侯聰聞,柳恩芬,張世強(qiáng),單國(guó)志,宋 巍,成 功,石 強(qiáng)

(吉林東光奧威汽車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司 研發(fā)部中心,長(zhǎng)春130012)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人駕駛成為新的發(fā)展趨勢(shì),使人們出行更加快捷、方便,而對(duì)新能源車和傳統(tǒng)燃油汽車,剎車制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是必須具備的功能之一。電子真空助力器[1-3]作為汽車智能駕駛、無(wú)人駕駛或AEB(Autonomous Emergency Braking)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),并提供制動(dòng),同時(shí)要求電子真空助力器必須保證安全、可靠實(shí)現(xiàn)制動(dòng)或使車輛停止。在車輛行駛中,若處于無(wú)人駕駛或AEB模式時(shí),要想實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)減速或停車,需要電子真空助力器主動(dòng)制動(dòng)或人踩電子真空助力器制動(dòng)時(shí)輸出液壓力,通過(guò)液壓管路連接制動(dòng)卡鉗,液壓力推動(dòng)卡鉗加緊制動(dòng)盤,從而實(shí)現(xiàn)車輛減速或停止。電子真空助力器控制系統(tǒng)及溫度模塊控制系統(tǒng)起關(guān)鍵作用,控制系統(tǒng)解決電磁閥控制,實(shí)現(xiàn)真空腔和大氣腔兩腔壓差,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)增壓[4-5];溫度模塊解決汽車無(wú)人或智能駕駛時(shí),長(zhǎng)時(shí)間主動(dòng)制動(dòng)或下坡主動(dòng)制動(dòng)情況下,使電磁閥的溫度升高,驅(qū)動(dòng)電路減小,導(dǎo)致控制電磁閥無(wú)法打開(kāi),引起制動(dòng)力不足或制動(dòng)失效等問(wèn)題。

筆者提出一種解決電子真空助力器主動(dòng)剎車控制方法,為汽車無(wú)人駕駛、智能駕駛提供剎車制動(dòng)。在電子真空助力器長(zhǎng)時(shí)間主動(dòng)制動(dòng)時(shí),電磁閥溫度升到160℃以上,則電磁力衰退,電磁閥逐漸向后回退,導(dǎo)致電子真空助力器主動(dòng)制動(dòng)主缸壓力逐漸減小,即汽車主動(dòng)制動(dòng)衰減或失效。為解決制動(dòng)衰減,使用筆者溫度模型和控制系統(tǒng),其工作原理為整車控制器的電控單位根據(jù)需求,命令電子真空助力器主動(dòng)制動(dòng),電子真空助力器電控單元接收到命令后,控制電子真空助力器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)。由于路況或工況不同,正在行駛智能汽車(或無(wú)人駕駛汽車)處于長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)或下坡制動(dòng)狀態(tài),溫度模型電路實(shí)時(shí)采集反饋電流和壓力,然后傳送給電磁閥溫度模塊算法,溫度模塊根據(jù)時(shí)間、電流、溫度插值表算出最終值,傳送給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化制動(dòng)壓力算法,執(zhí)行制動(dòng)并報(bào)警。實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)減速或停止功能。電子真空助力器也可以人踩制動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[6]。

1 制動(dòng)工作原理

電子真空助力器在整車布置如圖1所示。工作原理是,電子控制單元接收到制動(dòng)命令(或人踩制動(dòng)踏板)后,通過(guò)真空罐、真空泵控制器和真空泵提供真空源給電子真空助力器產(chǎn)生液壓力,液壓力通過(guò)制動(dòng)管路傳輸?shù)角坝臆囕?、電子控制單元、后右車輪和后左車輪卡鉗[7]使車輛減速或停止。

圖1 電子真空助力器在整車布置Fig.1 Layout of electronic vacuum booster in the whole vehicle

圖1中,1為真空罐,2為電子真空助力器,3為前右車輪,4為電子控制單元,5為后右車輪,6為后左車輪,7為上電開(kāi)關(guān),8為制動(dòng)踏板,9為前左車輪卡鉗,10為真空泵,11為真空泵控制器,12為制動(dòng)管路。

2 控制器工作原理圖

控制器工作原理圖如圖2所示。電控單元控制器工作過(guò)程為電池提供電壓(12 V),經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲,其中一部分輸入給電壓轉(zhuǎn)換和監(jiān)控芯片模塊,通過(guò)電源安全控制模塊降壓至5 V和3.3 V,為MCU(Microcontroller Unit)、液壓力傳感器、CAN(Controller Area Network)總線模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊和安全監(jiān)控模塊等供電,另一部分輸入給場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)管模塊提供電流源。

圖2 控制器工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of the controller unit

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各種信號(hào),當(dāng)通過(guò)CAN收到制動(dòng)命令后,單片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)根據(jù)實(shí)際壓力控制電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊,電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊與電池閥連接,電流流過(guò)電磁閥并使其打開(kāi),實(shí)現(xiàn)主動(dòng)增壓。電流從電源經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲、場(chǎng)效應(yīng)管、電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片、電磁閥、到電源地線,當(dāng)電磁閥通過(guò)電流時(shí),電磁閥開(kāi)始工作,在整個(gè)過(guò)程中,安全監(jiān)控實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)模塊異常,一旦發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題,發(fā)送給單片機(jī)做備緊急處理[8-9]。

3 電磁閥溫度電路模塊

電磁閥溫度電路模塊原理如圖3所示,當(dāng)單片機(jī)接收到制動(dòng)命令后,控制單片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管工作端口和驅(qū)動(dòng)芯片使控制端口處于高電平狀態(tài),單片機(jī)輸出PWM(Pulse Width Modulation)到單片機(jī)輸出PWM端口使電磁閥控制器端口輸出電流,同時(shí)單片機(jī)電流計(jì)算端口計(jì)算出電流,與電流溫度表配合計(jì)算出電磁閥溫度[10]。

圖3 電磁閥溫度電路模塊Fig.3 Temperature circuit module of solenoid valve

4 程序功能流程圖

當(dāng)車輛處于自動(dòng)駕駛或無(wú)人駕駛模式時(shí),接收到制動(dòng)命令后,程序首先要通過(guò)識(shí)別模式判斷是否長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng),如果不是長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng),就進(jìn)入正常制動(dòng)模式(人工駕駛制動(dòng)模式);否則,進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)模式,其判斷條件為:安全監(jiān)控(判斷是否有故障信息),坡度模塊(識(shí)別上坡或下坡),電流-溫度插值表,釋放開(kāi)關(guān)檢測(cè),電流反饋等信息。進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)模式后,首先發(fā)出報(bào)警指示,如果車輛有駕駛員,進(jìn)入人工駕駛;如果無(wú)人駕駛,要判斷車速、溫度、路面摩擦系數(shù)、期望壓力和實(shí)際壓力,通過(guò)安全策略控制壓力增減。圖4為程序功能流程圖。

圖4 程序功能流程圖Fig.4 Flow chart of program function

5 安全監(jiān)控

5.1 12 V電壓監(jiān)控

5.2 坡度模型監(jiān)控

通過(guò)AIS1120SX芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)將故障傳輸給單片機(jī)監(jiān)控,如果有故障坡度模型失效,報(bào)警。

6 坡度模型

通過(guò)傳感器和單片機(jī)軟件計(jì)算,最終得出汽車是上坡還是下坡,在多大的坡道上行駛。

圖5 坡度計(jì)算Fig.5 Slope calculation

7 溫度轉(zhuǎn)換模塊

7.1 電流-溫度-時(shí)間插值

溫度模塊計(jì)算,通過(guò)單片機(jī)計(jì)算電流反饋和時(shí)間,通過(guò)插值(見(jiàn)表1)計(jì)算出溫度。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn),得到電磁閥在-50~-70 kPa真空狀態(tài)時(shí)的電流-溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)曲線,如圖6所示。測(cè)試方法是在電子真空助力器電磁閥上增加溫度傳感器、在驅(qū)動(dòng)線上增加電流傳感器、在助力器上增加真空度傳感器等信號(hào)傳輸給單片機(jī),并在實(shí)車上測(cè)試,得到數(shù)據(jù)。

圖6 電流-溫度-時(shí)間插值曲線Fig.6 Current-temperature-time interpolation curve

表1 電流-溫度-時(shí)間表Tab.1 Current-temperature-time schedule

插值法是函數(shù)逼近的一種重要方法,它根據(jù)已知的數(shù)據(jù)序列(也可以理解為坐標(biāo)中一連串離散的點(diǎn)),找到其中的規(guī)律;然后根據(jù)找到的規(guī)律,對(duì)其中尚未有數(shù)據(jù)記錄的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值估計(jì),該估算值可無(wú)限接近真實(shí)值,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)估算值和實(shí)際值設(shè)定誤差范圍,也可以對(duì)數(shù)據(jù)中的缺失進(jìn)行合理的補(bǔ)償。

線性插值原理。已知數(shù)據(jù)(x0,y0)與(x1,y1),要計(jì)算[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在曲線上的y值,但實(shí)際值是Y=y+Δy,Δy可以無(wú)限小,Y≈y,如圖7所示。

圖7 插值圖Fig.7 Interpolation chart

7.2 電流反饋計(jì)算

8 報(bào) 警

在程序中設(shè)置報(bào)警標(biāo)記位,若有故障,故障標(biāo)記為通過(guò)CAN總線發(fā)送到汽車儀表盤,儀表盤燈亮,或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到智能網(wǎng)絡(luò)調(diào)動(dòng)中心處理。

9 開(kāi)環(huán)壓力控制

在制動(dòng)過(guò)程中,計(jì)算出電磁閥溫度在160℃后,單片機(jī)輸出100%PWM,保持10 s,使電磁閥全部打開(kāi),最大范圍增加液壓力,然后輸出60 PWM,保持5 min使車輛停止,整個(gè)過(guò)程就是開(kāi)環(huán)壓力控制(見(jiàn)圖8)。

圖8 開(kāi)環(huán)控制Fig.8 Open-loop control

10 安全策略

在制動(dòng)過(guò)程中,若出現(xiàn)電磁閥溫度過(guò)高,則利用開(kāi)環(huán)壓力控制,使車輛停止,通過(guò)CAN總線請(qǐng)求EPB(Electrical Park Brake)配合、駐車,同時(shí)控制器尾燈閃爍。等待車輛停止20 min后,使電磁閥溫度降低,車輛可以繼續(xù)行駛。

11 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過(guò)論述、研究實(shí)現(xiàn)對(duì)電子真空助力器控制,并完成智能汽車主動(dòng)剎車,實(shí)現(xiàn)ADAS(Advanced Driving Assistance System)、AEB、輔助制動(dòng)、主動(dòng)避讓等系統(tǒng)的剎車制動(dòng)功能,通過(guò)溫度模塊、坡道模塊和跛行模式完善無(wú)人駕駛在長(zhǎng)時(shí)間下坡制動(dòng)工況下,由于電磁閥線圈發(fā)熱導(dǎo)致失效情況或制動(dòng)不足等問(wèn)題安全設(shè)計(jì),為ADAS制動(dòng)提供更可靠保障。