基于MC9S12DP256的轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)

汽車驅動防滑系統(tǒng)(anti-slip regulation system,簡稱asr)是在汽車制動防抱死系統(tǒng)(antilock braking system,簡稱abs)的基礎上發(fā)展起來的。在裝備了abs的汽車上添加發(fā)動機輸出力矩的調節(jié)功能和驅動輪制動壓力的調節(jié)功能后,abs所用的車輪轉速傳感器和壓力調節(jié)器可全部為asr所利用[1]。asr和abs在算法上很相似,許多程序模塊可以通用,因而在實際應用中可以把兩者集成在一個控制器中,組成abs/asr集成系統(tǒng)。

1 轎車abs/asr集成控制系統(tǒng)簡介

通過對捷達gtx試驗樣車的液壓制動系統(tǒng)進行改造,實現(xiàn)了可以獨立調節(jié)四個輪缸壓力的abs/asr集成系統(tǒng)液壓執(zhí)行機構[2]。在此基礎上,開發(fā)了一種轎車abs/asr集成控制系統(tǒng),主要包括控制系統(tǒng)ecu、傳感器、執(zhí)行機構三個部分。圖1為轎車abs/asr集成控制系統(tǒng)示意圖。

當汽車正常行駛時,abs/asr集成控制系統(tǒng)的ecu實時采集和處理傳感器信號,并根據(jù)其所提供的信息,選用不同的控制方式對汽車進行控制?？刂频姆绞桨ㄕ{節(jié)車輪輪缸壓力的制動力矩控制模式和調節(jié)發(fā)動機輸出力矩的節(jié)氣門開度控制模式。abs和asr子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)就是對以上兩種控制方式適當組合和合理控制的結果。

2 abs/asr集成控制系統(tǒng)的ecu

2.1 mcu的選取

mcu是abs/asr集成控制系統(tǒng)的核心,它負責數(shù)據(jù)的采集和處理、所有的邏輯運算以及最終控制的實現(xiàn)?？紤]到集成控制系統(tǒng)對其運算能力、存儲空間、i/o接口的要求以及后續(xù)集成其它系統(tǒng)的目的,選擇了功能強大的motorola新一代hsc12系列16位mcu——mc9s12dp256。

它具有很強的運算能力、豐富的i/o接口和充裕的存儲空間。采用star12 cpu,核心運算能力可以達到50mhz,總線速度可以達到25mhz,采用優(yōu)化的指令集,指令的運算速度得到了很大的提高。通過片內的pll功能可以方便地選擇mcu的核心頻率而不管外部晶振頻率為多少。片內集成了256k flash、12k ram和4k eeprom,完全可以滿足程序對存儲空間的要求。它有豐富的i/o接口,包括兩個異步串行通訊接口(sci),三個同步串行通訊接口(spi),八通道輸入捕捉/輸出比較(ic/oc),十六個10位a/d接口,八路8位pwm,二十九路獨立的數(shù)字i/o接口,二十路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字i/o接口,五路can總線接口,一個iic總線接口,一個bdlc(j1850)接口[3]。

該mcu有四路輸入捕捉(帶有保持緩沖器),利用獨立的ect捕捉時鐘可以自行完成兩個脈沖間的周期計算,非常適合進行四個車輪的輪速采集,大大提高了mcu的工作效率。

2.2 ecu硬件電路設計

mcu的外圍電路采用模塊化設計思想,即把電控單元劃分成不同的模塊,將比較成熟固定的模塊組成一塊單獨的電路板,研究過程中變化較大的模塊組成另一塊單獨的電路板,板與板之間通過i/o擴展插槽進行通信。這種設計方法有利于試驗過程中對系統(tǒng)的維護和擴展,例如需要更改電路或者對系統(tǒng)進行擴展時,無需重新設計整塊電路,只需在相應模塊上改變或添加即可;模塊化設計也具有更好的電氣特性,例如,驅動模塊是比較大的干擾源,對a/d轉換和mcu的工作影響很大,可放在不同的電路板上,對信號線采取隔離措施即可。

根據(jù)abs/asr集成控制系統(tǒng)的特點,將整個電控單元分為了a板和b板,兩塊電路板之間通過i/o總線擴展插槽連接。

a板主要包括主控芯片mc9s12dp256及其最小系統(tǒng)外圍電路、通訊接口電路和數(shù)據(jù)采集電路,如圖2所示。

mc9s12dp256最小系統(tǒng)外圍電路包括電源模塊、外圍復位電路、時鐘晶振電路、工作模式選擇等。

通訊接口電路包括bdm接口。兩路sci串口通訊接口電路,其中一路通過硬件跳線選擇連接故障診斷驅動芯片mc33199,利用pca82c250驅動芯片引出兩路can通訊節(jié)點,預留給集成控制系統(tǒng)擴展使用。

a板還包括ecu中的數(shù)字量、模擬量和開關量采集處理電路,主要包括四個輪速信號、節(jié)氣門開度信號、加速踏板開度信號、高壓蓄能器壓力傳感器信號、制動踏板開關信號等。

b板主要包括執(zhí)行機構驅動電路和開關量信號處理電路,如圖3所示。

系統(tǒng)驅動的執(zhí)行機構主要包括abs壓力調節(jié)器的四個常開進油閥、四個常閉出油電磁閥、四個asr電磁閥和一個abs電機。

abs和asr子系統(tǒng)的使能信號及工作指示燈部分的相關電路也放在該電路板上。

2.3 ecu控制軟件設計

abs/asr集成控制系統(tǒng)中abs和asr子系統(tǒng)本身都是復雜的控制系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的集成并不是把abs和asr控制系統(tǒng)簡單地疊加,而是要把它們有機地融合,同時還要考慮到軟件運行的實時性、可靠性等問題。

集成控制系統(tǒng)的控制軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、啟動自檢模塊、主控制模塊、制動踏板中斷服務程序模塊等幾大部分組成,總體框圖如圖4所示。

系統(tǒng)初始化模塊在系統(tǒng)上電復位時對系統(tǒng)進行初始化。初始化內容包括mcu內部的時鐘、各端口設置、串行通訊接口、模擬和數(shù)字通道、看門狗定時器、系統(tǒng)變量等,以保證mcu正常運行。另外還包括對集成系統(tǒng)的執(zhí)行機構進行復位,確保車輛的安全行駛。

啟動自檢模塊是在系統(tǒng)初始化后對關鍵軟、硬件部分進行靜態(tài)檢測,以判斷系統(tǒng)的軟、硬件工作是否正常。如果發(fā)現(xiàn)集成控制系統(tǒng)中存在故障,故障警示燈會持續(xù)點亮。

主控制模塊為abs/asr集成控制系統(tǒng)的控制主程序,見圖4中陰影虛線框。主控制模塊通過實時中斷rti做固定周期20ms的循環(huán),連續(xù)調用故障診斷模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、參考車速計算模塊、路面識別模塊和車輛運動狀態(tài)識別模塊,實時進行車輛運動狀態(tài)和外界環(huán)境的判斷。然后依據(jù)車輛當前的運行狀態(tài),由控制執(zhí)行模塊分別進行abs或asr的邏輯門限值控制。

考慮到駕駛員制動動作與asr制動干預控制的緊急切換需要,設計了制動踏板中斷服務程序。當采集到制動踏板觸發(fā)的中斷時,進入制動踏板中斷服務程序,如果集成控制系統(tǒng)處于asr工作方式,立即退出當前控制,對執(zhí)行機構模塊進行復位,恢復常規(guī)制動方式,不干預駕駛員的制動動作,保證了車輛行駛的安全性。

3 試驗結果與分析

利用所開發(fā)的采集系統(tǒng)[4]和本文所設計的abs/asr集成控制系統(tǒng),在捷達gtx試驗車上進行了典型工況abs和asr試驗,驗證其控制效果。

abs試驗選擇在干柏油路面、制動初速度為50km/h的條件下進行,圖5為帶有abs控制的直線制動過程。圖中顯示了車輛左前輪速度變化的過程,在整個制動過程中與車速都能夠比較好地逼近,車輪的滑移率也被控制在比較理想的區(qū)域內,保證了車輛制動過程中方向的穩(wěn)定性。

asr試驗選擇一擋對開路面起步過程,右側車輪位于低附著系數(shù)路面上。圖6為起步過程中左右兩側驅動輪轉速對比,其中曲線1為右側驅動輪車速,曲線3為左側驅動輪車速,曲線2為非驅動輪車速,可近似認為是車身速度。可以看到起步初期,右側驅動輪發(fā)生明顯的滑轉,在33.5秒附近asr開始調節(jié),車輪的滑轉明顯改善。圖7為起步過程中左右兩側驅動輪滑轉率的變化曲線,更明顯地反映出進行asr控制后,右側滑轉驅動輪的滑轉率被控制在較為理想的范圍內。同時,由于制動干預的影響,左側驅動輪的滑轉率略有上升。

通過實車試驗,說明abs/asr集成控制系統(tǒng)中的abs和asr功能都取得了比較理想的控制效果,為其它底盤主動安全控制系統(tǒng)的集成創(chuàng)造了條件。