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1、汽车电子机械制动系统技术开展探讨 摘要:相比于传统汽车的制动系统,电子机械制动系统(Electro-mechanicalBrakingSystem,EMB)具有制动性能更优、结构更加简单紧凑、不会污染环境等优势。分别对电子机械制动系统的制动器执行器技术、制动控制技术以及线控制动踏板技术进行了分析总结,指出电子机械制动系统的技术还存在的问题,对电子机械制动系统的未来开展方向给出预测,对电子机械制动系统的进一步研究提供参考。关键词:汽车;电子机械制动;执行器;控制技术;线控制动踏板电子机械制动系统属于线控制动系统的一种,其通过线束传递制动信号和制动能量,线控技术的使用使得制动系统抛弃了原有的复杂而
2、又承重的液压管路和元件,整个系统的电子化、集成化能力更强。对于汽车上现在应用的所有制动和稳定功能都要求制动力的稳定性和精确性,电子机械制动系统可以通过对制动电机的精确控制实现制动力的稳定输出。且可以通过在控制器中添加制动程序实现更多的功能,无需再额外配置复杂的液压管路和机械部件1-2。根据制动器结构可将线控制动系统分为两大类:电子液压制动系统(Electro-hydrau-licBrake,EHB)和电子机械制动系统(Electro-mechani-calBrake,EMB)3。后者相对于前者实现了制动结构的全机械化,具有制动更快、效果更好的特点是线控制动系统的最终形态。电子机械制动系统可以分
3、成5个组成模块:(1)线控制动踏板模块,主要由踏板位移传感器和制动感觉模拟器两局部构成,负责采集踏板位置和变化速度等信息;(2)中央电子控制模块,接收踏板位移传感器感知的踏板位置和变化速度等信息,经过信号处理分析决策后产生相应的制动信号;(3)车轮制动模块,由制动执行器、执行器控制单元以及相关传感器构成,将制动信号转变为具体的制动动作;(4)车载电源,为电子机械制动系统供电,主要是为制动电机以及系统传感器等提供电能;(5)车载计算机网络,实现车轮制动模块和中央电子控制模块以及线控制动踏板模块的通信4-7。电子机械制动系统中车轮制动模块、中央电子控制模块以及线控制动踏板模块是系统的重点和难点,也
4、是提升系统性能的关键点。本文作者将从EMB执行器技术、制动控制技术以及线控制动踏板技术3个方面进行分析。1EMB执行器技术制动执行器作为整个系统的核心部件之一,通常由驱动电机、增力装置、运动转换装置和制动钳体四局部构成。现有的制动执行器主要运用行星齿轮机构、增力杠杆机构、涡轮蜗杆机构或楔形机构作为增力装置。运用滚珠丝杠机构,偏心轮机构或齿轮齿条机构作为运动转换装置。通常根据驱动电机的布置位置将执行器分成内置和外置两大类8-9。主要有以下几种具有代表性的结构:ContinentalTeves公司的Drott,RIETH等10在2022年申请了电子机械制动器结构专利。采用了滚珠丝杠加行星齿轮组合的
5、方式并驱动电机内置方式,当电机转子正向转动时带动太阳轮转动之后经过行星齿轮系的两级减速后由行星架输出转矩,行星架带动滚珠丝杠运动,最后由顶杆推动制动块压紧制动盘实现制动,反之那么解除制动。设计棘轮结构实现驻车制动的功能。该方案需要手动调节制动间隙,电机外置式设计使得整个机构轴向尺寸较大。西门子公司采用了滚珠丝杠和增力杠杆组合的结构11,该方案采用电机内置将电机与滚珠丝杠融合在一起,当通电时转子转动作为丝杠带动螺母水平位移,螺母与心轴相连,心轴也随之运动,心轴上的力经过增力杠杆被增大,力和位移经过传动套筒和制动活塞传递到制动钳块,制动钳块在力和位移的作用下夹紧制动盘完成制动。由于使用增力杠杆使得
6、该结构具有自动间隙调整的功能。西门子VDO公司采用楔形结构作为增力装置12。系统采用两台对置式的电机作为动力源,制动时两台电机以相反的方向转动时使推块朝主动楔形块小端方向运动,主动楔形块的运动使得从动楔形块和与之固接的制动块产生向上位移压紧制动盘完成制动,反之朝楔形块大端方向运动制动解除。该方案采用楔形块作为自增力机构具有巨大的增益系数,采用了双电机结构降低单个电机的功率要求。但由于楔形机构巨大的增益系数,为保证制动力的精确稳定,对电机的控制精度的要求也相比照较高。Bosch公司的KELLER13在2022年申请了带有电磁离合器的制动器结构。该方案属于电机外置式,当驱动电机通电时电机输入轴带两
7、级行星轮系运动,动力经过行星轮系后传递给心轴,心轴带动滚珠丝杠机构运动完成运动转换过程,最终由丝杠螺母推动制动钳块压紧制动盘完成整个制动过程。通过一个杯形弹簧将摩擦盘与二级行星轮系的太阳轮连接在一起,摩擦盘与二级行星轮系的行星齿圈以同样的方式固接。该方案通过使用两套电磁离合器,实现减速增矩、调整制动间隙、实现驻车等功能。清华大学的宋健团队设计一种采用曲柄连杆结构作为运动转换装置的EMB制动器,曲柄连杆结构将电机的旋转运动转变为平动推动制动块压紧制动片。同时利用曲柄连杆机构在死点附近整个机构有非常大的力增益系数的特点,实现对制动力放大作用。该方案对加工装配的精度要求较高,容易出现制动时卡死的现象
8、,且机构不具备自动间隙调整的功能14。北京理工大学的沈沉团队在2022年提出了一种电子机械盘式制动器结构。它的最大特点就是模块化,整个机构又可分为:驱动局部、一级减速局部、滚珠丝杠螺旋传动局部15。吉林大学的李静团队在2022设计了一款EMB制动器,该制动器结构上也采用了行星齿轮与滚珠丝杠组合的形式16。这两种结构与ContinentalTeves公司执行器结构类似,区别在于结构只采用了一级行星齿轮系进行减速增距。2022年同济大学的刘志乙团队在制动器结构参加了电磁离合销实现了几种不同的工作模式,实现了减速器减速比改变,且具有间隙自动调整和制动力保持功能17。该结构与Bosch公司结构有异曲同
9、工的效果,都是通过电磁机构实现不同的制动效果,但相对而言结构比较复杂。现阶段就市场的占有率而言电子机械制动器主流设计方案是以ContinentalTeves为代表的行星齿轮和滚珠丝杠相配合的设计方案,该方案结构相对简单、减速比较大,对电机的要求不高,能够实现行车制动和驻车制动两个功能,技术成熟、性价比较高。较具开展潜力的方案是以西门子为代表的具有自增力效应的电子楔形制动器方案,该方案采用两个电机,降低了对电机性能的要求,提高了系统平安性,楔形机构制动效果显著,整体机构紧凑,机械安装结构较少便于装配。综合多种制动器结构的优缺点可以得出,现阶段制动执行器设计要求结构简单、性能稳定、便于控制、整体空
10、间结构紧凑、尺寸尽量小便于安装,制动间隙能自动调整。但是以上两种方案都无专门的间隙自动调节功能,是以后需要改进的地方。2EMB控制技术控制方法是整个控制系统的灵魂,好的控制方法可以优化系统硬件的缺乏,最大限度地提高控制系统的精度,控制算法的优劣直接决定了整个控制系统的品质,国内外众多学者针对电子机械制动系统控制技术展开了大量的研究9。在制动器控制方面,清华大学的张猛18采用一种开环控制方法对制动器进行控制,实现了制动力矩随制动踏板位移线性增加。该控制方法以电机的电流-力矩特性为依据,运用较少的传感器实现了压力平稳输出,但其无制动压力、电机转速等参数的反响,因此控制效果较差,执行器动态响应较慢。
11、为了提高控制的精度实现制动力的精确输出,需要设计具有反响回路的闭环控制系统。针对EMB制动执行器最重要的控制变量制动力或制动力矩,李晖晖团队在运用于飞机上的EMB执行器控制中使用了力矩闭环控制技术19,采集制动力矩作为控制系统的反响信号,与其目标值做差后经过算法计算出执行器电机的输入信号,属于一种单闭环控制方法。要想提高控制性能需要增加反响环的数量提高系统动态和静态响应。ChristofMaron团队针对制动力控制采用了制动力-转速双闭环控制,并且在1995年建立了专门用于EMB控制算法开发的测试标准,研究了电子控制单元的开发、执行器建模、制动力控制、制动间隙管理、ABS功能实现等问题20。达
12、姆施塔特工业大学的Ralf-Schwarz团队提出了一种电子机械制动的力-转速-电流三闭环串联PI控制方法,该方法基于制动力传感器搭建闭环反响控制模型,将电流控制回路、电机转速控制回路以及制动力控制回路进行串联,系统的响应速度得到提高21。对于闭环反响控制优化方面,墨尔本大学的ChrisLine团队在三闭环PI反响控制的根底上对控制体系的结构进行了改进,参加增益调度、摩擦补偿和反响线性技术,实现了模型预测控制,优化了制动器饱和、负载相关摩擦和非线性刚度对制动性能的影响,更好地利用了电机转矩22。由于压力传感器本钱高、安装困难且在高温状态下精度很低,因此在闭环反响控制中摩擦力和夹紧力的估算方法十
13、分重要。SCHWARZ团队利用电机角位移与夹紧力的关系提出了夹紧力估计方法;此外,还考虑了补偿方法,以调整因磨损而产生的摩擦片厚度的变化,该方法是利用了夹紧和释放过程中的平均扭矩,不需要考虑摩擦力23。HOSEINNEZHAD团队提出了另一种利用电机角位移与夹紧力在频域关系的方法。该方法可用于要求具有快速响应特性的系统,如防抱死制动系统(ABS)24。但以上两种方法均不考虑齿轮的齿隙,因此存在一定的误差。针对上面夹紧力估算方法所存在的问题,KI团队提出了一种基于电机转子位置的夹紧力估计算法,该算法将制动时夹紧和松开动作的迟滞特性考虑了进去使得算法的精度更高25。JO团队利针对行星齿轮减速器摩擦
14、特性提出了一种新的制动力估计算法,提高了反响控制中夹紧力估算的准确度提高了控制精度26。PARK和CHOI基于一种具有自适应律的自适应滑模控制方法来减小摩擦力矩模型的误差,是一种通过精细的曲线拟合对制动器制动力进行估计的算法27。对于以上提到的闭环控制主要是通过增加封闭环的数量,并将多个调节器串联起来提高控制的精度,各闭环大多采用PID控制算法。但是PID算法具有一定的局限性,当系统工况变化时,单一的PID控制方法无法保证系统控制精度。此时需要参加其他控制方法对PID控制进行整定。吉林大学的杨坤等人进行了基于EMB的EBD/EBS控制系统的研究,为实现ABS功能采用了模糊PID控制,通过模糊控
15、制器得到比例、积分、微分参数实现不同工况下的控制要求28。吉林大学的唐亮,选定以神经网络整定PI作为EMB的控制方式实现ABS功能,主要是通过神经网络的自学习能力完成对神经网络加权系数调整,利用不断优化的神经网络实现对PI控制器参数的整定29。韩国的KIM等2022年在EMB系统中应用了仿生控制策略,以基于PI的级联控制作为基准应用遗传算法优化了脑边缘系统控制参数,经过仿真验证了新算法能有效改善EMB控制系统的性能30。为了提升车辆基于EMB的各制动及车身稳定功能的性能,需要对控制技术的不断优化改进,纵观控制技术的开展历程需要朝着精度更高、适应性更强、制动性能更稳定、响应速度更快、本钱更低的方
16、向不断进步,并通过更优的控制方法解决一些现阶段难以解决的问题。3线控制动踏板技术线控制动踏板可以看作是整个系统的信号发生装置,采集驾驶员施加在制动踏板上的信号转变为电信号,信号以电信号的形式传送到制动控制单元,控制器根据接收到的电信号控制执行器完成车辆的制动。结构上由机械局部和传感器局部组成。对于线控制动踏板的研究主要包括制动踏板感觉、制动感觉模拟器以及制动意图识别三方面的研究。3.1制动踏板感觉与模拟器研究制动踏板感觉的目的是给驾驶员以传统制踏板类似的制动感觉,将制动情况间接反响给驾驶员,消除制动时的不适感,研究说明线控制动踏板感觉模拟器的引入降低了事故发生的概率,国内外相关的研究内容归纳起来可以分为以下几方面:如何将驾驶员主观感觉与车辆中影响踏板感觉的客观参数联系起来,即什么样的踏板感觉才是好的踏板感觉,以及踏板模拟器的设计开发等31-32。1994年,通用公司的EBERT和KAA
