电动汽车电子机械制动系统的研究与设计

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随着线控技术的不断发展和人们对汽车安全性能要求的不断提高，线控制动技术相对传统的液压制动技术 ，有诸多优点 ，尤其是 电子机械制动技术.首先 ，它以电子制动踏板取代传统 的液压制动踏板 ，取消了真空助力器，克服了制动时踏板抖动现象，提高了制动舒适性，减小了发动机负载损耗.其次，采用电机驱动减速推进机构取代传统 的液压管路装置 ，既简化了制动系统的整车布置，又减少 了制动液造成的环境污染，降低了系统成本].其三，四轮独立控制使得制动控制更加灵活，基于电子机械制动的 ABS、ESP系统响应更快、性能更高.其四，和能量回馈制动结合还可有效提高能源利用率.电子机械制动系统更适合作为电动汽车制动系统.在不久的将来，它必将取代传统液压制动系统而成为电动汽车制动系统的主流 。

1 系统总体设计本系统由电子制动踏板、电子驻车开关、机械手刹拉杆、4个轮速传感器、4个电制动器和控制驱动单元组成.轮速传感器用于采集车轮速度作为 ABS控制策略算法 的输入参数.电子驻车按钮用于产生电子驻车开关信号.电子制动踏板用于产生制动踏板开关信号 和位移信号 ，手刹拉杆用于操作传统机械手刹.系统组成和总体设计结构如图 1所示。

在车辆点火后 ，控制驱动单元检测 到点火开关信号后，进行系统静态自检，当车辆启动并且在10 km/h之前进行动态 自检.在行车或者驻车制动过程中，控制驱动单元 通过采集 电制动踏板开关信号和踏板位移信号、电子驻车开关信号，并通过控制策略算法进行运算和判断最终输出控制 目标值，根据目标值控制量 MCU控制单元通过控制目标控制量驱动电路控制 和驱动制动 电机和电磁离合器，制动电机和电磁离合器集成在电制动器 图1 系统组成和总体设计图总成之内.电磁离合器通过机械自锁机构实现电制动器制动力的保持.制动电机通过控制驱动单元的电流闭环控制并通过机械减速增矩机构和推进机构，在输出扭矩的作用下将转动转化为移动 ，产生推力作用于活塞缸 ，活塞缸推动刹车片作用于制动盘产生夹紧力 ，从而实现制动。

2 系统硬件设计收稿 日期 ：2012-08-10基金项 目 ：安徽工程大学青 年科研基金资助项 目(2009YQ037)作者简介 ：刘贵如 (1980-)，女，山西忻州人，讲师，硕士。

· 24· 安 徽 工 程 大 学 学 报 第 28卷本系统硬件由控制电路和驱动 电路构成.其中控制电路由主 MCU和监控 MCU 构成 ，完成点火和踏板 中断信 号、驻 车 中断信号 、踏板位移信号、轮速信 号、电机反 馈 电流信号等输 入信 号的采集.驱 动 电路主 要 由 电机驱动控制 电路和 电磁离合器驱动控制 电路构成.主 MCU 和 监 控MCU 通过 驱动 电路 控制和驱动制 动电机 和电磁离 合 器.系统 硬 件 总 图2 系统硬件结构和原理图体结构和原理如图2所示。

主、从 MCU 采 用 Freescale基 于 PowerPC 构 架 的 32位 处 理 器 MPC5604和 8位 处 理 器MC9S08DZ128.主、从 MCU通过模拟开关实现部分信号采集和电机以及电磁离合器的输出控制.其中采用 3路模拟开关实现 1路驻车信号和 2路制动踏板位移信号的采集.采用 16路开关信号实现 4路制动电机和 4路电磁离合器的控制.切换仲裁控制由监控 MCU实现.主，从 MCU之间通过 SPI通信实现相互监控.当主 MCU 出现故障时 ，监控 MCU通过模拟开关各个通道的开关切换 ，接管控制权实现对部分信号的采集和对电制动器执行器的控制.主、从 MCU分别具有和整车的CAN通信接口，从整车获取相关信息，同时也将系统故障报警信息通过整车 CAN网络发送到仪表控制单元实现故障报警。

3 系统软件设计本系统控 制单元 由主 MCU 和监 控 MCU 组成.主MCU完成系统故障检测、电机电流闭环控制、常规制动控制、电子驻车制动控制.从 MCU则完成简单的电机开环控制 、常规制动控制和电子驻车制动控制.主 、从 MCU 之间通过 SPI通信进行相互监控.本系统软件设计部分主要介绍常规制动控制算法、驻车制动控制算法和系统冗余控制算法.系统软件控制流程 图如图 3所示。

3.1常规制动控制算法系统通过采集制动踏板位移判断驾驶员的制动意图，采集到制动踏板位移后 ，按 照整车踏板位移 和制动力 曲线和前后轮制动力分配 比例对前后轮制动力进行分配 ，再根据电制动器的减速比和效率推算出电机输出扭矩，然后根据电机堵转电流和输出扭矩曲线推算出电机堵转电流(本系统制动时 ，电机始终处于堵转状态)得到 PID电流闭环控制的目标电流值，电流闭环控制算法根据 目标电流值和反馈的实际电流进行闭环调节 ，直到反馈值 和 目标值在精度范围内趋于-致为止，接着进入下-个常规制动闭环控制。

3.2 驻车制动控制算法图 3 系统软件控 制流程 图图 4常规制动控制算法流程图系统驻车制动控制算法需要采集驻车制动开关信号、制动踏板位移信号、油门踏板位移信号、离合器踏板位移信号、档位信号、点火开关信号、发动机转速信号和车速信号等作为驻车状态和驶离状态的判断条件，从而执行驻车制动.根据手动驻车按扭开关信号、驻车状态和驶离状态的判别结果进行手动驻车、自动驻车和辅助驶离的驻车制动控制算法，执行流程如图5所示。

锵髓懒曩嘲蛾- -～- ～-- 、电、～第 1期 刘贵如，等：电动汽车电子机械制动系统的研究与设计 · 25 ·图 5 驻车制动控制算 法流程图3.3 系统冗余控制算法本系统采用主 MCU加监控 MCU的方式实现冗余控制 ，主、从 MCU通过 SPI通信方式定 时通信实现相互监控 ，发送数据内容为事先设定的数据，当主、从 MCU接收到的数据为设定数据时 ，认为被监控 的控制器运行 良好 ，否则认 为出现故障，进行故障报警.当从 MCU监控到主 MCU出现故障时，通过模拟切换开关接管控制权 ，并进行常规制动和驻车制动的开环控制.系统冗余控制算法流程如图 6所示。

4 系统机械设计电子机械制动器作 为该 系统 的执行机 构，主要 由制动 电机、电磁离合器、减速齿轮、非自锁滚珠丝杆、制动卡钳、刹车片和刹车盘等组成(- .制动电机通过驱动减速齿轮 ，减速齿轮带动同轴的滚珠丝杆将转动转化为移动 ，将活塞推进并作用于刹车片，刹车片通过对刹车盘 的挤压产生夹紧力，从而达到车辆制动的 目的[4].当制动 电机关 闭输 出时，非 自锁机构在刹车盘的反作用力下 自动反退 ，实现夹紧力的 自动卸载.为 了实现制动力的保持，本制动器采用了电磁离合器，电磁离合器-部分和制动卡钳固定 ，另-部分 和电机输 出轴 固定 ，当给 电磁离合器通 电时，两部分吸合 即可将制动 电机输出轴端锁 死，电磁离合器断电即可释放 ，电制动器组成和平面结构图如图 7所示。

5 系统测试图 6 系统 冗余控 制算法流程图图 7 电制动器 结构 示意图借助于现有的新型电制动试验台、辅助测试板和对基于以上硬件、软件和机械结构设计开发的控制驱动单元及电制动器组成的电子机械制动系统进行了动态测试，测试数据如表 1所示.由表 1可知，系统制动距离大，减速度小 ，制动时间长 ，主要有以下原 因：①制动电机只有 60 w，制动力最大只有 2.4 kN.②负载过轻 ，虽然车轮能够抱死，但是所加载的负载小 ，地面附着力小。

· 26· 安 徽 工 程 大 学 学 报 第 28卷制动力 、车速 、滑移率和时间关系曲线如图 8所示.制动力随踏板位移变化呈平滑变化 ，制动力调节精度经测试为 3 ，响应时间 124 ms，达到最大制动力响应时间 205 ms.由于 目前还未进行 ABS测试 ，故滑移率-直为 0。

6 总结该系统不仅实现了常规制动和电子驻车制动各项功能，而40；：i罨20E三 I2二。

时间，s图 8 车速 、制动力、滑移率时变 曲线图且运行可靠，制动力达 2 400 N，响应时间 124 ms，达到最大制动力响应时间 205 ms，制动电机堵转时间可达 3 min，驱动电路功率管温度不超过 4O℃，电磁离合器温度不超过 45℃.制动距离和减速度后期通过增加负载和电机功率可以满足轻量化电动车行车制动和驻车制动各项指标.该系统能够很好的模拟整车制动踏板位移和制动力曲线 ，并进行 电子常规制动和驻车制动.配合 目前正在研制的四轮新型电制动系统试验台，为后期进行 四轮防抱死制动系统 以及车辆稳定性控制系统开发奠定了基础。