CN106476631A - 一种电动汽车的emb控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车的EMB控制系统及其控制方法，旨在解决传统的制动系统多采用气、液、机械混合制动方式，制动反应慢的问题。一种电动汽车的EMB控制系统，包括CAN总线、一级节点控制系统和四个二级节点控制系统，四个二级节点控制系统分别用于控制四个车轮的制动。一级节点控制系统包括电子制动踏板、信号采集模块、一级微控制器和一级CAN总线收发器。二级节点控制系统包括二级CAN总线收发器、二级微控制器、驱动单元和执行器电机；二级CAN总线收发器通过CAN总线接收一级CAN总线收发器发出的控制信号。采用本发明电驱动系统可控性好、响应速度快，能明显提高汽车的主动安全性能。

Description

一种电动汽车的EMB控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车用智能制动系统，尤其涉及一种电动汽车的EMB控制系统及其控制方法。

背景技术

目前，汽车安全方面的提升主要通过主动和被动两种安全技术解决。被动安全技术以减少伤害为目的。主动安全技术是以预防为核心，当车辆出现不稳定状态时，对车辆进行稳定性控制；或在驾驶员出现误操作等现象时，识别驾驶员真实意图，并在不同的行驶环境中(例如粗糙或光滑地面)，能按照驾驶员的意图运行。所以，主动安全技术的发展越来越被重视。

目前，汽车主动安全技术主要有视觉增强系统、距离警示系统、PRE-SAFE安全防护系统、防抱死系统(ABS)、偏离行驶路线警报系统、车辆稳定控制系统(ESP)、电子刹车力分布系统(EBD)、电子制动辅助系统(EBA)等十余种。

传统的制动系统多采用气、液、机械混合制动方式，其缺点主要有元件数量多、制动反应慢、安全性能低等。例如，常见的大多数轿车均采用真空助力液压制动系统。它主要由：充液阀、蓄能器、机械制动踏板、钳盘制动器、以及制动尾灯开关，压力开关等组成。液压油经由充液阀向蓄能器供油后，一路进入脚踏阀，脚踏阀实际上是一个脚踩的比例换向阀，然后再进入轮胎旁的制动器。由此可见，在整个制动过程中，液压油经油泵出来，须经过较长的液压管道再传到制动主缸中，会使制动效果滞后。由于受其结构和原理限制，存在的一些固有缺陷无法通过技术手段解决，如液压压力建立和消除迟滞，压力控制不精确等，需要进一步提高制动效果十分困难，因此，使用传统技术难以促使汽车制动安全进一步提升。

传统的液压驱动制动系统在人机工程学方面也存在问题，在使用这些制动系统时，如果ABS起作用，驾驶员能够感觉到机械制动踏板上的压力振动，这样的振动是由于在液压回路中压力变化较大引起的，事实上，液压驱动制动系统与机械制动踏板是相连的，因此，它们的动作不可能不受驾驶员踩踏板的影响，而且它们是相互叠加在一起的。

此外，车辆刹车时，车轮提供给车辆的制动力的大小就为制动力系数。防抱死制动系统(ABS)的最终目的，就是尽量使制动效果达到最佳的程度，追求制动力系数的最大值，使其极大的改进汽车在极端环境下的安全性，能够在保持轮胎与路面最大纵向附着力的同时，保持较大的确保汽车可操纵性能的侧向附着力。传统的方法有两个：

一个是采用车轮制动力系数作为控制变量，如果路面情况发生变化，在不同路面上仍采用车轮制动力系数η作为控制变量，其动态特性则会比较差。如果控制变量为标准的线性车轮制动力系数η，则相应的设定点值即为那么，在不同的附着系数路面上行驶时，设定点的选择非常关键，并且不可能找到能够兼顾各种道路条件的唯一的值。因为：A、如果选择较大的值(如：)，虽然车轮制动力控制在高附着系数路面能够提供最佳性能，但在低附着系数路面车轮动态特性就不存在任何平衡点；B、如果选择较低的值(如：)，虽然能够保证在各种道路条件下找到平衡点，但这对高附着系数的路面将导致过于保守的设计。

另一个是采用了调节车轮滑移率λ作为控制变量，对其动态特性而言，其具有较好的鲁棒性。其一、给定一个设定点能够保证唯一的平衡点；其二、的选择较容易，能较容易找到在各种不同附着系数道路下提供非常好结果的值，这样就能允许固定结构的恒定增益K的控制器，不需要实时识别和检测道路条件；其三、具有固定结构的恒定增益K的控制器，可保证任意值和任何道路条件下闭环系统的渐近稳定性。

但是，采用滑移率控制的主要缺点是车轮滑移率的测量相当困难并且可靠性差，尤其是在低速条件下。

发明内容

本发明提供了一种电动汽车的EMB控制系统，旨在解决传统的制动系统多采用气、液、机械混合制动方式，制动反应慢的问题。

为了解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种电动汽车的EMB控制系统，包括CAN总线、一级节点控制系统和四个二级节点控制系统，四个二级节点控制系统分别用于控制四个车轮的制动。一级节点控制系统包括电子制动踏板、信号采集模块、一级微控制器和一级CAN总线收发器；信号采集模块用于采集发动机转速信号、车轮轮速信号、电子制动踏板行程信号和电子制动踏板速度信号；信号采集模块将采集的信号传送到一级微控制器；一级微控制器将采集的信号转换为控制信号，一级微控制器将控制信号传送给一级CAN总线收发器。二级节点控制系统包括二级CAN总线收发器、二级微控制器、驱动单元和执行器电机；二级CAN总线收发器通过CAN总线接收一级CAN总线收发器发出的控制信号，二级微控制器接收来自二级CAN总线收发器发出的控制信号；二级微控制器接收的控制信号通过驱动单元传送给执行器电机，执行器电机控制车轮的制动。

电子机械制动系统(Electro-Mechanical Braking，简称EMB)。EMB系统去除了所有液压、气压系统，它是一种纯电气部件组成的系统，用电机驱动单元代替传统的执行器，由电机产生制动力。当检测到机械制动踏板被踩下时，依据采集的电子制动踏板行程值、电子制动踏板、踩踏速度、车轮转速以及发动机转速，控制执行器电机的转速及流过的最大电流，再把产生制动力矩转化为制动块平动与制动盘接触，达到制动的目的。一级节点的数据通过CAN总线传输到四个二级节点。

进一步，一级微控制器和二级微控制器均为STM32微控制器，一级微控制器和二级微控制器内部均集成了bxCAN控制器。

bxCAN控制器符合CAN2.0B标准，与数据发送和接收有关的所有协议处理均由该控制器完成，并可使用汽车CAN总线J1939协议实现网络通信。优选STM32F103嵌入式芯片，STM32F103嵌入式芯片内部集成有bxCAN控制器。

进一步，信号采集模块包括计数器脉冲采集单元、位移传感器和踏板速度传感器。计数器脉冲采集单元包括磁电传感器、光隔离器和电压比较器；光隔离器将磁电传感器采集的车轮轮速电信号转为光信号，光信号通过电压比较器转换为脉冲信号；一级节点控制系统还包括电位器，电位器与电压比较器的反向输入端相连。位移传感器用于采集电子制动踏板的行程信号；踏板速度传感器用于采集电子制动踏板的踩踏速度信号。一级节点控制系统还包括AD转换器，位移传感器和踏板速度传感器将采集的信号通过AD转换器转换后传送给一级微控制器。通过AD转换测试踏板行程变化及其速度变化率。

进一步，一级微控制器与一级CAN总线收发器之间设有信号隔离器。

进一步，EMB控制系统还包括用于调节信号采集模块采集的信号与一级微控制器电压不同的电平转换器。

进一步，EMB控制系统还包括用于调节信号采集模块采集的信号与一级微控制器电压不同的电平转换器。

在电路设计过程中，由于控制芯片STM32与输入的调理信号电压不相同，计数脉冲信号为5V，STM32为3V。3V器件的输出是不能可靠地驱动5V的CMOS器件，在最坏的情况下，当VDD＝5.5V时所要求的VIH至少是3.85V(70％VDD)，而3V的器件是不能达到的。因此，在这种复杂、高速的数字系统中，需要进行逻辑电平转换。

电平转换器可以采用以下两种方案中的一种：

第一种方案：电平转换器为双电源的电平转换器。电平转换器采用74LVC4245，74LVC4245是一种双电源的电平转换器。74LVC4245采用两个供电电源，高电源(5V)接VCCA，低电源(3V)接VCCB，则可实现5V器件和3V器件的电平转换。74LVC4245的电平移位在其内部进行。双电源能保证两边端口输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。采用74LVC4245实现电平转换会在信号传输中产生附加的延时，而且使用中需要控制信号的传输方向。在轮速信号采集过程中，采集信号传输方向是单向的，并且通过调节脉冲宽度，可有效的减少电平转换过程中，附加延时的影响，故在轮速采样过程中，电路设计采用74LVC4245实现电平转换。

第二种方案：电平转换器为高速CMOS总线开关。CMOS总线开关为QS3384，采用QS3384构成的电平转换电路不但可以实现零传输延迟时间，而且不需要控制信号的传输方向。

进一步，EMB制动系统还包括车速采集模块、制动力采集模块、轮胎载荷采集模块、比例控制器和用于制动车轮的制动块。

车速采集模块用于采集车速信息，制动力传感器用于采集执制动块对车轮的制动力数据，轮胎载荷采集模块用于轮胎与路面接触点的垂直载荷力，车速采集模块、制动力采集模块和轮胎载荷采集模块均将采集数据传送到一级微控制器。

EMB制动系统根据车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合控制制动执行器电机；凸组合获取方法依次包括以下步骤：

A：在一级微控制器中，定义输出控制变量ε，

B、对控制变量ε进行调节，控制变量ε经过恒定增益的比例控制器K，再经过传递函数G_η(s)，然后与d_η的叠加得到η；控制变量ε经过传递函数G_λ(s)，再与d_λ叠加得到λ；然后通过下式得到调节后的ε：

ε＝αλ+(1-α)η，α∈[0,1]

其中，d_η为减速度的干扰与噪声，d_λ为滑移率噪声；η是车轮标准减速度，λ为车轮滑移率；

其中，传递函数G_η(s)为车轮滑移率与制动力矩之间的线性化动态特性传递函数，如下式：

其中，传递函数G_λ(s)为标准化车轮减速度与制动力矩之间的线性化动态特性传递函数，如下式：

传递函数G_η(s)和传递函数G_λ(s)中：J代表车轮转动惯量；F_z表示轮胎与路面接触点的垂直载荷力；m表示单轴质量；表示车轮的附着系数；v表示汽车运行速度；r表示车轮半径；

C、将调节后的ε，返回步骤B，重复循环调节，直到将ε调节该变量到一个设定的恒定值，即车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合

将车轮制动力系数与车轮滑移率两个输出量同时作为主要调节量，调节两个变量的凸组合。该方法能大大减少因滑移率难以测量带来的不利影响，能继承滑移率的动态控制特性，并且，可以通过简单改变控制形成凸组合的滑移率与制动力系数之间相对比例的设计参数，就可以根据不同路面光滑度条件而突出控制器的不同特性。

滑移率和制动力系数混合控制基于现代电子-机械制动的制动控制器，改善了滑移率控制的性能。使用简单的比例控制调节方案，能够在制动力系数调节与滑移率控制之间无缝切换，这在复杂的线控制动(BBW)系统中能实现：在低强度制动时加强减速度控制，在防抱死制动条件下加强滑移率控制。滑移率和制动力系数混合控制在滑移率控制中具有唯一的平衡点、固定设置点以及固定结构线性定常控制器保证闭环稳定性，并且克服了单一滑移率控制的主要缺点，即降低了对滑移率测量误差的敏感性，比滑移率控制具有更好的噪声衰减性能，避免了车轮滑移率的测量相当困难、可靠性差的问题。

一种采用上述电动汽车的EMB控制系统的控制方法，依次包括以下步骤：

A、信号采集模块采集发动机转速信号、车轮轮速信号、电子制动踏板行程信号和电子制动踏板速度信号，判断电子制动踏板是否踩下；

B、若电子制动踏板踩下，执行器电机全速正转；若电子制动踏板未被踩下返回步骤A；

C、采集电子制动踏板行程，判断电子制动踏板是否抬起；若电子制动踏板未抬起，进入步骤D至N；若电子制动踏板抬起，进入步骤D1至E1；

D1、通过CAN总线控制执行器电机全速反转，采集踏板行程，并判断踏板是否踩下；

E1、若踩下，进入步骤B；若未踩下，一级微控制器判断是否离开距离完毕；若离开距离完毕，返回步骤A；若未离开距离完毕，返回步骤D1；

D、一级微控制器判断电子制动踏板间隙是否消除完毕；若电子制动踏板间隙消除完毕，进入步骤E；若电子制动踏板间隙未消除完毕，返回步骤C；

E、采集电子制动踏板行程，判断电子制动踏板是否抬起；若电子制动踏板未抬起，返回步骤D；若电子制动踏板抬起，进入步骤F；

F、一级微控制器根据采集值设置PWM，并通过CAN总线传输到四个二级节点控制系统；

G、四个二级节点控制系统接收CAN总线的CAN数据，并根据CAN数据设置PWM；

H、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机正转值并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤I；

I、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机反转值并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤J；

J、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机停止并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤K；

K、读取反馈电流并反馈到步骤G。

与现有技术相比本发明的优点是：

本发明采用电驱动元件取代了传统液压或气压制动执行机构，由于制动控制与执行机构的驱动均采用电子技术，便于实现线控制动(BBW：brake-by-wire)。电子机械制动系统能够为车辆内部节省大量的安装空间，使汽车结构简单紧凑；而且线控制动系统均采用电子控制装置，更易于融入整车的电子通讯网络，与防抱死制动系统(ABS)、电子稳定系统(ESP)等其他的主动安全的控制技术相衔接，并且电驱动系统可控性好、响应速度快，能明显提高汽车的主动安全性能。

此外，EMB与传统液压制动系统相比，EMB能允许制动力精确的连续调节，即使ABS正在工作时，电子制动踏板也不会出现压力振动，由于采用电子接口，与其他主动控制系统集成无缝连接，并且不会由于液压油等制动液造成环境污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本发明实施例一中，电动汽车的EMB控制系统原理图；

图2为本发明实施例一中，一级节点控制系统的系统原理图；

图3为本发明实施例一中，二级节点控制系统的系统原理图；

图4为本发明实施例二中，STM32芯片电路结构示意图；

图5为本发明实施例二中，CAN总线接口电路结构示意图；

图6为本发明实施例三中，光隔离电路的结构示意图；

图7为本发明实施例三中，计数脉冲采集电路的结构示意图；

图8为本发明实施例四中，电平转换电路的结构示意图；

图9为本发明实施例五中，电平转换电路的结构示意图；

图10为本发明实施例五中，CAN总线信号电平转换电路的结构示意图；

图11为本发明实施例六中，开关主电路的结构示意图；

图12为本发明实施例六中，驱动电路的结构示意图；

图13为本发明实施例六中，霍尔传感器结构安装示意图；

图14为本发明实施例六中，转子位置编码循环的结构原理图；

图15为本发明实施例六中，调制及转向控制电路的结构示意图；

图16为本发明实施例六中，过电流检测电路的结构示意图；

图17为本发明实施例七中，制动力系数与制动滑移率之间关系的示意图；

图18为本发明实施例七中，车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合获取原理图；

图19为本发明实施例八中，EMB控制系统中一级节点控制系统的控制方法流程图；

图20为本发明实施例八中，EMB控制系统中二级节点控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

参阅图1、图2和图3，一种电动汽车的EMB控制系统，包括CAN总线、一级节点控制系统和四个二级节点控制系统，四个二级节点控制系统分别用于控制四个车轮的制动。

一级节点控制系统包括电子制动踏板、信号采集模块、AD转换器、一级微控制器和一级CAN总线收发器。

信号采集模块包括计数器模冲采集单元、位移传感器和速度传感器。计数器模冲采集单元用于采集发动机的转速和车轮的轮速。位移传感器用于采集电子制动踏板的行程信号；速度传感器用于采集电子制动踏板的踩踏速度信号。

信号采集模块将采集的信号传送到一级微控制器，一级微控制器将采集的信号转换为控制信号，一级微控制器将控制信号传送给一级CAN总线收发器。其中，位移传感器和速度传感器将采集的信号通过AD转换器转换后传送给一级微控制器。

二级节点控制系统包括二级CAN总线收发器、二级微控制器、驱动单元和执行器电机；二级CAN总线收发器通过CAN总线接收一级CAN总线收发器发出的控制信号，二级微控制器接收来自二级CAN总线收发器发出的控制信号；二级微控制器接收的控制信号通过驱动单元传送给执行器电机，执行器电机控制车轮的制动。

图1中，踏板行程速度传感器，即指的是位移传感器和速度传感器。位移传感器采集的踏板行程和速度传感器采集的踏板踩踏速度，通过AD转换测试踏板行程变化及其速度变化率，通过模糊算法控制等技术，发出制动控制信号，并通过CAN总线系统传输到二级节点控制系统。

图1中，驱动单元主要包括驱动电路，这里驱动电路代表驱动单元。

图1中，主控节点指的是一级节点控制系统中的一级CAN总线收发器和一级微控制器。从节点1、从节点2、从节点3和从节点4代表四个二级节点控制系统的二级CAN总线收发器和二级微控制器。

实施例二：

在实施例一的基础上，实施例二对实施例一中的内容进一步优化限定：

一级微控制器和二级微控制器均采用STM32微控制器，一级微控制器和二级微控制器均采用内部集成了bxCAN控制器的STM32F103嵌入式芯片，STM32芯片电路结构参阅图4。

参阅图5，CAN总线的体系结构主要分为应用层、数据链路层和物理层三层。其中，物理层是实现ECU(车载单片机、电子控制单元)与总线相连的电路，ECU的总数取决于总线的电力负载。

CAN总线接口电路设计主要针对物理层进行设计，其控制器主要实现CAN总线协议中数据链路层的工作，由于STM32F103嵌入式芯片内部集成了bxCAN控制器，该控制器符合CAN2.0B标准，与数据发送和接收有关的所有协议处理均由该控制器完成，并可使用汽车CAN总线J1939协议实现网络通信。

CAN收发器是在CAN控制器和CAN总线之间起到接口转换作用。在CAN总线设计过程中，一级和二级CAN总线收发器均采用TJA1050，它是PCA82C250高速CAN总线收发器的后继产品，速度可达1Mbaud。STM32中的CAN协议控制模块通过串行数据输出线(TX)和串行数据输入线(RX)连接收发器。收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线电缆。

TJA1050有两种工作模式，一种是高速模式，一种是静音模式。主要通过控制第8引脚S端来选择两种工作方式。当S端接地时，即为高速模式；接电源VCC时，即为静音模式，静音模式是将发送器禁止，处于接收状态，主要为了防止CAN控制器不受控制时引起网络堵塞。在设计过程中，须将第8引脚S端接GND，选择高速模式。

为了使控制器局域网CAN协议控制器与物理总线之间信号互不干扰，在STM32嵌入式控制芯片与TJA1050收发器之间，加入信号隔离器件——高速光电耦合器6N137。

实施例三：

在上述实施例的基础上，实施例三对上述实施例中的内容进一步优化限定：

参阅图6，计数器模冲采集单元包括磁电传感器、光隔离器和电压比较器；光隔离器将磁电传感器采集的车轮轮速电信号转为光信号，光信号通过电压比较器转换为脉冲信号；一级节点控制系统还包括电位器，电位器与电压比较器的反向输入端相连。

在进行车轮转速采样过程中，须通过磁电传感器对输出信号进行调理。调理电路主要用于将磁电传感器输出的正弦信号调整为STM32能够识别的外部计数脉冲，通过光隔离器6N137将电信号转为光信号，实现了信号的隔离。在通过电压比较器LM239转换为脉冲信号。

轮速采集过程中的光隔离电路设计方式与实施例二中的CAN收发电路中的设计方式相同，经光电耦合器隔离的电信号通过电压比较器LM239转换为脉冲信号，在设计过程中，将电位器RW1连接到电压比较器的反向输入端，通过调节电位器，改变输出信号的脉冲宽度，增加信号的检测精确度；并在输出端增加上拉电阻，提高驱动能力。

参阅图7，通过磁电传感器对四个车轮的转速采样，经光电隔离，信号调理后，将计数脉冲信号通过OUT1～OUT4四个IO口向控制芯片STM32传输。

实施例四：

在上述实施例的基础上，实施例四对上述实施例中的内容进一步优化限定：由于控制芯片STM32与输入的调理信号电压不相同，计数脉冲信号为5V，STM32为3V。3V器件的输出是不能可靠地驱动5V的CMOS器件，在最坏的情况下，当VDD＝5.5V时所要求的VIH至少是3.85V(70％VDD)，而3V的器件是不能达到的。因此，在这种复杂、高速的数字系统中，需要进行逻辑电平转换。EMB控制系统还包括用于调节信号采集模块采集的信号与一级微控制器电压不同的电平转换器。

参阅图8，电平转换器为双电源的电平转换器。电平转换器采用双电源的74LVC4245。74LVC4245采用两个供电电源，高电源(5V)接VCCA，低电源(3V)接VCCB，则可实现5V器件和3V器件的电平转换。74LVC4245的电平移位在其内部进行。双电源能保证两边端口输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。

采用74LVC4245实现电平转换会在信号传输中产生附加的延时，而且使用中需要控制信号的传输方向。在轮速信号采集过程中，采集信号传输方向是单向的，并且通过调节脉冲宽度，可有效的减少电平转换过程中，附加延时的影响，故在轮速采样过程中，电路设计采用74LVC4245实现电平转换。

实施例五：

与实施例四的不同之处在于：

参阅图9，所述电平转换器采用高速CMOS总线开关——QS3384，它能够简易的实现5V与3.3V之间的电压随时转换。QS3384它由分成两组的10只增强型NMOS管组成，每组分别由BEA和BEB两个引脚控制对应的NMOS管导通情况。

QS3384内部的NMOS管采用高性能的CMOS工艺制成的。当BEA为低电平时，内部的CMOS反相器输出高电平VDD(5V)，因此，NMOS管的门极电压为5V，管子处于导通状态。当A端的输入电压Vi升高时，输出电压Vo也随着升高。当输入电压达到约4V时，输出电压达到了最大输出值4V。继续增加输入电压，输出电压将维持在4V不变。上述分析表明，如果电源电压为VDD，则输出端最大输出电压约为(VDD-1V)。改变电源电压，就可改变输出端最大输出电压值。如果电源电压设定为4.3V，则输出端最大输出电压为3.3V，从而实现了将5V电压到3V电压的转变。为了得到4.3V的电源电压，只需在5V电源和器件电源输入端之间串接一只1N4148的二极管即可。二极管的阴极和地之间接一只10kΩ的电阻，以提供二极管的电流通路。

采用QS3384构成的电平转换电路不但可以实现零传输延迟时间，而且不需要控制信号的传输方向。

参阅图10，在CAN总线通信过程中，信号隔离器件——高速光电耦合器6N137的电源电压范围为4.5～5.5V，并且传输信号是一个双向传输过程，对控制信号的传输方向性控制上要求很高，故采用QS3384构成的电平转换电路，实现零传输延迟。该电路作为CAN总线收发电路与嵌入式芯片STM32之间的电平转换衔接电路。由于其具有10路电平转换，因此，4路二级节点的CAN总线通信可通过该电路进行转换。

实施例六：

在上述实施例的基础上，实施例四对上述实施例中的内容进一步优化限定：

二级节点控制系统，主要负责通过CAN总线网络接收一级控节点系统的控制信号，通过二级节点的驱动电路实现对各个执行器内的无刷直流电机控制，达到灵活控制行车制动的目的。

EMB控制单元二级节点控制系统主要由4部分组成，它主要包括开关主电路(即逆变电路)、驱动模块电路、脉宽调制控制电路以及与一级节点进行通信的CAN总线收发电路。

其中，CAN总线收发电路跟一级控制节点方式相同，在实施例二中已经详细描述，这里不再复述。下面针对开关主电路(即逆变电路)、驱动模块电路、脉宽调制控制电路3个部分进行描述。

参阅图11，开关主电路(即逆变电路)由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电路四部分构成。本车载系统的电源部分采用蓄电池供电，将整流部分电路省略。在逆变电路部分的功率开关管T1～T6通常选用GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能功率模块IPM所构成，本系统选择使用MOSFET功率管；二极管D1～D6为续流二极管。

参阅图12，驱动电路是将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去使其饱和导通或可靠关断的驱动信号。

IR2132(驱动芯片)的1引脚VCC为电源输入端；12引脚VSS为电源地；2～7引脚HIN1、HIN2、HIN3为逆变器上桥臂驱动信号输入端，LIN1、LIN2、LIN3为逆变器下桥臂的驱动信号输入端；8引脚FALUT是过流、过压、欠压等保护输出端；9引脚ITRIP为过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流保护；CAO为电流放大器输出端，CA-为电流放大器反向输入端，VSO为驱动地，CAO、CA-、VSO该3引脚可用来完成电流信号的检测；VB1、VB2、VB3为悬浮电源接地端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源；VS1、VS2、VS3为其对应的悬浮电源地端；LO1、LO2、LO3为三路低侧输出；HO1、HO2、HO3为三路高侧输出端。

IR2132驱动高速正常工作时，6路输入信号经HIN1～HIN3、LIN1～LIN3进入驱动集成电路，从LO1～LO3、HO1～HO3端口输出6路脉冲。

当该三相桥式逆变电路出现过流现象时，通过电流反馈电路，将电流信号变为电压反馈信号，传导到第9引脚Itrip，与内部的电压比较器作比较，电压比较器的内部比较端为0.5V，故如高于该值时，比较器迅速翻转，使第8引脚输出故障指示信号，并使输出全为低电平，让所有MOSFET管截止，以达到保护主开关电路的目的。

电容C1～C3是自举电容，通过内部电路获得三路驱动高压侧MOSFET管的输出驱动器的电源；D1～D3是为防止上桥臂导通时，直流电压母线电压加到IR2132电源上而使器件损坏，因此D1～D3应选快速恢复二极管。在MOSFET管的栅极和IR2132的输出间串联1/4W、100Ω的无感电阻，如R1、R3、R5、R7～R9，该电阻为MOSFET管的门极驱动电阻，主要是由于IR2132内部的6个驱动器输出阻抗较低，直接驱动MOSFET管会引起MOSFET管的快速开通和关断，这样可能造成MOSFET管的漏源极间电压的震荡，通过该门极驱动电阻，不仅可减少射频干扰，而且避免MOSFET管遭受过高的du/dt。R10、R13和R14组成过流检测电路，其中R10是作为分压用的可调电阻。自举电容为0.1μF，快速恢复二极管选用FR107。

对于调制及转向控制硬件电路。无刷直流电机内部的3个霍尔位置传感元件呈60°角固定在电机机座上，7引脚为统一的供电端，8引脚为公共地端，3个传感器的信号感应输出端分别编号为Ha、Hb、Hc。其霍尔传感器其结构安装如图13所示。

参阅图14，当电机转轴移动时，转子永磁块的磁力线与霍尔元件对齐，输出为“0”，反之，为“1”。转子在旋转过程中，3个霍尔传感器会输出不同的状态信号，该信号的组合即可构成确定转子位置的编码。以逆时针旋转为例，转子准备进入时，则分别为100，随电机转动，转子进入，则输出为110，依照该位置编码依次循环。

参阅图15，Ha、Hb、Hc的信号经光电耦合器件隔离，再经施密特电路整形。光电隔离器采用6N137高速光电隔离器，施密特触发器整形是采用74LS04反相器构成，当输入信号高于某与触发位时，输出信号为高电平，当输入信号低于某与触发位时，输出信号为低电平，经过两个反相器，触发信号经过两级翻转，整形后的脉冲信号相位不变。Ha、Hb、Hc经整形后的信号H1、H2、H3分两路送入控制芯片STM32。一路用于测速，另一路用于确定相顺序。

为了得到电机转速的动态性能，不仅须对速度进行反馈，还需对主电路电流信号进行采样反馈，以达到双闭环控制目的。

过流检测电路如图16所示，运算放大器电路采用LM741CN。将R61与R62两个电阻串联于电源电压之间，由于运放电路的同向端i+为0，故同向端电压由R61与R62决定，作为限流电压的最大值，当被测电流流经电阻SR时，在电阻SR上会产生电压，又由于运放电路反向端i-为0，则反向端的电压值与电阻SR上电压相等。

当流入的电流越大时，电阻上检测到的电压就越大，而反向端的电压值又与电阻SR上电压相等，如果反向端电压高于同向端电压时，运放输出为0，光电耦合器导通，过流检测端输出为0，则将低电平信号反馈到STM32控制芯片，检测到电流过大。允许流过电流大小的标准主要由电阻SR,R61和R62决定。

实施例七：

参阅图18在实施例一的基础上，

EMB制动系统还包括车速采集模块、制动力采集模块、轮胎载荷采集模块、比例控制器和用于制动车轮的制动块；

车速采集模块用于采集车速信息，制动力传感器用于采集执制动块对车轮的制动力数据，轮胎载荷采集模块用于轮胎与路面接触点的垂直载荷力，车速采集模块、制动力采集模块和轮胎载荷采集模块均将采集数据传送到一级微控制器；

EMB制动系统根据车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合控制制动执行器电机；凸组合获取方法依次包括以下步骤：

A：在一级微控制器中，定义输出控制变量ε，

B、对控制变量ε进行调节，控制变量ε经过恒定增益的比例控制器K，再经过传递函数G_η(s)，然后与d_η的叠加得到η；控制变量ε经过传递函数G_λ(s)，再与d_λ叠加得到λ；然后通过下式得到调节后的ε：

ε＝αλ+(1-α)η，α∈[0,1]

其中，d_η为减速度的干扰与噪声，d_λ为滑移率噪声；η是车轮标准减速度，λ为车轮滑移率；

其中，传递函数G_η(s)为车轮滑移率与制动力矩之间的线性化动态特性传递函数，如下式：

其中，传递函数G_λ(s)为标准化车轮减速度与制动力矩之间的线性化动态特性传递函数，如下式：

传递函数G_η(s)和传递函数G_λ(s)中：J代表车轮转动惯量；F_z表示轮胎与路面接触点的垂直载荷力，表示轮胎和路面接触点的垂直载荷力；当在准静态条件下，可描述为mg(g为重力加速度)，在制动过程中由于动态轴荷转移，会有显著变化；m表示单轴质量，该质量m的值是按照车轮载荷分布的，在每个车轮上是不同的；表示车轮的附着系数；v表示汽车运行速度；r表示车轮半径。上方带横线的字符，指的是通过反复循环得到的恒定值。

C、将调节后的ε，返回步骤B，重复循环调节，直到将ε调节该变量到一个设定的恒定值，即车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合

参阅图17，附图17中纵坐标代表车轮制动力系数，横坐标代表车轮滑移率。四条不同的实线分别代表车辆在不同路面上，制动力系数与车轮滑移率变化关系曲线。三条不同的虚线分别代表α取值，函数关系线。

当α＝1时，如图17中的纵虚线，则只有车轮滑移率起作用，即采用了调节车轮滑移率作为控制变量。这种情况下：采用了调节车轮滑移率作为控制变量，对其动态特性而言，其具有较好的鲁棒性。其一、给定一个设定点，能够保证唯一的平衡点；其二、的选择较容易，能较容易找到在各种不同附着系数道路下提供非常好结果的值，这样就能允许固定结构的恒定增益K的控制器，不需要实时识别和检测道路条件；其三、具有固定结构的恒定增益K的控制器，可保证任意值和任何道路条件下闭环系统的渐近稳定性。但是，采用滑移率控制的主要缺点是车轮滑移率的测量相当困难并且可靠性差，尤其是在低速条件下。

当α＝0时，则如图17中的横向虚线，如果路面情况发生变化，在不同路面上仍采用车轮制动力系数η作为控制变量，其动态特性则会比较差。如果控制变量为标准的线性车轮制动力系数η，则相应的设定点值即为那么，在不同的附着系数路面上行驶时，设定点的选择非常关键，并且不可能找到能够兼顾各种道路条件的唯一的值。

当α＝0.9时，如图17中的斜虚线，该虚线与每条不同实线最高点均比较接近，适用于不同的路面。采用简单的比例控制调节方案，能够在制动力系数调节与滑移率控制之间无缝切换，这在复杂的线控制动(BBW)系统中能实现：在低强度制动时加强减速度控制，在防抱死制动条件下加强滑移率控制。滑移率和制动力系数混合控制在滑移率控制中具有唯一的平衡点、固定设置点以及固定结构线性定常控制器保证闭环稳定性，并且客服了单一滑移率控制的主要缺点，即降低了对滑移率测量误差的敏感性，比滑移率控制具有更好的噪声衰减性能，避免了车轮滑移率的测量相当困难、可靠性差的问题。

实施例八：

参阅图19和图20，一种采用上述实施例的电动汽车EMB控制系统的控制方法，依次包括以下步骤：

A、信号采集模块采集发动机转速信号、车轮轮速信号、电子制动踏板行程信号和电子制动踏板速度信号，判断电子制动踏板是否踩下；

B、若电子制动踏板踩下，执行器电机全速正转；若电子制动踏板未被踩下返回步骤A；

C、采集电子制动踏板行程，判断电子制动踏板是否抬起；若电子制动踏板未抬起，进入步骤D至N；若电子制动踏板抬起，进入步骤D1至E1；

D1、通过CAN总线控制执行器电机全速反转，采集踏板行程，并判断踏板是否踩下；

E1、若踩下，进入步骤B；若未踩下，一级微控制器判断是否离开距离完毕；若离开距离完毕，返回步骤A；若未离开距离完毕，返回步骤D1；

D、一级微控制器判断电子制动踏板间隙是否消除完毕；若电子制动踏板间隙消除完毕，进入步骤E；若电子制动踏板间隙未消除完毕，返回步骤C；

E、采集电子制动踏板行程，判断电子制动踏板是否抬起；若电子制动踏板未抬起，返回步骤D；若电子制动踏板抬起，进入步骤F；

F、一级微控制器根据采集值设置PWM，并通过CAN总线传输到四个二级节点控制系统；

G、四个二级节点控制系统接收CAN总线的CAN数据，并根据CAN数据设置PWM；

H、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机正转值并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤I；

I、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机反转值并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤J；

J、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机停止并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤K；

K、读取反馈电流并反馈到步骤G。

Claims (9)

1.一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：包括CAN总线、一级节点控制系统和四个二级节点控制系统，四个二级节点控制系统分别用于控制四个车轮的制动；

一级节点控制系统包括电子制动踏板、信号采集模块、一级微控制器和一级CAN总线收发器；信号采集模块用于采集发动机转速信号、车轮轮速信号、电子制动踏板行程信号和电子制动踏板速度信号；信号采集模块将采集的信号传送到一级微控制器；一级微控制器将采集的信号转换为控制信号，一级微控制器将控制信号传送给一级CAN总线收发器；

二级节点控制系统包括二级CAN总线收发器、二级微控制器、驱动单元和执行器电机；二级CAN总线收发器通过CAN总线接收一级CAN总线收发器发出的控制信号，二级微控制器接收来自二级CAN总线收发器发出的控制信号；二级微控制器接收的控制信号通过驱动单元传送给执行器电机，执行器电机控制车轮的制动。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：一级微控制器和二级微控制器均为STM32微控制器，一级微控制器和二级微控制器内部均集成了bxCAN控制器。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车的EMB一级控制系统，其特征是：信号采集模块包括计数器脉冲采集单元、位移传感器和踏板速度传感器；

计数器脉冲采集单元包括磁电传感器、光隔离器和电压比较器；光隔离器将磁电传感器采集的车轮轮速电信号转为光信号，光信号通过电压比较器转换为脉冲信号；一级节点控制系统还包括电位器，电位器与电压比较器的反向输入端相连；

位移传感器用于采集电子制动踏板的行程信号；踏板速度传感器用于采集电子制动踏板的踩踏速度信号；

一级节点控制系统还包括AD转换器，位移传感器和踏板速度传感器将采集的信号通过AD转换器转换后传送给一级微控制器。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：所述一级微控制器与一级CAN总线收发器之间设有信号隔离器。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：EMB控制系统还包括用于调节信号采集模块采集的信号与一级微控制器电压不同的电平转换器。

6.根据权利要求5所述的一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：所述电平转换器为双电源的电平转换器。

7.根据权利要求5所述的一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：所述电平转换器为高速CMOS总线开关。

8.根据权利要求1所述的一种电动汽车的EMB控制系统，其特征是：

EMB制动系统还包括车速采集模块、制动力采集模块、轮胎载荷采集模块、比例控制器和用于制动车轮的制动块；

车速采集模块用于采集车速信息，制动力传感器用于采集执制动块对车轮的制动力数据，轮胎载荷采集模块用于轮胎与路面接触点的垂直载荷力，车速采集模块、制动力采集模块和轮胎载荷采集模块均将采集数据传送到一级微控制器；

EMB制动系统根据车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合控制制动执行器电机；凸组合获取方法依次包括以下步骤：

A：在一级微控制器中，定义输出控制变量ε，

B、对控制变量ε进行调节，控制变量ε经过恒定增益的比例控制器K，再经过传递函数G_η(s)，然后与d_η的叠加得到η；控制变量ε经过传递函数G_λ(s)，再与d_λ叠加得到λ；然后通过下式得到调节后的ε：

ε＝αλ+(1-α)η，α∈[0,1]

其中，d_η为减速度的干扰与噪声，d_λ为滑移率噪声；η是车轮标准减速度，λ为车轮滑移率；

其中，传递函数G_η(s)为车轮滑移率与制动力矩之间的线性化动态特性传递函数，如下式：

$G_{\mathrm{\η}}\left(s\right)=\frac{\frac{r}{Jg}(s+\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)F_z}{m\stackrel{\‾}{v}}(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\left)\right)}{s+\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)F_z}{m\stackrel{\‾}{v}}\left(\right(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})+\frac{{\mathrm{mr}}^2}{J})}$

其中，传递函数G_λ(s)为标准化车轮减速度与制动力矩之间的线性化动态特性传递函数，如下式：

$G_{\mathrm{\λ}}\left(s\right)=\frac{\frac{r}{Jv}}{s+\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)F_z}{m\stackrel{\‾}{v}}\left(\right(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})+\frac{{\mathrm{mr}}^2}{J})}$

传递函数G_η(s)和传递函数G_λ(s)中：J代表车轮转动惯量；F_z表示轮胎与路面接触点的垂直载荷力；m表示单轴质量；表示车轮的附着系数；v表示汽车运行速度；r表示车轮半径；

C、将调节后的ε，返回步骤B，重复循环调节，直到将ε调节该变量到一个设定的恒定值，即车轮制动力系数与车轮滑移率的凸组合

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\mathrm{\α}\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}+(1-\mathrm{\α})\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}},\mathrm{\α}\∈\[0,1\].$

9.一种采用权利要求1至8任一所述电动汽车的EMB控制系统的控制方法，其特征是：依次包括以下步骤：

A、信号采集模块采集发动机转速信号、车轮轮速信号、电子制动踏板行程信号和电子制动踏板速度信号，判断电子制动踏板是否踩下；

B、若电子制动踏板踩下，执行器电机全速正转；若电子制动踏板未被踩下返回步骤A；

C、采集电子制动踏板行程，判断电子制动踏板是否抬起；若电子制动踏板未抬起，进入步骤D至N；若电子制动踏板抬起，进入步骤D1至E1；

D1、通过CAN总线控制执行器电机全速反转，采集踏板行程，并判断踏板是否踩下；

E1、若踩下，进入步骤B；若未踩下，一级微控制器判断是否离开距离完毕；若离开距离完毕，返回步骤A；若未离开距离完毕，返回步骤D1；

D、一级微控制器判断电子制动踏板间隙是否消除完毕；若电子制动踏板间隙消除完毕，进入步骤E；若电子制动踏板间隙未消除完毕，返回步骤C；

E、采集电子制动踏板行程，判断电子制动踏板是否抬起；若电子制动踏板未抬起，返回步骤D；若电子制动踏板抬起，进入步骤F；

F、一级微控制器根据采集值设置PWM，并通过CAN总线传输到四个二级节点控制系统；

G、四个二级节点控制系统接收CAN总线的CAN数据，并根据CAN数据设置PWM；

H、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机正转值并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤I；

I、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机反转值并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤J；

J、判断CAN数据是否控制电机正转；若CAN数据控制电机正转，设置电机停止并进入步骤K；若CAN数据未控制电机正转，进入步骤K；

K、读取反馈电流并反馈到步骤G。