基于CAN總線的汽車EMB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彭旻洋　呂景亮　曹達(dá)　白宇　賈永凱　趙峰

摘? ?要：在汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了一種新的結(jié)構(gòu)布置形式，包括電子制動(dòng)踏板模塊、中央控制單元、電控制動(dòng)模塊和制動(dòng)執(zhí)行模塊。其中，電子制動(dòng)踏板模塊與中央控制單元連接，中央控制單元與汽車的CAN總線連接，電控制動(dòng)模塊與汽車的CAN總線連接，電控制動(dòng)模塊安裝于底盤懸架上實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)力矩控制，制動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)與電控制動(dòng)模塊連接，制動(dòng)執(zhí)行模塊安裝于車輪上塊進(jìn)行制動(dòng)操作。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)控制，具備一定的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：CAN總線? 汽車? EMB制動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（b）-0031-02

1? 基于CAN總線的汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段汽車制動(dòng)系統(tǒng)廣泛使用的是液壓制動(dòng)與氣壓制動(dòng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在制動(dòng)時(shí)使制動(dòng)液受熱部分制動(dòng)液汽化，進(jìn)而在管路中形成氣泡，嚴(yán)重影響液壓傳輸，使制動(dòng)系統(tǒng)效能降低，甚至完全失效。氣壓制動(dòng)必須有空氣壓縮機(jī)、貯氣筒、制動(dòng)閥等裝置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、成本高;管路中壓力的建立和撤除都較慢，滯后時(shí)間較長(zhǎng)（0.3～0.9s），使得制動(dòng)距離加長(zhǎng);管路工作壓力低，一般為0.5～0.7MPa，所以制動(dòng)氣室的直徑設(shè)計(jì)得大，且只能置于制動(dòng)器外部;氣壓制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)桿件和凸輪或楔塊來(lái)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)蹄，增加了簧下質(zhì)量;制動(dòng)氣室排氣有很大噪聲，因此無(wú)法滿足現(xiàn)在車輛行業(yè)的更新需求，然而新興產(chǎn)生的電子機(jī)械制動(dòng)（electro-mechanical brake，EMB） 系統(tǒng)采用高效的線控技術(shù)具有傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了容錯(cuò)性，穩(wěn)定性和通信效率，可以有效避免傳統(tǒng)液壓、氣壓制動(dòng)缺點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注和研究。

但是線控技術(shù)數(shù)據(jù)量十分龐大，制動(dòng)過(guò)程中需要采集大量的信息和信號(hào)，所以，傳統(tǒng)的通信方式顯得不太適用，缺點(diǎn)很多，采用CAN總線通信，具有較高的容錯(cuò)性，穩(wěn)定性和較高的通信效率，故基于CAN總線的汽車EMB系統(tǒng)有很大的發(fā)展前景。本文主要基于CAN總線通信，對(duì)電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究和模塊設(shè)計(jì)。

2? 汽車CAN總線的EMB系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 汽車CAN總線的EMB系統(tǒng)的組成

該電子制動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)采用了分模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了一種基于CAN總線的汽車電子機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)（EMB），通過(guò)電子制動(dòng)踏板產(chǎn)生制動(dòng)信號(hào)，再由中央控制單元實(shí)現(xiàn)控制制動(dòng)執(zhí)行器工作。系統(tǒng)的總體方案結(jié)構(gòu)由圖1所示。

該系統(tǒng)包括四個(gè)模塊，分別是電子制動(dòng)踏板模塊、中央控制單元（利用CAN總線進(jìn)行信號(hào)傳輸）、電控制動(dòng)模塊和執(zhí)行制動(dòng)模塊四個(gè)部分。其特征在于，所述電子制動(dòng)踏板模塊會(huì)采集對(duì)制動(dòng)踏板的操作并由傳感器輸出相應(yīng)的信號(hào);中央控制單元可與電子制動(dòng)踏板模塊的傳感器相接，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的傳輸信號(hào)并將此信號(hào)高效、可靠地傳送;電控制動(dòng)模塊能將傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制執(zhí)行制動(dòng)模塊的控制信號(hào);執(zhí)行制動(dòng)模塊會(huì)根據(jù)控制信號(hào)的控制完成制動(dòng)器的動(dòng)作。

2.2 汽車CAN總線的EMB系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

汽車CAN總線的汽車EMB控制系統(tǒng)的具體工作是當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，駕駛員會(huì)對(duì)制動(dòng)踏板施加一個(gè)作用力，使制動(dòng)踏板產(chǎn)生位移，位移傳感器輸出信號(hào)A，與此同時(shí)電子制動(dòng)踏板的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的壓力，壓力傳感器輸出脈沖信號(hào)B。信號(hào)A、B經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)內(nèi)部設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行綜合分析處理，計(jì)算所需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，將計(jì)算結(jié)果傳送到CAN總線。通過(guò)CAN總線的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼與相應(yīng)分析，再由CAN L 與CAN H 雙絞線分別傳送到與四個(gè)車輪相連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行譯碼，將信號(hào)傳送到電控制動(dòng)模塊。電動(dòng)制動(dòng)模塊從總線接收信號(hào)，單片機(jī)程序?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行分析，傳遞給與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（TB6600），此驅(qū)動(dòng)器連在伺服電機(jī)上，可以根據(jù)信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

3? 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案

電子制動(dòng)踏板模塊包括三個(gè)部分：制動(dòng)踏板、踏板感覺模擬器、踏板角度傳感器。踏板位移傳感器安裝在電子制動(dòng)踏板上，且與中央控制單元連接。

中央控制單元由A /D 轉(zhuǎn)換模塊，ECU，CAN總線等所組成。其最核心的部分是ECU，是整個(gè)中央控制單元的核心，它可以接收各傳感器傳入的信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理和分析，從而識(shí)別駕駛員制動(dòng)意圖。中央控制單元通過(guò)CAN總線將信號(hào)傳輸進(jìn)行通信，解碼并重新編碼新的數(shù)字信號(hào)作為輸出信號(hào)傳遞給電控制動(dòng)模塊。

電控制動(dòng)模塊將傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)分析，并進(jìn)行處理輸出控制信號(hào)，傳給執(zhí)行制動(dòng)模塊。

執(zhí)行制動(dòng)模塊包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、車載電源、直流電動(dòng)機(jī)、行星滾柱絲杠減速增矩裝置、制動(dòng)鉗。制動(dòng)鉗由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力施加在制動(dòng)盤，控制汽車的制動(dòng)。

圖 3 所示為汽車EMB系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)硬件組成框架圖，其包括ECU、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊、制動(dòng)踏板單元以及伺服電動(dòng)機(jī)單元。

3.2 CAN總線通信電路

CAN總線通信電路由三個(gè)部分組成，分別是微控制器，CAN控制器和CAN收發(fā)器?？刂破骱褪瞻l(fā)器的芯片分別選用SJA1000以及CTM1050T。微控制器采用AT89C52。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，它將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN收，發(fā)器件，具有提供 DC2500 V 電氣隔離功能和ESD保護(hù)功能，可以避免由于浪涌、干擾產(chǎn)生的元件故障和總線錯(cuò)誤問題，其包括CAN 收發(fā)器、ESD 總線和電源保護(hù)電路、隔離電路等，通過(guò) RXD 和 TXD 引腳便可與 SJA1000 相連。復(fù)位電路選用 MAX708 芯片，以實(shí)現(xiàn)高低電平有效復(fù)位信號(hào)的同時(shí)輸出。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了一種基于CAN總線的汽車電子制動(dòng)系統(tǒng)，作為線控技術(shù)在制動(dòng)方面的拓展，電子制動(dòng)系統(tǒng)有著傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。它具有可控性好，穩(wěn)定性好，制動(dòng)反應(yīng)速度快，具有較高的容錯(cuò)性和穩(wěn)定性以及較高的通信效率等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，EMB系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能強(qiáng)，修改 ECU 的控制算法就能實(shí)現(xiàn)ABS、ESP、等附加功能，可以改進(jìn)制動(dòng)性能。

可以預(yù)見，基于CAN總線的EMB制動(dòng)系統(tǒng)作為一種全新的制動(dòng)系統(tǒng)，未來(lái)必將取代傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出符合新型汽車需求的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，是汽車行業(yè)生產(chǎn)的未來(lái)發(fā)展方向。

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