汽車電控機械制動系統控制范文

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隨著科技的飛速發展，更高的安全性能逐漸成為人們對汽車產品的一項重要需求。對于現代型汽車，人們可以通過了解其制動性能和一體化底盤綜合控制技術來衡量其是否具備良好的安全性能。從制動系統來分析，傳統汽車制動系統制動管路及系統構造錯綜復雜，不利于裝配和維修，響應速度慢，制動效能低，而且制動液還污染環境。因此，汽車設計領域在傳統制動系統的基礎上研發了車輛電控機械制動系統（EMB-ElectromechanicalBrakingSystem）來解決這些問題。并且，EMB通過與其它部件經CAN總線集成還可以建立起一個綜合的底盤控制系統。本文結合現有的EMB參考資料，根據實際零部件的參數對EMB機械執行機構和執行電機進行機電系統的建模和動力學分析，再通過EMB制動系統與傳統制動系統的制動效能進行對比分析，驗證EMB制動系統的優越性能，對以后的更進一步設計和完善提供思路。

1傳統汽車制動系統存在的問題

傳統意義上的汽車制動系統主要是HB和EHB線控液壓制動系統。EHB液壓制動系統是在HB液壓制動器基礎上發展而來。與傳統液壓制動器相比，EHB的一體化制動結構大大縮短了制動反應時間，提高了制動效能，操控系統更簡單，噪聲較輕微，并且無需真空輔助裝置，有效減輕了制動踏板的打腳，提供了更優越的踏板感覺。另外，現代汽車制動系統采用模塊化構造，省去了一部分零部件，節省了系統空間，使得系統運行更加輕便靈活。但是嚴格來講，EHB液壓制動系統的制動管路布置較復雜，裝配和拆修程序非常繁瑣，響應速度慢，而且制動液會污染環境，因此還需要做進一步改進。

2車輛電控機械制動系統（EMB）改進思路

電控概念的出現為汽車制動系統的研究開啟了全新的思路。研究者大膽的把電控單元引入汽車液壓制動系統中，開發了一套全新的車輛電控機械制動系統（EMB），解決了傳統制動系統存在的問題，大大提高了汽車制動效能。

2.1系統工作原理在電控機械制動系統中，其主要組成部分有電機、制動器、控制器ECU以及傳動裝置等（如圖1所示）。當車輛制動時，由安裝在制動踏板上的傳感器將車輛駕駛員踏板踩下的位移情況進行檢測，并將相關數據傳輸到RCU中，由踏板的速度以及位移情況共同對駕駛員的意圖進行判斷，即屬于緊急制動還是普通制動。在此過程中，ECU將對制動塊制動力、車輪傳感器等信號進行分析，并通過控制算法的計算獲得電壓控制信號，由減速器減速增扭，經過滾動絲杠機構將旋轉運動轉換為移動，最終實現車輪的制動力控制以及制動塊壓緊力控制。之后，則由FlexRay總線將傳感信號傳輸到ECU，并由ECU將控制信號再一次傳輸給電機。圖2清晰地展示了車輛電控機械制動系統的制動原理。

2.2控制目標對于電控機械制動系統的控制目標而言，其包括有以下幾個方面：第一，踏板力感控制，對制動的感覺進行優化；第二，通過對車輪電機的控制，以實時的方式對車輪制動力矩進行控制，并對車輛ABS制動防抱死功能進行實現；第三，分配制動力，包括有車輛前后軸制動力分配以及再生制動控制策略等；第四，對轉向系統、驅動系統以及制動系統實現集成控制，并對ESP以及ASR等功能進行實現。

3車輛制動管動力學模型和制動過程仿真

3.1制動動力學模型車輛制動動力學模型主要包括有整車制動模型、控制器模型、輪胎模型以及制動系統模型等。

3.1.1整車制動模型目前，國際上對于車輛制動控制進行研究的模型有以下幾種，即雙輪模型、四輪模型以及1/4車輛模型。本文以1/4車輛模型進行研究。

3.1.2輪胎模型在制動控制以及制動動力學研究中，其所應用的輪胎模型表征制動為路面縱向附著系數與輪胎滑移率之間的關系。其中，路面附著系數是輸出數據，而輪胎滑移率則為輸入數據。在具體計算中，可以根據輪速以及車速對滑移率進行計算，并由查表模塊的應用對路面縱向附著系數進行查找。在本研究中，根據Burckhardt模型進行研究，如圖3所示，其中表明干濕路面以及冰雪路面的最佳滑移率分別為0.2、0.08以及0.15。

3.1.3電控機械制動模型電控機械制動模型由減速器模型、制動器模型、電機模型和絲杠傳動模型組成。它通過電機力矩實現輸入，通過制動力矩實現輸出。

3.1.4控制器模型通過PID進行制動控制時，控制器模型輸入為實際滑移率同最佳滑移率之間的差，而電機力矩值則為期望輸出。

3.2制動過程仿真分析為了能夠對車輛在不同路面情況下的制動過程進行研究，本文對車輛在不同情況下的路面制動進行了試驗，即在不同路面上以80km/h的速度進行制動，并施加制動力矩階躍輸入模擬緊急制動的制動過程：在干燥路面上，對車輛制動力矩對于制動過程的影響進行了對比與研究，即當制動力矩同附著力限定制動力矩值相比較小時，車輛制動時間為3.1s，制動距離為34.5m；當制動力矩同限定制動力矩值相比要高時，就會引起制動距離增加，使車輪抱死，制動時間為5.1s，制動距離為55.2m；在濕滑路面上，當車輛制動力矩同限定制動力矩值相比較小時，制動時間為5.8s，制動距離為63.6m，而當制動力矩同限定力矩值相比較大時，車輛所具有的制動時間為9.8s，制動距離為105.8m；在冰雪路面上，當車輛當車輛制動力矩同限定制動力矩值相比較小時，制動時間為13.5s，制動距離為151m，而當制動力矩同限定力矩值相比較大時，車輛所具有的制動時間為16.1s，制動距離為176.6m，車輪出現抱死情況，車輛具有較大的危險。通過對上述數據的分析可以發現，同干路面道路行駛相比，當車輛在濕滑路面進行高速狀態制動時，車輪在很短時間內就會出現抱死情況，其滑移率為100%，并由于地面附著系數較低而使其具有了更長的制動距離。而同濕滑路面制動相比，當車輛在冰雪路面以較高車速進行制動時，所具有的抱死時間更快，甚至可以說是在瞬間就形成了抱死的情況，滑移率同樣為100%，同濕滑路面相比，由于冰雪路面附著系數更低，車輛制動的距離相對來說也更長。對此，當車輛在冰雪、濕滑等附著系數較低的路面上以高速狀態緊急制動、而沒有做好防抱死控制時，車輛則有非常大的幾率出現車輪抱死情況，進而由于制動距離增加而大大提升安全事故的發生幾率。

3.3遺傳算法優化PID參數本文在MATLAB軟件基礎上對車輛電控機械制動控制策略仿真圖形界面軟件進行了開發，在該軟件系統中，用戶將車輛的輪胎模型以及整車相關參數根據提示輸入到系統中之后，通過對控制算法按鈕的點擊，則能夠以更為直觀、快速的方式對車輛制動信息進行分析。另外，本文還采用遺傳算法優化PID參數，以實現快速制動的目的。對于復雜系統優化問題的隨機優化來說，遺傳算法是非常適合的一類搜索算法，能夠在同一時間對空間中的很多點進行快速的搜索，并在段時間內實現全局的收斂。對此，本文利用模型對此問題進行優化設計，議PID控制參數中的積分系數、微分系數以及比例系數為變量，在一定長度路面上，制動實際滑移率以及理想滑移率之間的差值均方根作為目標函數，對約束條件進行優化設計，并使用MATLAB工具箱中的算法對目標函數進行求解，以提高車輛的穩定性。然后通過對主程序M文件以及目標函數M文件的編寫獲得理想的控制參數優化結果。在該研究的基礎上，本文對不同路面情況下的控制參數進行了進一步的優化，獲得由以下結果：在干路面情況下，制動時間為2.6s，制動距離為29.4m，經過比對滿足我國制動規范要求；在濕路面情況下，制動時間為4.6s，制動距離為51.4m，冰雪路面上制動時間為12s，制動距離為133.8m，經過比對，都同我國制動規范要求進行了較好的滿足。經過上述數據的優化與分析，可以看到，在不同路面情況下，都能夠實現對目標滑移率的跟蹤，在對地面附著力進行最大程度利用的同時縮短了車輛制動距離，對于車輛制動時的方向穩定性以及制動效能都是一種非常有效的提升。

4改進效果

經過仿真優化后的汽車電控機械制動系統（EMB）與傳統汽車制動系統與電控制動系統進行了一番對比，發現汽車電控機械制動系統具有明顯的應用優勢。效果對比如下：

4.1結構和性能的對比分析傳統汽車制動系統擁有復雜的管路和控制閥，造價高，系統靈活性差，反應時間較長，在一定成度上降低了制動系統的安全性能。電控機械式制動系統在管路、閥門和結構等方面都做了改進，因此安全性能更好，其相對于傳統制動系統的應用優勢詳見表1。

4.2制動距離的對比分析以一輛40t的載貨車為例，裝有盤式制動器和EBS，在時速達到90km/h時開始制動，到車輛停下來的制動距離比ABS和鼓式制動器（制動壓力800kPa）縮短了45％，而Haldex公司推出的EMB在此基礎上又將制動距離縮短了14％。各種不同制動裝置下的制動距離如圖4所示。

4.3事故發展生率的對比結果梅賽德斯—奔馳公司根據德國聯邦統計局（SBA）的交通事故統計數據顯示，裝配EMB系統的梅賽德斯—奔馳牌轎車，事故率明顯降低。2014年度新登記注冊的梅賽德斯—奔馳牌轎車，其事故發生率比2010年未裝配EMB系統的同類車型減少了15%。同一時期內，其它知名品牌的轎車事故率平均降低了11%。顯然EMB系統使梅賽德斯—奔馳牌轎車的事故率的降低程度比其他品牌轎車低了4%。

5結論

上文對汽車電控機械制動系統控制進行了一定的研究：第一，本文對具有仿真分析、控制策略設計的軟件進行了開發，對控制策略設計以及分析工作的效率起到了提升的作用；第二，在對電控機械制動系統控制目標FENIX的基礎上對PID控制對制動效果的影響進行了研究，并制定出了能滿足制動防抱死的控制目標；第三，通過遺傳算法的應用，對PID控制參數進行了優化，在對目標滑移率進行跟蹤的同時對地面附著力進行了最大程度的應用，在對車輛制動距離進行縮短的同時使車輛制動過程中方向的穩定性以及制動效能得到了提升。簡單的來說，電子機械制動系統就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅動的部分改為由電動機來驅動，借以提高響應速度、增加制動效能等，同時也大大簡化了結構、降低了裝配和維護的難度。目前，該系統逐漸在汽車制造領域得到廣泛應用，但是時間上相對之后，許多車輛都是出廠后才召回做改進，不僅造成了一定的經濟損失，而且有損企業聲譽。可見，要徹底改革傳統制動模式還需要做出更多努力。

作者：王芹 單位：連云港職業技術學院