智能车辆线控底盘与控制技术 课件 第3章 线控制动

第三章线控制动系统3.1线控制动系统结构及原理3.2线控制动控制3.3线控制动电控系统3.4线控制动系统的失效与容错控制本章内容线控制动系统的结构类型和工作原理线控液压制动与线控机械制动的基本控制问题线控制动系统的冗余设计线控制动系统的故障诊断学习重点3.1线控制动系统结构及原理线控液压制动：电子液压制动基础上，采用电动助力或主动增压产生制动压力。应用于乘用车、小型客货车以及部分重载车辆线控机械制动：取消了制动系统的液压或气压传动回路，电机经减速增矩后直接推动制动摩擦片进行制动线控气压制动：采用电控比例阀或高速开关阀产生制动气压。应用于中大型客货车以及采用客货车底盘的特种车辆等3.1线控制动系统结构及原理线控液压制动电机推动制动主缸活塞产生压力电动助力型并联主缸/泵产生制动压力完全解耦型电动助力型EHBiBooster一代iBooster二代3.1线控制动系统结构及原理电动助力型EHB——iBooster

踏板推杆助力回位弹簧电机小齿轮滚珠丝杠踏板复位弹簧主缸顶杆助力板反应盘助力阀体主缸活塞滚珠螺母推杆连接杆永磁同步电机驱动电机

减速机构

滚珠丝杠

助力阀体踏板推杆反应盘助力板

主缸顶杆

活塞助力板反应盘助力阀体踏板推杆主面副面

主面副面3.1线控制动系统结构及原理电动助力型EHB——iBooster助力阀与踏板推杆的位移相同时，主面和副面的接触压力相同，助力增益等于副面与主面的面积比；助力阀位移超前踏板推杆时，副面接触压力大于主面，助力增益比自然状态时大助力阀位移滞后踏板推杆时，副面接触压力小于主面，助力增益比自然状态时小3.1线控制动系统结构及原理电动助力型EHB——iBooster踏板力主缸压力常规型运动型舒适型始动力跳增值助力比=Fout/Fin最大助力点滞回特性特征影响因素调节措施始动力复位弹簧刚度及预紧力无跳增值反应盘与踏板推杆间间隙跳增阶段主、副面位移差和输入推杆位移的关系曲线助力比反应盘主、副面的面积比反应盘主、副面的位移差最大助力电机力矩限制电机最大电流滞回液压系统及橡胶反应盘的迟滞控制去、回程中位移差与输入推杆位移关系曲线的偏差3.1线控制动系统结构及原理电动助力型EHB——iBooster+ESPTwoBox后轴调节：后轴液压大于分配的制动压力时，PCR阀打开，制动液回储液罐；后轴液压小于分配的制动压力时，PCR阀关闭，电子泵将制动液从储液罐泵回到后轴高压回路。前轴调节：前轴液压大于分配的制动压力时，前轮轮缸的制动液经减压阀流入蓄能器RVR；当前轴压力小于分配的制动压力时，电子泵将蓄能器的制动液泵回前轴高压回路3.1线控制动系统结构及原理电动助力型EHB——再生制动

F弹簧F液压F助力F踏板液压制动F弹簧F液压F助力F踏板再生+液压制动F踏板F助力F弹簧F液压储液罐TMC

电机

制动时踏板力和电机助力耦合共同克服回位弹簧阻力和液压反力。再生制动模式时，由于制动压力下降，电机助力减小以保持不变的踏板力特性3.1线控制动系统结构及原理完全解耦EHB独立主动建压单元早期产品——高压蓄能型电机功率不够——>蓄能问题：高压高负荷

成本高，失效风险、可靠性不高

发生过大规模召回已弃用3.1线控制动系统结构及原理完全解耦EHB——直接建压型驾驶员接口模块、主动建压模块、ESPALLinONE——One-BoxSU

踏板Prim.Sec.踏板模拟器压力单元M

1PUUnUP

2

45

3ABS/ESP/TCS单元制动器主动建压模块驾驶员接口模块3.1线控制动系统结构及原理完全解耦EHB——直接建压型吉林大学四腔eBooster3.1线控制动系统结构及原理线控机械制动EMBEMB的响应时间约90毫秒，比iBooster的120毫秒更短，缩短制动距离；无液压系统，没有液压泄漏，降低维护成本优势挑战无备份系统，可靠性要求极高，尤其是电源和通信系统的容错能力；制动力不足，EMB系统安装在轮毂中，轮毂的空间限制了电机的体积和功率；恶劣的工作环境，如高温和振动等，对电机、功率半导体器件性能和可靠性都是严峻挑战技术路线线性增力型、非线性自增力型3.1线控制动系统结构及原理线控机械制动EMB——线性增力型大陆两级减速EMB西门子杠杆增力EMB3.1线控制动系统结构及原理线控机械制动EMB——线性增力型电磁离合器2通电，1不通电，传动比小，迅速消除间隙两个电磁离合器都通电，传动比大，减速增矩电磁离合器2不通电，1通电，无需电机反转实现制动盘与制动片的分离两个电磁离合器不通电，锁死，驻车博世双行星减速3.1线控制动系统结构及原理线控机械制动EMB——线性增力型西门子eBrake

3.1线控制动系统结构及原理线控机械制动EMB——非线性自增力型清华大学磁流变楔形自增力无促动电机自供电通过调节磁流变执行器线圈电流控制制动力3.1线控制动系统结构及原理线控气压制动制动踏板信号获取驾驶员制动意图，利用电信号控制气阀产生制动压力，达到改善制动响应速度、丰富控制功能的目的3.1线控制动系统结构及原理线控气压制动——主要部件制动脚阀3.1线控制动系统结构及原理线控气压制动——主要部件比例继动阀3.1线控制动系统结构及原理线控气压制动——主要部件轴调节器3.2线控制动控制线控液压制动控制——制动意图识别、制动踏板力反馈、助力特性、压力控制制动意图：制动状态、制动强度需求制动状态分类依据踏板行程持续增加，应用状态；踏板行程保持不变，保持状态；踏板行程持续减小，释放状态制动状态——应用、保持和释放，确定基本助力特性制动强度——驾驶员对制动减速度的需求，识别制动强度需求是制动力分配前提3.2线控制动控制踏板推杆位移准确和实时反映制动强度需求踏板速度反映驾驶员制动需求的紧急程度模糊推理线控液压制动控制——制动意图识别制动强度需求3.2线控制动控制线控液压制动控制——制动踏板力反馈助力型EHB的踏板力反馈电动助力型EHB，控制助力阀与踏板推杆间的位移差完全解耦型EHB系统，踏板模拟器提供踏板反馈力

&

3.2线控制动控制线控液压制动控制——制动踏板力反馈踏板模拟器3.2线控制动控制线控液压制动控制——制动踏板力反馈踏板模拟器

3.2线控制动控制线控液压制动控制——IBooster助力特性IBooster是助力控制型，通过控制助力，实现制动压力控制3.2线控制动控制线控液压制动控制——IBooster助力特性3.2线控制动控制线控液压制动控制——IBooster助力特性3.2线控制动控制线控液压制动控制——IBooster助力特性试验标定得到各种助力风格下的主面凸起量—推杆位移控制率舒适型具有更大的主面凸起量，从而提高制动操纵舒适性运动型要求更大踏板力输入，最小凸起量静止时，小推杆行程时，主面凸起量为0，减小电机助力输出，当推杆行程进一步增加时，意味真实的制动意图，主面凸起量随推杆行程增加而迅速增加，电机助力增大，从而降低静止时的制动操作负荷3.2线控制动控制线控液压制动控制——解耦型线控制动的压力控制

电机转子运动方程制动轮缸活塞运动方程3.2线控制动控制线控液压制动控制——解耦型线控制动的压力控制

制动轮缸内的压力变化率液压系统微分方程

控制阀节流特性

3.2线控制动控制线控液压制动控制——解耦型线控制动的压力控制电液制动系统状态方程取电机角速度、角位移，伺服缸压力和轮缸压力为状态变量，输出为伺服主缸压力和轮缸压力，输入为电机力矩

3.2线控制动控制线控液压制动控制——解耦型线控制动的压力控制电液制动系统状态方程

唯一非线性项3.2线控制动控制线控液压制动控制——解耦型线控制动的压力控制压力闭环控制器——压力-速度-电流三闭环串级PID控制器

3.2线控制动控制线控液压制动控制——解耦型线控制动的压力控制压力闭环控制器——压力死区控制策略

到达死区前采用线性位置PID控制器3.2线控制动控制线控机械制动控制——夹紧力估计与控制夹紧力估计——直接测量，间接估计夹紧力响应特性3.2线控制动控制线控机械制动控制——夹紧力估计与控制卸载过程卸载响应则近似平行

3.2线控制动控制线控机械制动控制——夹紧力估计与控制加载过程

3.2线控制动控制线控机械制动控制——夹紧力估计与控制夹紧力跟踪控制——PID控制器3.2线控制动控制线控气压制动控制——制动压力跟踪控制EBS比例继动阀控制比例继动阀的滞回特性3.2线控制动控制线控气压制动控制——制动压力跟踪控制EBS比例继动阀迟滞特性补偿初始间隙是控制死区，导致响应延迟和抖动，策略：当驾驶员开始踩下制动踏板，对比例阀施加消除初始间隙的电流，使继动活塞移动到与阀座即将接触的位置比例继动阀的滞环特性进行前馈补偿，即根据增、降压状态和目标制动压力，确定驱动电流的前馈补偿量。3.2线控制动控制线控气压制动控制——制动压力跟踪控制EBS比例继动阀制动压力闭环控制控制区间分为若干子区间，为每个子区间标定一组PID参数，实现在全压力区间的稳定、准确的压力控制3.2线控制动控制线控气压制动控制——制动压力跟踪控制EBS轴调节器控制轴调节器增压响应和增压速率控制轴调节器降压响应和降压速率控制3.2线控制动控制线控气压制动控制——制动压力跟踪控制EBS轴调节器压力闭环控制门限逻辑算法门限逻辑和PID联合控制当输出压力大于目标压力上限时，开启减压阀，关闭增压阀；当输出压力小于目标压力下限时，开启增压阀，关闭减压阀实际压力在目标压力的上下限区间之外时，采取门限逻辑控制，通过快速增压/减压；实际压力在目标压力的上下限区间内时，采用PID控制，通过调节PWM的周期和占空比，实现分段式慢增/减压3.3线控制动电控系统EHB电控系统3.3线控制动电控系统EBS电控系统3.4线控制动系统的失效与容错控制危害分析与风险评估失去制动能力——不能响应驾驶员的制动请求并产生制动力；非预期制动——制动力与驾驶员的意图不一致，如在无制动请求下产生制动力；制动力过大、过小或滞后，虽然能够按照驾驶员意图制动，但制动力幅值与期望值不一致；运行场景失效后果危害事件严重度暴露度可控性ASIL车辆行驶失去制动与其他交通参与者、道路设施碰撞S3E4C3D高速行驶制动力过小与其他交通参与者、道路设施碰撞S2E4C3C高速行驶制动力过大引起后车追尾、车辆失稳S1E4C2A车辆行驶非预期制动引起后车追尾、车辆失稳S2E4C2B踏板行程传感器失效的ASIL等级3.4线控制动系统的失效与容错控制危害分析与风险评估线控制动系统各失效模式引起危害事件的ASIL等级失效模式ASIL等级安全目标主缸压力传感器失效D避免失去制动、非预期制动，制动力过大/小幅度在容限内电机位置传感器失效D同上制动压力传感器失效D避免失去制动，制动力过大/小幅度在容限内控制器输出错误或无输出D避免失去制动、非预期制动，制动力过大/小幅度在容限内电机失效D避免失去制动，制动力过小幅度在容限内阀失效D避免失去制动、非预期制动，制动力过大/小幅度在容限内节点故障和链路故障D避免失去制动、非预期制动电源失效D避免失去制动3.4线控制动系统的失效与容错控制冗余设计机械备份、制动单元冗余、供电冗余、传感器冗余电机（阀）冗余和控制器冗余不常见机械备份3.4线控制动系统的失效与容错控制冗余设计——制动单元冗余3.4线控制动系统的失效与容错控制冗余设计——制动单元冗余3.4线控制动系统的失效与容错控制冗余设计——应急制