汽车电子机械制动系统的设计

吴小川，李鼎，焦志浩，季维强

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉430070)

0 引言

随着科技的发展与进步，大众生活水平的提高，人们对汽车交通的安全性要求与日俱增，而拥有优异的制动性能是现代化安全汽车的重要评证。虽然传统的汽车制动系统在制动性能上也能满足现有制动法规的各项要求，但是交通事故的频繁发生和汽车制动器响应速度慢、制动效果不理想、制动器损耗度过高、装配维修昂贵等不利情况有直接的关系，因此，行业人士提出了汽车电子机械制动系统(EMB)以解决这些问题。

1 汽车制动系统发展状况

几年来西方发达国家又兴起了对车辆线控系统(X -BY -WIRE)的研究，线控(BRAKE -BY -WIRE)应运而生，由此展开了对电控机械制动系统 (ELECTROMECHANICAL BRAKING SYSTEM)的研究，简单来说电控机械制动系统就是把原来由液压或者压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动，借以提高响应速度、增加制动效能等，同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度。由于人们对制动性能要求的不断提高，传统的液压或者空气制动系统在加入了大量的电子控制系统如ABS、TCS、ESP 等后，结构和管路布置越发复杂，液压(空气)回路泄露的隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高［1］。因此结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统越来越受到青睐，可以预见EMB 将最终取代传统的液压(空气)制动器，成为未来车辆的发展方向。

2 EMB 系统的模型分析

2.1 EMB 系统工作原理

电子机械制动系统工作原理为:当汽车行驶时需要采取紧急刹车，驾驶者脚踏的力量信号传到制动踏板，该力量信号经过EMB 控制系统的三环调速系统调控后输出电枢电压直接作用于无刷直流力矩电机上，输出的电机轴转动转速信号传递给传动机构进行减速增矩，转化成丝杠位移，再经过制动机构作用转化成制动力，整个过程的时间极短，在0.1 s 作用［2］。

2.2 EMB 执行系统

一个设计完整的EMB 执行系统包括无刷直流电机模块(包括电机驱动模块)、传动模块和制动模块。要完成EMB 的动力学仿真，首先要完成以上三个模块的数学模型设计。EMB执行系统结构框图如图1 所示。

图1 中:Fd为制动器的目标夹紧力;AVI 号为电机转速控制信号;DIR 为电机正反转控制信号;Ua、Ub、Uc分别为电机定子每相绕组端电压;Uh+、Uh-分别为霍尔传感器供电高低电压;n 为电机轴转速;ns为丝杠转速;s 为丝杠副中螺母的平动位移;F 为制动器的夹紧力;Mb为制动器的制动力矩;Jc为传动机构的转动惯量;TL为传动机构的摩擦阻力矩;Sa、Sb、Sc分别为三个霍尔传感器的信号;Ia、Ib、Ic、分别为电机定子每相绕组电流［3］。

2.3 EMB 控制系统

电机的控制采用三环(电流环、转速环和压力环)反馈控制，输入为目标夹紧力，输出为电机电枢电压。EMB 电机的控制系统结构框图如图2 所示。

电机的三环调速系统设计就是对控制器设计，该三环调速系统包括夹紧力控制器、转速控制器和电流控制器［4］。其设计方法是:从内环开始，每次向外扩展一环，首先设计电流控制器，再将电流环当作转速调节系统中的一个部分设计转速控制器，最后把转速控制环当作夹紧力调节环中的一个部分设计夹紧力控制器。

上述的夹紧力控制器、转速控制器、电流控制器均是PI控制器。电流控制器的输入是目标电流与实际电流的差值，输出为电机的控制电压;转速控制器的输入是目标转速与实际转速的差值，输出为电机电流的目标值;夹紧力控制器的输入是目标制动夹紧力与反馈制动夹紧力的差值，输出为电机转速的目标值。电机电流、电机转速和夹紧力为需测量的量。在本控制系统中，通过无刷直流电机驱动器上安装的电流传感器测量电机实时电流;通过光电编码器测量电机实时转速;通过压力传感器测量制动夹紧力［5］。

3 EMB 系统的仿真模型

(1)无刷直流电流控制模块，如图3 所示。

(2)电流-转速双闭环控制模块，如图4 所示。

(3)无刷直流电机三环控制模块，如图5 所示。

4 仿真结果

4.1 电流环仿真

当电动机处于空载时，电流值比较小，所以应当在电机堵转的情况下对电流环进行调节［6］。电流环的试验结果如图6 所示。可见，实际电流在初始阶段有较大的超调，但是在后期可以很好地跟踪目标电流。

4.2 转速环试验

转速环在试验时，应处于空载状态。转速环的试验结果如图7 所示。可见，在启动过程中电流能维持较大的值，从而使电动机迅速达到目标转速。由于电动机在旋转过程中不断换相会引起电流的抖动，所以电动机转速也一直在目标值附近小幅抖动。

4.3 压力环试验

压力环的试验结果如图8 所示。

可见，两种工况下消除制动间隙的时间均小于0.1 s，且制动压力的超调小于5%，同时我们可以发现所设计的EMB 执行器能输出足够大的制动压力，而且响应迅速。

5 结论

文中对电子机械系统的原理进行了简单的叙述，也基于此原理进行了simulink 的仿真，仿真的结果表明，按照原理搭建的仿真模块是有效的。同时也通过仿真我们可以了解到电子机械制动在制动时响应更快，这样可以缩短制动距离，提升了汽车的安全性能。当然它还有很多其他的优点，比如不必使用制动液，减轻了汽车的质量。同时没有真空增压器，减少了制动系统的空间。但是将其应用到实际中还是有很多的难点需要解决，比如力矩电机的设计，制动执行机构的设计，还有成本的降低，都是在以后需要解决的问题。电子机械制动系统符合现代汽车的发展方向，比传统的汽车更加容易安装，并且可靠性更高，它是未来制动系统的发展方向。

【1】汪洋.车辆电控机械制动系统的设计与分析［D］.南京:南京航空航天大学，2005.

【2】沈沉，王军，林逸. 电子机械制动系统制动执行器建模与试验［J］.农业机械学报，2007，38(8):30 -33.

【3】谭树梁.轻型汽车电子机械制动执行器及硬件在环试验台研究［D］.长春:吉林大学，2008.

【4】王玉群，林向阳，杨清林.汽车电子机械制动器(EMB)的发展研究［J］.汽车与配件，2009(49):21-23.

【5】张成利.汽车线控制动系统及其控制算法与仿真研究［D］. 沈阳:东北大学，2008.

【6】胡安平.基于AMESim-Simulink 联合仿真的再生制动系统研究［D］.长春:吉林大学，2008.