基于EPB的应急制动后轮防抱死控制策略

初亮， 马文涛， 祁富伟， 陈箭，， 杨小雨

(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室 吉林，长春 130022；2.苏州萨克汽车科技有限公司, 江苏，苏州 215000)



基于EPB的应急制动后轮防抱死控制策略

初亮1， 马文涛1， 祁富伟1， 陈箭1，2， 杨小雨2

(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室 吉林，长春 130022；2.苏州萨克汽车科技有限公司, 江苏，苏州 215000)

为避免车辆行车制动系统失效后用驻车制动系统制动时的后轮抱死甩尾等危险工况，对EPB应急制动时的防抱死控制策略进行研究. 通过分析EPB的构成及工作原理明确基于EPB系统是可以实现后轮防抱死控制功能. 通过对EPB执行器的结构、参数以及工作特性分析并进行台架实验来确定执行器零部件的特性，根据其特性确定执行器的控制方式，从而编写了EPB在应急制动时的控制软件. 同时在装备了EPB的试验车辆上对控制策略进行了试验验证.

电子驻车制动；应急制动；防抱死；实车试验；控制策略

随着汽车产业的蓬勃发展，汽车电子智能化的程度越来越高，X-By-Wire(线控控制)以其先进的智能化控制可以减少驾驶员操作同时达到精确的车辆控制. EPB(电子驻车制动系统)是基于原来传统纯机械手刹制动系统发展而来的一个新兴的线控制动的电子控制系统. EPB取消了传统手刹的拉杆，一方面节省了由手刹拉杆布置占用的车内空间减少了驾驶员操纵手刹的负担，另一方面精确控制了EPB所提供的制动力大小，延长了执行器的使用寿命同时在有车速的时候提供相应的制动力提高车辆的主动安全性.

本文依据集成式EPB系统，详细研究了仅依靠EPB系统在应急制动时的控制策略. EPB的应急制动只依靠车辆的后制动器进行制动，在制动时如果发生抱死时车辆外部的侧向扰动车辆则会造成甩尾现象从而造成严重的交通事故. 基于EPB的应急制动控制策略具有卡钳夹紧力调整以及车轮防抱死功能，并进行相关的实车试验，使制动参数达到GB21670—2008中关于应急制动距离以及制动减速度的规定[1-2].

1 EPB组成及工作原理

1.1 EPB的系统组成

EPB是一个完整的控制系统，其中硬件系统包括传感器输入信号、控制器、执行器[3]. 具体组成如图1所示.

EPB系统的输入信号系统包括EPB按钮的按钮状态信号以及EPB通过CAN通信网关得到的信号. EPB的控制器包含执行器驱动电路：驱动芯片以及控制执行器电机正反转动作的H桥电路；主芯片用于EPB控制系统软件运行；通信模块处理EPB与外部的CAN信号交换以及EPB控制器内部的SPI总线数据交换；按钮识别电路用来识别按钮的状态；寄存器用来存储EPB系统的状态信息.

1.2 EPB系统的工作原理

EPB系统作为车辆电控系统其中的一个，其控制器与其他车辆控制器的通信是依据CAN2.0协议标准完成信号的交换[4-5]. EPB系统在实际工作时，信号从整车动力CAN网络获得的信号具体为：变速箱档位信号、离合器接合程度信号从TCU(变速箱控制系统)获得；轮速信号、轮速脉冲信号、制动踏板信号、制动主缸压力信号、车辆加速度信号是从ESP(电子稳定性系统)控制器获得；发送机转速型号、发送机转矩信号、点火开关信号是从EMS(发动机管理系统)获得.

EPB 通过按钮状态、制动踏板信号、主缸压力信号来识别驾驶员的意图，再通过轮速信号、车辆加速度信号来判断车辆的当前状态，通过对比驾驶员的意图以及当前车辆状态的差别EPB实现对车辆的控制，从而使车辆避免危险的工况达到驾驶员的需求状态.

2 集成式EPB的零部件特性

2.1 集成式EPB执行器的特性

EPB的执行器是指电机与卡钳集成的一体式卡钳，其中包括电机、带传动机构、行星排减速机构、丝杠螺母传动机构、以及传统卡钳的各部分机构.

其中EPB执行器动作部分的参数如表1所示.

表1 EPB执行器参数

EPB执行器的电气特性试验台主要由以下五部分组成：① EPB执行器中的电机与减速机构的集成MGU(motor gear unit)部分，是EPB执行器的动力单元；② 转矩传感器，测量MGU发出的转矩；③ 联轴器，负责连接传递动力；④ 测功机，可以对MGU施加负载；⑤ 转速传感器，可以测量MGU的转速.

根据试验台得出的MGU的特性如图2所示.

经试验验证，经过MGU内的电流与输出的转矩基本成线性关系，如图3所示.

以此为基础可以进行曲线拟合.

(1)

式中：Mmgu为MGU输出转矩；K为比例系数；I为通过MGU电流；D为常数. EPB可以通过控制MGU两端的电流来调节后轮上的制动力矩的大小.

2.2 EPB按键特性

EPB按键是根据特定的输入信号经过按键开关后得到输出信号来判断EPB按键的状态，来实现EPB按键状态的识别，如图4所示.

脉冲输入信号通过输入端口1、2向EPB按键来输入脉冲信号，信号经过EPB按键的不同状态显示出不同的脉冲信号的组合，实现EPB按键状态的识别.

3 EPB应急制动的控制策略

3.1 EPB应急制动后轮防抱死的必要性

根据国标GB21670—2008中关于车辆制动系统的定义，车辆在应急制动时MFDD(为充分发挥的平均加速度)要大于1.5 m·s-2. MFDD的计算公式为

(2)

式中：aMFDD为充分发挥的平均加速度；vb为0.8v的试验车速；ve为0.1v的试验车速；de为试验车速从v～ve的制动距离；db为试验车速从v～vb的制动距离.

制动距离应满足以下公式提供的制动距离

(3)

式中：db为制动距离；v为开始计算制动距离时的车速. 当车辆在形式过程中液压制动系统失效时只能依靠驻车制动系统来实现车辆的制动停车. 但是驻车制动是车辆的后轮制动，如果没有控制防止后轮抱死车辆会导致甩尾造成事故. 所以依靠电子驻车制动系统来实现线控制动的后轮防抱死功能.

3.2 EPB应急制动后轮防抱死进入条件分析

根据实际的车辆情况，车辆触发后轮防抱死的条件如图5所示.

当EPB控制器检测到EPB按钮处于长期拉起状态，车辆的CAN总线从ESP得到车轮速信号以及轮速脉冲信号处理有效得出车速并达到应急制动的门限，从而进EPB行应急制动.

3.3 EPB应急制动后轮防抱死控制策略

当前制动器制动力的估算是根据上述的分析可以得出EPB执行器的电流大小对应输出转矩的关系. 执行器所输出的转矩通过一个丝杠螺母机构传递到摩擦片与制动盘上进行制动. 对应的转换关系为

(4)

式中：FN为丝杠螺母轴向力；η为丝杠螺母传动效率；Mmgu为丝杠上的转矩；P为丝杠导程.

作用到后轮上的制动器制动力计算过程为

(5)

式中：Mb_L为单侧后轮制动力矩；Fμ2为后制动器制动力；FN_L为左后轮丝杠螺母轴向力；CL为左后轮制动效能因数；RL为左后轮有效摩擦半径；rd为车辆滚动半径. 右侧车轮类似左侧车轮受力状态从而得到轮加速度与制动器制动力矩关系为

(6)

控制策略的流程图如图6所示.

其中控制门限的定义如图7所示.

图中为控制门限的定义，其中区域1对应的车轮滑移率与角加速度说明车轮处于不稳定状态，这时要控制EPB进行减小夹紧力操作；区域2对应的车轮滑移率与角加速度说明车轮处于稳定状态这时EPB可以进行增加夹紧力操作；区域5对应最佳滑移率区域这时可以保持夹紧力不变；图中的虚线门限是指首次触发应急制动时减小夹紧力的门限这时的门限比正常的门限要大这样可以减小应急制动的误触发；区域3是指在低轮角加速度时放大滑移率的门限；区域4是指在低滑移率时角加速度值在一定范围下不触发应急制动.

4 EPB应急制动的实车试验

实车试验采取装有EPB系统的一款B级车实车测量得到[6]，数据如图8所示.

图中表示的是实车测试的车速与轮速的试验信号. 从图中可以看出本试验的车速与两前轮轮速一致，后轮轮速呈现周期性的增减过程. 说明本实验是由后轮制动使车辆减速静止的. 根据本实验所得到的数据计算车辆的MFDD为1.6 m·s-2，大于国标的1.5 m·s-2要求. 同时车辆的制动距离为45.46 m，根据式(3)计算的为47.92 m. 所以本次制动满足国标对于应急制动的要求.

图9为车辆在制动时EPB的MGU内的电流曲线. 通过曲线的第一个循环可以看出电机启动时电流有一个较大的峰值但是很快衰减，经过较长时间的电流保持后又增加直到减小到0. 其中启动电流后的保持阶段是电机卡钳消除空行程的过程，随后的电流增加时MGU控制摩擦片对制动盘夹紧的过程. 随后的负向尖峰为反向启动电流，电流的缓慢减小是MGU控制摩擦片释放制动盘的过程.

图10为EPB的MGU控制卡钳对制动盘的夹紧力，通过周期性的夹紧释放使后轮的滑移率控制在一个比较合适的范围内，使车辆快速减速停车而不发生抱死.

5 结 论

分析了EPB系统的构成以及工作原理，并对其工作特性进行详细的研究. 在此基础上得出汽车EPB后轮防抱死控制策略的3个关键点：执行器的特性、防抱死的进入门限以及防抱死的控制门限.

并对EPB工作过程中夹紧力估算算法进行分析研究，设计了基于EPB的应急制动控制策略，并据此编写了EPB控制软件. 通过实车试验对EPB系统的应急制动部分功能进行验证表明文中的控制策略满足国标的要求.

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Wang Bin， Guo Xuexun，Zhang Chengcai， et al. Simulation and test of electronic parking brake system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2013，44(8):45-49. (in Chinese)

(责任编辑：孙竹凤)

Control Strategy of Emergency Brake Rear-Wheel Anti-Lock Based on EPB

CHU Liang1， MA Wen-tao1， QI Fu-wei1， CHEN Jian1，2， YANG Xiao-yu2

(1.State Key Laboratory of Automotive Dynamic Simulation and Control， Jilin University， Changchun，Jilin 130022， China; 2.Suzhou SAC Auto Technology Co.， LTD， Suzhou， Jiangsu 215000， China)

A control strategy of emergency brake anti-lock was investigated based on electronic parking brake (EPB) to avoid the dangerous working conditions of vehicle tail swing caused from the rear wheel lock, when the vehicle was stopped with a failed braking system. First of all, through the analysis of the composition and working principle of EPB, it was showed that the system based on EPB could realize the rear wheel anti-lock control function. And then, the characteristics of the EPB actuator components were determined through the analysis of the EPB actuator structure, parameters and the working characteristic, as well as bench test. Finally, an actuator control mode and emergency braking control software were developed according to its characteristics. At the same time, the control strategy was validated on the test vehicle equipped with EPB.

electronic parking brake(EPB)；emergency brake；unti-lock; real vehicle test；control strategy

2015-07-02

国际科技合作计划项目(2012DFA61010)

初亮(1967—)，男，教授，博士生导师，E-mail：liangchu@jlu.edu.cn.

马文涛(1988—)，男，博士生，E-mail：mawentao-mawentao@163.com.

U 463.5

A

1001-0645(2016)11-1136-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.008