凸輪式汽車線控制動系統(tǒng)控制器的設計

朱東陽 張興旺 王舒陽

（南昌工程學院機械與電氣工程學院，江西 南昌330099）

0 引言

汽車線控制動系統(tǒng)（Brake－By－Wire）是將傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動執(zhí)行元件改為電驅動元件，由電機來提供制動力的一種制動系統(tǒng)。由于其具有結構簡單、質量輕、響應迅速、易于采用模塊結構、易于進行改進與增加功能等諸多優(yōu)點，現(xiàn)在已經成了汽車制動研究的熱點［1－3］。電機線控制動控制器是汽車線控制動系統(tǒng)的重要組成部分。

本文針對所提出的一種凸輪式線控制動系統(tǒng)［4］設計了專門的制動控制器，并通過試驗進行了測試，結果顯示，該系統(tǒng)具有結構簡單、響應速度快的特點，滿足了線控制動系統(tǒng)的控制要求。

1 凸輪式線控制動系統(tǒng)控制器的硬件設計

凸輪楔塊式汽車線控制動系統(tǒng)主要包含電子踏板模擬器、制動系統(tǒng)控制器、功率驅動電路和機械執(zhí)行機構4部分，如圖1所示。電子踏板模擬器把駕駛員踩踏制動踏板的力轉化為制動信號，傳遞給制動系統(tǒng)控制器；制動系統(tǒng)控制器是整個系統(tǒng)的核心控制部分，接收各個傳感器的信號，根據一定的算法對制動電機進行控制，并給電子踏板模擬器提供反饋信號；功率驅動電路主要為電機提供電流并對其進行保護；機械執(zhí)行機構的主要功能是對制動電機進行減速增矩，并把產生的力矩作用到制動盤上產生制動力矩。

圖1 制動系統(tǒng)框圖

制動系統(tǒng)控制器硬件電路采用DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，并采用專門為兩相／四相步進電機設計的TB6560雙全橋驅動芯片作為功率驅動芯片，實現(xiàn)對兩相混合式步進電機的細分控制。

2 凸輪式線控制動系統(tǒng)控制器的軟件設計

2．1 汽車動力學模型

汽車常用的車輛模型有一般車輛模型、四輪車輛模型、二輪車輛模型和單輪車輛模型。由于汽車是一個復雜的多自由度空間運動系統(tǒng)，若考慮所有的自由度，就必須列出相應數(shù)量的運動微分方程，使分析和求解變得極為困難，而且所需車輛參數(shù)較多，大多不易精確測量，可實現(xiàn)性差，實時控制精度不高。為了簡化研究問題，根據所設計裝置的具體要求，本文選用二自由度單輪車輛模型［5］，并忽略空氣阻力和車輪滾動阻力。二自由度單輪車輛動力學模型方程如下：

式中，m為車輛質量；v為行車速度；Fx為車輪摩擦力；J為車輪轉動慣量；ω為車輪角速度；Tb為制動器制動力矩；R為車輪滾動半徑；μ為車輪附著系數(shù)；Fz為地面的反作用力。

汽車力矩由剎車系統(tǒng)所產生的旋轉力矩Te提供，可認為Tb＝Te。

2．2 軟件系統(tǒng)

按照線控制動系統(tǒng)工作原理，軟件系統(tǒng)通過對踏板信號采樣，汽車輪速采樣，步進電機兩相電流采樣，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結構，進行電制動聯(lián)合控制。其中內環(huán)為電流環(huán)，通過電流調節(jié)控制制動器的輸出轉矩，實現(xiàn)制動力控制；外環(huán)為速度環(huán)，實現(xiàn)車輪速度控制。

3 試驗結果及分析

所選用兩相（A相和B相）步進電機，當開始剎車時，通電時序為從A相線圈的正輸入端A＋開始，經過B相線圈的負輸入端B－，再經A相負輸入端A－，最后是B相正輸入端B＋，電機正轉實現(xiàn)制動剎車過程；當通電時序為A＋、B＋、A－、B－時電機反轉，退出剎車過程。圖2（a）所示為兩相位驅動信號波形，二者呈正弦交替變化。如圖2（b）所示，通過電流采樣霍爾元件得到電機A、B兩相繞組電流變化波形，電機兩相繞組的電流按照正余弦規(guī)律變化，實現(xiàn)了均勻細分，電機運行穩(wěn)定可靠。

4 結語

本文設計了基于凸輪式線控制動系統(tǒng)的制動控制器，控制器的運動控制模型采用了汽車單輪二自由度模型，控制軟件采用雙閉環(huán)結構，并以DSP芯片TMS320F2812為控制核心設計了以兩相步進電機為執(zhí)行機構的驅動控制電路。試驗結果證明，驅動控制器具有響應速度快、控制精度高等優(yōu)點，能夠滿足線控制動系統(tǒng)的設計要求。

圖2 電機驅動信號與電流波形

［1］黃淵芳．電子機械制動系統(tǒng)（EMB）試驗臺的開發(fā)與應用研究［D］．南京航空航天大學，2007

［2］曲萬達．汽車線控制動系統(tǒng)之硬件系統(tǒng)研究［D］．武漢理工大學，2006

［3］劉清河，孫澤昌．永磁直流電動機在汽車線控制動系統(tǒng)中的應用［J］．微電機，2007，40（3）

［4］張興旺，初長寶．基于Pro／E的電機線控制動器結構設計［J］．南昌工程學院學報，2011，30（3）

［5］陳博，田廣東．汽車線控制動的仿真與分析［J］．上海工程技術大學學報，2010，24（3）