汽车电子机械制动系统技术发展探讨

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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发展方向给出预测,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部分构成,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部分构成。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2001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,反之则解除制动。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对比较高。Bosch公司的KELLER[13]在2001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,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2007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:驱动部分、一级减速部分、滚珠丝杠螺旋传动部分[15]。吉林大学的李静团队在2008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。2010年同济大学的刘志乙团队在制动器结构加入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。较具发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,提高了系统安全性,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不足,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馈,因此控制效果较差,执行器动态响应较慢。为了提高控制的精度实现制动力的精确输出,需要设计具有反馈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馈信号,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馈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馈控制模型,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]。对于闭环反馈控制优化方面,墨尔本大学的ChrisLine团队在三闭环PI反馈控制的基础上对控制体系的结构进行了改进,加入增益调度、摩擦补偿和反馈线性技术,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]。由于压力传感器成本高、安装困难且在高温状态下精度很低,因此在闭环反馈控制中摩擦力和夹紧力的估算方法十分重要。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特性提出了一种新的制动力估计算法,提高了反馈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。此时需要加入其他控制方法对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2018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,纵观控制技术的发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、成本更低的方向不断进步,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。结构上由机械部分和传感器部分组成。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,将制动情况间接反馈给驾驶员,消除制动时的不适感,研究表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KAATZ提出了制动感觉指数(BFI)用于主观评价制动踏板感觉,该指数通过对踏板力和踏板位移等参数分别赋予相应的权重最后相加得到[33]。DAIROU和PRIEZ在2003年通过实验得到制动踏板特性曲线,开发制动感觉的预测模型,使得可以从制动规律定性预测制动的感觉特征[34]。辽宁工业学院王天利团队利用AMESim软件建立传统液压制动系统模型并且通过仿真得到反映制动踏板感觉的关系曲线[35]。吉林大学郑宏宇团队针对传统制动系统车踏板力与踏板行程关系设计了一种踏板力模拟算法,该算法描述了传统制动系统运行过程中踏板力与行程之间的关系。并对算法进行了仿真,结果表明该算法能比较精确地模拟出传统制动系统踏板力,该方法对于线控制动系统中踏板力模拟具有一定实用性[36]。同济大学的孟德建团队开发设计了一套用于乘用车制动踏板感觉试验台架,对制动踏板感觉影响的关键因素进行了研究,该试验台架的使用很好地弥补了制动踏板感觉整车试验和评价的不足[37]。制动踏板感觉的研究为线控制动的感觉模拟器的设计提供了理论支持和试验基础。南京航空航天大学的金智林设计了一种制动踏板模拟器,该模拟器通过进、出油电磁阀控制实现制动感觉的模拟,控制方法方面采用踏板特性跟踪的PID控制策[38]。王奎洋团队设计了一种采用磁流变液体的制动踏板感觉模拟器,通过改变磁流变液体外部磁场强弱从而实现不同的踏板感觉[39]。Delphi公司汽车底盘部门的ZEHNDER、KANETKAR和OSTERDAY设计了一种采用橡胶弹簧的制动踏板感觉模拟器,该模拟器与主缸集成为一体,通过橡胶弹簧不同压缩程度具有不同弹性模量的特点模拟了传统车辆制动时的制动感觉[40]。吉林大学初亮团队提出了一种带有增压模拟器的制动能量回收系统硬件方案,根据开发的制动能量回收系统在制动过程中各个状态下的部件控制过程,结合需求极限流量及轮缸压力与体积对应关系完成对模拟器的结构设计与参数匹配,该套制动系统可以很好地实现电-液制动,并且可以很好地模拟制动踏板感觉[41]。

3.2制动意图识别

制动意图识别是指当驾驶员对踏板做出动作后,根据踏板的开度和开度变化率等参数选择合适的参数对驾驶员的制动意图进行判断的过程[42]。制动意图属于驾驶意图的一部分,它反映了驾驶员对于车辆制动的需求,只有正确识别出驾驶员的制动意图,才能保证车辆的安全性能。制动意图识别的目的为了准确制动减小制动距离,也为再生制动和摩擦制动的协调控制提供制动强度信息,其有利于制动力协调控制兼顾能量回收效率和制动安全性[43]。对于制动意图识别的控制方法,由于经典控制理论和现代控制理论都建立在被控对象的精确数学模型之上,根据数学模型以及需求的性能指标选择适当的控制规律,进行制动系统的设计。由于制动踏板开度与总制动力存在非线性的关系,所以制动过程的有关参数,如车速、制动减速度、制动踏板开度等都是随机变量,具有时变性及非线性等特点[44]。因此建立制动踏板开度、开度变化率与制动强度的关系这一精确的数学模型困难很大。这样,就难以通过自动控制对驾驶员的制动意图进行精确识别。针对这种情况制动意图识别通常使用逻辑门限法[45]、频域建模法、模糊逻辑法[46-47]或神经网络法[48]。基于规则的逻辑门限控制策略的门限值事先已经设定好并且是固定值,制动踏板给出踏板行程和踏板速度两个参数,然后结合车速等信息根据规则得到需要输出的制动力大小控制制动电机输出制动力,该方法控制精度以及对于工况和参数改变时的适应能力都比较差。频域建模法需要具有明确的物理模型,该方法辨识过程简单、稳定性可靠性较好。但需要对多变量建立模型,模型庞大建模过程比较复杂。神经网络法的模型输入输出明确,训练的神经网络法可以调整模型使得模型准确性提高,但是神经网络对于模型的物理意义和模型中间层的解释较难,并且对于干扰数据识别能力不足。相对于以上几种方法模糊逻辑法的物理意义比较明确,通过语言接近人类想法,但是识别的精确度不是很好,可以用来识别制动类型,但对于具体定量的制动意图识别则很难有较高的精度[49-50]。驾驶员的制动意图一般通过驾驶员踩踏踏板的行程、速度和力度等参数作为判断依据,选择参数的不同往往会影响制动意图识别的精确程度因此参数选择是十分重要的[51]。林志轩等通过实验验证了踏板力只在有限的影响范围内影响了驾驶员制动意图识别的准确性,制动踏板的速度、加速度受驾驶员驾驶习惯影响,具有随机性,且加速度信号在制动强度动态调节过程中存在尖峰现象,易造成识别结果不准,不宜直接单独作为驾驶员制动意图识别的参数。制动踏板位移是进行驾驶员制动意图识别的最佳参数,其不受驾驶员驾驶习惯的影响,易测量,并能真实反映出驾驶员的制动意图[43,52]。线控制动踏板作为整个电子机械制动系统的人机交互模块,需要保证信号采集的准确性和快速性,对于线控制动踏板感觉模拟器的是提高驾驶员驾驶安全性的重要手段,对于制动意图识别方法的研究是保障整个系统制动准确性关键决定了制动性能的好坏,对于制动能量回收以及汽车操控性能均有较大的影响。

4电子机械制动系统存在的问题及发展预测

现阶段电子机械制动还存在以下问题需要解决[4,53-57]:(1)执行器的能量需求。电子机械制动系统驱动电机采用42V的电压,采用42V的电压有利于提高执行器的性能,而传统的汽车车载电源一般是12V,42V供电系统带来的高压会带来线路绝缘、耐压以及电磁干扰等问题,也是对汽车整个电路系统寿命的一种挑战。(2)提高力矩电机性能。保证力矩足够大,反应速度快,体积尽量小巧便于安装在轮毂狭小的空间内,长期工作在“转堵”的恶劣工况下需要进一步提高电机性能的可靠性。(3)性能稳定且体积小、灵敏度高的传感器。因制动时间极短,现阶段传感器存在反应较慢、体积偏大不利于在狭小空间安装的问题。(4)为不同的制动稳定功能设计最适合的控制方法。由于车辆制动具有非线性以及工况不确定性的特点,对于实现车辆参数的准确估计以及制动力的准确控制,需利用多种控制方法综合且能实现对车辆制动的最合适控制,并对其进行不断地改进以提高控制精度。(5)电子制动踏板模块的制动意图识别精度和准确性及符合实际的踏板感觉模拟器的进一步研究。需实现不同工况下制动转向、加速意图的混合融合且准确识别。为了实现与传统制动类似的踏板力反馈,需研发更符合实际情况的踏板感觉模拟器,提高车辆制动安全性。电子机械制动系统的诸多优点使其势必取代传统的液压制动系统,线控技术的应用及产品智能化、自动化促进了电子机械制动系统的应用速度预期,符合未来车辆发展模块化、集成化、机电一体化、智能化、自动化的特点。依据目前EMB技术现状和存在问题,其发展趋势预测如下:研发性能稳定且体积小、灵敏度高的智能化、适合于车辆制动系统使用的传感器;研究适合各种车辆制动工况下的最佳控制方法,使电子机械制动系统制动力的控制精度和稳定性达到最佳状态;进一步优化和改进制动执行器结构,向结构简单、性能稳定、便于控制、整体空间结构紧凑等方向发展;研究制动意图识别算法,保证制动意图识别的准确性;制动感觉模拟器的研究依旧是一个具有潜力的方向。

5结束语

通过对EMB3个重要模块的分析总结,阐述了现阶段的发展现状。指出了EMB系统在发展过程中所面临的各种挑战和未来的研究方向。制动力控制以及制动器结构是整个系统性能的决定因素,在不断优化制动器结构的同时,对合适EMB系统的控制方法需进一步研究和改进,提高控制系统的精度和稳定性;期待性能稳定且体积小、灵敏度高的传感器的研发和产品应用;驾驶员制动意图识别准确性有利于提高制动力分配的合理性,研究更准确为驾驶员提供制动反馈感觉的制动感觉模拟器更有利于驾驶人员的判断和操作。总之,EMB系统的这些技术的改进、优化、研究和发展对提高汽车行驶安全性能有着重要的价值和作用,有利于促进车辆智能化和自动驾驶技术的发展。

作者：邓美俊 孙仁云 潘湘芸 何倩 单位：西华大学汽车与交通学院