汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳小川，李鼎，焦志浩，季維強(qiáng)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070)

0 引言

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，大眾生活水平的提高，人們對(duì)汽車交通的安全性要求與日俱增，而擁有優(yōu)異的制動(dòng)性能是現(xiàn)代化安全汽車的重要評(píng)證。雖然傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)性能上也能滿足現(xiàn)有制動(dòng)法規(guī)的各項(xiàng)要求，但是交通事故的頻繁發(fā)生和汽車制動(dòng)器響應(yīng)速度慢、制動(dòng)效果不理想、制動(dòng)器損耗度過高、裝配維修昂貴等不利情況有直接的關(guān)系，因此，行業(yè)人士提出了汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)以解決這些問題。

1 汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

幾年來西方發(fā)達(dá)國家又興起了對(duì)車輛線控系統(tǒng)(X -BY -WIRE)的研究，線控(BRAKE -BY -WIRE)應(yīng)運(yùn)而生，由此展開了對(duì)電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng) (ELECTROMECHANICAL BRAKING SYSTEM)的研究，簡單來說電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的部分改為由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，借以提高響應(yīng)速度、增加制動(dòng)效能等，同時(shí)也大大簡化了結(jié)構(gòu)、降低了裝配和維護(hù)的難度。由于人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動(dòng)系統(tǒng)在加入了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、TCS、ESP 等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓(空氣)回路泄露的隱患也加大，同時(shí)裝配和維修的難度也隨之提高［1］。因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)越來越受到青睞，可以預(yù)見EMB 將最終取代傳統(tǒng)的液壓(空氣)制動(dòng)器，成為未來車輛的發(fā)展方向。

2 EMB 系統(tǒng)的模型分析

2.1 EMB 系統(tǒng)工作原理

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)工作原理為:當(dāng)汽車行駛時(shí)需要采取緊急剎車，駕駛者腳踏的力量信號(hào)傳到制動(dòng)踏板，該力量信號(hào)經(jīng)過EMB 控制系統(tǒng)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)控后輸出電樞電壓直接作用于無刷直流力矩電機(jī)上，輸出的電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速增矩，轉(zhuǎn)化成絲杠位移，再經(jīng)過制動(dòng)機(jī)構(gòu)作用轉(zhuǎn)化成制動(dòng)力，整個(gè)過程的時(shí)間極短，在0.1 s 作用［2］。

2.2 EMB 執(zhí)行系統(tǒng)

一個(gè)設(shè)計(jì)完整的EMB 執(zhí)行系統(tǒng)包括無刷直流電機(jī)模塊(包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊)、傳動(dòng)模塊和制動(dòng)模塊。要完成EMB 的動(dòng)力學(xué)仿真，首先要完成以上三個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)。EMB執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 中:Fd為制動(dòng)器的目標(biāo)夾緊力;AVI 號(hào)為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào);DIR 為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號(hào);Ua、Ub、Uc分別為電機(jī)定子每相繞組端電壓;Uh+、Uh-分別為霍爾傳感器供電高低電壓;n 為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速;ns為絲杠轉(zhuǎn)速;s 為絲杠副中螺母的平動(dòng)位移;F 為制動(dòng)器的夾緊力;Mb為制動(dòng)器的制動(dòng)力矩;Jc為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TL為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力矩;Sa、Sb、Sc分別為三個(gè)霍爾傳感器的信號(hào);Ia、Ib、Ic、分別為電機(jī)定子每相繞組電流［3］。

2.3 EMB 控制系統(tǒng)

電機(jī)的控制采用三環(huán)(電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和壓力環(huán))反饋控制，輸入為目標(biāo)夾緊力，輸出為電機(jī)電樞電壓。EMB 電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

電機(jī)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是對(duì)控制器設(shè)計(jì)，該三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)包括夾緊力控制器、轉(zhuǎn)速控制器和電流控制器［4］。其設(shè)計(jì)方法是:從內(nèi)環(huán)開始，每次向外擴(kuò)展一環(huán)，首先設(shè)計(jì)電流控制器，再將電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)部分設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制器，最后把轉(zhuǎn)速控制環(huán)當(dāng)作夾緊力調(diào)節(jié)環(huán)中的一個(gè)部分設(shè)計(jì)夾緊力控制器。

上述的夾緊力控制器、轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器均是PI控制器。電流控制器的輸入是目標(biāo)電流與實(shí)際電流的差值，輸出為電機(jī)的控制電壓;轉(zhuǎn)速控制器的輸入是目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，輸出為電機(jī)電流的目標(biāo)值;夾緊力控制器的輸入是目標(biāo)制動(dòng)夾緊力與反饋制動(dòng)夾緊力的差值，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值。電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和夾緊力為需測(cè)量的量。在本控制系統(tǒng)中，通過無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上安裝的電流傳感器測(cè)量電機(jī)實(shí)時(shí)電流;通過光電編碼器測(cè)量電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速;通過壓力傳感器測(cè)量制動(dòng)夾緊力［5］。

3 EMB 系統(tǒng)的仿真模型

(1)無刷直流電流控制模塊，如圖3 所示。

(2)電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制模塊，如圖4 所示。

(3)無刷直流電機(jī)三環(huán)控制模塊，如圖5 所示。

4 仿真結(jié)果

4.1 電流環(huán)仿真

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于空載時(shí)，電流值比較小，所以應(yīng)當(dāng)在電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況下對(duì)電流環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)［6］。電流環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示?？梢姡瑢?shí)際電流在初始階段有較大的超調(diào)，但是在后期可以很好地跟蹤目標(biāo)電流。

4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速環(huán)在試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)處于空載狀態(tài)。轉(zhuǎn)速環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。可見，在啟動(dòng)過程中電流能維持較大的值，從而使電動(dòng)機(jī)迅速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中不斷換相會(huì)引起電流的抖動(dòng)，所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也一直在目標(biāo)值附近小幅抖動(dòng)。

4.3 壓力環(huán)試驗(yàn)

壓力環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

可見，兩種工況下消除制動(dòng)間隙的時(shí)間均小于0.1 s，且制動(dòng)壓力的超調(diào)小于5%，同時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的EMB 執(zhí)行器能輸出足夠大的制動(dòng)壓力，而且響應(yīng)迅速。

5 結(jié)論

文中對(duì)電子機(jī)械系統(tǒng)的原理進(jìn)行了簡單的敘述，也基于此原理進(jìn)行了simulink 的仿真，仿真的結(jié)果表明，按照原理搭建的仿真模塊是有效的。同時(shí)也通過仿真我們可以了解到電子機(jī)械制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)響應(yīng)更快，這樣可以縮短制動(dòng)距離，提升了汽車的安全性能。當(dāng)然它還有很多其他的優(yōu)點(diǎn)，比如不必使用制動(dòng)液，減輕了汽車的質(zhì)量。同時(shí)沒有真空增壓器，減少了制動(dòng)系統(tǒng)的空間。但是將其應(yīng)用到實(shí)際中還是有很多的難點(diǎn)需要解決，比如力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)，制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還有成本的降低，都是在以后需要解決的問題。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向，比傳統(tǒng)的汽車更加容易安裝，并且可靠性更高，它是未來制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

【1】汪洋.車輛電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

【2】沈沉，王軍，林逸. 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)執(zhí)行器建模與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(8):30 -33.

【3】譚樹梁.輕型汽車電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行器及硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.

【4】王玉群，林向陽，楊清林.汽車電子機(jī)械制動(dòng)器(EMB)的發(fā)展研究［J］.汽車與配件，2009(49):21-23.

【5】張成利.汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)及其控制算法與仿真研究［D］. 沈陽:東北大學(xué)，2008.

【6】胡安平.基于AMESim-Simulink 聯(lián)合仿真的再生制動(dòng)系統(tǒng)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.