汽车电子机械制动卡钳夹紧力控制研究

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摘要:电子机械制动是线控制动的一种重要形式。以企业内部某样车为目标车型，设计一套后轮电子机械制动卡钳(EMB)。基于卡钳刚度建立了卡钳夹紧力控制仿真模型，并进行了夹紧力响应特性试验验证。EMB卡钳响应最大需求夹紧力时间约为160ms，夹紧力输出能够较好地跟随阶跃、正弦及随机目标曲线。仿真模型能够较准确地模拟卡钳夹紧力及活塞位移变化。同时，卡钳刚度标定对EMB卡钳夹紧力输出具有很大影响，对卡钳刚度进行准确估计是EMB卡钳夹紧力精确控制的基础。

关键词:线控制动;电子机械制动卡钳(EMB);卡钳刚度;仿真模型;夹紧力

近年来，汽车电动化、智能化和网联化的发展趋势日益明显，这对汽车制动系统提出了新的要求。一方面，电动汽车普遍采用再生制动系统，需要实现轮端摩擦制动力矩与电机力矩协调控制。这要求轮端摩擦制动力能够独立控制并精确可调［1］;另一方面，随着自动紧急制动(AEB)和自动泊车(APA)等智能辅助驾驶技术逐渐得到应用，制动系统作为底层执行的重要组成部分，需要进一步提高响应速度和控制性能［2］。显然，传统制动系统难以满足这些新需求，线控制动系统(Brake－by－wire，BBW)应运而生。线控制动系统主要分为电子液压制动系统(Electro－hydraulicBrakeSystem，EHB)及电子机械制动系统(Electro－mechanicalBrakeSystem，EMB)。EHB系统在传统液压制动系统的基础上发展而来，采用电子模块替代传统液压制动系统中的液压伺服模块并进行进一步集成，实现对液压制动力的精确控制［3］。与EHB系统相比，EMB完全抛弃制动液和液压元件，以线束和电子机械制动器取代传统液压制动系统，制动力矩调节完全通过控制四轮电子机械制动器来实现［4］。EMB系统具有结构简单、响应迅速、制动力精确可调等优点，通过控制算法能够实现多种动态制动功能。目前，EMB系统还有电源供电、可靠性和容错性等方面的问题需要解决，尚未进入量产应用阶段［5］。目前，国内外对EMB系统技术开展了广泛的研究。国外一些知名的零部件厂商，如大陆、万都等企业从20世纪90年代开始，就在EMB系统方案、控制方法以及零部件和整车测试等方面进行了大量的开发工作［6］。近年来，国内的清华大学、吉林大学、同济大学等也在EMB仿真与台架验证等方面取得了一定进展。本文作者以企业内部某样车为目标车型，设计了一套后轮电子机械制动卡钳。基于卡钳刚度搭建了电子机械制动卡钳夹紧力控制模型，分析了EMB卡钳对不同制动力需求的响应特性，并开展了台架试验与验证;研究了卡钳刚度对夹紧力控制效果的影响，为后续实现EMB卡钳夹紧力的精确控制提供了改进方向。

1EMB制动卡钳设计目标

制动系统的需求制动力、制动间隙、制动响应时间等是制动器设计的重要参数，直接决定了电子机械制动卡钳电机及传动机构的选型和设计。本文作者以企业内部某样车为目标车型，对标传统液压制动系统的性能参数，设计后轮电子机械制动器。该样车部分整车参数及后制动角参数如表1所示。在高附路面上，1g减速度下，后轮制动器需提供的夹紧力为根据整车参数和后制动角参数计算得到，1g减速度下后轮制动器需提供夹紧力为14709N。因此，取EMB卡钳需满足的最大目标夹紧力为15000N。在卡钳设计中，制动间隙对卡钳蓄液量及拖滞力矩有重要影响。在传统液压制动系统中，卡钳制动间隙一般控制在0.2～0.4mm之间。文中要求EMB制动器制动间隙不超过0.3mm，消除空行程的时间在0.1s以内，这为EMB执行器的响应速度提出了设计指标。

2EMB卡钳设计方案

EMB卡钳执行器是整个电子机械制动系统的执行部分。目前，许多线控制动研究机构采用了驱动电机+减速增力机构+运动转换机构+卡钳的结构形式，如图1所示。其工作原理为:电机控制器接收夹紧力需求信号后，控制驱动电机输出转矩，电机转矩通过减速增力机构传递后实现减速增扭，并通过运动转换机构将旋转运动转化为直线运动，最终推动卡钳活塞和摩擦片压紧制动盘，通过卡钳钳体产生夹紧力，实现制动力矩输出。设计的电子机械卡钳以无刷直流电机(BLDC)作为驱动电机，采用一级固定齿轮+一级行星齿轮作为减速增力机构，齿轮综合传动比为ig。运动转换机构采用滚珠丝杠，滚珠丝杠节距为Pb。卡钳壳体及支架基于现有某已量产浮动式卡钳进行更改。电机及传动机构参数如表2所示。采用卡钳零件设计参数对设计指标进行初步校核。当卡钳达到最大夹紧力时，驱动电机接近堵转状态，EMB卡钳可输出的最大夹紧力Fmax为计算得到，EMB卡钳消除制动间隙时间为Ta=52.2ms，小于消除制动间隙时间目标值，满足设计要求。本文作者设计的电子机械卡钳如图2(a)所示，驱动电机、齿轮组及滚珠丝杠集成于电机及传动机构模块内，结构较为紧凑。整个EMB卡钳包络与同尺寸的MOC(MotoronCaliper)卡钳相当，在活塞轴向尺寸上，比同尺寸某量产MOC卡钳长10mm。EMB卡钳可安装至样车后悬环境中，与周边零部件间隙满足设计要求，整车安装效果如图2(b)所示。

3电子机械制动系统建模

建立电子机械制动系统Simulink仿真模型，主要包含电机模型、负载模型和制动间隙模型等几个部分。

3.1电机模型

直流无刷电机工作原理等效电路如图3所示。

3.2负载模型

当EMB卡钳夹紧时，滚珠丝杠螺母推动卡钳活塞移动主要受两部分阻力:一部分为摩擦片压缩变形产生的阻力，另一部分为卡钳壳体张开变形产生的阻力，忽略活塞受到的摩擦力。因此，这两部分阻力之和构成了卡钳夹紧力。将制动间隙为零，即活塞刚好压紧摩擦片时的位置设定为卡钳刚度模型的活塞位移零点，卡钳夹紧力随活塞位移x变化的曲线为卡钳刚度曲线FL(x)，定义该曲线在某一位移点的曲线斜率为卡钳刚度Ks其中:卡钳刚度FL(x)曲线由试验获得，将在第4.2节中进行介绍。

3.3制动间隙模型

EMB卡钳每一次夹紧或释放时，均需要识别摩擦片与制动盘的接触点和分离点。卡钳夹紧时，识别到制动力迅速上升的点为盘片接触点，并将此位置定义为卡钳夹紧的夹紧零点，并基于夹紧力需求和卡钳刚度模型对EMB电机进行位置控制。卡钳释放时，需识别夹紧力转变为零的点，并定义此位置为活塞的释放零点，通过控制电机回转角度实现预定的制动间隙。为了保证EMB卡钳每一次夹紧和释放有恒定的制动间隙，要求EMB制动系统具备间隙管理功能，通过控制算法实现制动释放时滚珠丝杠螺母回退到确定的位置。作者参考傅云峰等［7］的方法，提出通过监测电流曲线斜率判断盘片接触点和分离点的制动间隙控制策略。最终，本文作者搭建的电子机械制动系统Simu-link仿真模型如图4所示。

4测试台架与卡钳刚度标定

4.1卡钳夹紧力响应特性测试台架

为了测量EMB卡钳的夹紧力响应并验证控制策略，搭建了图5(a)所示卡钳夹紧力响应测试台。台架主要由上位机、EMB控制器、EMB卡钳、夹紧力传感器、数据采集处理模块、供电模块等组成。通过上位机向控制器发送夹紧力需求，控制器根据目标夹紧力控制EMB运动，实现夹紧力输出。试验台能够实时采集电机母线电流、电机霍尔数及卡钳夹紧力等参数。同时，在上位机内设计了相应的试验数据采集软件，可在同一界面内完成程序初始化、标定调试、需求夹紧力波形调节、夹紧力输出查看和数据存储等功能，图5(b)为数据采集软件操作界面。

4.2卡钳刚度标定

研究中的电子机械制动系统中无夹紧力传感器，卡钳夹紧力根据夹紧力估算模型计算得到。夹紧力估算模型的基础是卡钳刚度曲线FL(x)，卡钳刚度标定直接影响夹紧力控制效果。以往一些研究中，往往以摩擦片刚度代替卡钳执行器刚度。实际上，在大夹紧力下，卡钳壳体刚度对卡钳整体刚度有较大贡献。因此，对于卡钳刚度的测量，应包含完整的卡钳及执行器。在刚度测量时，需将压力传感器置于摩擦片与制动盘之间来获取卡钳夹紧力。然而，受压力传感器体积限制，文中拆除了内摩擦片而以钢片替代，测量了不同活塞位移的准静态卡钳夹紧力。

5EMB夹紧力控制仿真与验证

5.1EMB夹紧力阶跃响应分析

图7所示为EMB卡钳15000N夹紧力阶跃响应结果。由图7(a)可知，EMB卡钳响应最大需求夹紧力时间约为160ms，相比传统液压制动系统大大缩短了响应时间，在线控制动系统中处于主流水平。卡钳夹紧力响应分为两个阶段:第一阶段为消除间隙阶段，夹紧力输出为0，活塞克服空行程耗时约60ms，可满足小于100ms的设计目标;第二阶段为卡钳夹紧阶段，此时卡钳夹紧制动盘，夹紧力迅速上升。夹紧力仿真曲线与试验实测曲线接近，相对于仿真曲线，试验夹紧力在达到目标夹紧力时有较大超调，这是因为EMB卡钳中传动部件的惯性引起冲击。并且，试验夹紧力稳定值高于目标夹紧力，这可能是由卡钳刚度测量误差导致的。图7(b)为EMB卡钳活塞位移仿真与试验对比。可知:仿真得到的活塞位移曲线与试验位移曲线较接近。活塞克服0.3mm的空行程达到盘片接触点，卡钳夹紧力开始上升，卡钳负载变大，活塞位移变化速率有所下降。同时，试验测量得到的活塞稳定位移大于仿真值，这与图6(a)中试验夹紧力稳定值高于目标夹紧力的结论是一致的。5.2EMB夹紧力动态响应分析图8所示为EMB卡钳夹紧力正弦信号动态响应结果，目标夹紧力峰值为10000N，周期为0.5s。由图8(a)可知:EMB卡钳能够较好地跟随目标夹紧力变化，且夹紧力仿真曲线与试验曲线有相同变化趋势。在卡钳夹紧阶段，仿真值与试验值较吻合，试验夹紧力峰值略大于仿真值;在卡钳释放阶段，试验夹紧力下降速度更快，相对于卡钳夹紧阶段产生“迟滞”［9］。这种“迟滞”现象产生的原因是:EMB卡钳传动机构中无自锁机构，回退过程中卡钳夹紧力有助于活塞回退。对于实车集成而言，需要评估此特性对整车制动踏板感觉的影响。图8(b)所示为卡钳活塞位移变化曲线，活塞位移仿真曲线与试验曲线较一致，相比仿真曲线，试验曲线在活塞回退至盘片分离点时有一定超调，这与系统惯量和间隙管理模型精度有关。同时，还研究了EMB卡钳对随机需求夹紧力的响应特性。基于试验数据采集软件，利用制动踏板开度模拟夹紧力需求并进行随机输入。如图9所示，EMB卡钳输出夹紧力能够较准确地跟随随机目标输入。

5.3卡钳刚度影响分析

为研究卡钳刚度对制动力控制的影响，采用第4.2节中卡钳壳体+外摩擦片+钢片和卡钳壳体+钢片+钢片两种组合下的卡钳刚度，进行了EMB夹紧力阶跃响应仿真对比，目标夹紧力为10000N。如图10所示:在卡钳壳体+外摩擦片+钢片组合下，EMB卡钳达到目标夹紧力的响应时间为140ms，稳定夹紧力为10000N;对于卡钳壳体+钢片+钢片组合，实现10000N夹紧力的响应时间更短，为120ms左右，且稳定夹紧力大于目标夹紧力，达到14000N。这是因为:对于相同的卡钳刚度标定，EMB卡钳通过控制活塞位移来控制夹紧力输出，若卡钳实际刚度大于标定刚度，则在相同活塞位移下，卡钳实际夹紧力输出将大于标定刚度卡钳。在实车应用过程中，卡钳及传动部件制造公差、摩擦片压缩率偏差、卡钳磨损状态及温度等因素均会对卡钳刚度有影响，最终产生卡钳夹紧力输出波动［9］。为提高EMB卡钳的夹紧力控制精度，一方面需要提高不同工况下卡钳刚度的估计精度，另一方面需提高夹紧力控制策略的鲁棒性。作者后续将在这两个方面进行进一步研究。

6结论

本文作者设计了一套后轮EMB制动卡钳，基于卡钳刚度标定，进行了夹紧力控制仿真研究及试验验证，主要得到以下结论:(1)EMB卡钳目标夹紧力阶跃响应时间为160ms，消除空行程时间为60ms，满足设计目标。仿真模型能够较好地反映卡钳的响应特性。(2)EMB卡钳夹紧力输出能够较好地跟随正弦输入及随机输入目标曲线，具有良好的动态响应特性。(3)卡钳刚度对EMB卡钳夹紧力精确控制产生重大影响。卡钳实际刚度与标定刚度存在差异时，将产生与目标夹紧力不匹配的夹紧力输出。文中研究为后续进一步提高EMB卡钳夹紧力控制精度及实车调试提供了基础。

作者：齐钢 胡晨晖 张光荣 单位：泛亚汽车技术中心有限公司