电子机械制动系统的滑模控制分析

陈国栋

(邢台市科技情报研究所，河北 邢台 054000）

1 电子液压制动系统与电子机械制动系统的组成及原理比较

1.1 电子液压制动系统组成及工作原理

（1）制动踏板单元。包括踏板感觉模拟器、踏板力传感器或和踏板行程传感器以及制动踏板。踏板感觉模拟器是EHB系统的重要组成部分，为驾驶员提供与传统制动系统相似的踏板感觉(踏板反力和踏板行程)，使其能够按照自己的习惯和经验进行制动操作。踏板传感器用于监测驾驶员的操纵意图，一般采用踏板行程传感器，采用踏板力传感器的较少，也有二者同时应用，以提供冗余传感器且可用于故障诊断。

（2）液压控制单元(HCU)，HCU中一般包括如下几个部分：独立于制动踏板的液压控制系统一该系统带有由电机、泵和高压蓄能器组成的供能系统，经制动管路和方向控制阀与制动轮缸相连，控制制动液流入或流出制动轮缸，从而实现制动压力控制。

（3）传感器包括轮速传感器、压力传感器和温度传感器，用于监测车轮运动状态、轮缸压力的反馈控制以及不同温度范围的修正控制等。

1.2 电子机械制动系统组成包括

（1）制动执行机构。EMB有4套制动执行机构，每一套执行机构都包括力矩电机、制动器外壳、制动垫块及动力控制模块，它们作为一个整体将制动力施加在制动盘上。

（2）中央控制模块(ECU)。接收来自各种传感器的信号，为执行机构的控制模块提供控制信号 (如制动执行机构需产生的力矩)。

（3）各种传感器。提供及时、准确的信号给ECU，比如轮速传感器、踏板位移传感器。

（4）电源。EMB工作时的峰值功率为2kW，再加上其他汽车附件工作时的峰值功率，总功率大概在12．3kW左右。而当今汽车上的12V电源只能提供3kW左右的能量，仅能勉强满足汽车必要部件的工作要求，若要兼顾舒适性，就需要安装能够提供更高能量的42V电源。

2 EHB与EMB性能对比

EHB和EMB的差异主要体现在以下几个方面：

（1）结构。EHB依然采用液压系统提供动力，其制动过程离不开液压部件，因此其结构还不够简单，而EMB则完全抛弃了液压部件及管道，结构更简单，维护安装更加方便。同时由于没有了带有腐蚀性的液压液体，更加环保。

（2）性能。由于其执行机构的内在特性，EHB的反应时间稍长，但是，对于重型车辆或工业车辆，只有EHB系统可以产生较大的制动力矩，以满足大吨位车辆的制动要求，而EMB暂时提供不了。

（3）可靠性。由于EHB的主要执行机构为发展很成熟的液压机构，同时又有备份制动系统，所以该系统具有很好的可靠性。而EMB系统作为一套全新的制动系统。发展还不完善，也没有其他备份制动系统，其可靠性要低于EHB，但随着科技的进步，这个问题很快就能解决。

（4）能源供应方面。在优化设计下，EHB只需要14V的电源就能满足制动要求，而EMB则需要42V电源。另外，EMB系统可以极大程度地减少整车重量，从而提高汽车性能及经济性。使汽车总装过程变得更简单，更快捷。EMB系统增加了和其他汽车系统的连接性，使更高级功能的牵引控制和汽车稳定控制变得更加简单，同时EMB系统易于改进，略加变化即可增设各种电控制功能以及与将来的交通管理系统进行联网工作川。虽然EHB系统相对于传统制动系统有了比较大的进步，但其仍具有局限性，其出现主要是为研究生产EMB系统打下基础。EMB系统有着其他制动系统无法比拟的优点，它是未来制动系统发展的必然方向。

3 滑模控制器设计

滑模变结构控制是一种非线性控制策略，是按照系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按照滑动面所规定的规律运行的一种控制方法，可实现以简单的控制规律来协调动态和稳态性能之间的矛盾。

车辆制动时，为获得最大的制动效能并防止抱死，须调整车轮的滑移率到最佳滑移率以获得最大的地面附着力。但是，最佳滑移率取决于路面条件（如干沥青与湿沥青的对比）。无论是哪种路面条件，最大的路面摩擦因数约等于滑移率为0.2的路面摩擦因数，因此有必要研究以滑移率等于0.2为控制目标的滑模控制器。汽车防抱死制动系统可通过自动调节车轮制动压力将汽车滑移率保持在具有最大地面摩擦力的范围内，从而防止汽车制动时因车轮抱死而引起汽车侧滑、甩尾等不良后果，提高汽车的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离。在目前常用的汽车ABS中，大多采用逻辑门限值和滑模控制等方法。逻辑门限值控制法简单实用，但它把路面附着条件在较大范围内连续变化的情况分为3种状态而没有考虑行驶路面附着系数的变化，因此，它难以控制汽车ABS在不同的路面附着系数下都达到最佳制动效果。滑模控制法能快速而准确地将汽车滑移率控制在设定的最佳滑移率上，即产生最大纵向附着力所对应的汽车滑移率。由于在不同附着系数的行驶路面上，汽车具有不同的最佳滑移率，因此，以静态设定的最佳滑移率为目标的滑模控制法，难以满足处于不同路面附着条件下的汽车ABS的控制要求。

基于路面识别的汽车ABS滑模控制方法根据ABS制动过程中的汽车滑移率、减速度的动态变化来对当前路面进行识别，获取当前路面对应的汽车最佳滑移率，并以此作为汽车ABS滑模控制的目标，通过对汽车ABS进行基于最佳滑移率的滑模控制，使汽车实际滑移率调节到当前路面对应的汽车最佳滑移率上，从而提高汽车制动效能和方向稳定性。为此，经过对一部分材料的研究，笔者觉得基于路面识别的汽车ABS滑模控制方法是比较好的一种方法。

4 结语

根据计算机仿真实验表明，基于路面识别的汽车ABS滑模控制方法能够较准确地判断出当前路面附着条件，使汽车滑移率控制在当前路面对应的汽车最佳滑移率上，从而使车轮获得足够大的地面制动力及较大的侧向力，该方法不仅可以使汽车制动时间减少5%～12%，提高汽车的制动效能，而且能够提高汽车的方向稳定性和行驶的安全性。

[1]彭晓燕，陈昌荣，章兢.电子机械制动系统的滑模控制研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2010，（8）.

[2]杨坤，李静，郭立书，等.汽车电子机械制动系统设计与仿真[J]. 农业机械学报，2008，（8）.