（车辆工程专业论文）汽车线控制动系统及其控制算法与仿真研究.pdf

o fb r a k e - - b y - - w i r es y s t e m b yz h a n gc h e n g l i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o ry a n gy i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 奠 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = b 思。 学位论文作者签名：卤蜘 1 日期：沙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 芦 j 摘要 汽车制动系统是保证汽车行驶安全性的重要组成部分，它直接影响汽车的 行驶安全性能。结合线控技术和汽车制动系统而成的线控制动( b r a k e b y w i r e ， b b w ) ，改变传统液压制动执行元件为电驱动元件，由于电驱动系统的可控性 好、响应速度快的特点，显现出线控制动系统的良好发展前景。本文在查阅了 大量文献的基础上介绍了线控制动技术的发展历史、国内外研究及发展概况； 分析了线控制动系统的组成、工作原理及性能特点以及相关技术。 防抱死制动控制要求在各种不同路面及不同气候条件下，均能在最少时间 和最短距离内使车辆制动停车。模糊控制则恰好适应了制动过程中车辆工况的 多变及轮胎的非线性系统的控制，并具有鲁棒性强的优点。本文以车轮滑移率 为控制对象，分析了模糊控制的理论基础，建立了防抱死制动系统的模糊控制 器，并在三种不同路面条件下进行了车辆防抱死特性的仿真分析。本文将传统 的模糊控制与经典的p i d 控制相结合，提出了自适应模糊p i d 控制算法，并进 行了仿真研究，极大地提高了模糊控制方法和p i d 控制算法的应用性能。对模 糊控制算法与p i d 控制的仿真结果进行了比较，验证了控制算法的有效性。本文还采 用了基于遗传算法的p i d 控制方法，用m a t l a b 语言结合s i m u l i n k 仿真技术 编写了仿真程序，并进行了仿真研究。 线控制动系统与传统的液压制动系统相比有着许多明显的优点，同时也具 有自身的性能特点及一些急需解决的关键技术。随着控制技术和电子技术的不 断发展，线控制动技术必将得到广泛的应用。 关键词：汽车；线控制动系统：数学模型；控制算法；仿真 liolif s y s t e m ( b b w ) ，i n t e g r a t i n gt h eb y - w i r et e c h n o l o g ya n da u t o m o b i l eb r a k i n gs y s t e m ，r e p l a c e s t h ec o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cb r a k ea c t u a t o rw i t hp o w e r - d r i v e nu n i t s b e c a u s eo ft h ew e l l c o n t r o l l a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a p i dr e s p o n s i b i l i t yo ft h ep o w e r - d r i v e ns y s t e m ，i tr e v e a l sa b r i g h tf u t u r et ob r a k e - b y w i r es y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , r e s e a r c ha n d p r e s e n td e v e l o p m e n ts t a t u so ft h eb r a k e b y w i r es y s t e m ( b b w ) t e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d ， a n dt h ec o m p a r i s o no ft h ec o n f i g u r a t i o n , w o r k i n gp r i n c i p l e ，p e r f o r mc h a r a c t e r sa n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so f b b w s y s t e ma r ea n a l y z e d t h ea n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sr e q u i r e dt os t o pt h ev e h i c l eb yu s i n gt h el e a s t b r a k et i m ea n dt h es h e r t e s td i s t a n c eu n d e rd i f f e r e n tr o a ds u r f a c ea n dc l i m a t ec o n d i t i o n s t h e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mf i t st h ec o n t r o lo fb r a k i n gp r o c e s s ，w h i c hc o n t a i n sv a r y i n gv e h i c l e b e h a v i o ra n dn o n l i n e a rs y s t e mo ft h et i r e a n dt h ef u z z yc o n t r o la l s oh a sa l la d v a n t a g eo fa h i g h e rr o b u s t n e s s t a k i n gt h ew h e e ls l i p - r a t i oa sac o n t r o lo b j e c t ，t h eb a s i ct h e o r yo ff u z z y c o n t r o li sa n a l y z e d ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ro fa b si sc o n s t r u c t e d ，a n dt h es i m u l a t i o no fa b s c h a r a c t e r i s t i ci sp e r f o r m e du n d e rt h r e ed i f f e r e n tr o a ds u r f a c ec o n d i t i o n s c o m b i n i n gt h e t r a d i t i o n a lf u z z yc o n t r o la n dt h ec l a s s i c a lp i dc o n t r o l ，t h ea d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o lm e t h o d i sp u tf o r w a r d ，t h es i m u l a t i o ns t u d yi sp e r f o r m e d ，a n di te n h a n c e st h ea p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e o ff u z z yc o n t r o lm e t h o da n dp i dc o n t r o lm e t h o dg r e a t l y c o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mt ot h ep i dc o n t r o l ，t h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h mi sv e r i f i e d ag a ( g e n e t i ea l g o r i t h m ) b a s e do n l i n ep a r a m e t e rd e s i g nm e t h o do fa b sp i dc o n t r o l l e r i s p r o p o s e d ，w h i c hi sr e a l i z e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lb r a k i n gs y s t e m ，t h eb b ws y s t e mh a sl o t so fd i s t i n c t a d v a n t a g e s i ta l s oh a ss o m ep a r t i c u l a rp e r f o r m i n gc h a r a c t e r sa n ds o m ek e yt e c h n o l o g y , w h i c hn e e d st ob es o l v e db a d l y w i t ht h ei m p r o v e m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g ya n de l e c t r i c t e c h n o l o g y , t h eb b wt e c h n o l o g yw i l ld e f i n i t e l yo b t a i nt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n 1 1 1 东北大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；b r a k e b y w i r es y s t e m ( b b w ) ；m a t h e m a t i c sm o d e l s ； c o n t r o l a l g o r i t h m ；s i m u l a t i o n ti；，kij 录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 1 1 1 第1 章绪论1 1 1 线控制动系统概述1 1 2 线控制动系统的研究与发展2 1 2 1 电子液压制动系统( e h b ) 的研究现状- 3 1 2 2 电子机械制动系统( e m b ) 的研究现状5 1 3 线控制动系统的优势及存在的问题7 1 3 1 电子液压制动系统( e h b ) 系统的优点一7 1 3 2 电子机械制动系统( e m b ) 系统的优点8 1 3 3 线控制动系统要解决的关键问题9 1 4 线控制动系统的发展方向及前景1 1 1 5 本课题研究的内容、目的和意义1 2 1 5 1 课题研究的意义1 2 1 5 2 本文研究的主要内容1 2 第2 章线控制动系统的结构原理1 5 2 1 线控制动系统的结构及原理1 5 2 1 1 电子液压制动系统( e h b ) 的结构及原理1 5 2 1 2 电子机械制动系统( e m b ) 的结构及原理1 6 2 2 电子液压制动系统的组成模块1 6 2 3 电子机械制动系统的组成模块1 7 2 4 线控制动系统的相关技术问题1 9 2 4 1 驱动能源问题1 9 2 4 2 总线技术2 3 2 5 线控制动系统的制动失效保护2 5 第3 章汽车制动系统的基本理论与数学模型2 7 3 1 汽车制动系统的基本性能要求2 7 3 2 汽车制动过程分析2 7 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 1 滑移率2 8 3 2 2 车轮抱死时的汽车运动情况2 9 3 2 3 理想的制动控制过程2 9 3 3 汽车制动系统数学模型3 0 3 3 1 轮胎模型。3 0 3 3 2 车辆的等效模型3 3 3 3 3 四分之一车辆制动模型3 4 第4 章线控制动系统防抱死特性的控制算法3 7 4 1 汽车防抱死制动的控制算法3 7 4 2 防抱死特性模糊控制算法3 9 4 2 1 一般模糊控制算法4 0 4 2 2 模糊p i d 控制4 3 4 3 基于遗传算法的防抱死特性的控制方法：一4 4 4 3 1 遗传算法的基本原理4 4 4 3 2 遗传算法的优化设计4 6 4 3 3 遗传算法的应用步骤4 6 4 3 4 基于遗传算的p i d 整定4 7 第5 章线控制动系统防抱死特性的仿真分析4 9 5 1 基于m a t l a b s i m u l i n k 的防抱死制动仿真模型4 9 5 2 基于模糊控制算法的防抱死特性仿真5 0 5 2 1 模糊控制器设计及仿真一5 0 5 2 2 自适应模糊p i d 控制器设计及仿真5 6 5 2 3 仿真结果分析6 1 5 3 遗传算法的防抱死p i d 控制器参数整定6 2 5 3 1 编码与解码6 2 5 3 2 在线优化过程6 3 5 3 3 个体评价方法6 3 5 3 4 基于遗传算法的p i d 控制仿真6 4 第6 章结论与展望6 7 参考文献6 9 致谢。7 3 ，。，ll一一 绪论 功能 等缺 点，近年人们开始大量研究用电系统去改造或取代汽车中机械系统的技术，线控制动系 统就是其中之一。 1 1 线控制动系统概述 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力。2 0 世纪7 0 年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路技术的迅速发展，为制动系统的 电子化奠定了基础。2 0 世纪8 0 年代防抱死制动系统( a b s ) 出现并在世界汽车技术领 域得到了广泛的应用和推广，极大地提高了汽车的主动安全性，被认为是汽车上采用安 全带技术以来安全性方面所取得的最为重要的技术成就。到了9 0 年代制动系统开始有 了循迹控制和侧倾稳定性控制的功能。a b s 解决了汽车在各种路面紧急制动时，合理和 充分利用路面附着系数的问题。制动时，可以获得较短的制动距离，改善制动时的方向 稳定性。目前，a b s 技术已经相当成熟，成本逐年降低，装车率越来越高。欧、美、日 等汽车生产大国目前生产的汽车，有相当多的车型已经将a b s 作为制动系统的标准部 件。 传统制动系统的力传递介质是空气或制动液，因此，带有a b s 的制动系统需要复 杂的硬件控制元件，如传感器、电磁阀、e c u 及复杂的管路和线路等。由于制动系统的 介质是气体或液体，制动压力传递迟缓，系统响应速率低，尤其是气制动系统更为严重， 使软件计算程序复杂化。为克服上述缺点，更进一步提高制动系统性能和结构集成化， 很多制动系统制造商进行了全电制动控制系统的研究和开发。 随着电子化的深入，出现了以网络通信为基础的更加高效、节能的线控技术 ( x b y w i r e ) 。所谓线控就是用电子信息的传送取代过去由机械、液压或气动的系统连 接部分。线控技术不仅仅是连接方式的变化，而且包括操纵机构和操纵方式的变化以及 执行机构的变化( 电气化) ，线控技术的广泛应用将形成一种全新的汽车结构。目前线 控技术在汽车上得到了广泛的研究与应用，如线控转向( s t e e r - b y w i r es y s t e m ，s b w ) 、 线控油门( t h r o t t l e b y w 沁s y s t e m ) 等。结合线控技术和汽车制动系统而成的线控制动 1 - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( b r a k e b y w 讹，b b w ) ，改变传统液压或气压制动执行元件为电驱动元件，由于电驱 动系统的可控性好、响应速度快的特点，线控制动系统显现出良好的发展前景【l 】。 线控制动系统( b b w ) 是一系列智能制动控制系统的集成，提供诸如a b s 、车辆 稳定性控制、牵引力控制等现有的制动系统的功能，并通过车载有线网络把各个系统有 机的结合成一个完整的功能体系。它不同于传统的汽车制动系统，其特点是：以电子元 件代替部分机械元件，机械连接少，制动踏板和制动器之间动力传递分离，取而代之的 是电线连接，电线传递能量，数据线传递信号，并在电子控制系统中设计编写相应的程 序，通过对电控元件的操控实现制动力的分配及大小调节，可方便地实现a b s 及a s r 等功能。原有的制动踏板采用一个模拟发生器替代，用以接受驾驶员的制动意图，产生、 传递制动信号给控制和执行机构，并根据一定的算法模拟反馈给驾驶员。b b w 将是继 a b s 之后汽车制动系统的又一次重大变革，对汽车技术的进一步发展具有极其重大的意 义。从常规制动系统的供能装置、控制装置、传动装置、制动器4 个组成部分的发展历 程来看，都已经不同程度地实现了电子化。人作为整个控制系统的控制源，输出控制信 号、启动制动系统、发出制动意图；制动能源来源于蓄电池或其他供能装置；线控制动 系统采用全新的电子制动器和集中控制的电子控制单元( e c u ) 进行系统的整体控制， 每个制动器都有各自的控制单元。 目前，根据供能装置的不同，线控制动系统分为两种类型，一种是电液制动系统 e h b ( e l e c t r o h y d r a u l i cb r a k e ) ，另一种是电子机械制动系统e m b ( e l e c t r o m e c h a n i c a l b r a k e ) 。电液制动系统是将电子系统与液压系统相结合的制动系统电e h b 由电子系统提 供柔性控制，液压系统提供制动力，是从传统制动系统到电子制动系统的过渡；而电子 机械制动系统( e m b ) 则以电能作为制动能量来源，由电机驱动制动钳块，整个系统内没 有液压管路，因此也就没有制动液体。传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全 由电能所取代。就目前b b w 的发展状况而言，e h b 是实现汽车线控制动的第一步，e m b 则是未来线控制动系统的主要发展方向。 1 2 线控制动系统的研究与发展 起初线控制动技术应用在飞机行业中【2 捌。二十世纪八十年代初期，美国空军与飞 机刹车系统公司l o r a la i r c r a f tb r a k i n gs y s t e m s ( 前g o o d y e a ra e r o s p a c e ) 开始进行电刹 车研究的合作，并在一架a 1 0 飞机上成功地完成了全电刹车系统( e l e c t r i cb r a k es y s t e m ， e b s ) 的实验室测试。随后，美国空军又实施了一项为期三年的电刹车计划，试验的飞 机是f 1 6 ，防滑控制盒在h y d r 0 1 a i r e 公司的m a r kv 上进行改装，刹车装置由b f g 2 一 llliilliii，1liii，1l川 一 ，。0l-jf 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 运动控制公司提供。参与此项计划的还有麦道公司、b fg o o d r i c h 机轮与刹车公司。 h o n e y w e l ll a n d i n gs y s t e m s 也一直在研制开发电刹车系统，以机电作动机构代替活塞 轴承集合，其目的在于发展和验证e m a ( e l e c t r o m e c h a n i c a la c t u a t i o n ) 和p c e ( p o w e r - c o n t r o le l e c t r o n i c s ) 技术，并将其安装在战斗机上。1 9 9 2 年，m c d o n n e l la i r c r a f t 开始电力作动刹车技术( e l e c t r i c a la c t u a t e db r a k et e c h n o l o g y ，e l a b r a t ) 的研究，并和美 国空军研究实验室( a f r l ) 签署价值$ 2 ，0 0 0 ，0 0 0 的合同，实施全电刹车技术的实验室 验证。另外，法国m e s s i e rb u g a t t i ( 梅西埃比加蒂) 公司也在为其干线飞机研制简式 全电刹车系统，该公司为a 3 1 9 、a 3 2 0 、a 3 2 1 干线飞机研制的新型刹车系统已在1 9 9 6 年底得到空中客车工业公司的批准，目前被a 2 4 5 0 0 6 0 0 干线飞机所选用；英国在2 0 世纪9 0 年代末也开始发展全电刹车系统，该系统采用机电作动器，研究工作是在英国 贸易和工业部支持下通过很多飞机课题实施的【4 。5 1 。 在汽车线控技术研究开发上，着眼于解决环保和能源问题，不少国家在经济上和政 策上给与大力支持。d e l p h i 和t h ea i rf o r c er e s e a r c hl a b o r a t o r y 签署了一项协议要合力 将此技术引入汽车行业中。在2 0 0 2 年d e l p h i 集团得到了美国技术行动基金( t e c h n o l o g y a c t i o nf u n d ) o h i o 州发展局( d e p a r t m e n to fd e v e l o p m e n t ) 4 7 0 ，0 0 0 美元，又在2 0 0 3 年 追加5 0 0 ，0 0 0 美元给d e l p h i 和e d i s o n 材料技术中心( 后简称e m t e c ) 这两个合作团队。 该基金用来设计开发线控制动概念，同时在m i a m i 经济发展联盟( m v d e c ) 与w i g h t 技术网( w t n ) 支持下追加了1 ，1 0 0 ，0 0 0 美元技术行动基金。 跨国界的企业和大学积极参与，加快了线控制动技术的发展速度。许多汽车电子产 品设计与开发人员对线控制动系统的结构、控制算法及性能仿真试验做了大量的研究。 1 2 1 电子液压制动系统( e 皿) 的研究现状 做为一种较为新型的制动系统，e h b 发展时间较短，但是具有很大的应用潜力。目 前各大汽车厂商和研究机构都在积极的开发e h b 系统。 1 9 9 4 年，a n a l o g y 公司用s a b e r 仿真模拟的方法，开发出了一套电控液压制动系统 的控制系统【6 】。该系统由一个直流电动机带动的液压泵提供制动压力，制动管路由电磁 阀的开关进行制动压力的调节。同时，电子液压传感器检测实际的轮缸制动压力，再汇 集驾驶者控制制动踏板的动作信号以及轮速信号，对电磁阀的控制加以反馈修正，保证 对车轮施加合适的制动压力。 1 9 9 6 年，b o s c h 公司开发出一套全新的e h b 系统 7 1 ，该系统装在了试验车型上，得 到了满意的制动效果。 该系统制动管路中液压的产生是靠一个高压蓄能器，其内储存的高压制动液由电动 - 气一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 机带动的液压泵提供。各个车轮制动器的制动管路相互独立，分别设有各自的进液阀、 回液阀、液压传感器和相应的控制算法，组成自己的闭环压力控制系统。各控制部分的 动作噪声低，迅速并具有高精确度。可以实现a b s ( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) ， a s r ( a n t i s l i pr e g u l a t i o n ) 以及v d c ( v e c h i c l e d y n a m i cc o n t r 0 1 ) 等功能。该系统还设有 备用制动系统，一旦e h b 系统失效，驾驶者可以直接踩踏板驱动液压主缸，对车辆进 行制动。结构示意参看图1 1 。 图1 1b o s c h 公司开发的e h b 制动系统 f i g 1 1b o s c hh a sd e v e l o p e dab r a k es y s t e me h b 2 0 0 1 年9 月，b o s c h 为b e n z 公司开发的传感器制动控制( s e n s o t r o n i c b r a k e c o n t r 0 1 ) 的e h b 系统在法兰克福国际汽车展上首次展出，当时装备在b e n z 的新 型的m e r c e d e ss l 跑车上。继而在2 0 0 2 年装备在新型的m e r c e d e se 级车上，并力求 将s b c 作为该型车的标准配置。2 0 0 3 年装备在e s t a t e 型车上，并在同年首次推出了 加装在e c l a s s4 m a t i c 型车上的四轮驱动s b c ，这是首次将此项技术应用在系列化生 产的汽车上( 见图1 2 ) 。 移 墨如 嘲黼钐桫 图1 2s b c 系统的各组成示意( 分别为制动器，电控系统示意，h c u 部件) f i g 1 2s b ci n d i c a t i v eo f t h ec o n s t i t u e n ts y s t e m s ( f o rt h eb r a k e s ，e l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mi n d i c a t e ，h c uc o m p o n e n t s ) 2 0 0 2 年，韩国最大的汽车配件生产企业m a n d o 公司开发出了新一代的应用于 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 e h b 系统的h c u ，并开始为美国通用( g m ) 、福特( f o r d ) 公司以及戴姆勒一克莱斯勒公 司等汽车厂家供货。 2 0 0 2 年福特汽车公司生产的燃料电池汽车f o c u sf c v 的制动系统采用的就是制动 踏板与制动系统非机械方式连接的线控制动。 1 2 2 电子机械制动系统( e ) 的研究现状 从2 0 世纪9 0 年代开始，一些著名的汽车电子零部件厂商陆续进行了与e m b 相关的 研究，b o s c h 、s i e m e n s 和c o n t i n e n t a lt e v e s 等3 家公司都取得了各自的研究成果，并 申请了一系列专利。c o n t i n e n t a l t e v e s 公司已经有了比较成型的试 验品，推出了几代电子机械式制动 执行器。t r w 也在进行线控制动控 制系统的研究。目前e m b 系统仍在 试验阶段，并无批量装车的产品进 入市场，只是在概念车上应用，如 2 0 0 2a c u r ad n - x 概念车。2 0 0 4 年 5 月2 1 日，澳大利亚的p b r i n t e r n a t i o n a ll i m i t e d 公司宣布开发 出澳大利亚的第一款线控制动汽 图1 3h a l d 懿公司的电子机械制动系统， f i g 1 3i - i a l d e xc o m p a n y se l e c t r o n i ca n dm e c h a n i c a l b r a k i n gs y s t e m 车。瑞典的h a l d e x 公司也正在大力推进线控制动技术的发展，并在其基础上研制出电 子机械制动系统【引，如图1 3 。目前国内在这方面的研究刚刚起步。 下面分别介绍一下b o s c h 、s i e m e n s 和c o n t i n e n t a lt e v e s 等3 家公司的电子机械制动系 统。 ( 1 ) b o s c h 公司的e m b 系统 德国b o s c h 公司的e m b 系统采用电机外置结构，如图1 4 所示 9 1 。 工作时，动力由电机输入给内部的减速机构( 两个行星轮系) ，然后传递给螺旋传 动机构，转化为螺母的直线运动。螺母推动制动垫块，将制动力施加在制动盘上。另外， 该系统也可以实现驻车功能。 ( 2 ) c o n t i n e n t a lt e v e s 公司的电子机械制动系统 图1 - 5 所示为c o n t i n e n t a lt e v e s 第三代电子机械式制动系统带有两级减速机构的 e m b 执行器。该制动执行器采用了电机内置的结构，它的最大特点就是模块化，整个机 - 5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 制动钳 保持桨 墨 图1 4b o s c h 公司的e m b 系统 图1 5c o n t i n e n t a lt e v e s 第三代电子机械式制动系统 f i g 1 4b o s c h se m bs y s t e mf i g 1 5c o n t i n e n t a lt e v e st h i r dg e n e r a t i o no fe l e c t r o n i ca n d m e c h a n i c a lb r a k i n gs y s t e m 构又可分为三个部分：驱动部分电机；减速部分一行星齿轮机构；螺旋传动部分 行星滚子副，把旋转运动变成丝杠的直线运动1 0 1 。三个模块在生产、安装和维修时 可以独立进行，然后组装在一起工作。 在驱动部分中还有一个棘轮机构用于实现驻车功能。通过电磁铁的通断电，控制棘 轮机构，来控制电机转子是否旋转。当电机转子不转动时，可以保持住制动力，达到驻 车的目的。 ( 3 ) s i e m e n s 公司的电子机械制动系统 图1 6s i e m e n s 公司的电子机械制动系统 f i g 1 6s i e m e n sc o m p a n y se l e c t r o n i ca n dm e c h a n i c a l b r a k i n gs y s t e m 1 定子；2 。压电式力传感器；3 心轴；4 位移传感器；5 螺母；6 增力杠杆；7 压力盘； 8 橡胶封环；9 制动块；1 0 制动盘；11 制动活塞；1 2 传动套筒：1 3 弹簧；1 4 转子； 图1 6 为s i e m e n s 公司研制的一种典型的带有机械磨损后，可以自动补偿制动盘和 制动垫块间隙的e m b 执行机构【1 1 1 。 这种执行机构力矩电机内置，采用螺旋球机构把圆周运动转化为直线运动，采用了 6 一 ， ，llr 在国内同济大学对e m b 系统的理论进行了研究，并制作了一个e m b 系统的原理 样机( 图1 7 ) 。它是由力矩电机、滚珠丝杠和浮钳盘式制动器组成。制动时，电机的转 动经滚珠丝杠副后转化为丝杠的平动，进而产生制动压力。运用该样机可以进行电机电 压与制动力的关系、电机电流与制动力的关系、制动力的变化、制动力增长时间及制动 力响应时间等性能测试【1 2 1 。 1 3 线控制动系统的优势及存在的问题 1 3 1 电子液压制动系统( e 耶) 系统的优点 目前，大部分汽车上都在使用液压制动系统，这些系统通常需要一个真空助力器， 而在有些情况下还必须使用真空泵，这些部件占据了大量的汽车空间，并且在制动踏板 与执行机构之间以传统的机械方式连接。制动时驾驶员踩下制动踏板，推动与制动调压 器及制动主缸相连的活塞连杆。制动主缸将根据踏板力，在制动路线上形成相应的压力， 在机械和液力相互作用下，通过轮边制动缸推动制动钳压向制动盘。 e h b 的诞生，在构成上取消了真空助力器和真空泵，电子元件将替代当前制动系统 中大量使用的机械元件，调压器也不再需要，取而代之的是用传感器来测量制动主缸内 的压力及制动踏板运动的速度，并将这些数据用电子脉冲的形式传送到e h b 的处理器 中。为了让驾驶员能够有相似的制动感觉，工程师们开发了一个特别的仿真器，见图1 8 ， 将它连接到前后制动主缸上，用弹簧力和液压力来推动制动踏板。也就是说：在制动过 程中，执行元件是完全和系统的其余部分断开的，它只负责纪录发出的制动指令。只有 - 7 _ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 出现严重错误时，e h b 才会自动使用前后制动主缸，并在制动踏板和前轮制动器之间迅 速建立液压连接，以保证车辆安全减速。e h b 系统制动液是由电子控制的电机提供的， 能更快的响应制动。 紧急制动：由于e h b 借助于电子部件来感应和传递制动信号，因此其反映速度比 传统制动系统要快的多，而且由于采用了高压蓄能器，制动压力也比传统制动压力高， 因此制动时间也得到了降低。研究表明，装备e h b 的汽车在1 2 0 k h 的速度下制动，其 制动距离比装备传统制动系统的车型减少了大约3 【1 3 】。 行驶稳定性：e h b 系统可以与e s p 等稳定控制系统协同工作，提高汽车的行驶稳 定性。 弯道制动：在弯道上制动时，e h b 能够根据实际情况分配制动力，它可以增加外侧 车轮的制动力来提高制动效果，同时内侧车轮的制动力会减少，以提高横向牵引力，增 强转弯能力。 舒适性，e h b 踏板在制动系统中的分离式设计和采用机电一体化的均衡压力控制， 提高了制动的舒适性，特别是在急剧减速或a b s 系统工作时。踏板感觉不到脉冲，避 免了驾驶员误将脚从制动踏板上挪开而无形增加制动距离的可能。 附加功能：e h b 系统还具有很多额外的功能。如在湿滑路面上，它可以弄干制动盘 上的水膜，使e h b 在最佳效能下工作。e h b 系统还有一种称为交通阻塞辅助系统的功 能，在拥堵的路面上行驶时，驾驶员只需要控制加速踏板，右脚一旦离开加速踏板，e h b 就会减慢车速并以稳定的速度将车停下。在斜坡行驶时，e h b 的起步辅助功能还可以防 止汽车向后或向前滚动。 1 3 2 电子机械制动系统( e ) 系统的优点 e m b 除了具有e h b 的优点之外还有： ( 1 ) 不用制动液有利于保护生态环境，减少维修保养工作量，不会产生气阻等实效现象； ( 2 ) 整个制动系统结构简单，去掉了传统制动系统中的制动主缸、助力装置、比例阀、 气泵、储气筒、复杂的管路系统等部件； 、 ( 3 ) 缩短制动距离，由于制动执行器和制动踏板之间没有了液压和机械连接，取而代之 的是数据线，无疑这将大大的减少制动器起作用的时间，进而有效地缩短制动距离； ( 4 ) 每个车轮制动力自动随车轮承载质量变化，使制动力分配达到理想化，最大限度减 少制动器衬片磨损； ( 5 ) 总成的制造、装配和装车检验简单快捷，整个电制动系统分总成都是模块式结构； ( 6 ) 电线连接，无机械接头，系统耐久性能良好： - 8 _ 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 ( 7 ) 由于采用全电制动、系统易于并入c a n 集成管理，同时完成多种功能( a b s 、t c s 、 e s p 等) ，并为将来g p s 定位、巡航控制、汽车智能驾驶等进一步发展提供基础。 1 3 3 线控制动系统要解决的关键问题 全电制动控制系统是一个全新的系统，给制动控制系统带来了巨大的变革，为将 来的车辆智能控制提供条件。但是，要想全面推广，还有不少问题需要解决： ( 1 ) 驱动能源问题 采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，一个盘式制动器大约需要l k w 的驱 动能量。目前车辆1 2v 电力系统提供不了这么大的能量，因此，将来车辆动力系统采用 高压电，加大能源供应，可以满足制动能量要求，而同时需要解决高电压带来的安全 问题。 ( 2 ) 力矩电机的设计 在制动时，当制动垫块和制动盘接触后，e m b 中的力矩电机将工作在“憋死 这样 的恶劣工作条件下。e m b 不仅要求电机性能优越、反应迅速、可以提供足够大的力矩， 而且必须结构紧凑、体积小巧、能够安装在狭小的制动空间内，还需要在冷、热、泥水、 电磁干扰等恶劣环境下能够可靠工作。 ( 3 ) 机械一电子执行机构的设计 对于机械一电子执行机构的研究已经有几家公司提出了设计方案并申请了专利，目 前的执行机构中机械零件还比较多、结构也很复杂，如何才能够有效地传递扭矩、增大 扭矩，如何保证机构能自动调节制动间隙，如何使结构尽量小巧并可靠都是设计过程中 要面对的难题，也是重要的研究方向。 ( 4 ) 对容错和失效处理的要求 电子机械制动系统面临的一个难题是当制动系统部分失效时，如何保证安全。如果 去掉各种液压元件，不存在独立的主动备用系统，这时需要一个失效( 或单边失效) 时 的备用系统以保证安全。如果各种代码和e c u 元件失效，应有备用元件替代失效元件， 使整个制动系统正常工作。电子机械制动系统中，一般每个车轮上会有一个带相关控制 电路的电机控制执行器。如果一个单独车轮单元有故障时，用剩余的三个车轮仍能将车 辆制动，使之安全停车( 假定采用智能控制，保持横向稳定性的同时，提供足够的制动 力) 。这种故障不是致命的，因此车轮控制元件不需要备用元件。但是，如果制动踏板 位置传感器失效，就可能是灾难性的，因此系统的这一部分，一般应增加一个备用传感 器。为使电子机械制动系统成为普遍解决方案所需的技术是一个有待提高的车辆动力管 理系统和一个高性价比的串行容错结构。由于电子机械制动系统完全取消了液压元件， 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 没有独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全，不论是e c u 元 件失效，传感器失效还是制动器本身，线束失效，都能保证制动的基本性能。但决不是 回到传统制动控制的老路上去。此时，与其使用能安全停止工作的系统，不如采用容错 或自动防故障系统。当节点或电子控制单元出现故障时，在不破坏现有系统完整性的情 况下，启用后备装置。容错程度应随应用场合不同而不同，但重要的传感器和控制器都 应该有备份。另外，系统中每一个节点之间的串行通信必须支持容错，而容错就需要开 发相应的通信协议。因为现在车辆应用的一些普通通信系统，如c a n 等都不能满足容 错的要求，所以需要开发一种新型的通信协议。 一p_r。1 l 制动节点li 堡堕墨_ l 堡壁墨! i i 堡璧墨翌ii 制动节点i t t p 总线 餐嚣余件管理嚣y b 幂什 冗余t t p 总线 皇渠墓n ，冗余件理系统l r ”。 l 型垫! 皇ii 型垫! 皇i 图1 8 汽车电子机械制动系统布置总图 f i g 1 8a u t o m o t i v ee l e c t r o n i ca n dm e c h a n i c a l b r a k i n gs y s t e ml a y o u tm a s