電動汽車用電子機(jī)械式制動ABS的控制研究

李偉琪 尹繼輝 石棟才 鄒釗斌 賀彥赟

摘? ?要：電子機(jī)械制動是車輛制動方面的新一代革命性產(chǎn)品，其憑借自身極短的制動執(zhí)行器作用時間，大大提高了車輛的制動效能。制動防抱死（ABS）是車輛制動的最基本安全裝置。本文匯總了各控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了各控制算法的核心技術(shù)，對后續(xù)學(xué)者梳理技術(shù)路線和優(yōu)化控制方法提供了幫助。隨著電子機(jī)械制動市場化的不斷深入，基于電子機(jī)械制動的ABS模塊研制具有十分重大的意義。

關(guān)鍵詞：電子機(jī)械制動? 制動防抱死? 控制策略? 滑移率? 仿真

Abstract： electro-mechanical Brake （EMB） is a new revolutionary product in the field of vehicle braking. Because its short acting time of brake actuator， it greatly improves the braking efficiency of vehicle. Anti-lock braking system（ABS） is the most basic safety device for vehicle braking. In this paper， the advantages and disadvantages of each control strategy are summarized， and the key techniques of each control algorithm are analyzed. With the development of EMB， the development of ABS module based on EMB is of great significance.

Key Words： Electro-mechanical braking; Anti-lock braking system; Control strategy; Slip rate; Simulation

1? 引言

電子機(jī)械制動（EMB）系統(tǒng)由于具有制動性能高、節(jié)能、模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)，正逐步被眾多科研機(jī)構(gòu)、銷售市場等地方的有關(guān)人員關(guān)注。制動防抱死是指在車輛制動過程中，通過控制制動器的工作狀態(tài)，使車輪的滑移率始終保持在15%～20%。經(jīng)有關(guān)實驗證明，車輛制動時，處于目標(biāo)滑移率（15%～20%）下的車輛制動距離更短，輪胎使用壽命更長，制動穩(wěn)定性更強(qiáng)[1]。故應(yīng)用于電子機(jī)械制動系統(tǒng)的制動防抱死（ABS）模塊也開始受到廣泛關(guān)注。

2? 電子機(jī)械制動的發(fā)展

目前，國內(nèi)的電子機(jī)械制動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過一定的技術(shù)沉淀：清華大學(xué)搭建了一個從駕駛員制動意圖獲得到制動力矩產(chǎn)生的試驗臺，根據(jù)電子制動踏板的位移和速度計算力矩電機(jī)動作時所需的輸入電流大小，進(jìn)而控制執(zhí)行器所產(chǎn)生的制動力[2]。吉林大學(xué)驗證了以永磁直流力矩電機(jī)作為動力源的制動系統(tǒng)可以滿足車輛對制動力的要求，并模擬了三種輸入狀態(tài)下的制動力響應(yīng)過程，模擬結(jié)果也滿足國家的相關(guān)制動法規(guī)[3]。安徽理工大學(xué)利用ADAMS和ANSYS的聯(lián)合仿真技術(shù)對EMB剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的制動性能進(jìn)行了仿真分析，并著重對制動執(zhí)行過程中由于制動力矩波動對制動噪聲產(chǎn)生的影響進(jìn)行了深入研究[4]。在電子機(jī)械制動系統(tǒng)的電子控制方面，目前的研究大多集中在制動響應(yīng)是否滿足要求、制動力是否達(dá)標(biāo)等。傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的ABS控制方法一般為邏輯門限控制法，電子機(jī)械制動系統(tǒng)取消了冗雜的油路管道、制動主缸、制動輪缸、調(diào)壓電磁閥、蓄壓器、液壓泵、儲液罐等機(jī)械部件，取而代之的是由力矩電機(jī)作為動力源、滾珠絲杠作為運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置的高集成化的機(jī)電產(chǎn)品。顯然，傳統(tǒng)的控制方法已不再適用。

3? 電子機(jī)械式制動ABS模塊設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

首先建立車輛的動力學(xué)模型和輪胎模型，通過檢測車輪的實時滑移率，結(jié)合電子機(jī)械式制動執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型，選用合適的控制策略，建立最佳的ABS控制模型并進(jìn)行軟件仿真。

3.1 地面附著系數(shù)識別系統(tǒng)

地面制動力的大小主要受輪胎特性影響，典型的車輛輪胎模型有：魔術(shù)公式模型、雙線性模型、經(jīng)驗輪胎模型等，選擇合適的輪胎模型，建立路面附著系數(shù)與車輛滑移率之間的函數(shù)關(guān)系[5]。設(shè)計的路面識別算法要適用于多種路面情況，用以保證車輛在不同附著系數(shù)路面時，ABS控制器的工作有效性。

3.2 電子制動踏板模型

電子機(jī)械制動取消了傳統(tǒng)制動踏板與制動輪缸間的液壓油路，車輛制動力不再通過液體傳遞，而是利用電子制動踏板上的多傳感器及車輛實時運(yùn)行參數(shù)綜合判斷車輛所需制動力，并將計算結(jié)果以電信號的形式發(fā)送至中央處理單元?？赏ㄟ^采集制動踏板的實時位置和駕駛員的踩踏力作為重要的計算參考信息。電子制動踏板作為制動意圖的主要獲取點(diǎn)，對車輛ABS模塊的實時性和安全性有重要影響。

3.3 制動執(zhí)行器模型

電子機(jī)械制動執(zhí)行器由永磁直流力矩電機(jī)、行星減速機(jī)構(gòu)、滾柱絲杠、浮動鉗體等組成。其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足快速消除制動間隙和準(zhǔn)確跟隨目標(biāo)值制動力等要求。假設(shè)在制動時，永磁直流力矩電機(jī)工作在完全堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電樞電壓恒等于作用在電機(jī)內(nèi)阻上的電壓[6]。由此列出電機(jī)輸入電流與制動執(zhí)行器輸出力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

3.4 選擇最優(yōu)的控制策略

車輛觸發(fā)ABS功能后，進(jìn)入一種不確定的非線性狀態(tài)，其控制方法較為復(fù)雜，目前常用的非線性系統(tǒng)的控制方法有模糊控制、滑模控制、變結(jié)構(gòu)控制等。模糊控制理論是現(xiàn)代智能控制理論的分支，輸入控制量經(jīng)模糊化后運(yùn)用模糊推理規(guī)則進(jìn)行推理并將推理結(jié)果進(jìn)行反模糊化，最終輸出精確控制量[7]。模糊控制對被控對象數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度要求低，是一種計算簡便，使用靈活的控制手段。滑模變結(jié)構(gòu)控制屬于變結(jié)構(gòu)控制的一種，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會在人為設(shè)定的某個限制下做高頻率、小增益擺動?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制因其響應(yīng)快速、硬件搭建簡便、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于非線性時變系統(tǒng)中。只有將各種控制方法融合進(jìn)行綜合控制，取長補(bǔ)短、融會貫通，才能達(dá)到最佳的控制效果。

3.5 在MATLAB＼SIMULINK下仿真

在SIMULINK中建立整車動力學(xué)模型、電子機(jī)械制動模型、控制策略模型，通過模擬幾種不同的實驗工況：階躍變化路面，過渡變化路面、極值附著系數(shù)路面、一般附著系數(shù)路面，得到不同的實驗數(shù)據(jù)。將實驗結(jié)果與液壓制動系統(tǒng)的制動性能進(jìn)行對比，來驗證電子機(jī)械式制動ABS模塊具有更好的制動效能。

4? 電子機(jī)械式制動ABS模塊的設(shè)計要求

4.1 算法的簡潔性

車輛制動的ABS控制具有很強(qiáng)的實時性，從車輛ABS模塊開始啟動到車輛完全制動所經(jīng)歷的時間往往極短，因此，其控制算法不能過于復(fù)雜。

4.2 電子系統(tǒng)的安全性

集成電路的大發(fā)展推動了汽車電子控制技術(shù)的進(jìn)步，車輛的附加電器設(shè)備越來越多，這些電氣設(shè)備與我們的行車安全息息相關(guān)。在電子機(jī)械式制動ABS模塊中運(yùn)用雙核鎖步技術(shù)，通過在兩個不同類型的處理單元中運(yùn)用不同的算法實現(xiàn)同一種功能，并對比兩處理器運(yùn)算的中間結(jié)果以檢測處理單元是否發(fā)生故障，這種設(shè)計方法診斷覆蓋度高，能大大提高系統(tǒng)的安全性。

4.3 物理布局的合理性

如圖1，整個系統(tǒng)由一個主電控模塊、兩個附加電控模塊、相互獨(dú)立的四個制動控制模塊、獨(dú)立電源（車輛電源系統(tǒng)發(fā)生故障時啟用）等組成。在常規(guī)制動需求下，依據(jù)電子制動踏板上的角度傳感器和壓力傳感器的輸出信號判斷分析后輸出目標(biāo)制動力控制信號;在非常規(guī)制動需求下，車輛依據(jù)ABS控制器輸出的控制信號綜合分析判斷最佳制動力值。當(dāng)制動系統(tǒng)發(fā)生故障時，中央電控單元與四個制動控制器斷開連接，車輛前軸左右兩車輪由附加電控單元1控制，后軸左右兩車輪由附加電控單元2控制，并依據(jù)設(shè)定程序?qū)囕v實施制動。當(dāng)系統(tǒng)故障解除后，制動系統(tǒng)恢復(fù)常態(tài)。

5? 結(jié)語

汽車制動系統(tǒng)作為車輛最重要的主動安全裝置，其發(fā)展經(jīng)歷了液壓式/氣壓式、電液混合式、電子機(jī)械式（純電式）等過程。電子機(jī)械式制動系統(tǒng)的制動力完全由電信號控制，制動能量回收率高，是電動汽車RBS的最佳適配執(zhí)行器。未來，電子機(jī)械制動不僅要突破ABS模塊的技術(shù)瓶頸，還應(yīng)充分發(fā)揮其機(jī)電產(chǎn)品的特質(zhì)，以更加簡潔、高效的方案實現(xiàn)車輛的驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)控制（TCS），車身電子穩(wěn)定控制（ESP）、定速巡航控制（CCS）、電子制動力分配（EBD）等功能，為電動智能車的發(fā)展提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

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