導語：汽車電子機械制動系統技術發展探討一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:相比于傳統汽車的制動系統,電子機械制動系統(Electro-mechanicalBrakingSystem,EMB)具有制動性能更優、結構更加簡單緊湊、不會污染環境等優勢。分別對電子機械制動系統的制動器執行器技術、制動控制技術以及線控制動踏板技術進行了分析總結,指出電子機械制動系統的技術還存在的問題,對電子機械制動系統的未來發展方向給出預測,對電子機械制動系統的進一步研究提供參考。

關鍵詞:汽車;電子機械制動;執行器;控制技術;線控制動踏板

電子機械制動系統屬于線控制動系統的一種,其通過線束傳遞制動信號和制動能量,線控技術的使用使得制動系統拋棄了原有的復雜而又承重的液壓管路和元件,整個系統的電子化、集成化能力更強。對于汽車上現在應用的所有制動和穩定功能都要求制動力的穩定性和精確性,電子機械制動系統可以通過對制動電機的精確控制實現制動力的穩定輸出。且可以通過在控制器中添加制動程序實現更多的功能,無需再額外配置復雜的液壓管路和機械部件[1-2]。根據制動器結構可將線控制動系統分為兩大類:電子液壓制動系統(Electro-hydrau-licBrake,EHB)和電子機械制動系統(Electro-mechani-calBrake,EMB)[3]。后者相對于前者實現了制動結構的全機械化,具有制動更快、效果更好的特點是線控制動系統的最終形態。電子機械制動系統可以分成5個組成模塊:(1)線控制動踏板模塊,主要由踏板位移傳感器和制動感覺模擬器兩部分構成,負責采集踏板位置和變化速度等信息;(2)中央電子控制模塊,接收踏板位移傳感器感知的踏板位置和變化速度等信息,經過信號處理分析決策后產生相應的制動信號;(3)車輪制動模塊,由制動執行器、執行器控制單元以及相關傳感器構成,將制動信號轉變為具體的制動動作;(4)車載電源,為電子機械制動系統供電,主要是為制動電機以及系統傳感器等提供電能;(5)車載計算機網絡,實現車輪制動模塊和中央電子控制模塊以及線控制動踏板模塊的通信[4-7]。電子機械制動系統中車輪制動模塊、中央電子控制模塊以及線控制動踏板模塊是系統的重點和難點,也是提升系統性能的關鍵點。本文作者將從EMB執行器技術、制動控制技術以及線控制動踏板技術3個方面進行分析。

1EMB執行器技術

制動執行器作為整個系統的核心部件之一,通常由驅動電機、增力裝置、運動轉換裝置和制動鉗體四部分構成。現有的制動執行器主要運用行星齒輪機構、增力杠桿機構、渦輪蝸桿機構或楔形機構作為增力裝置。運用滾珠絲杠機構,偏心輪機構或齒輪齒條機構作為運動轉換裝置。通常根據驅動電機的布置位置將執行器分成內置和外置兩大類[8-9]。主要有以下幾種具有代表性的結構:ContinentalTeves公司的Drott,RIETH等[10]在2001年申請了電子機械制動器結構專利。采用了滾珠絲杠加行星齒輪組合的方式并驅動電機內置方式,當電機轉子正向轉動時帶動太陽輪轉動之后經過行星齒輪系的兩級減速后由行星架輸出轉矩,行星架帶動滾珠絲杠運動,最后由頂桿推動制動塊壓緊制動盤實現制動,反之則解除制動。設計棘輪結構實現駐車制動的功能。該方案需要手動調節制動間隙,電機外置式設計使得整個機構軸向尺寸較大。西門子公司采用了滾珠絲杠和增力杠桿組合的結構[11],該方案采用電機內置將電機與滾珠絲杠融合在一起,當通電時轉子轉動作為絲杠帶動螺母水平位移,螺母與心軸相連,心軸也隨之運動,心軸上的力經過增力杠桿被增大,力和位移經過傳動套筒和制動活塞傳遞到制動鉗塊,制動鉗塊在力和位移的作用下夾緊制動盤完成制動。由于使用增力杠桿使得該結構具有自動間隙調整的功能。西門子VDO公司采用楔形結構作為增力裝置[12]。系統采用兩臺對置式的電機作為動力源,制動時兩臺電機以相反的方向轉動時使推塊朝主動楔形塊小端方向運動,主動楔形塊的運動使得從動楔形塊和與之固接的制動塊產生向上位移壓緊制動盤完成制動,反之朝楔形塊大端方向運動制動解除。該方案采用楔形塊作為自增力機構具有巨大的增益系數,采用了雙電機結構降低單個電機的功率要求。但由于楔形機構巨大的增益系數,為保證制動力的精確穩定,對電機的控制精度的要求也相對比較高。Bosch公司的KELLER[13]在2001年申請了帶有電磁離合器的制動器結構。該方案屬于電機外置式,當驅動電機通電時電機輸入軸帶兩級行星輪系運動,動力經過行星輪系后傳遞給心軸,心軸帶動滾珠絲杠機構運動完成運動轉換過程,最終由絲杠螺母推動制動鉗塊壓緊制動盤完成整個制動過程。通過一個杯形彈簧將摩擦盤與二級行星輪系的太陽輪連接在一起,摩擦盤與二級行星輪系的行星齒圈以同樣的方式固接。該方案通過使用兩套電磁離合器,實現減速增矩、調整制動間隙、實現駐車等功能。清華大學的宋健團隊設計一種采用曲柄連桿結構作為運動轉換裝置的EMB制動器,曲柄連桿結構將電機的旋轉運動轉變為平動推動制動塊壓緊制動片。同時利用曲柄連桿機構在死點附近整個機構有非常大的力增益系數的特點,實現對制動力放大作用。該方案對加工裝配的精度要求較高,容易出現制動時卡死的現象,且機構不具備自動間隙調整的功能[14]。北京理工大學的沈沉團隊在2007年提出了一種電子機械盤式制動器結構。它的最大特點就是模塊化,整個機構又可分為:驅動部分、一級減速部分、滾珠絲杠螺旋傳動部分[15]。吉林大學的李靜團隊在2008設計了一款EMB制動器,該制動器結構上也采用了行星齒輪與滾珠絲杠組合的形式[16]。這兩種結構與ContinentalTeves公司執行器結構類似,區別在于結構只采用了一級行星齒輪系進行減速增距。2010年同濟大學的劉志乙團隊在制動器結構加入了電磁離合銷實現了幾種不同的工作模式,實現了減速器減速比改變,且具有間隙自動調整和制動力保持功能[17]。該結構與Bosch公司結構有異曲同工的效果,都是通過電磁機構實現不同的制動效果,但相對而言結構比較復雜。現階段就市場的占有率而言電子機械制動器主流設計方案是以ContinentalTeves為代表的行星齒輪和滾珠絲杠相配合的設計方案,該方案結構相對簡單、減速比較大,對電機的要求不高,能夠實現行車制動和駐車制動兩個功能,技術成熟、性價比較高。較具發展潛力的方案是以西門子為代表的具有自增力效應的電子楔形制動器方案,該方案采用兩個電機,降低了對電機性能的要求,提高了系統安全性,楔形機構制動效果顯著,整體機構緊湊,機械安裝結構較少便于裝配。綜合多種制動器結構的優缺點可以得出,現階段制動執行器設計要求結構簡單、性能穩定、便于控制、整體空間結構緊湊、尺寸盡量小便于安裝,制動間隙能自動調整。但是以上兩種方案都無專門的間隙自動調節功能,是以后需要改進的地方。

2EMB控制技術

控制方法是整個控制系統的靈魂,好的控制方法可以優化系統硬件的不足,最大限度地提高控制系統的精度,控制算法的優劣直接決定了整個控制系統的品質,國內外眾多學者針對電子機械制動系統控制技術展開了大量的研究[9]。在制動器控制方面,清華大學的張猛[18]采用一種開環控制方法對制動器進行控制,實現了制動力矩隨制動踏板位移線性增加。該控制方法以電機的電流-力矩特性為依據,運用較少的傳感器實現了壓力平穩輸出,但其無制動壓力、電機轉速等參數的反饋,因此控制效果較差,執行器動態響應較慢。為了提高控制的精度實現制動力的精確輸出,需要設計具有反饋回路的閉環控制系統。針對EMB制動執行器最重要的控制變量制動力或制動力矩,李暉暉團隊在運用于飛機上的EMB執行器控制中使用了力矩閉環控制技術[19],采集制動力矩作為控制系統的反饋信號,與其目標值做差后經過算法計算出執行器電機的輸入信號,屬于一種單閉環控制方法。要想提高控制性能需要增加反饋環的數量提高系統動態和靜態響應。ChristofMaron團隊針對制動力控制采用了制動力-轉速雙閉環控制,并且在1995年建立了專門用于EMB控制算法開發的測試標準,研究了電子控制單元的開發、執行器建模、制動力控制、制動間隙管理、ABS功能實現等問題[20]。達姆施塔特工業大學的Ralf-Schwarz團隊提出了一種電子機械制動的力-轉速-電流三閉環串聯PI控制方法,該方法基于制動力傳感器搭建閉環反饋控制模型,將電流控制回路、電機轉速控制回路以及制動力控制回路進行串聯,系統的響應速度得到提高[21]。對于閉環反饋控制優化方面,墨爾本大學的ChrisLine團隊在三閉環PI反饋控制的基礎上對控制體系的結構進行了改進,加入增益調度、摩擦補償和反饋線性技術,實現了模型預測控制,優化了制動器飽和、負載相關摩擦和非線性剛度對制動性能的影響,更好地利用了電機轉矩[22]。由于壓力傳感器成本高、安裝困難且在高溫狀態下精度很低,因此在閉環反饋控制中摩擦力和夾緊力的估算方法十分重要。SCHWARZ團隊利用電機角位移與夾緊力的關系提出了夾緊力估計方法;此外,還考慮了補償方法,以調整因磨損而產生的摩擦片厚度的變化,該方法是利用了夾緊和釋放過程中的平均扭矩,不需要考慮摩擦力[23]。HOSEINNEZHAD團隊提出了另一種利用電機角位移與夾緊力在頻域關系的方法。該方法可用于要求具有快速響應特性的系統,如防抱死制動系統(ABS)[24]。但以上兩種方法均不考慮齒輪的齒隙,因此存在一定的誤差。針對上面夾緊力估算方法所存在的問題,KI團隊提出了一種基于電機轉子位置的夾緊力估計算法,該算法將制動時夾緊和松開動作的遲滯特性考慮了進去使得算法的精度更高[25]。JO團隊利針對行星齒輪減速器摩擦特性提出了一種新的制動力估計算法,提高了反饋控制中夾緊力估算的準確度提高了控制精度[26]。PARK和CHOI基于一種具有自適應律的自適應滑模控制方法來減小摩擦力矩模型的誤差,是一種通過精細的曲線擬合對制動器制動力進行估計的算法[27]。對于以上提到的閉環控制主要是通過增加封閉環的數量,并將多個調節器串聯起來提高控制的精度,各閉環大多采用PID控制算法。但是PID算法具有一定的局限性,當系統工況變化時,單一的PID控制方法無法保證系統控制精度。此時需要加入其他控制方法對PID控制進行整定。吉林大學的楊坤等人進行了基于EMB的EBD/EBS控制系統的研究,為實現ABS功能采用了模糊PID控制,通過模糊控制器得到比例、積分、微分參數實現不同工況下的控制要求[28]。吉林大學的唐亮,選定以神經網絡整定PI作為EMB的控制方式實現ABS功能,主要是通過神經網絡的自學習能力完成對神經網絡加權系數調整,利用不斷優化的神經網絡實現對PI控制器參數的整定[29]。韓國的KIM等2018年在EMB系統中應用了仿生控制策略,以基于PI的級聯控制作為基準應用遺傳算法優化了腦邊緣系統控制參數,經過仿真驗證了新算法能有效改善EMB控制系統的性能[30]。為了提升車輛基于EMB的各制動及車身穩定功能的性能,需要對控制技術的不斷優化改進,縱觀控制技術的發展歷程需要朝著精度更高、適應性更強、制動性能更穩定、響應速度更快、成本更低的方向不斷進步,并通過更優的控制方法解決一些現階段難以解決的問題。

3線控制動踏板技術

線控制動踏板可以看作是整個系統的信號發生裝置,采集駕駛員施加在制動踏板上的信號轉變為電信號,信號以電信號的形式傳送到制動控制單元,控制器根據接收到的電信號控制執行器完成車輛的制動。結構上由機械部分和傳感器部分組成。對于線控制動踏板的研究主要包括制動踏板感覺、制動感覺模擬器以及制動意圖識別三方面的研究。

3.1制動踏板感覺與模擬器研究

制動踏板感覺的目的是給駕駛員以傳統制踏板類似的制動感覺,將制動情況間接反饋給駕駛員,消除制動時的不適感,研究表明線控制動踏板感覺模擬器的引入降低了事故發生的概率,國內外相關的研究內容歸納起來可以分為以下幾方面:如何將駕駛員主觀感覺與車輛中影響踏板感覺的客觀參數聯系起來,即什么樣的踏板感覺才是好的踏板感覺,以及踏板模擬器的設計開發等[31-32]。1994年,通用公司的EBERT和KAATZ提出了制動感覺指數(BFI)用于主觀評價制動踏板感覺,該指數通過對踏板力和踏板位移等參數分別賦予相應的權重最后相加得到[33]。DAIROU和PRIEZ在2003年通過實驗得到制動踏板特性曲線,開發制動感覺的預測模型,使得可以從制動規律定性預測制動的感覺特征[34]。遼寧工業學院王天利團隊利用AMESim軟件建立傳統液壓制動系統模型并且通過仿真得到反映制動踏板感覺的關系曲線[35]。吉林大學鄭宏宇團隊針對傳統制動系統車踏板力與踏板行程關系設計了一種踏板力模擬算法,該算法描述了傳統制動系統運行過程中踏板力與行程之間的關系。并對算法進行了仿真,結果表明該算法能比較精確地模擬出傳統制動系統踏板力,該方法對于線控制動系統中踏板力模擬具有一定實用性[36]。同濟大學的孟德建團隊開發設計了一套用于乘用車制動踏板感覺試驗臺架,對制動踏板感覺影響的關鍵因素進行了研究,該試驗臺架的使用很好地彌補了制動踏板感覺整車試驗和評價的不足[37]。制動踏板感覺的研究為線控制動的感覺模擬器的設計提供了理論支持和試驗基礎。南京航空航天大學的金智林設計了一種制動踏板模擬器,該模擬器通過進、出油電磁閥控制實現制動感覺的模擬,控制方法方面采用踏板特性跟蹤的PID控制策[38]。王奎洋團隊設計了一種采用磁流變液體的制動踏板感覺模擬器,通過改變磁流變液體外部磁場強弱從而實現不同的踏板感覺[39]。Delphi公司汽車底盤部門的ZEHNDER、KANETKAR和OSTERDAY設計了一種采用橡膠彈簧的制動踏板感覺模擬器,該模擬器與主缸集成為一體,通過橡膠彈簧不同壓縮程度具有不同彈性模量的特點模擬了傳統車輛制動時的制動感覺[40]。吉林大學初亮團隊提出了一種帶有增壓模擬器的制動能量回收系統硬件方案,根據開發的制動能量回收系統在制動過程中各個狀態下的部件控制過程,結合需求極限流量及輪缸壓力與體積對應關系完成對模擬器的結構設計與參數匹配,該套制動系統可以很好地實現電-液制動,并且可以很好地模擬制動踏板感覺[41]。

3.2制動意圖識別

制動意圖識別是指當駕駛員對踏板做出動作后,根據踏板的開度和開度變化率等參數選擇合適的參數對駕駛員的制動意圖進行判斷的過程[42]。制動意圖屬于駕駛意圖的一部分,它反映了駕駛員對于車輛制動的需求,只有正確識別出駕駛員的制動意圖,才能保證車輛的安全性能。制動意圖識別的目的為了準確制動減小制動距離,也為再生制動和摩擦制動的協調控制提供制動強度信息,其有利于制動力協調控制兼顧能量回收效率和制動安全性[43]。對于制動意圖識別的控制方法,由于經典控制理論和現代控制理論都建立在被控對象的精確數學模型之上,根據數學模型以及需求的性能指標選擇適當的控制規律,進行制動系統的設計。由于制動踏板開度與總制動力存在非線性的關系,所以制動過程的有關參數,如車速、制動減速度、制動踏板開度等都是隨機變量,具有時變性及非線性等特點[44]。因此建立制動踏板開度、開度變化率與制動強度的關系這一精確的數學模型困難很大。這樣,就難以通過自動控制對駕駛員的制動意圖進行精確識別。針對這種情況制動意圖識別通常使用邏輯門限法[45]、頻域建模法、模糊邏輯法[46-47]或神經網絡法[48]。基于規則的邏輯門限控制策略的門限值事先已經設定好并且是固定值,制動踏板給出踏板行程和踏板速度兩個參數,然后結合車速等信息根據規則得到需要輸出的制動力大小控制制動電機輸出制動力,該方法控制精度以及對于工況和參數改變時的適應能力都比較差。頻域建模法需要具有明確的物理模型,該方法辨識過程簡單、穩定性可靠性較好。但需要對多變量建立模型,模型龐大建模過程比較復雜。神經網絡法的模型輸入輸出明確,訓練的神經網絡法可以調整模型使得模型準確性提高,但是神經網絡對于模型的物理意義和模型中間層的解釋較難,并且對于干擾數據識別能力不足。相對于以上幾種方法模糊邏輯法的物理意義比較明確,通過語言接近人類想法,但是識別的精確度不是很好,可以用來識別制動類型,但對于具體定量的制動意圖識別則很難有較高的精度[49-50]。駕駛員的制動意圖一般通過駕駛員踩踏踏板的行程、速度和力度等參數作為判斷依據,選擇參數的不同往往會影響制動意圖識別的精確程度因此參數選擇是十分重要的[51]。林志軒等通過實驗驗證了踏板力只在有限的影響范圍內影響了駕駛員制動意圖識別的準確性,制動踏板的速度、加速度受駕駛員駕駛習慣影響,具有隨機性,且加速度信號在制動強度動態調節過程中存在尖峰現象,易造成識別結果不準,不宜直接單獨作為駕駛員制動意圖識別的參數。制動踏板位移是進行駕駛員制動意圖識別的最佳參數,其不受駕駛員駕駛習慣的影響,易測量,并能真實反映出駕駛員的制動意圖[43,52]。線控制動踏板作為整個電子機械制動系統的人機交互模塊,需要保證信號采集的準確性和快速性,對于線控制動踏板感覺模擬器的是提高駕駛員駕駛安全性的重要手段,對于制動意圖識別方法的研究是保障整個系統制動準確性關鍵決定了制動性能的好壞,對于制動能量回收以及汽車操控性能均有較大的影響。

4電子機械制動系統存在的問題及發展預測

現階段電子機械制動還存在以下問題需要解決[4,53-57]:(1)執行器的能量需求。電子機械制動系統驅動電機采用42V的電壓,采用42V的電壓有利于提高執行器的性能,而傳統的汽車車載電源一般是12V,42V供電系統帶來的高壓會帶來線路絕緣、耐壓以及電磁干擾等問題,也是對汽車整個電路系統壽命的一種挑戰。(2)提高力矩電機性能。保證力矩足夠大,反應速度快,體積盡量小巧便于安裝在輪轂狹小的空間內,長期工作在“轉堵”的惡劣工況下需要進一步提高電機性能的可靠性。(3)性能穩定且體積小、靈敏度高的傳感器。因制動時間極短,現階段傳感器存在反應較慢、體積偏大不利于在狹小空間安裝的問題。(4)為不同的制動穩定功能設計最適合的控制方法。由于車輛制動具有非線性以及工況不確定性的特點,對于實現車輛參數的準確估計以及制動力的準確控制,需利用多種控制方法綜合且能實現對車輛制動的最合適控制,并對其進行不斷地改進以提高控制精度。(5)電子制動踏板模塊的制動意圖識別精度和準確性及符合實際的踏板感覺模擬器的進一步研究。需實現不同工況下制動轉向、加速意圖的混合融合且準確識別。為了實現與傳統制動類似的踏板力反饋,需研發更符合實際情況的踏板感覺模擬器,提高車輛制動安全性。電子機械制動系統的諸多優點使其勢必取代傳統的液壓制動系統,線控技術的應用及產品智能化、自動化促進了電子機械制動系統的應用速度預期,符合未來車輛發展模塊化、集成化、機電一體化、智能化、自動化的特點。依據目前EMB技術現狀和存在問題,其發展趨勢預測如下:研發性能穩定且體積小、靈敏度高的智能化、適合于車輛制動系統使用的傳感器;研究適合各種車輛制動工況下的最佳控制方法,使電子機械制動系統制動力的控制精度和穩定性達到最佳狀態;進一步優化和改進制動執行器結構,向結構簡單、性能穩定、便于控制、整體空間結構緊湊等方向發展;研究制動意圖識別算法,保證制動意圖識別的準確性;制動感覺模擬器的研究依舊是一個具有潛力的方向。

5結束語

通過對EMB3個重要模塊的分析總結,闡述了現階段的發展現狀。指出了EMB系統在發展過程中所面臨的各種挑戰和未來的研究方向。制動力控制以及制動器結構是整個系統性能的決定因素,在不斷優化制動器結構的同時,對合適EMB系統的控制方法需進一步研究和改進,提高控制系統的精度和穩定性;期待性能穩定且體積小、靈敏度高的傳感器的研發和產品應用;駕駛員制動意圖識別準確性有利于提高制動力分配的合理性,研究更準確為駕駛員提供制動反饋感覺的制動感覺模擬器更有利于駕駛人員的判斷和操作。總之,EMB系統的這些技術的改進、優化、研究和發展對提高汽車行駛安全性能有著重要的價值和作用,有利于促進車輛智能化和自動駕駛技術的發展。

作者：鄧美俊 孫仁云 潘湘蕓 何倩 單位：西華大學汽車與交通學院