基于FPGA的汽车电子机械制动系统的研究

论文摘要

传统的液压或者空气制动制动系统在加入了大量的电子控制系统后，如电子稳定性控制程序（ESP）、牵引力控制系统（TCS）、防抱死制动系统（ABS）、主动避撞技术（ACC）等，结构和管路布置越来越复杂，液压回路泄露的隐患加大，而且装配和维修的难度也同时加大。因此结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统（EMB）就备受人青睐，而且EMB体积小、响应快、性能可靠、安全环保等优势使得ABS等各种安全系统能够方便的实现，并通过CAN总线将其它控制进行集中管理和共享信息。很多专家预见EMB系统最终将取代传统的液压或者空气制动控制系统，成为未来车辆制动系统的发展方向。本文主要从以下几方面开始着手，首先对EMB系统在国内外发展的现状以及其组成结构和发展趋势进行了简单的介绍。然后在Matlab中对车辆行驶的路面进行建模，根据车辆的动力学特性对车轮、整车、执行器和EMB系统的制动器进行数学建模，最终确定车辆行驶在不同路面上的最佳滑移率的大小。其次是EMB系统的硬件设计。硬件设计主要分为电控单元ECU的设计和BLDC的外围控制电路的设计。最后是算法分析与软件设计部分，系统采用模糊PID算法，在Matlab中建立模糊PID算法模型，并且在Quartusii中利用verilog语言和FPGA的IP核将其实现。软件设计部分主要是对EMB系统中的BLDC控制模块和数据采集模块在Quartusii中进行软件编程，给出制动系统的软件控制流程并用FPGA来实现控制，在Modelsim中对各个模块的功能进行功能仿真，验证程序的正确性，最后生成一个顶层文件，作为整个EMB系统中数据的采集和无刷直流电机的控制模块，实现对BLDC的调速控制，进而通过对其速度的调节来实现车辆的制动。EMB系统采用三环控制方法，大范围内采用模糊算法进行控制，提高了系统的动态效应速度；小范围内采用PID算法进行控制，提高了系统的稳态控制精度；并加入了前馈算法模块，提高了对输入信号的响应速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 EMB 的总体概述
• 1.1.1 国外 EMB 的发展现状
• 1.1.2 国内 EMB 的发展现状
• 1.1.3 EMB 的优势
• 1.2 EMB 的组成结构
• 1.2.1 EMB 的组成及其结构
• 1.2.2 EMB 的工作原理
• 1.2.3 EMB 未来的发展趋势
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2. ABS 路面自动识别的模型建立
• 2.1 路面建模
• 2.1.1 相关概念的介绍
• 2.1.2 三种基准路面的分析
• 2.1.3 建模思想
• 2.1.4 Matlab 中模型的建立
• 2.2 车辆建模
• 2.2.1 车轮模型的建立
• 2.2.2 轮胎模型的建立
• 2.2.3 整车模型的建立
• 2.2.4 EMB 制动器的数学模型的建立
• 2.3 本章小结
• 3. EMB 系统的硬件设计
• 3.1 EMB 控制系统的总体设计
• 3.1.1 ECU 的结构设计
• 3.1.2 电子制动踏板单元
• 3.1.3 踏板信号的采集与放大电路
• 3.2 电机控制单元与电路的设计
• 3.2.1 BLDC 的基本组成结构
• 3.2.2 BLDC 的工作原理
• 3.2.3 EMB 电机控制器的结构设计
• 3.2.4 BLDC 的特性
• 3.2.5 BLDC 的转矩控制原理和调速原理
• 3.2.6 PWM 控制原理
• 3.2.7 BLDC 的控制电路的设计
• 3.3 BLDC 控制策略
• 3.4 本章小结
• 4. EMB 系统的算法分析与软件设计
• 4.1 FPGA 及其相关的开发平台
• 4.1.1 FPGA 的简介
• 4.1.2 Quartus II 软件的简介
• 4.1.3 Modelsim 软件的简介
• 4.1.4 Verilog 硬件语言的简介
• 4.2 EMB 系统的算法分析
• 4.2.1 比例算法
• 4.2.2 前馈算法
• 4.2.3 模糊 PID 算法
• 4.2.4 EMB 系统的软件控制流程
• 4.3 EMB 系统的软件程序设计和调试分析
• 4.3.1 时钟分频模块
• 4.3.2 踏板信号采集模块
• 4.3.3 电流信号采集模块
• 4.3.4 指令信号和转子位置信号的采集
• 4.3.5 反馈控制模块
• 4.3.6 前馈控制模块
• 4.3.7 模糊 PID 模块
• 4.3.8 输出选择模块
• 4.3.9 求和模块
• 4.3.10 过流控制模块
• 4.3.11 PWM 波模块
• 4.4 本章小结
• 5. 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢