態(tài)。預(yù)載電磁閥打開,，預(yù)載單元與儲液室連通,，此時(shí)兩者壓力相同。預(yù)載單元和一體式主缸不接通,，ECU和液壓控制單元均處于斷電狀態(tài),。
    (2)工作狀態(tài)。ECU上電,，預(yù)載電磁閥關(guān)閉,，升壓閥關(guān)閉，由于預(yù)載單元和儲液室以及一體式主缸斷開連接,，高壓泵將使預(yù)載單元壓力升高至一定高壓,。駕駛員產(chǎn)生制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得預(yù)載單元與一體式主缸接通,，此時(shí)預(yù)載單元中的高壓經(jīng)一體式主缸傳至升壓閥,。ECU根據(jù)制動(dòng)踏板位移信號判斷駕駛員的制動(dòng)意圖并計(jì)算需要多大制動(dòng)力，再將其傳輸給整車管理系統(tǒng)(VMS);VMS根據(jù)電機(jī)控制策略計(jì)算出再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力,并將該信息傳輸回ECU,；ECU經(jīng)過信息處理發(fā)送PWM波給執(zhí)行器(即液壓執(zhí)行單元),，使執(zhí)行器按照一定頻率開啟，并因此產(chǎn)生液壓制動(dòng)力,。另外,，通過ECU控制液壓控制單元還能實(shí)現(xiàn)ABS和ESP功能。制動(dòng)結(jié)束后,，系統(tǒng)將恢復(fù)至ECU上電狀態(tài),，為下一次制動(dòng)做好準(zhǔn)備,。
    (3)失效狀態(tài),。若電氣系統(tǒng)失效（例如突然掉電），則ECU斷電,，所有執(zhí)行器都將處于初始狀態(tài),。隨著制動(dòng)踏板位移的進(jìn)一步加大,，制動(dòng)踏板將與一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接接通，因此可以進(jìn)行常規(guī)制動(dòng),。
2 控制器硬件設(shè)計(jì)
    由于該新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)所需處理的信號量大,，且驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器多，因此考慮使用雙PCB板設(shè)計(jì),。板一設(shè)計(jì)為雙MCU,，其中，MCU1用于信號采集和處理,，MCU2用于算法計(jì)算和通信,，兩個(gè)MCU之間通過SPI連接；板二負(fù)責(zé)給傳感器供電和信號處理以及執(zhí)行器驅(qū)動(dòng),。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示,。由于篇幅有限，本文主要針對信號輸入,、MCU和信號輸出進(jìn)行說明,。
2.1 信號輸入
    輸入信號主要包括制動(dòng)踏板位移信號、液壓傳感器壓力信號和輪速信號,。這些信號都必須通過相應(yīng)電路對其進(jìn)行去噪和放大等處理才能傳輸至MCU1,。
2.1.1 踏板位移信號和液壓傳感器信號
    制動(dòng)踏板位移信號由踏板位移傳感器發(fā)出，液壓傳感器信號由布置在液壓管路中的液壓傳感器發(fā)出,。位移信號和液壓信號均為0~5 V的電壓信號,，因此可以用相同的處理電路對兩種信號進(jìn)行處理。傳感器信號首先通過一個(gè)防靜電二極管去除靜電,，隨后通過由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成的π型濾波電路進(jìn)行低通濾波,，由OPA2340芯片形成的電壓跟隨器能將濾波信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，將該信號傳輸至板一MCU1的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。相應(yīng)的信號處理電路如圖3所示,。

2.2 MCU
    電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，由于數(shù)據(jù)量大,，對數(shù)據(jù)處理速度要求很高,，因此，MCU1和MCU2均選用飛思卡爾MC9S12XDT512控制器芯片,。該芯片為16 bit高性能芯片,，除了強(qiáng)大的運(yùn)算能力外，其還含有16路A/D轉(zhuǎn)換通道,、8路脈沖計(jì)時(shí)器和8路PWM波輸出,，剛好符合控制器的高性能要求。
2.3 控制輸出
    ECU的輸出信號主要用于控制預(yù)載電磁閥的通斷,，控制高壓泵的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使預(yù)載單元內(nèi)的液體壓力上升到一定高壓范圍,，控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率和回液泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),。因此，通過MCU2的普通IO口控制預(yù)載電磁閥的通斷和高壓泵電機(jī),、回液泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),，通過MCU2的PWM口控制升壓閥和減壓閥的開啟頻率。電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片選用TLE6216[2],，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用BTS6144[3],。二者均有相應(yīng)的電流或電壓反饋，以對電機(jī)和電磁閥進(jìn)行故障識別,，因此,，將故障識別信號輸入板一的MCU1進(jìn)行判斷。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示,。圖中,，芯片BTS6144的IN口為驅(qū)動(dòng)信號輸入端；OUT口輸出經(jīng)放大的功率信號,，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī),；IS口輸入電機(jī)電流的反饋信號。

    電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示,。圖中,，PWM口為驅(qū)動(dòng)信號輸入端，OUT口輸出經(jīng)放大的電磁閥驅(qū)動(dòng)信號,，ST口輸入電磁閥電流的狀態(tài)反饋信號,。
3 控制器軟件設(shè)計(jì)
    電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器軟件基于C語言設(shè)計(jì)，其主要包括兩個(gè)單元：制動(dòng)意圖識別單元和液壓制動(dòng)控制單元,。
3.1 制動(dòng)意圖識別
    制動(dòng)工況主要分為緊急制動(dòng)和一般制動(dòng),。制動(dòng)意圖識別通過對制動(dòng)踏板角位移和制動(dòng)踏板角速度的處理實(shí)現(xiàn)。以制動(dòng)踏板角速度作為目標(biāo)制動(dòng)工況識別的參數(shù),，先對兩種工況設(shè)置特定的踏板角速度閾值(80°/s),，在一段較短時(shí)間內(nèi)對踏板角速度取平均值，若該平均值在閾值內(nèi),，則判定汽車進(jìn)入相應(yīng)制動(dòng)工況,；以制動(dòng)踏板角位移作為目標(biāo)制動(dòng)強(qiáng)度識別的參數(shù)，先設(shè)定一個(gè)踏板角位移判斷閾值(5°),，超過該閾值說明制動(dòng)行為已經(jīng)發(fā)生,。另外，針對每個(gè)工況制定一個(gè)查詢表,，表中包含踏板角位移和相應(yīng)目標(biāo)制動(dòng)減速度的對應(yīng)信息,，當(dāng)制動(dòng)行為發(fā)生時(shí)，通過查詢該表就可以計(jì)算出目標(biāo)制動(dòng)減速度,。制動(dòng)意圖識別程序流程圖如圖7所示,。

3.2 液壓制動(dòng)控制
    在采用盤式制動(dòng)器的情況下,，制動(dòng)力和制動(dòng)輪缸壓力具有一定的正比關(guān)系[4],。因此,，控制相應(yīng)制動(dòng)輪缸內(nèi)的液體壓力就能控制車輪上的制動(dòng)力。
     電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)ECU通過調(diào)節(jié)PWM波脈寬來控制升壓閥和減壓閥的開閉頻率,，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸中的壓力大小,。設(shè)定PWM波脈寬調(diào)節(jié)時(shí)間間隔為40 ms，即每隔40 ms進(jìn)行一次PWM波脈寬調(diào)節(jié),，并制定一個(gè)查詢表,，該表包含PWM波脈寬和輪缸目標(biāo)壓差間的相互關(guān)系。一體式主缸壓力控制在13 MPa,，對應(yīng)最大制動(dòng)力的輪缸最大壓力為0.9 MPa,，一般情況下進(jìn)行3次PWM波脈寬調(diào)節(jié)便可達(dá)到目標(biāo)壓力。若目標(biāo)壓差大于0,，則常閉閥關(guān)閉,，針對常開閥查表并對其進(jìn)行相應(yīng)PWM波控制；若目標(biāo)壓差小于0,，則常開閥關(guān)閉,，針對常閉閥查表并對其進(jìn)行相應(yīng)PWM波控制。
    另外,，電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)ECU還將通過電機(jī)和電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片的反饋信號判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障,。若發(fā)生故障，則讓所有執(zhí)行器處于初始狀態(tài),，利用一體式主缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)制動(dòng),。由于篇幅限制，本文不進(jìn)行詳細(xì)描述,。
    本文針對一種新型電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),。在硬件電路方面，對相應(yīng)傳感器信號進(jìn)行了處理,，并對相應(yīng)執(zhí)行器進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),；在軟件控制方面，對各信號進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和駕駛員制動(dòng)意圖判斷,，并對執(zhí)行器進(jìn)行了較為精確的控制,。軟、硬件均能達(dá)到電動(dòng)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制要求,，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)車驗(yàn)證打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄒素瑞, 岳繼光, 蘇永清,等.基于MC9S12DP256B的客車ABS控制器設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2006,32(10):
102-104.   
[2] 劉佃瑞, 邱緒云 .一種大型車輛防抱死控制器設(shè)計(jì)及仿真[J].重型汽車, 2008(4):6-8.
[3] 楊其校,劉昭度,齊志權(quán),等. 汽車ABS電機(jī)故障診斷[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2005,26(z1):771-772.
[4] 譚川.電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配方法研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院, 2007.