基于CAN总线的电子驻车制动系统

兵工自动化2010-03OrdnanceIndustryAutomation29(3)·54·doi:10.3969/j.issn.1006-1576.2010.03.020基于CAN总线的电子驻车制动系统赵育良1,2，王超勇1,2，孙忠云1,2，王显会2（1.海军航空工程学院青岛分院，山东青岛266041；2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）摘要：针对目前汽车手动驻车制动装置存在的不足，提出电子驻车制动系统软硬件设计方案。首先，通过系统功能设定、组成原理和采集参数介绍了系统的实现方案；然后，对系统硬、软件设计进行了介绍；最后，通过仿真实验验证了该方案是正确、可行的。关键词：电子驻车制动系统；CAN总线；智能中图分类号：TP273;TP391.9文献标识码：AElectronicParkingBrakeSystemBasedonCAN-BusZHAOYu-liang1,2,WANGChao-yong1,2,SUNZhong-yun1,2,WANGXian-hui2(1.QingdaoBranch,NavalAeronautical&AstronauticalUniversity,Qingdao266041,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)Abstract:Aimingattheshortagesofthetraditionalparkingbrakesystem,putforwardanewhardwareandsoftwaredesignofelectronicparkingbrakesystem.Atfirst,thesystemprogramisintroducedbythesystemfeatureset,compositiontheoryandtheacquisitionparameters.Then,thehardwareandsoftwaredesignareintroduced.Atlast,theprogramisverifiedcorrectandfeasiblebythesimulation.Keywords:Electronic-parking-brake;CANbus;Intelligence0引言目前汽车驻车制动装置绝大多数仍为手动驻车制动装置，存在如下不足：1)新手难以控制；2)大角度坡面驻车困难；3)平地驻车制动下，增大了机械零部件的磨损与变形；4)长时间使用，制动拉索中的钢索会变形伸长；5)占用了较大的车室空间。电子驻车制动系统（ElectricalParkBrake,EPB）指将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起，并且由电子控制方式实现停车制动的技术。作为线控制动系统的一种，EPB系统由电子按钮手动操作，并兼备自动控制功能。EPB系统比传统的手驻车制动模式前进了一大步，而与后制动钳一体化的EPB更是一种高端技术，可大大提高驾驶与操纵的舒适性与方便性。故对其进行研究。1系统实现方案1.1系统功能设定基于传统驻车制动系统的功能需求和GB7258的要求，电子驻车制动系统要实现的功能有：1)能提供足够保证车辆驻车安全的制动力；2)能在驾驶舱内实施操纵；3)在仪表台上可显示驻车制动状态；4)具有机械装置在驻车制动系统达到极限位置锁止功能；5)执行机构夹紧力自动调节功能。针对传统手动驻车制动系统的缺点及不足以及为了降低驾驶难度，提高驾驶与操纵的舒适性与方便性，综合驻车制动系统安全策略，电子驻车制动系统还应拓展的功能有：1)坡道辅助起步功能；2)根据路况（坡度大小），准确控制制动系统与地面坡度相适应的制动力；3)能实时探测施加制动力的大小，保证制动装置获得足够的制动力，确保可靠驻车；4)系统确认在驾驶员未实施驻车操作而有离车意图时，自动驻车；5)在驾驶员未实施解除驻车操作而有驶离意图时的自动解除驻车功能；6)当行车制动失效，紧急情况下的辅助应急制动功能。这样，采用电子驻车制动系统后，由于在车厢内用一个停车制动电子按钮取代了驻车制动杆，驾驶员不必费力拉手驻车制动杆，简单省力。同时，为了留出更多的空间，原来中间传动轴手制动装置的区域空间可以自由分配给其他设备。而对于EPB，制动力量是固定的，不会因人而异，出现偏差。收稿日期：2009-10-13；修回日期：2009-11-26作者简介：赵育良（1976-），男，河北人，硕士，讲师，从事机电一体化、数字图像处理研究。赵育良，等：基于CAN总线的电子驻车制动系统·55·第3期1.2系统组成原理为了使电子驻车系统的结构更为紧凑，执行部件采用了一体化的设想，控制部件依托于CAN总线网络，使系统反应更为迅速。系统中电子驻车制动系统主要包括：1)驻车制动按钮；2)参数采集节点；3)中央电子控制单元ECU节点；4)左、右车轮电子控制单元ECU节点；5)电机驱动电路节点；6)左、右一体化驻车制动执行器节点部件组成。其结构图如图1。按钮等开关量驻车电流中央控制节点ECU指示灯、蜂鸣器车轮ECU电机驱动电路右后车轮一体化执行器车轮ECU电机驱动电路左后车轮一体化执行器参数采集节点（车速、电流、制动压力、踏板行程等）制动压力紧急解除装置解除极限开关量CAN总线解除极限开关量图1系统实现方案的组成框图系统有2套驻车制动执行机构，每套执行机构都包括内置的力矩电机、减速行星轮系、丝杠螺母、制动器外壳和制动钳块。它们作为一个整体，将驻车制动力施加在制动盘上。每一个制动执行机构都有自己的动力控制单元（车轮ECU），而动力控制单元所需的控制信号，如驻车制动执行机构应该产生的力矩，由各自的车轮控制模块（车轮ECU）来提供。为提高系统可靠性及可维修性，采用模块化设计，除了上述车轮驻车控制ECU外，还分别设置中央控制单元ECU模块及车辆驻车坡度采集、车速采集、驻车制动力采集、驻车电流采集、踏板行程采集等节点。各控制单元与采集节点通过CAN总线实现实时通讯，而中央控制ECU是整个系统的控制中枢，通过对不同采集节点传送的参数实时分析，准确判定驾驶员意图，并根据协议确定特定的控制指令，传送给驻车制动控制单元ECU，驱动驻车电机带动相应执行机构工作。在这种模块化结构下，可做到当其中某套驻车制动线路失灵或出现故障时，另外一套线路可照常工作，以保证制动的安全性；同时，一旦某采集节点出现故障，只需对该模块进行维修或更换，使得装置更人性化、智能化，更符合驾驶的使用要求，便于驾驶员实际操作，同时也更节能、经济、实用。1.3系统需要采集的参量基于上述根据系统设计要求，系统需要采集的参量如表1。表1系统采集参量表参量名称信号形式作用驻车制动按钮状态开关量信号判断驾驶员操作意图汽车车速标准脉冲信号辅助判断车辆当前行驶状态（行驶、停驶）油门踏板位置模拟电压信号发动机是否处于启动状态离合器踏板位置模拟电压信号辅助判断坡道起步驾驶员座椅占用开关量信号辅助判断驾驶员是否离开车门开关开关量信号辅助判断驾驶员是否离开制动踏板位置信号开关量信号辅助判断紧急制动时机驻车制动器极限位置开关量信号辅助判断驻车制动系统状态发动机转速标准脉冲信号辅助判断车辆状态倾角传感器（驻车坡度）串行数字信号用于测量驻车坡度驻车制动压力模拟量信号用于测定驻车压力驻车电流模拟量信号用于测定驻车电流2系统硬件设计2.1系统硬件组成根据选定系统的总体设计方案，对通过CAN总线通讯的参数采集节点、驻车制动中央控制节点及左、右控制节点进行了硬件电路设计。具体的系统硬件结构框图如图1。组成系统共有5大部分，各部分完成的功能为：1)参数采集节点采集车辆当前状态的相关信息，主要包括：当前车速、发动机转速、油门踏板位置、制动踏板位置、驻车电流、制动盘压力传感器信号。选取合适的传感器，设计切合实际的安装位置，保证数据的实时、准确是本节点设计工作的重点。2)中央ECU节点系统的核心节点，控制着CAN总线上的信息传输及对车轮ECU指令的传输，负责查询开关状态及更新缓冲区内的参数信息。当驻车按钮有驻车或解除驻车动作时，或者根据各参数信息综合判断出需要驻车、解除驻车状态时，将相应的参数信息及驻车或解除驻车命令发送给车轮ECU节点。并接收回传信号综合诊断系统工作状态。3)左、右车轮ECU节点接收到CAN总线上传输过来的驻车或解除驻车指令及相关参数信息后，按照驻车的智能控制策略，输出驻车制动电流或解车驻车制动电流。4)左、右电机驱动电路对车轮ECU输出的驻车制动电流进行功率放大，以驱动一体化驻车制动执行器，并设置自保护电路，以避免过载引起的硬件受损。兵工自动化·56·第29卷5)左、右一体化执行机构根据输入的驱动电流产生动作，完成制动块与制动盘之间的加紧与放松，实现驻车制动或解除驻车。执行机构节点在工作过程中能够将执行机构当前状态实时回输给各自的车轮ECU。2.2微控制器及CAN接口电路设计在设计CAN总线通讯电路时，CAN控制器使用SJA1000、CAN，收发器使用由广州致远电子有限公司出品的CTM1050T，微控制器使用AT89S52。CTM1050T是高速隔离CAN收发器（如图2），内部集成了必需的电气元件，包括隔离电路、CAN收发器、总线保护、电源电路，都被集成在小于3cm2的模块中。CTM1050T的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，且具有（DC2500V）隔离功能、ESD保护功能及TVS管防总线过压。显然，CTM1050T将传统方案设计中所需要的DC-DC电源模块、高速光藕、TJA1050收发器等关键器件都整合到一体，优势显著。在设计硬件电路时，根据AT89S52[26]数据手册中的推荐方式配置其最小电路，将AT89S52的数据地址口与SJA1000的数据地址口相连（用AT89S52的P2.7口来控制SJA1000的片选引脚CS），AT89S52的地址锁存允许引脚、片外数据存储读引脚、片外数据存储写引脚与SJA1000的地址锁存允许引脚、片外数据存储读引脚、片外数据存储写引脚相连，并将SJA1000[27]的中断引脚INT与AT89S52的INT0相连，微控制器AT89S52部分的电路配置完毕。根据SJA1000数据手册中的推荐方式配置其最小电路，由于与微控制器的电路部分已经配置完毕，只需再将RX0、TX0引脚与CAN收发器CTM1050T的RXD、TXD相连即可。最后，配置CAN收发器CTM1050TCAN收发器，只需在VCC（1）脚加上+5V电源，GND（2）脚接地即可。CAN总线的通讯电路的基础电路配置完毕。系统微控制器及总线接口硬件原理图如图3。图2CTM1050T外形图EA/VppXTAL1XTAL2RSTINT0INT1T0T1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7RDWRPSENALE/PTXDRXD3938373635343332AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CLKOUTXLA2XLA1TX1CSRDWRALEVDD1VDD2VDD3MODETX0RX1RSTINTRX1VSS3VSS2VSS1VCC31C522μF19189R11kΩ12131415123456782122232425262728710914171629301110SJA100023242526272812VCC4563221812111319TXDRXDGNDVCCVCCCANHCANLCANGCTM1050TCANHCANLR3120R?R+C61μFC3C415pF15pF109C2C130pF30pF1918L2L111.0592M16MA1AT89S52A2171620152183421A3678图3系统微控制器及CAN总线接口硬件原理图3系统软件设计系统软件的设计应以高稳定性