汽車電子機械制動系統的設計

吳小川，李鼎，焦志浩，季維強

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北武漢430070)

0 引言

隨著科技的發展與進步，大眾生活水平的提高，人們對汽車交通的安全性要求與日俱增，而擁有優異的制動性能是現代化安全汽車的重要評證。雖然傳統的汽車制動系統在制動性能上也能滿足現有制動法規的各項要求，但是交通事故的頻繁發生和汽車制動器響應速度慢、制動效果不理想、制動器損耗度過高、裝配維修昂貴等不利情況有直接的關系，因此，行業人士提出了汽車電子機械制動系統(EMB)以解決這些問題。

1 汽車制動系統發展狀況

幾年來西方發達國家又興起了對車輛線控系統(X -BY -WIRE)的研究，線控(BRAKE -BY -WIRE)應運而生，由此展開了對電控機械制動系統 (ELECTROMECHANICAL BRAKING SYSTEM)的研究，簡單來說電控機械制動系統就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅動的部分改為由電動機來驅動，借以提高響應速度、增加制動效能等，同時也大大簡化了結構、降低了裝配和維護的難度。由于人們對制動性能要求的不斷提高，傳統的液壓或者空氣制動系統在加入了大量的電子控制系統如ABS、TCS、ESP 等后，結構和管路布置越發復雜，液壓(空氣)回路泄露的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高［1］。因此結構相對簡單、功能集成可靠的電子機械制動系統越來越受到青睞，可以預見EMB 將最終取代傳統的液壓(空氣)制動器，成為未來車輛的發展方向。

2 EMB 系統的模型分析

2.1 EMB 系統工作原理

電子機械制動系統工作原理為:當汽車行駛時需要采取緊急剎車，駕駛者腳踏的力量信號傳到制動踏板，該力量信號經過EMB 控制系統的三環調速系統調控后輸出電樞電壓直接作用于無刷直流力矩電機上，輸出的電機軸轉動轉速信號傳遞給傳動機構進行減速增矩，轉化成絲杠位移，再經過制動機構作用轉化成制動力，整個過程的時間極短，在0.1 s 作用［2］。

2.2 EMB 執行系統

一個設計完整的EMB 執行系統包括無刷直流電機模塊(包括電機驅動模塊)、傳動模塊和制動模塊。要完成EMB 的動力學仿真，首先要完成以上三個模塊的數學模型設計。EMB執行系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 中:Fd為制動器的目標夾緊力;AVI 號為電機轉速控制信號;DIR 為電機正反轉控制信號;Ua、Ub、Uc分別為電機定子每相繞組端電壓;Uh+、Uh-分別為霍爾傳感器供電高低電壓;n 為電機軸轉速;ns為絲杠轉速;s 為絲杠副中螺母的平動位移;F 為制動器的夾緊力;Mb為制動器的制動力矩;Jc為傳動機構的轉動慣量;TL為傳動機構的摩擦阻力矩;Sa、Sb、Sc分別為三個霍爾傳感器的信號;Ia、Ib、Ic、分別為電機定子每相繞組電流［3］。

2.3 EMB 控制系統

電機的控制采用三環(電流環、轉速環和壓力環)反饋控制，輸入為目標夾緊力，輸出為電機電樞電壓。EMB 電機的控制系統結構框圖如圖2 所示。

電機的三環調速系統設計就是對控制器設計，該三環調速系統包括夾緊力控制器、轉速控制器和電流控制器［4］。其設計方法是:從內環開始，每次向外擴展一環，首先設計電流控制器，再將電流環當作轉速調節系統中的一個部分設計轉速控制器，最后把轉速控制環當作夾緊力調節環中的一個部分設計夾緊力控制器。

上述的夾緊力控制器、轉速控制器、電流控制器均是PI控制器。電流控制器的輸入是目標電流與實際電流的差值，輸出為電機的控制電壓;轉速控制器的輸入是目標轉速與實際轉速的差值，輸出為電機電流的目標值;夾緊力控制器的輸入是目標制動夾緊力與反饋制動夾緊力的差值，輸出為電機轉速的目標值。電機電流、電機轉速和夾緊力為需測量的量。在本控制系統中，通過無刷直流電機驅動器上安裝的電流傳感器測量電機實時電流;通過光電編碼器測量電機實時轉速;通過壓力傳感器測量制動夾緊力［5］。

3 EMB 系統的仿真模型

(1)無刷直流電流控制模塊，如圖3 所示。

(2)電流-轉速雙閉環控制模塊，如圖4 所示。

(3)無刷直流電機三環控制模塊，如圖5 所示。

4 仿真結果

4.1 電流環仿真

當電動機處于空載時，電流值比較小，所以應當在電機堵轉的情況下對電流環進行調節［6］。電流環的試驗結果如圖6 所示?？梢?，實際電流在初始階段有較大的超調，但是在后期可以很好地跟蹤目標電流。

4.2 轉速環試驗

轉速環在試驗時，應處于空載狀態。轉速環的試驗結果如圖7 所示?？梢?，在啟動過程中電流能維持較大的值，從而使電動機迅速達到目標轉速。由于電動機在旋轉過程中不斷換相會引起電流的抖動，所以電動機轉速也一直在目標值附近小幅抖動。

4.3 壓力環試驗

壓力環的試驗結果如圖8 所示。

可見，兩種工況下消除制動間隙的時間均小于0.1 s，且制動壓力的超調小于5%，同時我們可以發現所設計的EMB 執行器能輸出足夠大的制動壓力，而且響應迅速。

5 結論

文中對電子機械系統的原理進行了簡單的敘述，也基于此原理進行了simulink 的仿真，仿真的結果表明，按照原理搭建的仿真模塊是有效的。同時也通過仿真我們可以了解到電子機械制動在制動時響應更快，這樣可以縮短制動距離，提升了汽車的安全性能。當然它還有很多其他的優點，比如不必使用制動液，減輕了汽車的質量。同時沒有真空增壓器，減少了制動系統的空間。但是將其應用到實際中還是有很多的難點需要解決，比如力矩電機的設計，制動執行機構的設計，還有成本的降低，都是在以后需要解決的問題。電子機械制動系統符合現代汽車的發展方向，比傳統的汽車更加容易安裝，并且可靠性更高，它是未來制動系統的發展方向。

【1】汪洋.車輛電控機械制動系統的設計與分析［D］.南京:南京航空航天大學，2005.

【2】沈沉，王軍，林逸. 電子機械制動系統制動執行器建模與試驗［J］.農業機械學報，2007，38(8):30 -33.

【3】譚樹梁.輕型汽車電子機械制動執行器及硬件在環試驗臺研究［D］.長春:吉林大學，2008.

【4】王玉群，林向陽，楊清林.汽車電子機械制動器(EMB)的發展研究［J］.汽車與配件，2009(49):21-23.

【5】張成利.汽車線控制動系統及其控制算法與仿真研究［D］. 沈陽:東北大學，2008.

【6】胡安平.基于AMESim-Simulink 聯合仿真的再生制動系統研究［D］.長春:吉林大學，2008.