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1、电制动器制动力的计算SAE 1999-01-0482摘要：Continental Teves (欧洲ITT汽车公司的前身) 和Darmstadt 工业大学正联合开发一种不需要以制动力、制动转矩作为反馈低成本电制动系统的控制策略。然而，由于机电化制动系统中齿轮效率变化范围很大，致使这项工作非常棘手。这篇文章首先描述了Continental Teves公司的第三代制动器的装置和运行，他们仍然使用了一个集成的制动力传感器，并介绍了Darmstadt工业大学的开发环境，包括一个制动器测试台、一个复杂的制动器模型和一个简化的制动器模型。并对可从制动器上获取的两个信号电机转子位置和电机电流作了仔细分析，就
2、可能应用的制动力算法讨论了其利弊。基于制动器的简化模型和信号分析，介绍了只从转子位置和电机电流角度对制动力进行优化的算法。为了能在不同力传感器下调整间隙，我们研究了一种检测制动片和制动盘接触点的算法。第一个制动力计算和间隙处理的实验结果也在文章中作了介绍。介绍： 现在登记注册装有ABS、TCS、EPS等现代电子控制系统的汽车数量在不断增多。然而，要在普通的液力制动系统中融入这些功能，却需要大量的电液元件。近年来，汽车工业界和许多生产厂家都因此而在开发电制动系统。目前，有两种构想广为接受，一种是电液系统，另一种是纯机电系统，电液系统仍然使用了制动液和常规的制动器，但引用了一些比例阀。据预测，这种
3、系统将在市场上作为首选。然而，随着电液制动系统（制动液、制动电路、比例阀等）弊端的出现，纯机电制动系统就成为一种很有前景的构想，而且值得去深入研究。这项工作的重心就在于在车辆制动器上实现产生制动力的纯机电系统。图1图1像我们展示了Continental Teves公司研究的机电制动器，用一种理想的方法使机电系统将一个电子信号值转化为制动力，或是一个作用于制动器的外力。在这一套硬件系统中可以实现常规的和先进的制动功能，控制单元的软件模式和传感装置就决定了电制动系统的功能。减少汽车硬件和整个系统的重量并不是开发纯电制动系统的唯一动因所在，还由于它不需制动液且很少需要维修（只有制动块和制动盘）。它的
4、分离式的制动踏板可以被安装在既防撞又不占用乘客空间的地方。由于对踏板特点的设计没有什么约束，所以人机工程和安全就很容易考虑和实现。这种“即插即用”的构想采用了尽可能少的部件降低了生产和后勤的花费。然而，电制动系统也有些不足。其一就是就是由于恶劣的工作条件和磨损造成制动器效率的不断变化，见图3。每一个子系统，比如机电驱动器、齿轮单元摩擦制动器及轮/路/车系统传输的特性参数变化范围都很大。因此，一个独立的车轮制动器必须在一个闭环控制系统下工作。对盘式制动器来说，一个很明显的需要控制的参数就是制动力参阅参考文献8。然而一个力传感器是很难集成到电制动系统中的，价格昂贵且需要独立标度。这篇文章对所用的社
5、机电驱动制动器介绍了一种新颖的构想，一种不太传统的方法不采用力传感器。为了这一目的，首先讨论了在已经可以实现的量，分别建立了一个复杂的和简化的制动器模型。基于简化模型和信号分析，我们想出了一种仅从电机电流和转子位置来计算制动机构效率的方法。计算得到的效率可用于调整制动机构模型。通过调整好的制动模型，就可以算出制动力。为了在不使用力传感器条件下检测和调整空间间隙，引入了一种基于电机信号的方法。模拟结果和首次试验结果表明了这些方法的应用潜力。开发环境：开发过程中的一个主要问题就是创造一个使灵活快速算法得以实现的环境。以下的三套环境皆为开发制动力算法和计算处理所建：. 拥有配置了单轮模型的可加热制动
6、盘的测试台. 复杂的机电制动盘模型. 简化的机电制动盘模型车轮模块一个由一个配有伺服放大器的机电制动器和微控制单元组成的车轮模型，见图2。为了使用适于大批量生产的零部件，采用一个16位微控制器作为数控计算的控制平台。微控制器对制动力和位置进行控制、处理间隙并对负责车轮模块的信号传输和监控。为了驱动车轮制动器的无刷电机，采用一个结构紧凑功能强大的伺服放大器。他对分解器所提供的电机转子位置进行处理，以实现电子信息的传输。另外，伺服放大器还有两个模拟控制器，一个电机电流控制器和一个转子转速控制器。由机电转换器、齿轮、摩擦制动片及传感器所组成的“智能化盘式制动器”的设计重量轻、结构紧凑的思路下完成的。
7、基于可靠已成功应用的FN制动片，Continental Teves 公司开发了一种结构非常紧凑的电制动器，参考文献1给出了Continental Teves的第二代制动驱动器。见图4给出的是配有附加行星齿轮、制动力传感器及其他调整装置的第三代制动驱动器。推动内部制动块的不再是活塞，而是主轴。行星转子齿轮的螺帽是由无刷转矩电机通过行星齿轮驱动的。通过把伺服电机的线圈直接嵌入制动器壳内并只用一个中心轴承支撑齿轮单元，就使结构紧凑成为了可能。然而，中心轴承就同时受到径向和轴向力。分解器用以测量转子的位置以传输电信号。为了对当前Continental Teves公司机电制动器进行制动过程控制和对制动力
8、的变化进行计算，Darmstadt 工业大学开发了一种集成于主轴的力传感器，如图5所示。主轴为传感器的安装提供了很好的条件，它承受了所有的制动力，保护了传感器不受外界恶劣环境影响，并使之在制动过程中不发生转动。为了估算开发的主轴力传感器的性能，我们将另外一个制动力传感器（装在外部制动片和制动块之间）的输出信号与主轴力传感器的输出作了对比。制动盘在工作过程中可能会加热到不同的温度，而外部的制动力传感器则为了避免高温疲劳而采用水冷处理，图6就向我们展示了传感器的测试结果，对角线状的曲线显示了内部制动力传感器所测的制动力的变化，较低的一组曲线就显示了不同温度下的相对误差。由图可知相对误差非常小，而且
9、没有出现高温疲劳。测试台制动器测试台如图7所示，他是为了达到开发与测试灵活计算的目的而建的。在这个软件中绝大多数变化可以实现与测试，而不需要真车驱动测试。在图7 的右侧，用一个原有的轮轴来支撑制动盘和机电制动器，制动力传感器信号由一个频率运载放大器采集处理。制动盘上装有五个加热线圈和一个温度传感器。通过加热器控制单元，制动盘能被加热到800，这样，就可以模拟参数变化并对机电制动器传输特性的影响进行研究。图7，制动盘可加热的机电盘式制动器测试台用一个配有Transputer数据采集台的486芯片作为在线测量系统。从一个非常友好的用户控制界面可以看到12个模拟信号输入通道和4个模拟信号输出通道，并
10、以2KH的频率进行采样。桌面采用MATLAB编写，以确保在制动器模拟环境下数据便于携带。采用一个可测量相位的电流测量仪测量电机及电池的相位电流。微控制器及伺服放大器装在一个盒中。第二个PC是用RS232接口下载和调整在RAM和EEPROM的算法。复杂的制动器模型参考文献1中给出了Continental Teves公司的第二代机电制动器。根据模块设计，这一模型很容易改进到第三代。新的参数是分开设计下零件厂商在不同测试台上进行测量确定的。模型是在PC奔腾Pro200机上用MATLAB/SIMULINK模块中实现的，见图8。图8 盘式制动器模型的SIMULINK模块图微控制器模块包含了力和唯一传感器
11、，二者具有一定的比例关系，他们的参数可以直接由微控制器软件获取。在模拟控制块中，考虑了伺服放大器的速度和电流控制器。速度控制器是一个PI控制器，而电流控制器是一个串接的第一级滞后元件。它们在外环与速度控制器串接，见参考文献图8模块结构图中下一个模块是电机。为了简化，数据无刷电机可建模为一个标准的数控电机，其输出扭矩Tm是和电机电流Im成正比的： 为了确认电机参数，我们建了一个测试台，让电机以任意选择的扭矩运行。通过电机在不同扭矩下运行及测量电机电流Im，就可以由曲线斜率测出磁通量。单独的制动器元件的转动惯量和质量可以由CAD程序测出。比如，为了得出电机子系统的转动惯量，电机的分离器、轴承球及转
12、子的转动惯量都得加上。如图9，行星齿轮可建模为两个串接得齿轮单元。第一个齿轮单元是中心轮单元，第二个是行星架单元。每个支承单元都得考虑支承摩擦和及由齿牙摩擦。每一个齿轮单元的刚度和阻尼都以和表示。为了计算惯性和摩擦损失，要特别注意各元件之间的速度比，在元件供应商的帮助下，所有的参数都可以测量出来。图10 描述了一个齿轮单元的双质量模型。一项最富挑战性的工作就是PRG（行星滚动轮子系统）的设计。PRG可建模成一个支承件，由于其螺帽转子及芯轴转子接触而具有摩擦的双质量振子。由于行星滚动轮的线面接触线与螺帽转子及芯轴转子一样，其角接触的轮廓和角接触球轴承相同，因此，模型的摩擦损失可由参考文献11中提
13、供的轴承模型解出.最重的PRG子系统应包括以下几部分（见图11）： 螺帽、主轴、滚子的刚度（综合考虑为一个刚度和一个阻尼） PRG轴向附加载荷所产生的库仑摩擦 PRG的死区 螺帽的转动惯量、转子的转动惯量、滚子的转动惯量及主轴质量和振子质量（综合考虑为一个质量和一个转动惯量）图11 行星滚动轮图12 摩擦制动的模型如图12，在摩擦制动器子系统中，制动片的静态及动态行为、制动块及制动盘都建立了模型。制动片刚度由一个特别设计的测量单元决定。采用了一台通用机器对串接放松的新制动片进行随机测量。 两种必须区分的摩擦制动器工作状态制动块未接触制动盘间隙（空间间隙）必须考虑在内（0）制动块接触到制动盘无间
14、隙（0）对任一状态，质量、转化摩擦力、刚度及阻尼必须单独计算。根据间隙值，模型在两种状态之间变换。图13 复杂制动器模型的图形用户界面一个用以测量中间轴承系统参数的轴承测试台可以在不同的轴向力和转速下测量摩擦力矩。通过一个很简单的图形用户界面，就可以实现人工信号激励和测量的仿真。界面可以容许改变仿真参数和集成方法。外部和内部模型信号可以选择显示。图13描绘了图形用户界面的窗口桌面。图14 简化制动器模型的模块图简化制动器模型作为开发制动力计算方法的基础，建立了如图14的简化制动器模型。为了简化制动器模型，我们将不同的物理参数结合起来。考虑了所有转换的加速质量和转动惯量。参数包括了各个制动器元件
15、的粘滞摩擦力矩。参数考虑了所有的附加载荷，齿数比综合考虑了串接的行星齿轮齿数比和行星滚动轮的齿数比。 （2）制动力建模为一个依赖于主轴行程的非线形方程的特征曲线 （3）信号分析：以下部分的目的是在制动器可实现的信号根据其对制动力计算的可行性进行计算。电机转子位置由于电机是电子整流的，转子位置信号在制动器上就可以实现。如果整个机构的刚度已知，就可以由转子位置计算制动力。要通过测量电机转子位置的可行性来计算制动力，就应测出每一个制动元件的刚度及其变化，为了对第三代产品进行刚度分析，将制动器的以下结构元件进行单独处理：齿轮单元 （行星齿轮、行星滚轮及中心轴承）制动片 制动盘 制动块系统总刚度根据串接元件的刚度由以下公式算出： （4）齿轮单元的刚度在设计过程中用CAD程序算出。刚度曲线在微小作用力下是渐变的，外力较大时呈线形特征，它约占总刚度的5。Continental Teves公司采用一台专用的测试台测试制动片的刚度。球墨铸铁制动片在完全装配好的机电制动器下受力发生的应变并不与外力呈线性关系。就像制动片的刚度曲线一样，是渐变的。它约占制动器总刚度的72。制动盘刚度可通过测量盘厚和制动盘有效工作区域及应用灰铸铁的弹性模量算出，其约占制动器总刚度的2。我们采用了对串
