电子机械制动系统无压力传感器控制策略研究

冯玉龙?陈飞洪?吴文祥?曹武乐

摘要：随着时代的发展，探索范围的扩大，人们对传感器抗干扰性能要求不断提高，高性能微机电系统（MEMS）傳感器的研制具有重要意义。温度漂移和时间漂移是传感器测量的两个主要干扰因素，指传感器随温度和时间偏移、器件特性变化导致的测量误差。传感器时漂效应严重影响了测量结果的可靠性和传感器使用寿命。时漂产生的具体原因较多，根据实际工作情况与环境的不同，其时漂效果也有差异，难以统一修正解决。基于此，本篇文章对电子机械制动系统无压力传感器控制策略进行研究，以供参考。

关键词：电子机械制动系统;压力传感器;控制策略

引言

作为轨道交通领域下一代新型制动方式，电子机械制动（EMB）技术最早于航空领域以“全电刹车”概念提出，属于航空技术民用化。区别于有轨列车常见的空气和液压制动方式，EMB系统省去复杂的空气与液压管路，避免了油液泄露的风险，具有响应快、结构简单、轻量化、智能化等优点。目前常用的EMB系统无压力传感器制动力伺服控制主要分为三类：1）转矩动态方程法;2）特征曲线法;3）汽车EMB系统的制动正压力与丝杠位移满足三次多项式的参数关系，但忽略了两者之间的“迟滞”特性。与之相比，文献建立了电机转角与制动力间关系式，保留了制动力极值间的“迟滞”特性。

1抗干扰系统软硬件设计

设计电路的硬件部分主要分为压力信号采集模块、恒温控制模块、恒流源自校正模块和通信模块，实现压力信号采集、恒温时漂自校正功能和信号传输功能。其中，压力信号采集模块通过传感器芯片采集压力信号，经调理电路滤波放大后由AD7794进行模数转换，经隔离电路后输入STM32处理器进行数据处理。恒温控制模块主要由温度采集模块PT1000、驱动模块TB6612FNG、聚酰亚胺加热片组成。通过开尔文四线制测量PT1000电阻变化，得到当前温度;通过控制处理器STM32输出的PWM波占空比，动态控制加热片工作功率;为了提供足够加热功率并防止电路串扰，需要单独的电源电路。恒流源自校正模块由AD5420可编程电流源提供可变恒流源，与STM32采用SPI通信协议连接，输出电流范围选择0～20mA，分辨率16位。为了提高传感器端的电流分辨率，增加恒流源自校正可靠性，在传感器端并联一个高精电阻，实现电流分流。在硬件设计的基础上，编写了对应的软件系统。以STM32F407为核心处理器，通过处理器运行相关程序，实现抗干扰系统功能。系统在实现传感器恒温后进行恒流源模拟气压自校正，然后实现压力测量与数据传输。

2故障传感器压力测试

操作过程中，将故障电压传感器安装到相应的压力测试端口进行测试。数据表明，零位置压力传感器本身并不存在故障，而是在应用过程中受到电气干扰，因此在实验室中进行了测试。重复实验室中的故障测试结果，如当电压峰值增大到20V以上时，传感器输出会急剧增加，并且随着干扰的增加和时间的增加而增加。通过对DK-1G电机控制原理的分析，可以使高速电磁阀在基于磁感复制的高频开启状态下运行，使高速电磁阀能够立即关闭，从而产生高达100伏的较大交换。抗电压用于增加BCU功率模块的电气干扰抑制，输出电压必须增加，以提高传感器输出的稳定性和服务寿命。通过测试和分析可以得出压力传感器的动态前进运动是由高速电磁阀抗电磁电压引起的电气干扰造成的。

3实验平台及参数设置

为验证上述无压力传感器制动力伺服控制策略的在工程应用中的可行性，搭建了实验平台并进行相关的验证实验。选用TI公司的TMS320F28335型数字信号处理器以实现控制算法。采用绝对式编码器ST-5208-13-SS-5V测量电机转子位置并计算电机转速。电流传感器选用LEM公司的LA100-P。选用N沟道场效应管CSD19506KCS搭建三相桥式逆变电路，直流母线电压为低地板有轨电车车载电源额电压24V，开关频率设定为20Hz，驱动芯片选用半桥栅极驱动芯片UCC27211。电流环采用PI控制，控制周期为100μs，积分反步控制周期为1ms，制动力参考值更新周期为10ms。EMB系统技术指标如下：（1）具备制动间隙条件下，施加28kN目标制动力。从接收到指令开始计时，要求制动力施加至目标制动力90%时，时间小于300ms。（2）制动力控制稳态误差小于2%。EMB系统主要参数如下：（1）电机参数：极对数pn=4，额定电压DCV=24V，额定电流I=45A，额定转矩eT=2.96Nm，额定转速Nn=3028rpm，定子电阻sR=0.01，交直轴电感dqLL==0.336uH。（2）从动机构参数：丝杠导程：0L=10mm，减速比GR=40。EMB控制器主要参数如下（1）积分反步控制器参数：1=10，1=2，2=16。（2）观测器参数：a=1，b=5，1=10，2=6，3=30。

结束语

在分析电子机械制动系统结构及工作原理的基础上，提出了一种电子机械制动系统无压力传感器制动力伺服控制策略，具有如下优势：在强耦合条件下提出的无压力传感器控制策略，考虑了系统制动和缓解过程中存在的“迟滞”特性，与传统控制相比，有效地改善了制动力的估计精度，可作为备用控制回路，为EMB系统在轨道交通领域的可靠性研究提供一种方案，具有创新型。

参考文献：

[1]杨许.汽车电子机械制动系统关键技术及前景分析[J].内燃机与配件，2019（17）：45-46.

[2]肖江村.传感器技术在机械电子行业的应用浅谈[J].山东工业技术，2019（09）：132.

[3]黄钰.无力传感器的电子机械制动系统控制问题分析[J].山东工业技术，2019（06）：144.

[4]贺彦赟，尹继辉，薛松，张国辉.汽车电子机械制动系统关键技术及前景分析[J].河南科技，2019（02）：89-91.

[5]沈运峰.分析电子机械制动控制系统的安全设计[J].电子测试，2018（11）：134+136.