电动汽车用电子机械式制动ABS的控制研究
来源:用户上传
作者:李伟琪 尹继辉 石栋才 邹钊斌 贺彦赟
摘 要：电子机械制动是车辆制动方面的新一代革命性产品，其凭借自身极短的制动执行器作用时间，大大提高了车辆的制动效能。制动防抱死（ABS）是车辆制动的最基本安全装置。本文汇总了各控制策略的优缺点，分析了各控制算法的核心技术，对后续学者梳理技术路线和优化控制方法提供了帮助。随着电子机械制动市场化的不断深入，基于电子机械制动的ABS模块研制具有十分重大的意义。
关键词：电子机械制动 制动防抱死 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
电子机械制动（EMB）系统由于具有制动性能高、节能、模块化程度高等优点，正逐步被众多科研机构、销售市场等地方的有关人员关注。制动防抱死是指在车辆制动过程中，通过控制制动器的工作状态，使车轮的滑移率始终保持在15%～20%。经有关实验证明，车辆制动时，处于目标滑移率（15%～20%）下的车辆制动距离更短，轮胎使用寿命更长，制动稳定性更强[1]。故应用于电子机械制动系统的制动防抱死（ABS）模块也开始受到广泛关注。
2 电子机械制动的发展
目前，国内的电子机械制动系统的机械结构已经经过一定的技术沉淀：清华大学搭建了一个从驾驶员制动意图获得到制动力矩产生的试验台，根据电子制动踏板的位移和速度计算力矩电机动作时所需的输入电流大小，进而控制执行器所产生的制动力[2]。吉林大学验证了以永磁直流力矩电机作为动力源的制动系统可以满足车辆对制动力的要求，并模拟了三种输入状态下的制动力响应过程，模拟结果也满足国家的相关制动法规[3]。安徽理工大学利用ADAMS和ANSYS的联合仿真技术对EMB刚柔耦合系统的制动性能进行了仿真分析，并着重对制动执行过程中由于制动力矩波动对制动噪声产生的影响进行了深入研究[4]。在电子机械制动系统的电子控制方面，目前的研究大多集中在制动响应是否满足要求、制动力是否达标等。传统制动系统的ABS控制方法一般为逻辑门限控制法，电子机械制动系统取消了冗杂的油路管道、制动主缸、制动轮缸、调压电磁阀、蓄压器、液压泵、储液罐等机械部件，取而代之的是由力矩电机作为动力源、滚珠丝杠作为运动转换装置的高集成化的机电产品。显然，传统的控制方法已不再适用。
3 电子机械式制动ABS模块设计的关键技术
首先建立车辆的动力学模型和轮胎模型，通过检测车轮的实时滑移率，结合电子机械式制动执行器的数学模型，选用合适的控制策略，建立最佳的ABS控制模型并进行软件仿真。
3.1 地面附着系数识别系统
地面制动力的大小主要受轮胎特性影响，典型的车辆轮胎模型有：魔术公式模型、双线性模型、经验轮胎模型等，选择合适的轮胎模型，建立路面附着系数与车辆滑移率之间的函数关系[5]。设计的路面识别算法要适用于多种路面情况，用以保证车辆在不同附着系数路面时，ABS控制器的工作有效性。
3.2 电子制动踏板模型
电子机械制动取消了传统制动踏板与制动轮缸间的液压油路，车辆制动力不再通过液体传递，而是利用电子制动踏板上的多传感器及车辆实时运行参数综合判断车辆所需制动力，并将计算结果以电信号的形式发送至中央处理单元。可通过采集制动踏板的实时位置和驾驶员的踩踏力作为重要的计算参考信息。电子制动踏板作为制动意图的主要获取点，对车辆ABS模块的实时性和安全性有重要影响。
3.3 制动执行器模型
电子机械制动执行器由永磁直流力矩电机、行星减速机构、滚柱丝杠、浮动钳体等组成。其结构应满足快速消除制动间隙和准确跟随目标值制动力等要求。假设在制动时，永磁直流力矩电机工作在完全堵转状态，电枢电压恒等于作用在电机内阻上的电压[6]。由此列出电机输入电流与制动执行器输出力之间的数学关系式。
3.4 选择最优的控制策略
车辆触发ABS功能后，进入一种不确定的非线性状态，其控制方法较为复杂，目前常用的非线性系统的控制方法有模糊控制、滑模控制、变结构控制等。模糊控制理论是现代智能控制理论的分支，输入控制量经模糊化后运用模糊推理规则进行推理并将推理结果进行反模糊化，最终输出精确控制量[7]。模糊控制对被控对象数学模型的准确度要求低，是一种计算简便，使用灵活的控制手段。滑模变结构控制属于变结构控制的一种，控制系统的结构会在人为设定的某个限制下做高频率、小增益摆动。滑模变结构控制因其响应快速、硬件搭建簡便、鲁棒性强等特点被广泛应用于非线性时变系统中。只有将各种控制方法融合进行综合控制，取长补短、融会贯通，才能达到最佳的控制效果。 3.5 在MATLAB＼SIMULINK下仿真
在SIMULINK中建立整车动力学模型、电子机械制动模型、控制策略模型，通过模拟几种不同的实验工况：阶跃变化路面，过渡变化路面、极值附着系数路面、一般附着系数路面，得到不同的实验数据。将实验结果与液压制动系统的制动性能进行对比，来验证电子机械式制动ABS模块具有更好的制动效能。
4 电子机械式制动ABS模块的设计要求
4.1 算法的简洁性
车辆制动的ABS控制具有很强的实时性，从车辆ABS模块开始启动到车辆完全制动所经历的时间往往极短，因此，其控制算法不能过于复杂。
4.2 电子系统的安全性
集成电路的大发展推动了汽车电子控制技术的进步，车辆的附加电器设备越来越多，这些电气设备与我们的行车安全息息相关。在电子机械式制动ABS模块中运用双核锁步技术，通过在两个不同类型的处理单元中运用不同的算法实现同一种功能，并对比两处理器运算的中间结果以检测处理单元是否发生故障，这种设计方法诊断覆盖度高，能大大提高系统的安全性。
4.3 物理布局的合理性
如圖1，整个系统由一个主电控模块、两个附加电控模块、相互独立的四个制动控制模块、独立电源（车辆电源系统发生故障时启用）等组成。在常规制动需求下，依据电子制动踏板上的角度传感器和压力传感器的输出信号判断分析后输出目标制动力控制信号;在非常规制动需求下，车辆依据ABS控制器输出的控制信号综合分析判断最佳制动力值。当制动系统发生故障时，中央电控单元与四个制动控制器断开连接，车辆前轴左右两车轮由附加电控单元1控制，后轴左右两车轮由附加电控单元2控制，并依据设定程序对车辆实施制动。当系统故障解除后，制动系统恢复常态。
5 结语
汽车制动系统作为车辆最重要的主动安全装置，其发展经历了液压式/气压式、电液混合式、电子机械式（纯电式）等过程。电子机械式制动系统的制动力完全由电信号控制，制动能量回收率高，是电动汽车RBS的最佳适配执行器。未来，电子机械制动不仅要突破ABS模块的技术瓶颈，还应充分发挥其机电产品的特质，以更加简洁、高效的方案实现车辆的驱动防滑转控制（TCS），车身电子稳定控制（ESP）、定速巡航控制（CCS）、电子制动力分配（EBD）等功能，为电动智能车的发展提供基础技术支撑。
参考文献
[1] 杨坤，李静，李幼德，等.基于汽车电子机械制动系统的EBD/ABS研究[J].系统仿真学报，2009，21（6）：1785-1788.
[2] 张猛.电子机械制动系统（EMB）试验台的开发[D].清华大学，2004.
[3] 杨坤.轻型汽车电子机械制动及稳定性控制系统研究[D].吉林大学， 2009.
[4] 张骞.汽车电子机械制动（EMB）系统设计及稳定性分析[D].安徽理工大学，2017.
[5] 何仁，李梦琪.基于路面识别的复合制动与ABS集成控制策略[J].江苏大学学报：自然科学版，2020，41（1）：20-26.
[6] 朱雪青.汽车电子机械式制动器的控制方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.
[7] 何小民，齐向东，郭建国.模糊PID控制器在起重机纠偏系统中的应用[J].起重运输机械，2008（3）：38-40.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15272988.htm
