電磁與摩擦制動集成系統(tǒng)切換控制策略

何 仁，湯 寶，趙 強

電磁與摩擦制動集成系統(tǒng)切換控制策略

何 仁，湯 寶，趙 強

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

為了研究電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)中不同制動模式之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，在分析不同制動模式的基礎(chǔ)上，以充分利用電磁制動，盡量減少傳統(tǒng)摩擦制動導(dǎo)致的磨損、噪聲等危害以及保證切換過程中的制動舒適性為原則，制定了集成制動系統(tǒng)不同制動模式的切換控制策略，該切換控制策略包括：制動力矩管理策略和力矩協(xié)調(diào)控制策略.在所有可能的切換工況中選取了2種有代表性的工況，并在Matlab/Simulink和Matlab/Stateflow仿真平臺上進行了仿真研究.結(jié)果表明：在滿足制動要求的前提下，切換控制策略改善了傳統(tǒng)摩擦制動的工作條件，并且能夠有效地保證模式切換過程中的制動舒適性，提高了整車的制動性能，切換控制策略是有效和可行的.

制動器；力矩控制；舒適性；計算機仿真；Matlab

電磁與摩擦制動集成系統(tǒng)是一種新型的制動器，為了減少傳統(tǒng)摩擦制動導(dǎo)致的制動器磨損、噪聲和粉塵等危害，在傳統(tǒng)摩擦制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成了電磁制動系統(tǒng)，是一種能夠有效提高制動系統(tǒng)安全性的裝置［1］.電磁制動，又可稱為電渦流制動，是一種非接觸式的、高效的輔助制動系統(tǒng)，主要利用運動的導(dǎo)體在磁場中會受到洛倫茲力的電磁學(xué)原理，把行駛中汽車的動能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)掉［2］，由此實現(xiàn)汽車的減速和輔助制動.在低速下電磁制動的制動效果不明顯，需與摩擦制動集成以達(dá)到制動停車的效果.國內(nèi)外有關(guān)電磁制動和集成制動方面的研究較多，主要集中在電磁制動磁感應(yīng)強度的計算［3-5］、制動系統(tǒng)的溫度場分析［6］以及通過控制電磁制動來提高制動性能［7-8］等，但是這些文獻的研究對象都是純電磁制動或者電磁與摩擦共同作用的情況，對于如何在不同制動模式之間進行切換的研究較少.

筆者主要針對電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)中不同制動工作模式切換過程進行分析，設(shè)計集成制動系統(tǒng)的制動模式切換控制策略，并且利用Matlab/Simulink和Matlab/Stateflow仿真平臺對制動模式切換控制策略的有效性和可行性進行驗證.

1 制動模式切換過程分析

電磁與摩擦制動集成系統(tǒng)的制動器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由摩擦制動系統(tǒng)制動鉗和電磁制動系統(tǒng)的繞有勵磁線圈的鐵芯、線圈固定支架組成［1］.其中線圈有6組，安裝在制動盤的一側(cè)，當(dāng)制動盤快速旋轉(zhuǎn)時，在線圈中通入控制電流，電磁制動系統(tǒng)即可以起作用.

圖1 電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)制動器結(jié)構(gòu)圖

由于加入了電磁制動，車輛具有2套制動系統(tǒng)，可以分別采用純摩擦制動、純電磁制動以及聯(lián)合制動3種不同的制動模式.這3種制動模式之間的切換關(guān)系如圖2所示.

圖2 不同模式間的切換關(guān)系圖

圖2中方框代表3種制動模式，方框之間帶箭頭的連線代表制動模式切換的方向，連線上的首尾數(shù)字分別代表切換前的制動模式和切換后的制動模式.制動模式之間切換發(fā)生的條件是由制動需求、車輛當(dāng)前運行狀態(tài)等多個因素決定的.

2 制動模式切換控制策略

電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)包含多種制動模式，液壓制動與電磁制動的工作模式在制動過程中會發(fā)生改變，確定不同制動模式之間的轉(zhuǎn)換條件是切換控制策略的關(guān)鍵.提出的集成制動系統(tǒng)切換控制策略包括2部分：①制動力矩管理策略，制動力矩管理策略主要確定在不同的制動要求下制動切換發(fā)生的條件及電磁與液壓目標(biāo)制動力矩的確定；②力矩協(xié)調(diào)控制策略，力矩協(xié)調(diào)控制策略根據(jù)動態(tài)過程平穩(wěn)控制的原則保證在制動切換過程中整車制動的舒適性和良好的制動力矩跟隨性.

2.1 制動力矩管理策略

制動力矩管理策略的核心是在滿足駕駛員的制動需求的前提下，對3種制動情況進行合理分配，并且考慮充分利用電磁制動，在電磁制動不能滿足制動要求的情況下，再通過摩擦制動完成制動停車要求.由于電磁制動力矩的大小與制動盤的轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速很小時，電磁制動力矩將快速下降，所以切換控制策略的確定應(yīng)考慮到車速的影響，因此根據(jù)駕駛員制動強度要求及車速大小確定如下的基于邏輯門限的切換控制策略：①IF開始制動時的車速v≤vmin，THEN采取純摩擦制動模式，ELSE根據(jù)制動強度的要求進行判斷；②IF需求的制動強度z≤zmin，THEN采取純電磁制動模式，由于電磁制動不能達(dá)到停車的目的，所以當(dāng)車速v≤vmin，將切換到摩擦制動使車輛停止；③IF需求的制動強度zmin＜z＜zmax，THEN采取聯(lián)合制動模式；④IF需求的制動強度z≥zmax，THEN采取純摩擦制動模式.

車輛制定時的總需求制動力矩為

式中：m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；z為制動強度；r為車輪滾動半徑.

聯(lián)合制動時電磁與摩擦目標(biāo)力矩確定規(guī)則為

式中：Te為電磁制動力矩；Tf為摩擦制動力矩；Temax為電磁制動力矩的最大值.

根據(jù)電磁制動所能提供制動力的大?。?］，并且參考國內(nèi)的城市交通情況［10］，確定zmin=0.1，zmax= 0.7，再根據(jù)電磁制動力矩-轉(zhuǎn)速曲線，確定vmin= 15 km·h-1.

2.2 制動力矩協(xié)調(diào)控制策略

電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)制動模式切換過程中由于電磁與液壓制動力矩變化的時間常數(shù)不同，可能會出現(xiàn)制動力矩的非正常突變，例如，從聯(lián)合制動模式轉(zhuǎn)入純摩擦制動模式，由電流控制的電磁制動力矩降為0，而液壓制動力矩會有1個上升時間過程，雖然很短，但是在此期間總的制動力矩會有1個瞬時減小的變化歷程，從而導(dǎo)致制動力輸出不平穩(wěn)，影響制動的舒適性.為了優(yōu)化制動感覺，減少制動模式切換時給整車性能帶來的影響，使制動更加平穩(wěn)，需要對制動力矩的輸出進行一定的協(xié)調(diào)控制.

由于液壓制動的反應(yīng)時間只有幾百毫秒，所以出現(xiàn)力矩突變的時間很短，且并不是所有切換模式的力矩都需要協(xié)調(diào)控制，因此力矩協(xié)調(diào)控制的原則為在保證滿足制動要求的前提下，對切換過程進行識別，針對需要對力矩協(xié)調(diào)控制的切換過程，按照一定的梯度切進、切出電磁制動的電流，來保證切換過程中的穩(wěn)定性.梯度的大小可通過多次仿真試驗得出.對于不同制動模式切換過程中的力矩協(xié)調(diào)控制情況如表1所示.

表1 制動模式切換過程的力矩協(xié)調(diào)控制情況

電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)的制動模式切換過程具有離散事件系統(tǒng)的特征，Matlab/Stateflow在處理離散事件上的能力強于Matlab/Simulink［11］，因此在Matlab/ Stateflow平臺上建立邏輯切換模型如圖3所示.

圖3 制動控制邏輯狀態(tài)圖

3 制動模式切換控制策略的仿真分析

由于制動過程時間不長，所以采取兩兩切換的形式進行研究，因此就有6種可能的切換情況，由于篇幅的限制，選取其中有代表性的2種進行討論.工況1為低強度制動切換為中強度制動，即由純電磁制動切換為集成制動，這是在城市交通中出現(xiàn)較多的工況，工況2為中強度制動切換為高強度制動，即由集成制動切換為純摩擦制動，這是需要進行力矩協(xié)調(diào)控制的工況.在Matlab/Simulink中建立整車模型，整車參數(shù)以及電磁制動器的設(shè)計參數(shù)都是基于一汽捷達(dá)王轎車為研究對象獲得的.對上述2種工況進行仿真研究，制動初速度為20 m·s-1，路面為附著系數(shù)良好的瀝青路面，峰值附著系數(shù)達(dá)到0.8.

3.1 純電磁制動切換為聯(lián)合制動過程的仿真

工況1為純電磁制動切換為聯(lián)合制動過程的仿真.2.5 s時制動強度從0.1變?yōu)?.4的制動過程仿真結(jié)果如圖4所示.從圖4a可以看出：2.5 s之前是純電磁制動模式，2.5 s時制動強度要求達(dá)到0.4.根據(jù)制動力矩管理策略，開始聯(lián)合制動模式，雖然由于轉(zhuǎn)速的降低，電磁制動力矩會減小，但是從圖4b可以發(fā)現(xiàn)對制動減速度的影響不大.制動減速度曲線的波動是由于制動后期滑移率的變化導(dǎo)致的，但由于后期車速低于車輛防抱死控制起作用的最低車速要求，所以不需要對力矩進行控制.整個制動過程充分利用了電磁制動，且滿足制動強度的要求，歷時6.9 s.

圖4 工況1的仿真結(jié)果

3.2 聯(lián)合制動切換為純摩擦制動過程的仿真

工況2為聯(lián)合制動切換為純摩擦制動過程的仿真.在2.5 s時制動強度從0.3變?yōu)?.7的無力矩協(xié)調(diào)控制、有力矩協(xié)調(diào)控制的制動過程仿真結(jié)果分別如圖5，6所示.

從圖5a，6a可以看出：2.5 s之前是聯(lián)合制動模式，2.5 s時制動強度要求達(dá)到0.7，根據(jù)制動力矩管理策略，開始純摩擦制動模式.當(dāng)無力矩協(xié)調(diào)控制時，從圖5a，b可以看出：切換瞬時的總制動力矩和制動減速度的絕對值都存在不正常的突然減小現(xiàn)象，切換過程歷時4.5 s.當(dāng)進行力矩協(xié)調(diào)控制時，與圖5相比，圖6的結(jié)果基本滿足制動需求，不存在不正常的突變現(xiàn)象，歷時4.5 s，制動時間也有所縮短.

圖5 無力矩協(xié)調(diào)控制時，工況2的仿真結(jié)果

圖6 有力矩協(xié)調(diào)控制時，工況2的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：在制動過程中，集成制動系統(tǒng)在滿足制動需求的前提下充分利用了電磁制動，減少了摩擦制動的使用，提高了車輛的制動性能，并且通過對切換瞬時的力矩協(xié)調(diào)控制有效地保證了車輛制定力矩及制動強度的跟隨性及車輛切換時刻的制動舒適性.在實際制動過程中，會發(fā)生不同的模式切換過程，但是其本質(zhì)相同，切換控制的原則不變，故從上述2種工況的仿真中驗證了切換控制策略的有效性和可行性.

4 結(jié) 論

對電磁與摩擦集成制動系統(tǒng)的制動模式切換過程進行了分析，提出了集成制動系統(tǒng)的切換控制策略，不僅確定了制動模式切換條件，而且針對其制動模式切換過程可能導(dǎo)致的突變情況，給出了力矩協(xié)

調(diào)控制方法，并利用Matlab/Simulink和Matlab/ Stateflow仿真平臺進行了建模仿真研究.仿真結(jié)果表明：制動模式切換控制策略不僅改善了傳統(tǒng)摩擦制動的條件，而且使得制動切換平穩(wěn)，可以較好地跟隨目標(biāo)力矩及減速度，有效地保證了模式切換過程中的制動舒適性，提高了整車的制動性能.對于切換控制策略對整車的實際影響將會在以后的工作中進行試驗研究.

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［1］ 劉存香，何 仁，胡春花.轎車電磁制動與摩擦制動集成系統(tǒng)的性能試驗［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33（5）：508-512.Liu Cunxiang，He Ren，Hu Chunhua.Performance experiment of integrated system with car electromagnetic and frictional brakes［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2012，33（5）：508-512.（in Chinese）

［2］ Gay S E，Ehsain M.Parametric analysis of eddy current brake performance by 3-D finite element analysis［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（2）：319-328.

［3］ Anwar S.A parametric model of an eddy current electric machine for automotive braking application［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2004，12（3）：422-427.

［4］ Lee K，Park K.Analysis of an eddy-current brake considering finite radius and induced magnetic flux［J］.Journal of Applied Physics，2002，92（9）：5532-5538.

［5］ 胡東海，何 仁.基于虛擬線圈假設(shè)的渦流制動器制動力矩計算［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，35（3）：257-261. Hu Donghai，He Ren.Calculation method of braking torque for eddy current brake based on virtual coil assumptions［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2014，35（3）：257-261.（in Chinese）

［6］ Kagimoto H，Miyagi D，Takahashi N，et al.Effect of temperature dependence of magnetic properties on heating characteristics of induction heater［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46（8）：3018-3021.

［7］ Anwar S.Generalized predictive control of yaw dynamics of a hybrid brake-by-wire equipped vehicle［J］.Mechatronics，2005，15：1089-1108.

［8］ He Ren，Liu Xuejun，Liu Cunxiang.Brake performance analysis of abs for eddy current and electrohydraulic hybrid brake system［J］.Mathematical Problems in Engineering，2013，19：1-11.

［9］ 時 俊，何 仁，劉學(xué)軍.基于運動導(dǎo)體磁場中受力模型的電磁緩速器制動力矩計算［J］.汽車技術(shù)，2013（3）：29-32. Shi Jun，He Ren，Liu Xuejun.Calculation method of brake torque for electromagnetic retarder based on mechanical of movement conductor in the magnetic field［J］.Automobile Technology，2013（3）：29-32.（in Chinese）

［10］ 劉明輝，趙子亮，李 駿，等.北京城市公交客車循環(huán)工況開發(fā)［J］.汽車工程，2005，27（6）：687-690. Liu Minghui，Zhao Ziliang，Li Jun，et al.A study on the development of driving cycle for public buses in Beijing［J］.Automotive Engineering，2005，27（6）：687-690.（in Chinese）

［11］ 張 威.Stateflow邏輯系統(tǒng)建模［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

（責(zé)任編輯 賈國方）

Sw itching control strategy of integrated electromagnetic and friction brake system

He Ren，Tang Bao，Zhao Qiang
（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

In order to investigate the coordinated relations among different braking modes of integrated electromagnetic and friction brake system，the switching control strategy was proposed based on the sufficient analyses of different braking modes.The strategy included two parts of management strategy and coordinated control strategy of braking torque.Two representative switching situations were chosen to carry out the simulations on the modeling platform of Matlab/Simulink and Matlab/Stateflow.The simulation results show that on the premise of meeting braking requirement，the switching control strategy improves the working condition of traditional friction brake，and effectively ensures the braking comfort in the process of modes switching.The switching control strategy can improve the vehicle brake performance. Key words：actuator；torque control；comfort；computer simulation；Matlab

U463.5

A

1671-7775（2015）02-0125-05

何 仁，湯 寶，趙 強.電磁與摩擦制動集成系統(tǒng)切換控制策略［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，36（2）：125-129.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.02.001

2014-07-25

國家自然科學(xué)基金資助項目（51275212）

何 仁（1962-），男，江蘇南京人，教授，博士生導(dǎo)師（heren@mail.ujs.edu.cn），主要從事汽車機電一體化技術(shù)研究.湯 寶（1990-），女，江蘇鹽城人，碩士研究生（bright9004@126.com），主要從事汽車機電一體化技術(shù)研究.