無力傳感器的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)控制問題分析

黃鈺

摘 要：本文針對(duì)已有電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)使用傳感器較多，降低了系統(tǒng)的可靠性，提出了在沒有力傳感器的前提下，通過檢測(cè)電機(jī)電流大小實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)力的精確跟隨的方法，通過分析所提出的通過檢測(cè)電流幅值來跟隨車輪制動(dòng)力的方案能夠滿足電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，具有響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng);傳感器;電流;離線仿真;制動(dòng)力

0 引言

制動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)汽車系統(tǒng)的一個(gè)非常重要組成部分，直接關(guān)系到了車輛的行駛安全，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展以及人們對(duì)汽車制動(dòng)性能要求的提高[1]，國(guó)內(nèi)外相繼興起了對(duì)汽車線控制動(dòng)技術(shù)的研究[2-3]。其中，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了汽車制動(dòng)系統(tǒng)未來的發(fā)展現(xiàn)狀[4-7]。 目前，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在一些方面仍然存在很多不足，比如應(yīng)用了較多的傳感器，導(dǎo)致制動(dòng)器結(jié)構(gòu)龐大易出現(xiàn)故障，同時(shí)造成成本過高[7]。因此，本文提出了一種通過檢測(cè)電流大小來精確跟隨車輛制動(dòng)力方法。

1 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力控制單元、控制系統(tǒng)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元三個(gè)主要部分組成，具體包括了電源、電子制動(dòng)踏板、中央控制單元、Can總線、四個(gè)獨(dú)立的EMB執(zhí)行器等幾個(gè)部分。其中EMB執(zhí)行器主要由無刷直流電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)鉗體等組成[7]。制動(dòng)時(shí)，通過電子制動(dòng)踏板處的傳感器檢測(cè)踏板位移以及角速度傳感器來感知駕駛員的制動(dòng)意圖，將駕駛員期望的制動(dòng)力大小、制動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸送給EMB中央控制單元，中央控制單元將接收到的電子踏板信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的目標(biāo)制動(dòng)力信號(hào)并分配給4個(gè)車輪獨(dú)立的EMB執(zhí)行器，經(jīng)過CAN總線發(fā)送給相對(duì)應(yīng)的EMB執(zhí)行器控制器，經(jīng)過EMB執(zhí)行器控制算法計(jì)算，將目標(biāo)制動(dòng)力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電機(jī)的電壓控制量，然后采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，經(jīng)過動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速增矩、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，推動(dòng)制動(dòng)墊塊壓緊制動(dòng)盤，完成車輛制動(dòng)的全過程[5-7]。

2 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

無刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型具有高階性、強(qiáng)耦合性、非線性等特點(diǎn)。

2.1 BLDCM轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程

式中，為電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，為電機(jī)和發(fā)射在電機(jī)軸上的負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度，為電機(jī)和發(fā)射在電機(jī)軸上的負(fù)載的等效摩擦系數(shù)，為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。

2.2 電子機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力源，減速增矩機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，自增力機(jī)構(gòu)等組成，其中，動(dòng)力源采用的是無刷直流電機(jī)，減速增矩機(jī)構(gòu)采用的是行星齒輪減速器，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用的是滾珠絲杠。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型可用以下式子表示：

式中為絲杠轉(zhuǎn)角;為電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)角;i為行星齒輪減速器傳動(dòng)比;x表示絲杠螺母位移;為絲杠轉(zhuǎn)角;L為滾珠絲杠機(jī)構(gòu)導(dǎo)程;為加緊力系數(shù);為滾珠絲杠公稱直徑;為滾珠絲杠螺紋升角;P為滾珠絲杠當(dāng)量摩擦角;i為行星齒輪傳動(dòng)比。

3 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速-電流PI控制模塊

電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠快速消除制動(dòng)間隙，并且能夠?qū)χ苿?dòng)力進(jìn)行快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)的功能。根據(jù)電流與制動(dòng)盤加緊力的線性關(guān)系，本次電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)采用了電流跟隨制動(dòng)力的方式，所以采用了轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制，通過對(duì)目標(biāo)電流的準(zhǔn)確跟隨，實(shí)現(xiàn)加緊力的精確控制。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制中，轉(zhuǎn)速環(huán)控制采用了傳統(tǒng)的PI控制方式，電流環(huán)控制采用了電流滯環(huán)控制方式，通過將目標(biāo)電流與實(shí)際電流的差值連接到滯環(huán)比較器模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，從而控制逆變器功率管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的調(diào)節(jié)，電流的滯緩控制具有實(shí)時(shí)控制、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在一定程度上能夠滿足控制要求。

4 總結(jié)

以上給出了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并且給出了控制模塊的建模方式，可以建立電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)無力傳感器的控制系統(tǒng)模型，通過相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整以及仿真可以得到不錯(cuò)的車輪夾緊力控制效果，能夠?yàn)殡娮訖C(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李頂根，張綠原，何保華.基于滑移率汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)模糊控制[J].北京：機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（20）：121-126.

[2]張綠原.電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的加緊力控制策略研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[3]傅云峰，王維銳，葛正.新型汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)建模仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].杭州：工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2017（03）：56-61.

[4]趙一博.電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究和開發(fā)[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[5]陳志成，吳堅(jiān)等.混合線控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力精確調(diào)節(jié)控制策略[J].北京：汽車工程，2018，40（04）：12-18.

[6]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)能源與動(dòng)力學(xué)院，2005.

[7]林逸，沈沉，王軍等.汽車線控制動(dòng)技術(shù)及發(fā)展[J].汽車技術(shù)，2005（12）：1-3.