轿车电子驻车制动系统设计与研究分析

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1本课题研究意义和背景 11.1.1线控技术 11.1.2电子驻车制动技术 21.2国内外研究现状概述 21.3本课题主要研究内容 4第2章电子驻车制动系统的原理 52.1传统驻车制动系统的结构特点 52.2电子驻车系统的相关技术要求 72.2.1制动系统的功用 72.2.2制动性能评价指标 82.2.3汽车制动系统的相关法规要求 82.3汽车局域网CAN总线技术 92.3.1汽车网络系统结构 102.3.2CAN总线的性能特点 102.3.3CAN总线的分层结构及功能： 112.3.4CAN节点结构 122.5本章小结 13第三章电子驻车制动系统硬件设计 143.1车速/发动机转速采集节点电路设计 143.1.1车速计算方法 143.1.2车速采集电路设计 153.2驻车坡度采集节点电路设计 163.3踏板行程采集节点的电路设计 173.4驻车制动蹄压力采集节点硬件设计 183.5中央ECU节点电路设计 193.6左右驻车ECU节点的电路设计 203.7车轮直流电机驱动电路设计 213.7.1驱动原理 213.7.2基于L298专用芯片驱动电路 233.8本章小结 23第四章 电子驻车制动系统的控制方案 254.1驻车制动实施 254.1.1驻车制动概述 254.1.2驻车制动控制流程 264.2智能驻车制动实施 274.3驻车制动解锁 284.4智能驻车制动解锁 294.5坡道辅助起步 304.5.1起步阻力的计算 304.5.2坡道辅助起步控制策略 324.6本章小结 33第五章 电子驻车系统执行机构 345.1电子驻车机械部分主要部件分析 345.1.1电机的选择 345.1.2运动转换装置的分析 355.1.3机械制动系统执行机构方案 355.2滚珠丝杆的设计和校核 365.2.1.滚珠丝杠选型及校核计算 365.2.2滚珠丝杆螺母副的参数确定 405.3二级齿轮减速器的设计与校核 415.3.1高速级齿轮的设计与校核 425.3.2低速级齿轮的设计和校核 445.4电机的设计和选用 455.5本章小结 46结论 47参考文献 49摘要电子驻车制动系统(ElectronicParkingBrake，EPB)是汽车线控制动系统的一类，也是车辆驻车制动系统的发展方向。本文主要从电子驻车制动系统电控部分的硬件原理电路、电子控制策略、机械执行机构的设计计算三方面进行了研究与设计开发。本文首先描述了硬件总体方案的总体设计要求，详细设计了中央控制单元ECU、左、右车轮ECU、车辆参数采集节点模块及其外围接口电路，并设计了满足要求的内嵌H桥电机驱动模块电路，组成了电子驻车制动系统的硬件部分。在车辆参量采集节点模块的设计中，采用了模块化设计的理念，主要包括：车速采集节点、发动机转速采集节点、驻车坡度采集节点、踏板(离合器和刹车踏板)行程等信号采集节点，通过这些节点实现了与电子驻车制动系统相关的车辆状态信息的采集与处理。接下来，本文对系统的控制策略及软件进行了探索性的研究与开发，提出了常规驻车制动、坡道辅助起步、辅助应急制动、智能自动驻车及智能自动解锁等智能控制策略，并根据坡度对驻车所需的驻车制动力进行了验算，利用提出的控制策略对电子驻车执行机构进行智能控制。最后，本文在国内外各公司开发的汽车电子机械制动系统结构及工作原理的基础上，提出了一种以二级减速、滚珠丝杠机构为主体的设计方案，并进行相关零部件的选择分析和设计计算。总的来说，电子驻车制动装置与传统的手动驻车制动装置相比，大大降低了驾驶员的操作难度，提高了驾驶的舒适性和制动性能。所以说，电子驻车制动系统的开发具有极其重要的意义。关键词线控制动；电子驻车制动；电子控制；执行机构VehicleElectronicParkingBrakeSystemDesignandAnalysisAbstractThesystemofelectronicparkingbrake(EPB),asatypeoftheautomobilebrakingsystemcontrolledbywire,isthedevelopmentaldirectionsofvehiclebrakingsystem.ThistextmainlyresearchesontheEPBdesignofthreeaspects,whicharehardwarecircuits,controlstrategies,andthemechanicalexecutionsystem.Thisarticlefirstlyintroducedthetotaldesignofhardwareandtotalrequestofthesoftwaredesigns．Accordingtothehardware’sfunctionrequest，thistextindetaildesignsthecentralECU，leftandrightwheelECU，thecollectingmoduleofvehicleparameteranditsoutercirclestoconnectacircuit．Thenodesinclude：Car-speedparametercollectingnodal，engine—speedparametercollectingnodal，hill—parkingparametercollectingnodal，parking-currentparametercollectingnodal，footplatejourneyparametercollectingnodal.Then,thecontrolstrategiesandsoftwareoftheEPBisresearchedanddevelopedexploringandrelevanttestsarefinished.Forthedesign,itisintroducedusualparkingbrake,HillStaringAid,assistantemergencybrake,intelligentauto-parkingbrake,intelligentauto-unlock-parkingbrakeandotherintelligentstrategies，andvalidatedbrakepoweraccordingtogradient. Finally,basedondesignsofthedomesticandforeigncompaniesinthedevelopmentofelectronicparkingbrakesystem,thisarticleputforwardadesignproposalofexecutingagency,whichisbasedonthestructureoftwostagereducer,ballscrewmechanism.Associatedanalysisanddesignofselectedcomponentscalculationarecompleted.KeyWordsbrake-by-wire,parkingbrake,electroniccontrol,executingagency绪论本课题研究意义和背景驻车制动装置是使汽车在路面(包括斜坡)上停驻时，为防止车辆滑行，以及汽车在坡道上起步时，用以防止车辆后退的装置。驻车制动装置有别于行车制动装置，它们各自有相互独立的操纵装置，驻车制动装置常采用手操纵机构，所以通常又称为手制动，但驻车制动装置既可以是手操纵也可以是脚操纵。一般小汽车和轻型卡车采用手操纵机构，而大型车辆则采用脚操纵的驻车制动踏板机构。随着汽车电子技术的发展，在汽车控制领域出现了汽车线控技术，进而出现了汽车线控制动技术。汽车电子驻车制动系统(EPB，ElectronicParkingBrake)便是汽车线控制动技术的一类，是为提高驾驶人员的操作方便性以及行车安全性而研制的一种电控设备。1.1.1线控技术线控技术(X-by-Wire)源于飞机控制系统，飞机控制系统是一种线控系统(Fly-by-wire)，它将驾驶员的操纵命令转换成电信号，利用机载计算机控制飞机的飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上，就是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成电信号，通过网络直接传输到执行机构。线控技术中“X-by-wire”可理解为电控方式，而这里X代表汽车中传统上由机械或液压控制的各个部件，如发动机、悬架、油门等。如线控转向(Steer-by-Wire)、线控制动(Brake-byWire)、线控油门(Throttle-by-Wire)等。线控系统网络实际上是一种特殊的局域网，它的使用环境与普通的局域网不同。汽车机舱内温度变化大；汽车行驶中可能出现较大振动；点火喷射系统等装置会带来较大的电磁干扰等。尤其是转向系统和制动系统对车辆安全性的要求极高，这就要求网络系统具有高速度、实时性、可靠性和抗干扰能力。电子驻车制动技术就是利用线控技术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。从技术升级上看，比长期使用的传统型手驻车制动模式推进了一大步。线控制动(X-by-Wire)[1]系统，是将计算机微处理器及电控技术运用在车辆制动系统上。是用电线取代部分或全部液压管路，以及很多阀门；用高性能的电制动器代替传统的制动器，用电子元件控制制动力的大小和各轴制动力的分配；在车辆上尽可能地使用电能，从而减少各种造成污染的液体的使用，符合“绿色环保车"的发展趋势。它易与其它电控系统结合在一起，如ABS，ESP(ElectronicStabilityProgram，电子行车稳定程序)，以及电子悬架系统、电子导航系统、防碰撞系统等，为汽车实现电子化提供了良好条件。控制信号和数据在车载网络中传输，减少线束的同时增加了多单元间的信息共享。这种新型的制动系统代表了制动技术的发展趋势。因此，研究线控制动系统具有重要意义。1.1.2电子驻车制动技术电子驻车制动，英文缩写为EPB（ElectricalParkBrake），作为汽车线控技术的一种，EPB通过内置在其电脑中的纵向加速度传感器来测算坡度，从而可以算出车辆在斜坡上由于重力而产生的下滑力，电脑通过电机对后轮施加制动力来平衡下滑力，使车辆能停在斜坡上。当车辆起步时，电脑通过离合器踏板上的位移传感器以及油门的大小来测算需要施加的制动力，同时通过高速CAN与发动机电脑通讯来获知发动机牵引力的大小。电脑自动计算发动机牵引力的增加，相应的减少制动力。当牵引力足够克服下滑力时，电脑驱动电机解除制动，从而实现车辆顺畅起步。该系统可以保证车辆在30%的斜坡上稳定驻车。另外该系统自动实现热补偿，即如果车辆经过强制动后驻车，后制动盘会因为温度下降与摩擦片产生间隙，此时电机会自动启动，驱动压紧螺母来补偿温度下降产生的间隙，保证可靠的驻车效果。综上所述，电动驻车制动系统，缩短制动距离，优化稳定性；由于制动执行器和制动拉杆之间没有了液压和机械连接取而代之是数据线，无疑这将大大减少制动器的作用时问，进而有效地缩短制动距离；无需制动液，有利于环保；制动踏板可调使舒适性和安全性更好；抗碰撞性能提高；节省空间，零件减少；几乎无噪声；安装简易；可实现所有制动和稳定。国内外研究现状概述目前，国内关于电子驻车制动技术的研究成果较少，还处于实验阶段。国际上已经起步，几乎所有大型汽车制造商都在研制开发此类线控技术的相关产品。EPB与传统的驻车制动系统有着极大的差别，其执行和控制机构需要完全的重新设计。其执行机构需要能够把电动机的转动平稳转化为制动蹄块的平动、需要能够减速增矩、需要能够自动补偿由于长期工作而产生的制动间隙等，而且由于体积的限制其结构也必须巧妙和紧凑，是整个EPB系统中非常重要的组成部分。其控制部分也要求能精确控制电动机的转速和转角从而快速响应驾驶员意图。在汽车上用响应迅速、结构简单的电子制动系统取代传统液压制动系统，业界在数年前就展开讨论，多家汽车零部件公司的研发工作也一直在进行。相比传统液压制动系统，电子制动系统省去了液压轮缸、驻车制动装置、制动主缸、真空助力器、液压制动力分配泵等，从而实现制动系统的简化、整备质量的降低、乘客舱空间的增长，并且能够减少制动距离。西门子威迪欧公司去年在瑞典的雪地中对EWB电子楔式制动系统进行测试，装备EWB的测试车从时速80km／h制动到完全静止，仅需64．5m的制动距离。而带有ESP的传统液压制动系在相同速度和路况下，平均制动距离需要75m，整整缩短10.5m。这就意味着配备EWB系统的测试车已经完全停下来的时候，采用传统液压制动器的汽车仍在以30km/h的速度前进。优势明显的电子制动系统在航空工业中的应用制动系统，成本将比传统液压制统提高20％，并且已经证实了该系统杰出的制动并且可靠性始终是这些公司最看重的问题。之所以迟迟未能在汽车上得到应用，原因主要一旦需要召回，公司将难以承受这种巨大的损失，有两个方面。第一是电子制动系统的成本较高，第二是电子制动系统可能受到其它信号的干扰而导致操作，毕竟汽车的使用环境要比飞机更为恶劣和复杂，使用者的专业性也不及飞机。而传统液压制动系统不会因为周围的电磁和脉冲信号而影响其正常工作，仍具有简单可靠的优势[2]。电子制动系统的前景虽然非常客观，但研发费用也是非常庞大的。在政府没有为这些零部件企业或是研究机构提供足够的资金支持的情况下，不能将其实现量产将对研发造成很大阻力。最近几年，一些国际大型汽车零配件厂商和汽车厂进行了一些关于EPB制动系统的研究工作，也申请了一部分专利，主要参与竞争的公司有：Continental、Teves、Siemens、Bosch、Eaton、AlliedSignal、Delphi、VarityLucas、Hayes等，而在此项目上的研究基本为空白，仅有二汽、清华大学和南京航空航天大学进行了一些相关的研究工作[3]。1.3本课题主要研究内容本课题的任务是对电子驻车制动系统进行初步的探索研究。本文在介绍电子驻车制动系统的机械执行机构、汽车制动系的技术要求和CAN总线的原理的基础上，对电子驻车制动系统的硬件和软件总体设计进行了简要的论述，主要对硬件电路进行了设计，搭建了以CAN总线为载体建立的各数据节点和ECU以及执行机构之间的联系。本课题研究的主要内容有：(1)汽车wire-by-wire技术及其发展趋势；(2)电子驻车制动系统的原理及CAN总线技术的研究；(3)电子驻车制动系统的关键技术及技术相关要求；(4)电子驻车系统的总体设计方案，包括功能分析及设计、系统参量采集分析；(5)电子驻车制动系统硬件的总体设计，包括各个数据采集点、中央ECU、左右车轮ECU和左右车轮驱动电机设计；(6)电子驻车制动安全及控制策略研究，包括常规驻车制动功能及扩展驻车制动功能实现策略；(7)机械执行机构的总体方案设计，包括各个零件的选取和参数设计、关键零件的寿命校核。电子驻车制动系统的原理2.1传统驻车制动系统的结构特点传统驻车制动装置一般包括手刹车操控、传动、制动器三个部分，如图2-1所示。手刹操控部分由手刹车操纵杆、按扭、棘爪、棘轮组成，其作用是将手操纵力按一定的传动比传到钥索上，传动部件为钢索[4]。图2-1传统驻车制动系统手刹部分1-制动手柄2-前拉索3-连接片4-支座5-右论6-左轮钢索两端分别与左右后轮的制动器中的驻车制动摇臂相连，钢索中间部分通过滑轮或者连接片与手刹车操纵杆相连，手刹车操纵力通过钢索传到制动器内部，使制动器进人工作状态。制动器目前各类汽车所用的摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。旋转元件固装在车轮或半轴上，即制动力矩直接分别作用于两侧车轮上的制动器，称为车轮制动器。旋转元件固装在传动系的传动轴上，其制动力矩须经过驱动桥再分配到两侧车轮上的制动器，则称为中央制动器。图2-2鼓式制动器结构图1,9-制动蹄，2-摩擦片，3-制动底板，4,10-回位弹簧，5-轮缸，6-活塞顶块7-凸轮，8-锁销，11-支撑销，12-弹性垫圈，13-螺母，14-定位弹簧，15-限位杆16-弹簧座，17-标记，18-压紧弹簧，19-制动轮缸，20-制动鼓鼓式制动器包括制动蹄、自调机构、轮缸、驻车制动摇臂等组成部分。它将钢索传过来的拉力转变成驻车制动力矩，该力矩通过车轮使车辆稳定停驻在所需坡度上。当施行驻车制动时，拉动手刹车操纵杆，拉紧与之相连的钢索，通过钢索将拉力传到后制动器内部的驻车制动摇臂上，该摇臂一端同一制动蹄相连，中间通过自调机构同另一制动蹄相连，另一端与钢索相连。拉紧钢索时，通过摇臂和自调机构(在驻车时起到传力撑杆的作用)将拉力传到两制动蹄上，使制动蹄张开紧紧压在制动上，制动器便进人工作状态，当达到所需的制动效能时，手刹车操纵杆中的棘爪与棘轮就起到了制动作用，使整个驻车制动系统可靠的锁紧在制动位置上，保证驻车的可靠性。要解除驻车制动时，需将手刹车操纵杆扳起少许，再压下操纵杆头上的按扭，通过操纵杆内的推杆使棘爪离开棘轮，然后将操纵杆向下推到解除制动的位置，此时钢索放松，制动蹄在各自回位弹簧作用下，恢复到原来状况，驻车制动解除。对于带有驻车驱动的盘式车轮制动器，驻车时是通过驻车拉索的拉动使位于制动钳体内的指销推动辅助活塞移动，辅助活塞进而顶住活塞移动，先使活塞一侧的制动块压靠到制动盘，此反作用力则推动制动钳体连同另一侧的制动块压靠到制动盘，从而产生驻车制动作用，如图2-3所示。图2-3盘式制动器结构图1—制动块2—制动盘3—活塞4—制动钳体5—卡头6-辅助活塞7-带斜槽的挺杆8-驻车拉索2.2电子驻车系统的相关技术要求线控系统已经在航空飞机上建立和发展了许多年。如今，出现一个很明显的趋势，没有机械和液压后备系统的线控系统将逐渐在车辆中得到应用和发展。其中，所需要的电子系统必须有好的稳定性和严格的安全性。2.2.1制动系统的功用轿车制动系统必须能以适当的减速度使轿车的速度降低到所需要的值(包括零值)；使轿车在下坡行驶时保持适当的稳定速度；轿车能够可靠地在原地或者坡道上停驻。制动系统分为行车、驻车、应急、辅助制动四种装置[4]。行车制动系统指在汽车正常行驶过程中，能为汽车提供的所需的减速度驻车制动系统主要用来使汽车可靠地在坡道上停驻。应急制动系统主要是在汽车行车制动发生故障时，防止意外发生的第二套制动系统。辅助制动系统主要用于减轻行车制动过程中驾驶员的负荷和汽车下坡时制动器的磨损。2.2.2制动性能评价指标轿车的行车制动性能主要由以下三方面来评价[5]：(1)制动效能，即制动距离与制动减速度；(2)制动效能的恒定性，即抗热衰退性能；(3)制动时轿车的方向稳定性，即制动时轿车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。制动效能是指在良好路面上，轿车以一定初速度制动减速到停车的制动距离或制动时轿车的减速度。它是制动性能最基本的评价指标。制动效能包括行车制动效能和驻坡制动效能。行车制动效能用在一定的制动初速度和最大踏板力下的制动减速度和制动距离两项指标来评定，制动距离是指在一定车速下，汽车从驾驶员踩下制动踏板开始到停车为止所驶过的距离，它与制动踏板力及路面附着条件有关。制动减速度常指制动过程中的最大减速度，它反映了地面制动力，因此它与制动器制动力(车轮滚动时)及道路一轮胎附着力(车轮抱死拖滑时)有关。驻车制动效能是指汽车在良好路面上能够可靠停驻的最大坡度。一般应国内外汽车法规要求最大停驻坡度不低于16％~20%。轿车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。此外，涉水行驶后，制动器还存在水衰退问题。因此，制动效能的恒定性包括热恒定性和水恒定性。一般要求达到恢复所需要的制动次数最多为5~15次。2.2.3汽车制动系统的相关法规要求GB12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》如下规定：(1)汽车制动系必须满足对行车制动系、应急制动系和驻车制动系所规定的要求；(2)至少应有两套彼此独立且驾驶员在其正常驾驶位置易于接近的控制装置．除m和M类车辆以外，其他各类车辆的制动控制装置缓（速器除外）的设计应能使其在解除制动时完全回位．对采用机械装置锁止在制动位置的驻车制动系的控制装置可不必满足；(3)行车制动系和应急制动系共用同一控制装置时，则控制装置与传能装置的各部件之间的连接的效能，在经一定的使用期后，不得有减弱的趋势。；(4)行车制动系和应急制动系共用同一控制装置时，则驻车制动系必须保证车辆处于行驶状态时也能制动。对用于一种辅助控制装置至少能使行车制动系部分地制动时，则不必满足本条的要求；GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》规定：(1)行车制动的控制装置与驻车制动的控制装置应相互独立；(2)驻车制动应能使机动车即使在没有驾驶员的情况下，也能停在上、下坡道上.驾驶员必须在座位上就可以实现驻车制动；(3)驻车制动应通过纯机械装置把工作部件锁止，并且驾驶员施加于操纵装置上的力：手操纵时，乘用车不应大于400N，其它机动车不应大于600N；脚操纵时，乘用车不应大于500N，其它机动车不应大于700N；

(4)驻车制动的控制装置的安装位置应适当，其操纵装置应有足够的储备行程，一般应在操纵装置全行程的三分之二以内产生规定的制动效能；驻车制动机构装有自动调节装置时允许在全行程的四分之三以内达到规定的制动效能。棘轮式制动操纵装置应保证在达到规定驻车制动效能时，操纵杆往复拉动的次数不允许超过三次；

(5)采用弹簧储能制动装置做驻车制动时，应保证在失效状态下能快速解除驻车状态；如需使用专用工具，这种工具应作为随车工具。在空载状态下，驻车制动装置应能保证机动车在坡度为20%（对总质量为整备质量的1.2倍以下的机动车为15%）、轮胎与路面间的附着系数不小于0.7的坡道上正、反两个方向保持固定不动，其时间不应少于5min。对于允许挂接挂车的汽车，其驻车制动装置必须能使汽车列车在满载状态下时能停在坡度为12%的坡道（坡道上轮胎与路面间的附着系数不应小于0.7）上。2.3汽车局域网CAN总线技术随着汽车上电子设备不断增加，使电子线路迅速膨胀，线束越来越复杂，布线越来越困难。减少线束是必须解决的问题，而点到点的并行连接方式无能为力，基于串行信息传输的总线是一种必然的选择。车辆引入总线技术有如下优点：(1)减少了线束的数量和体积，提高了电子系统的可靠性，维修容易、安装简便。(2)由于采用了通用传感器，通过网络进行数据通信，可以达到消除冗余传感器并实现数据共享的目的。(3)改善了车辆系统设计和配置的灵活性，实现车辆各个装置的模块化。(4)使用网络将车辆各个电子装置连接起来，让车辆真正成为系统控制的整体对象，利于车辆动力性、排放性、操纵性、经济性和安全性的改进。2.3.1汽车网络系统结构国际上众多汽车公司在20世纪80年代就积极发展汽车总线技术，已有多种网络标准。目前多种汽车网络标准中，侧重的角度有所不同。为了方便研究和设计应用，SAE（SocietyofAutomobileEngineers）车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三大类，如表2-1所示。表2-1汽车网络的划分A面向传感器/执行器控制的低俗网络1-10Kb/s电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制B面向独立模块间数据共享中速网络10-125Kb/s电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、等系统C面向高速、闭环控制的多路传输网125-1Mb/s悬架控制、牵引控制、发动机控制、ABS等系统以上三类总线技术速率的差别在价格上也得到了一定的体现。如图所示，为各种典型的总线形式，并显示了各自的应用范围和相应的成本。其中，J1850除了Ford,Chrysler和GM公司在继续使用外，未能获得广泛的推广。而LIN总线相对J1850不仅能完成J1850的大多数的功能，而且成本更为低廉，在不久的将来LIN总线将完全取代J1850。而其他类型总线由于自身属性不可完全被其他总线所代替，故将在相应的应用范围内继续发展。2.3.2CAN总线的性能特点1986年2月，RobertBush公司在汽车工程师协会（SAE）上介绍了一种新型的总线技术—控制器局域网（ControlAreaNetwork,CAN）。目前汽车上使用的高速网络协议大多采用的是CAN总线的标准，特别是广泛使用的ISO11898国家标准。CAN总线的传输物理介质主要有双绞线、同轴电缆和光缆三种，目前广泛使用的是双绞线。根据ISO11898的协议内容，即时双绞线中有一根断路，或一跟接地甚至两根短接，总线必须能够继续工作。CAN总线是一种串行数据传输通信总线，它具有一下几个特点[8]：(1)总线访问采用基于优先权的多主方式。CAN总线最大的特点是任何节点都可以向其他节点发送数据，方式灵活。而信息的内容通过标识符ID来标记，每个节点都可以通过标识符来判断是否接受该数据。(2)总线采用非破坏性的基于线路竞争的仲裁方式。CAN总线采用载波侦听多路访问的方式，解决访问冲突。CAN总线确保具有最高优先级（其ID最小）的节点优先使用总线。(3)通过利用接收滤波可以实现点对点、一点对多点、或是广播式传递信息。(4)配置灵活，当CAN网络需要添加节点时，其他节点不需要作软件或者硬件方面的调整。(5)CAN的传送速率达到1mb/s，最大传输距离为40m，完全可以满足汽车控制现场的需要(6)仲裁失败或是因故障损坏的数据帧在总线空闲期间自动重发，恢复时间一般为17~23位，最多占29个位时间。(7)数据帧结构较短，缩短了传输时间，具有抗干扰能力强，检错效果好的特点。(8)CAN总线能区分节点的临时故障和永久性故障并能自动断开故障节点，其他节点不受到影响。2.3.3CAN总线的分层结构及功能：CAN遵循ISO/OSI标准模式，定义了OSI模式的数据链路层和物理层，[9]其中数据链路层又包括逻辑控制子层（LLC）和媒体访问子层（MAC），物理层分为物理信号层（PLS）、物理介质层（PMA）、介质附属接口层（MDI）。LLC子层实现接收过滤、过载通知等功能。MAC子层实现数据打包/解包、帧编码/解码、错误检测、接收应答、串并转换等功能。物理信号层实现与位表示、定时和同步相关的功能，这些功能由CAN控制器实现。物理介质层实现总线发送/接收的功能并可提供总线故障检测方法。由CAN收发器实现。介质接口子层MDI：介质附属接口层实现物理介质和介质访问单元之间机械和电气接口[9]。物理层是实现ECU和总线相连的电路。CAN总线采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线（CAN-H和CAN-L）就可以进行正常的通信。在干扰比较强的场合，还需要用到屏蔽地即CAN-G（主要功能是屏蔽干扰信号），CAN协议推荐用户使用屏蔽双绞线作为CAN总线的传输线。在隐性状态下，CAN-H与CAN-L的输入差分电压为0V（最大不超过0.5V），共模输入电压为2.5V。在显性状态下，CAN-H与CAN-L的输入差分电压为2V（最小不小于0.9V），如图2-5所示图2-4CAN总线位的数值表示2.3.4CAN节点结构CAN网络系统节点由节点微控制器MCU、CAN协议控制器和收发器组成，如图2-6所示图2-5CAN网络基本结构CAN协议控制器主要有独立式和集成式（集成于节点微控制器）两种。前者主要有Philips公司的PCA82C200，SJA1000及Intel82526/82527等，后者Philips公司的P8XC591、Motorola公司的MC68HC05X4、Intel公司的87C196CA/CBCAN。控制器的作用是接收控制单元中微控制器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器，同时也接收收发器收到的数据，处理数据并传给微控制器。CAN收发器的作用是将CAN控制器提供的数据转换成电信号发送至总线，同时接收总线数据。常见的CAN协议收发器Philips公司的PCA82C250和TJA1050，Fresscale公司的MC33388，MC33989等。2.4本章小结本章从分析传统驻车制动系统结构、电子驻车制动系统的优点和驻车制动相关的技术法规入手，阐述了电子驻车制动系统的相关技术要求关键技术，并在此基础上研究了汽车局域网CAN总线的原理。通过这部分内的研究，可以看出电子驻车制动系统的所具有的明显优势和广阔的应用前景，但也有前述存在的大量亟待解决的问题。第三章电子驻车制动系统硬件设计参数采集节点主要对反映车辆状态的模拟量和脉冲量信息进行采集，并进行数字化转换，实时的传输至车载CAN网络，供中央ECU节点读取，以辅助电子驻车制动系统进行安全策略的判断，实现各种设定功能。参数采集节点电路以模块化的方式进行开发设计，这样可以避免各采集电路之间的相互干扰，并提高各参数采集模块的整体抗干扰能力，并且可以提高系统的可维修性，易于日后对系统功能进行扩展。基于这样的考虑，参数采集节点设计为车速采集板、发动机转速采集板、驻车坡度采集板、驻车电流采集板、离合器踏板行程采集板、油门踏板行程采集板、制动踏板行程采集板等八块电路板组成，每块电路板均为独立的CAN总线节点，各自与CAN总线相联接，并统一封装于一个电子设备盒中，作为车载CAN总线系统的终端。3.1车速/发动机转速采集节点电路设计3.1.1车速计算方法通常速度测量方法采用的是脉冲式测速法。它利用与车轮同步旋转的脉冲发生器，产生与车轮转速成正比的脉冲数，再根据适当比例调整单位时间内的脉冲数的计数，就可表示车辆运行的速度。事实上，由于车速变换范围较大，微控制器如果仅仅是按照预定的时间间隔对端口进行脉冲数读取，那么车速较高时，脉冲周期非常短，导致微控制器读取定时器时间比例变大，引起误差；车速较低时，脉冲周期又很长，极易导致微控制器定时器溢出，引起误差。因此在对脉冲发生器进行测量时，如果不采取变化的计数方式，则在脉冲周期过长或过短时都会对测量产生很大的误差。特别在本项目中，即将驻车时的车速都是很低的，如果只是定时对轮速传感器输出的脉冲进行简单的计数，就不能准确测量出当前车辆速度，进而又可能引起EPB系统产生误动作，导致执行机构受损。因此，本项目中的车速计算方法在脉冲周期过短时(高车速)，使用了定时累计平均值法[10]，即计算在一定时间间隔内发生脉冲数量的方法来减小误差；脉冲周期过长时(低车速)使用有效脉冲发生时刻法，即计算转速信号两个有效脉冲之间的时间间隔来计算转速。由于车速传感器脉冲数与车速真实比例相关信息未知，因此，无法计算出真实的车速值。实验时，实现了两种方法，固定脉冲数在不同的数值，在一定范围内进行了测量。在未进行真车实验之前，为方便进行系统汽车台架实验，这里约定一个脉冲间隔，汽车刚好行驶1米的距离。因此，车速采集节点传输给主控节点车速信息时，只需回传单位时间内的脉冲个数即可。由于车速传感器脉冲数与车速真实比例相关信息未知，因此，无法计算出真实的车速值。实验时，实现了两种方法，固定脉冲数在不同的数值，在一定范围内进行了测量。3.1.2车速采集电路设计微控制器选用ATMEL公司的AT89S52[11]芯片，CAN控制器采用广泛使用的SJA1000[12]，CAN收发器采用CTM1050[13]。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 SJA1000是一种独立控制器用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制CAN它是PHILIPS半导体PCA82C200CAN和控制BasicCAN的替代产品，而且它增加了一种新的工作模式(PeliCAN)，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议，是目前市面上用的最广的CAN控制器。该电路中采用了隔离CAN收发器模块CTM1050，以确保在CAN总线遭受严重干扰时控制器能够正常运行。CTM1050芯片采用全灌封的工艺，内部集成CAN-bus所必须的收发电路，完全电气隔离电路，隔离电压DC2500V。CTM1050是用于CAN控制器与CAN总线之间的接口芯片，CAN总线波特率应用范围：40Kbps—1Mbps，完全符合ISO11898标准。CTM1050芯片主要功能：具有将CAN控制器逻辑电平转换为CAN总线的差动电平的功能。硬件电路设计时，根据AT89S52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SJAl000的数据地址口相连据，并将SJA|000的中断引脚INT与AT89S52的INT0相连。至于车速采集电路的设汁，由于车速传感器输出的已经是标准脉冲信号，因此只需将车速传感器的输出端与微控制器的INTl相连即可。根据SJAl000数据手册中推荐方式配置最小电路。只需再将SJAl000[14]的RX0、TX0引脚与CAN收发器CTMl050T的RXD、TXD相连即可。CAN收发器CTIvll050T的CANH与CANL通过双绞线连接到CAN总线上，CANG连接双绞线的屏蔽层。这样CAN收发器的电路配置完毕。车速采集电路设计图3-1所示。图3-1车速采集电路3.2驻车坡度采集节点电路设计驻车坡度的采集时通过一款由芬兰VTI公司推出的高分辨率、低噪声、稳定性好、抗冲击能力的单轴倾角传感器芯片。其中S61T-FAHH1G型具有以下特点：单轴倾角传感器；测量范围0.5g；单极5V供电，比例电压输出；分辨率单轴倾角传感器；数字SPI或模拟输出；内置温度传感器长期稳定性非常好；高分辨率，低噪声，工作温度范围宽。驻车坡度采集电路设计如下所示：SCA61T有模拟和数字SPI两种连接方式，根据不同的应用场合选择不同的连接方式。其内部集成的A／D转换分辨率可以达到11位、数字SPI输出频率可以达到500khz，因此微处理器可以通过SPI接口直接读取SCA61T转换结果(11位)，并将此信息通过CAN控制器、CAN收发器传送给CAN总线，再由中央ECU节点接收。图3-2驻车坡度采集电路3.3踏板行程采集节点的电路设计踏板行程采集节点实际上包括三部分：离合器踏板行程采集节点、制动踏板行程采集节点和油门踏板行程采集节点。由于这三个节点采集的信号属于同一种类型，因此在硬件电路的设计上完全相同。在此仅以离合器踏板行程采集节点为例，对踏板行程采集节点的硬件电路设计进行说明。离合器踏板行程采集节点的硬件电路包括三部分：线性角位移传感器、A/D转换硬件电路和CAN总线通讯硬件电路。离合器踏板行程传感器选用了德国NOVOTeehaik公司生产的线性角位移传感器，如下图所示。离合器踏板行程传感器输出范围为0～5v，输出的电压值跟离合器踏板的位移成线性关系。离合器踏板行程采集节点中传感器信号的A/D转换部分硬件原理电路与驻车电流采集节点中传感器信号的A/D转换部分硬件设计电路类似，唯一不同之处就是在AD574A的9、13脚之间，直接输入的是O-5v的电压信号。离合器踏板行程采集节点中CAN总线通讯硬件原理电路与它部分与驻车电流采集节点中CAN总线通讯硬件原理电路完全相同，在此不再赘述。3.4驻车制动蹄压力采集节点硬件设计驻车制动力的计算方法：在驻车制动其内侧安装压力传感器目的是通过测量制动块上的压力，推算出当前一体化执行机构已经施加的驻车制动力，并把这个信息作为执行机构的馈，送至各车轮ECU，以便于控制车辆能够安全可靠的实现驻车，而又不至于损坏驱动电机。驻车制动器要能保证产生汽车在坡度为θ坡道上可靠的停车所需的制动力矩为 （3-1）式中R——车轮的有效半径（m）；G——汽车所受重力（N）；——道路坡度（°）。那么单个制动器所需的制动力为 （3-2）而对于盘式制动器而言，制动力矩可用下式表示 （3-3）（3-4）式中u——摩擦因数；R——作用半径（m）；F——制动块埘制动盘的压紧力（N）；R1——制动摩擦块扇形表面在制动盘上的内半径（m）；R2——制动摩擦块扇形表面在制动盘上的外半径（m）。因此， （3-5）驻车制动盘压力采集电路设计AD57A芯片：用于存放12位转换结果。D输出方式有两种，引脚=1时，D的D(11)-D(0)并行输出；引脚=0时D的高8位与低4位分时输出。图3-3驻车制动压力采集电路3.5中央ECU节点电路设计中央ECU节点硬件电路主要包括以下几个部分：(1)CAN总线通讯电路(2)开关量信号检测电路(3)指令信号输出电路。AT89S52芯片的外部中断只有按下降沿或低电平触发。由于驻车制动开关对其状态捕获的实时性要求比较高。因此系统中采用外部中断下降沿触发的方式，以便对状态进行监控。中断扩展的连接关系为：驻车制动开关信号一路直接连接到INT0和P1.0，另一路则通过非门连接到INT1；车门开关信号也直接连接到INT0及P1.2；总线接收信号也直接连接到P3.2(INT0)及P1.3；座椅占用开关量直接连接到P1.1。外部中断的方式均设置为下降沿触发。当驻车开关按下、车门开关关闭及外部信息接收时，触发外部中断0，而开关抬起时，触发外部中断1。为了能区分是由哪个信号产生的中断，在外部中断0服务程序中需首先判探测相应输入端口，判断是由论哪个信号触发的中断，然后再分别根据控制策略对相关参数判断，通过CAN总线分别向驻车制动节点发送制动实施或制动解除指令。特别注意的是，实际过程中驾驶员在按下和抬起驻车制动按钮的时候，可能存在抖动动作，所以在设计时可以加入硬件消抖或者通过程序软件消抖。指令信号输出电路主要完成以下两个功能：(1)当按下驻车制动按钮式，指示灯亮起(2)汽车中央控制台蜂鸣器的响闭。图3-4中央ECU设计电路3.6左右驻车ECU节点的电路设计左右车轮ECU接收到中央ECU的控制指令后，需要向执行机构输出控制信号，实现驻车电机的正传、反转和停转，同时还要监测驻车执行电机行程的极限位置开关的状态。车轮ECU节点硬件原理电路主要有三部分组成：驻车执行机构行程极限开关状态采集部分、CAN总线通讯部分和电机驱动电路控制信号输出接u部分。电路硬件电路设计如图所示。驻车执行机构行程极限，关在螺纹芯轴转动到夹紧的极限位置时闭合，通过监测这个微动开关的状态，获取当前驻车执行机构的状态，及时输出电机停转指令，避免驱动电机的螺纹芯轴在推动驻车制动钳完全夹紧制动盘后电机过载，烧坏电机。置为下降沿触发。这样当极限位置微动开关闭合及外部信息接收时，触发外部中断0。为了能区分是由哪个信号产生的中断，在外部中断0服务程序中需首先判探测相应输入端口，判断是由哪个信号触发的中断，如果是执行机构行程已经到达极限位置，则通过P12和P13分别向左右电机驱动电路节点发送停转指夸。微控制器的PI2和PI3除了向左右电机驱动电路节点发送停转指令外，还输出电机驱动电路的正传、反转和停转控制信号。在这里，定义P12输出高、低电平，可以控制驱动电机的正传和停转；P1.3输出高、低电平，可以控制驱动电机的反传和停转。图3-5左右车轮ECU设计电路3.7车轮直流电机驱动电路设计直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足自动化控制系统各种不同的特殊运行要求。3.7.1驱动原理H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，如图3-6所示。要使电机转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。。

图3-6H桥驱动电路(1)当Q1,Q2,Q3,Q4均未导通时，电路中没有电流通过电机，电机停转。(2)当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1穿过电机，然后经Q4回到电源负极，如图中3-7所示。该流向的电流将驱动机顺时针转动。图3-7H桥电路驱动电机顺时针转动(3)当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。

图3-8H桥驱动电机逆时针转动(4)当Q1和Q3关断，Q2和Q4闭合，电机瞬间停止转动并保持，实现临时制动的功能。3.7.2基于L298专用芯片驱动电路L298是SGS公司的产品[15]，比较常见的是15脚Multiwatt封装L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。它可以驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机[16]的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。如图3-9所示，L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机,5,7,10,12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA,EnB连接接控制使能端，控制电机的停转。图3-9左右车轮电机驱动电路3.8本章小结本章按照电子驻车制动系统的整体总体设计方案，对电控部分的硬件原理电路部分进行了设计，共完成了部分数据采集点、中央ECU、车轮ECU和电机驱动电路的设计。在设计过程中，充分考虑和最终要实现的目标和相关硬件的性价比，构建了电子驻车制动系统的硬件原理电路，完成了对电子驻车制动初步的了解和认识。电子驻车制动系统的控制方案在为驾驶员提供驾驶的方便和舒适的前提，电子驻车制动系统应能根据采集到的信号准确判断驾驶员的意图，发送相应的指令，控制执行机构准确实现相应的功能。同时也应避免可能出现的意外情况，将安全性放在首位。基于上述电子驻车制动系统应实现的功能需求，本项目中电子驻车制动系统各功能定义如下：(1)驻车按钮“按下”，且车辆处于停驶状态：实施驻车制动，执行机构为驻车制动轮施加预定的驻车制动力后，则执行机构转动到能够提供预定驻车制动力的位置后锁止，驻车指示灯“亮”；(2)驻车按钮“抬起"，车辆处于停驶状态，且发动机处于正常运转状态：解除驻车制动，执行机构回转到解锁极限位置后，驻车指示灯“灭”；(3)驻车按钮“按下"，车辆处于正常行驶状态：解除驻车制动，执行机构回转到解锁极限位置锁止后，驻车指示灯“闪烁"，蜂鸣器告警；(4)驻车按钮“抬起”，车辆处于停驶状态：实施驻车制动，执行机构为驻车制动轮施加预定的驻车制动力后，则执行机构锁止，驻车指示灯闪烁。4.1驻车制动实施要安全的实施驻车，必须要准确判定驾驶员的驻车意图，以及可能会发生的意外情况，根据不同的情况，利用软件控制驻车系统工作，实现总体设计方案中预期的驻车制动功能。4.1.1驻车制动概述本功能是电子驻车系统最基本的功能。之所以称之为被动，是由于只有在驾驶员按下驻车制动按钮后，此套系统才会真正工作。驾驶员按下制动按钮，中央控制ECU通过CAN总线给左右车轮驻车执行节点ECU发送驻车实施指令，而执行节点ECU根据指令，驱动直流伺服电机将制动块压紧制动盘实现驻车。为了能够施加合适的驻车制动力，同时防止由于驾驶员误按电子驻车系统按钮，而造成驻车制动系统在非驻车状态下工作，而造成不安全因素，采集节点必须实时采集并由CAN总线向中央控制节点或左右车轮驻车制动节点提供以下信号：驻车按钮信号：开关量信号，其下降沿触发驻车中断程序。驻车坡度信号：模拟量信号，通过倾角传感器得到当前停驻的坡度。制动压力信号：模拟量信号；通过压力传感器得到实时驻车压力信号。行车速度信号：标准脉冲信号，当正常实施驻车时，车速应为零；但考虑到实际驻车时可能会出现溜车的情况，因此设置了一个车速阈值，即小于等于0.4m/s，即视为正常驻车。4.1.2驻车制动控制流程驻车制动流程如下：当驻车按钮按下，发出驻车制动指令，中央控制节点ECU捕获到该信号的下降沿，启动制动中断服务程序。中断服务程序置位捕获标志，并根据缓冲区内的采集节点定期通过CAN总线发送的采集参数数据帧信息，判定当前是否具备正常驻车条件。如果车速小于等于车速阈值，中央控制节点则会通过CAN总线，给左右车轮驻车制动节点ECU发出制动指令，驻车制动节点ECU驱动执行机构工作。实施驻车制动，当查询缓区内相应驻车制动压力参数，达到当前路况(驻车坡度)需要的驻车压力时，极限位置锁止，驻车指示灯@“亮"，颜色为红色，表示完成驻车制动。在制动时，因为电机高速旋转作用过程平均转速超过12000转／分钟，所以整个制动过程的作用时间很短，不超过2秒，而电机及减速器又设计有很大的扭矩，所以制动时机械执行机构可以迅速产生较大的驻车制动力，从而实现可靠驻车。在驻车制动动作瞬时完成以后，汽车的驻车制动状态不再需要电机继续工作来维持，也不再需要继续消耗汽车蓄电池的电能，因为通过内部螺纹的纯机械的自锁作用来维持汽车的驻车制动状态。图4-1驻车制动流程图4.2智能驻车制动实施在实际驻车情况中，有一种情况常常遇到。当驾驶员踩下离合、踏下行车制动踏板，待汽车停驻后，关闭发动机。发动机熄火车辆停驻后，而驾驶员忘记按下驻车制动按钮，打开车门后离开。这种状况的危害主要是车辆由于外力或其它因素作用出现意外溜车，造成本车或其它周围停驻车辆的损坏，形成不安全因素。为了避免这种情况的出现，本电子驻车系统设置了智能自动驻车功能。为了实现此功能，系统必须明确判断驾驶员确实在熄火后已离开，然后自动实施制动。由于这种情况并没有按下驻车制动按钮发出驻车制动指令，因此需要利用微处理器采集如下传感器提供的信号：车速脉冲信号：标准脉冲信号，车速应为零。发动机转速：标准脉冲信号，此时发动机转速应为零。油门踏板位置：模拟电压信号，油门踏板位置为零，即节气门完全关闭车门开关及驾驶员座椅占用信号：如果驾驶员座椅未被占用，且驾驶员侧车门有先开后闭的动作时，可判定驾驶员离开汽车。利用车门开关量信号的下降沿可触发自动驻车制动的中断服务程序，中断服务程序通过车速传感器、发动机转速传感器及节气门开度传感器采集。(1)车速已为零；(2)发动机熄火转速为零；(3)节气门关闭；(4)驾驶员座椅未被占用，可判断司机已离开汽车，忘记按驻车按钮。此时服务程序自动通过CAN总线，给车轮控制执行节点ECU发出制动指令，驱动执行机构工作，实施驻车制动。极限位置锁止后，驻车指示灯@“闪亮"，颜色为红色，同时伴有声音警告，提示正在离开的司机复位驻车制动开关。具体的工作流程如图4-2所示。图4-2智能驻车制动流程图4.3驻车制动解锁常规的驻车制动解除是由驾驶员在汽车驶离前主观实施的。正常的操作应该是踩下踏制动踏板，逐步释放手刹，解除驻车制动，然后再按照操作规范进行车辆的起步。对于本设计方案，抬起驻车制动按钮后，中央控制节点ECU捕获这一信号的下降沿后，立即启动制动解除中断程序。中断程序根据缓冲区内采集点已经发送到CAN总线上的数据帧内容，判断是否具备正常解除驻车制动的条件。同时还需要制动踏板处在制动位置，则实施解除驻车制动。解除驻车制动所需要的信号参数如前面实施制动情况相同，这里不再展开论述，解除驻车制动过程的流程图如图4-3所示。图4-3中央控制ECU驻车解锁图4-4驻车制动ECU驻车解除流程4.4智能驻车制动解锁实际驻车制动的解锁情况中，由于驾驶员的疏忽或者不熟练，可能会造成起步忘记抬起驻车按钮，实施解锁的情况，这样一来很可能会造成刹车系统损坏，形成不安全因素。为了避免这种情况出现，系统设计了智能驻车自动解锁功能。系统只有检测到驾驶员确实启动发动机踩下油门后，并未正常抬起驻车按键，才会自动实施制动解锁。系统需要要利用微处理器的定时器中断定时的采集查询油门踏板位置信号、离合器踏板位置信号，发动机转速信号是3个的输入参数。然后根据、坡道辅助起步相关控制策略控制车辆起步，在此不加赘述。自动解锁后，驻车指示灯@“闪亮"，颜色为红色，同时伴有声音警告，提示司机复位驻车制动开关。智能解除驻车制动过程的流程图在此不展开，下面坡道辅助起步中详述。4.5坡道辅助起步此外，系统还设有坡道辅助起步功能。当汽车暂时或长时间停驻在坡上时，需要驾驶员踩住制动踏板或按下手驻车开关，以防车溜车。对于这两种情况，当汽车再次起车时就涉及到坡道起步问题。本文所讨论的坡道起步是使用手刹车停驻在坡上的汽车的起步问题。在坡道上起步时，当抬起驻车制动按钮时，需要通过相关采集参数的判断，执行坡道辅助起步功能。传统动力传动系统车辆坡上起步要求驾驶员对离合器踏板、油门踏板及手刹车操纵杆等的一系列操作必须协调，否则容易出现发动机“熄火”和车辆倒溜的危险情况。在电子驻车制动系统里融入HAS坡道辅助起步系统，将有效避免这些问题，降低驾驶员起步难度，提升驾驶乐趣。当系统检测到驾驶员起步时，抬起驻车开关的同时，并没有踩下制动踏板，则系统发出相应的指令，执行坡道起步服务程序。坡道起步的操作过程是：驾驶员抬起驻车开关给出“解除制动"信号，踩下离合器并给油，慢慢松开离合器踏板。当松开离合器踏板到一定程度，即离合器结合到一定程度时，其传递的扭矩刚好能克服起步阻力矩，迅速解除制动，实现平稳起步。其控制的难点是找到离合器的摩擦力矩和起步阻力矩相等的点——半联动点，迅速解除驻车制动力。4.5.1起步阻力的计算起步阻力是控制系统的一个重要参数。汽车运动动力学方程为 （4-1）式中M——汽车质量；R——车轮半径；——离合器传递扭矩；——汽车滚动阻力力矩；——汽车坡道阻力矩；——汽车加速阻力矩；——汽车迎风阻力矩；——n档传动比；——主传动比；——传动效率。通常情况下，刹车前后可以认为路面情况相差不大。这样由前一次行驶结束时的汽车动力学方程就可以得到汽车起步时的起步阻力。（4-2）前一次车速可由车速传感器获得，正常行驶时汽车离合器传递的力矩即发动机输出力矩：（4-3）式中——油门开度变化率；ζ——转速扭矩下降系数；——油门扭矩下降系数；——发动机稳态输出力矩（Nm）。发动机加速力矩为 （4-4）式中δ—汽车旋转质量转换系数。δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系传动比有关。 （4-5）式中——近似等于，取值范围为0.03~0.05；——传动系的传动比传动系传动比为 （4-6）式中 ——变速器传动比，n=1，2，3，4，5，6；——主减速器传动比。由于每次启动时坡度起步的阻力都是由前一次行驶情况得到的。在汽车启动后，对汽车道路阻力实施检测，并将数据存入ECU的缓冲区内且不断更新，以保证ECU存储的是当前时刻的路况信息，直到制动踏板开始作用为止。此时的道路阻力的数据作为下一次起步时的道路阻力依据。4.5.2坡道辅助起步控制策略通过大量实验数据，可以得到不同起步阻力情况下的半联动位置，从而建立一个控制规律表，，控制时根据起步阻力来查相应的规律表即可。起步时，首先根据计算得到的起步阻力查询到规律表的行，再根绝实际离合器和油门位置的列，当离合器和油门位置相互匹配时，系统发出指令，解除驻车制动，实现坡度顺利起步。坡度起步的控制流程图如图4-4所示。图4-4坡道辅助起步流程框图4.6本章小结本章主要针对电子驻车制动系统的功能设计，分析并提出了该系统的相关安全控制策略以及其软件的实现流程。在满足通常驻车制动需要的基础上，本方案提出了智能驻车制动的执行和解除的方案，使驻车系统的功能更加全面。电子驻车系统执行机构5.1电子驻车机械部分主要部件分析5.1.1电机的选择电机，指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用各种机械设备的动力源。按照它们各自的用途来说，分为驱动电机和控制电动机，而控制用电动机主要有步进电动机和伺服电动机[17]两种。(1)伺服电动机伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴转角上的机械输出量（角位移或角速度），拖动被控制元件，从而达到控制目的。伺服电动机有直流和交流之分。目前的直流伺服电动机在机构上通常是小功率直流电动机，励磁采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。(2)步进电动机步进电动机主要应用在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是理想的数控机床执行元件。通过控制脉冲的数来控制电机角位移量，来达到精确定位目的。还可以通过控制脉冲的频率来控制电动机转度和加速度，来达到调整的目的。它们的频率特性图如下所示： 图5-1伺服电动机频率特性图 图5-2步进电动机频率特性图本系统采用的就是直流伺服电机。该型电机适合高振动环境，小巧轻便，易于安装。满足系统要求的电机需要满足以下条件：调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性。机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度。能承受频繁的起动、制动和正反转。5.1.2运动转换装置的分析将转动变为平动的装置主要有齿轮齿条副、曲柄滑块副、滑动丝杠副和滚珠丝杠副等几种机构[18]。如图5-3所示，曲柄滑块副中滑块是类似于活塞的形式往复运动的，无法提供相对持续的夹紧力。如图5-4所示，齿轮齿条副传动比小，很大的驱动齿轮力矩才能得到一定夹紧力，且轮轴线与齿条运动轴线相交，不利于电机等其他装置的布置。滑动杠副传动效率相对低、易产生自锁、易磨损。如图5-5所示，滚珠丝杠，借助于滚珠的作用，把滑动接触变成了滚动接触，具有高耐用性、传动效率高、运动平稳、高可靠性等特点。所以本电子驻车制动系统执行机构的运动转换装置选择了滚动丝杠副。图5-3曲柄滑块机构图5-4齿轮齿条机构图5-5滚珠丝杠机构5.1.3机械制动系统执行机构方案根据电子机械制动系统的传动原理，在原有液压行车制动的基础上按照最简单的设计思想，将电机、二级齿轮减速、滚珠丝杠三者“串联”起来，实现驻车的目的，如图5-6所示。图5-6电子制动系统执行机构结构该方案的特点是:电机、减速器和丝杠依次轴向排列，虽然该方案机电一体化的集成度不高，执行器整体尺寸较大，尤其是轴向尺寸更大，有待于进一步改进。机械结构的复杂程度相对较为简单;采用了二级减速机构，减速比较大，所以对电机的转矩输出要求小。且在行星齿轮和齿轮之间加上一个电磁离合器作为电子驻车的自锁机构。这样便可有效的减小电子机械制动系统执行机构的轴向尺寸。5.2滚珠丝杆的设计和校核电子机械制动系统执行机构的设计主要是确定滑动丝杠、二级齿轮配合的参数并选择合适的电，由图可知设计电子机械制动系统执行机构时，需要首先确定滚珠丝杠的相关参数，然后匹配电机与齿轮的参数等。5.2.1滚珠丝杠选型及校核计算在选择滚珠丝杠的时侯，首先应确定它需要达到的精度等级及其工作条件，然后初选导程，计算确定其额定动载荷[18]，最后进行校核计算，计算结果如果达不到刚度、强度等要求，应该重新进行选型，直到满足要求为止。设计计算流程如图5-7所示。图5-7滚珠丝杠设计流程图(1)精度等级滚珠丝杠副可分为七个精度等级，即1、2、3、4、5、7、10级。1级最高，10级最低。一般机械推荐的精度等级为5~10级，本文初选机构的滚珠丝杠副精度等级为7级。(2)滚珠丝杠副的额定动载荷确定电子机械制动系统执行机构制动过程中，内制动块由静止开始到与制动盘接触后静止，会发生振动和冲击，所以应该按照动载荷的工况。选用原则选择滚珠丝杠副。其计算额定动载荷值应按下式计算：工作寿命为 （5-1）额定动载荷为 （5-2）转速为 （5-3）式中——载荷性质系数，可取1.2；——载荷硬度影响系数，可取1；——转速(r/min)；——导程(m)。当确定好精度等级、导程和额定动载荷后，就可以选取滚珠丝杠副了。(3)驱动力矩及效率计算选定滚珠丝杠副后，其几何参数已大体确定，进而可计算出滚珠丝杠副所需的驱动力矩及其传动效率。按照滚珠丝杠安装时是否采用预紧，可分为有预紧和无预紧两种方式。预紧是为了提高刚度和消除滚珠丝杠副的轴向间隙。预紧的方法有多种，最普遍是双螺母结构，通过配垫片来达到预紧的目的，见图5-8所示。图5-8滚珠丝杠结构局部剖视图另外，在滚珠丝杠副中，又有正传动和逆传动之分。本文采用有预紧的正传动方式，计算过程如下。无预紧时，滚珠丝杠中径d0圆周力Ft为 （5-4）其螺纹力矩Mt为 （5-5）由几何关系得 （5-6）由于无预紧力时正传动效率，将其代入式(5-5)可得 （5-7）式中——当量摩擦角，一般取8.6；——当量摩擦系数；——滚珠直径（m）；——接触角(°)，一般取45°；——滚珠丝杠公称直径（m）；——轴向工作载荷（N）；——螺纹导程（m）；——螺纹升角（°）。正传动的驱动力矩M的计算公式如下： （5-8）在预紧的情况下，为（5-9）式中——预紧力。一般情况下取 （5-10）在预紧的情况下，正传动所需的驱动力矩为为（5-11）将代入公式（5-11）可得到 （5-12）滚珠丝杠所需的最大驱动力矩及功率为 （5-13） （5-14）5.2.2滚珠丝杆螺母副的参数确定(1)确定最大制动力根据流程图，首先确定制动器所需要的最大制动力以及工作时间[19]。设定家庭轿车的后轮轮缸的直径为38mm，最大制动压力为10MPa，由此可得轮缸施加给制动盘的最大制动力 （5-15）所以所以在设计驻车制动系统执行机构时，滚珠丝杠施加给制动盘的制动压力也不能小于1l.33KN。(2)确定工作时间据国家规定，家庭用车报废的时间为15年，本文中按一年中使用300天来计算，每天执行驻车制动和解除驻车制动的总次数为20次，每次约为2s，则其工作时间为 （5-16）(3)初选导程角滚珠丝杠副的位移精度随导程的增大而减小，尺寸、刚度、驱动力矩、寿命和载荷能力随导程的增大而增大。可初选导程。(4)确定滚珠丝杠副额定动载荷根据前文所介绍的滚珠丝杠的设计和校核方法，计算确定滚珠丝杠的额定动载荷如图所示。载荷性质系数=1.2，动载荷硬度影响系数=1螺母的平均速度V=6mm/s，丝杠转速n=80r/min工作寿命，其中转速，为导程，额定动载荷为（5-17）轴向工作载荷F=2.268KN最大驱动力矩 （5-18）因此=4892(N·mm)根据导程和额定动载荷，选用广州化技术有限公司的德国HIPP公司KGTE1606型外螺纹圆柱螺母滚珠丝杠副类似的滚珠丝杠螺母副，其额定动载荷=4.400KN>3.800KN。5.3二级齿轮减速器的设计与校核根据上节中介绍的滚珠丝杠的驱动力矩及效率的计算公式，得到滚珠丝杠螺母副的传动效率、驱动力矩及最大驱动效率所示：由于二级减速器的选取关系到电机的尺寸，滚珠丝杠[20]转速为90/min，电机转速为720r/min，总减速比取8。根据经验公式 （5-19）取经计算得减速器各个轴转速为（5-20）在齿轮传动中，齿轮材料的选择应综合考虑齿轮传动的加工工艺，工作情况、材料来源及经济性等。由于齿轮材料是影响齿轮寿命和承载能力的关键因素。所以本方案选用45钢，以便使得整个行星装置的质量小、结构紧凑、承载力高[21]。按齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径 （5-21）按齿面接触强度初算齿轮的分度圆直径。5.3.1高速级齿轮的设计与校核(1)材料高速级小齿轮选用钢调质，齿面硬度为250HBS。高速级大齿轮选用钢正火，齿面硬度为220HBS。(2)许用接触应力查表得，。又，。最大许用接触应力可由以下公式求得。 （5-20）查表得查得，所以，(3)齿数及齿宽按齿面接触强度设计，9级精度制造。由于运动平稳，可取载荷系数，取齿宽系数计算中心距： （5-21） 所以=18mm取=25mm （5-22）取，77，m=0.5。又由于实际传动比传动比误差为 （5-23）齿宽 取因此，高速级大齿轮，；高速级小齿轮，(4)校核轮齿弯曲强度查表得，按最小齿宽计算（5-24）由公式（5-24）可求得，满足齿根弯曲疲劳强度。(5)齿轮的圆周速度（5-25）由公式（5-25）得齿轮圆周速度综上选用9级的精度合适。5.3.2低速级齿轮的设计和校核(1)材料低速级小齿轮选用钢调质