商用車電控機(jī)械制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制動(dòng)性能驗(yàn)證

摘 "要：提出了商用車電控機(jī)械制動(dòng)器（electro-mechanical brake，EMB）結(jié)構(gòu)方案，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配，并建立了EMB三維模型。為驗(yàn)證EMB制動(dòng)性能，建立了機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型，制定了制動(dòng)夾緊力控制策略，并在輸入為階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)和正弦信號(hào)時(shí)對(duì)EMB的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：在典型工況下，EMB響應(yīng)過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)變化趨勢(shì)與預(yù)期相符。

關(guān)鍵詞：電控機(jī)械制動(dòng)器；制動(dòng)夾緊力；閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：U463.51 " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-5483（2024）01-0018-06

Structural Design and Braking Performance Verification of

Electro-mechanical Brakes for Commercial Vehicles

Qin Xuan1，2， Sun Hao3， Wu Tong1，2， Shi Lei4

（1. School of Automotive Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China;

2. Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control， Shiyan 442002， China;

3. College of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100000， China;

4. Shenhe Automobile Co. Ltd， Shiyan 442512， China）

Abstract： A structural scheme of electro-mechanical brake （EMB） for commercial vehicles was proposed. The structural design and parameter matching were carried out， and a three-dimensional EMB model was established. In order to verify the braking performance of EMB， the electro-mechanical coupling dynamics model was established， and the control strategy of the braking clamping force was developed. In addition， the dynamic response characteristics of EMB were simulated and analyzed with the input of step， ramp， and sine signals. The experimental results show that in typical working conditions， the variation trend of various parameters in the response process of EMB meets the expectation.

Key words： electro-mechanical brake; braking clamping force; closed-loop control

與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相比，電控機(jī)械制動(dòng)（electric mechanical brake，EMB）具有響應(yīng)速度快、控制精度高、系統(tǒng)集成性好等優(yōu)點(diǎn)。從20世紀(jì)90年代起，Bosch、Siemens和Continental Teves等公司陸續(xù)進(jìn)行了EMB 的相關(guān)研究［1-6］。近年來(lái)，清華大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)均在EMB結(jié)構(gòu)方案和控制算法等方面取得一定的進(jìn)展［7-9］。現(xiàn)有的EMB結(jié)構(gòu)方案大多采用兩級(jí)齒輪和蝸輪蝸桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因滾動(dòng)螺旋副摩擦力矩小、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，以Bosch、Continental等為代表的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)方案大多將滾動(dòng)螺旋副作為其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。但是，目前大部分EMB結(jié)構(gòu)方案僅適用于乘用車，其極限輸出能力難以滿足商用車的制動(dòng)需求。Line C等人基于模型預(yù)測(cè)控制算法建立了制動(dòng)夾緊力控制策略，并將帶約束的模型預(yù)測(cè)控制問題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃求解問題以減小對(duì)嵌入式控制器的計(jì)算需求［10］。Lindvai-Soos D等人結(jié)合EMB動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)了滑?？刂坡?，并測(cè)試了不同輸入信號(hào)下控制器的跟蹤行為［11］。Lee C F等人提出了基于準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制的制動(dòng)夾緊力控制器［12］。Schwarz R等人利用電機(jī)轉(zhuǎn)角與制動(dòng)夾緊力的特性曲線，通過(guò)安裝在電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)角傳感器，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)角的變化間接獲得夾緊力的大?。?3］。針對(duì) EMB夾緊力的準(zhǔn)確估算問題，Bae J H 提出了基于遺傳算法和卡爾曼濾波算法的估算方法［14］。綜上所述，制動(dòng)夾緊力的控制核心在于實(shí)現(xiàn)夾緊力的快速響應(yīng)、精確調(diào)節(jié)和穩(wěn)定保持。文中提出了適用于商用車的EMB結(jié)構(gòu)方案，建立其制動(dòng)夾緊力控制策略模型，并在階躍、斜坡和正弦信號(hào)輸入下對(duì)制動(dòng)夾緊力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析，對(duì)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 商用車EMB結(jié)構(gòu)方案

1.1 商用車EMB性能需求

以某M3型客車作為目標(biāo)車型，要求最大制動(dòng)力矩[Tμ]不低于16 500 [N·m]，制動(dòng)盤有效半徑Rb為173 mm，制動(dòng)器單側(cè)制動(dòng)間隙0.3～0.6 mm。單側(cè)制動(dòng)盤上的最大摩擦力：

[Ff=0.5TμRb] （1）

計(jì)算得Ff為47.69 kN。制動(dòng)盤上單側(cè)的最大正夾緊力計(jì)算公式：

[Nmax=Ffμb] （2）

式中：[μb]為制動(dòng)塊與制動(dòng)盤間的摩擦系數(shù)，取0.4。計(jì)算得Nmax為119.22 kN，初定EMB最大夾緊力為120 kN。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，消除制動(dòng)間隙的時(shí)間不超過(guò)50 ms，最大制動(dòng)夾緊力響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)400 ms，制動(dòng)夾緊力穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)1 kN。

1.2 商用車EMB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到商用車的制動(dòng)需求和實(shí)現(xiàn)EMB的難易程度，現(xiàn)有商用車的EMB結(jié)構(gòu)方案大多在氣壓盤式制動(dòng)器的基礎(chǔ)上保留了增力杠桿，并將原有的制動(dòng)氣室用電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替 ［15］。這樣方案雖然能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從氣壓制動(dòng)到EMB的過(guò)渡，且EMB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改裝成本低、安裝維護(hù)便利，但改裝后的制動(dòng)器整體軸向尺寸過(guò)長(zhǎng)、體積過(guò)大，不利于底盤的結(jié)構(gòu)布置。此外，這類EMB結(jié)構(gòu)方案依靠氣壓制動(dòng)鉗原有的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)間隙調(diào)節(jié)，該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)調(diào)整困難，不利于提升EMB的結(jié)構(gòu)兼容性和功能擴(kuò)展性。

為解決上述問題，文中在縮短EMB整體尺寸、減小制動(dòng)器體積的同時(shí)還能夠滿足目標(biāo)車型制動(dòng)需求的前提下，提出了商用車EMB新結(jié)構(gòu)方案。該方案用動(dòng)力裝置代替原有的制動(dòng)氣室產(chǎn)生使摩擦塊運(yùn)動(dòng)的軸向推力，并重新設(shè)計(jì)原有制動(dòng)鉗的浮動(dòng)部分，使其能夠與動(dòng)力裝置匹配并實(shí)現(xiàn)功能銜接。商用車EMB新結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，包括動(dòng)力裝置，制動(dòng)盤及經(jīng)過(guò)改造的制動(dòng)鉗。其中，動(dòng)力裝置由執(zhí)行電機(jī)、一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分體式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等部件組成，安裝在殼體內(nèi)。殼體由前、中、后三級(jí)構(gòu)成，后殼體內(nèi)部裝有一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，中殼體內(nèi)集成了二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和分體式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，前殼體內(nèi)裝有夾緊螺母和限位螺母。在此基礎(chǔ)上，電機(jī)與后殼體，后殼體與中殼體，中殼體與前殼體，前殼體與制動(dòng)鉗之間通過(guò)螺栓固定連接。

以制動(dòng)過(guò)程為例，闡述商用車EMB制動(dòng)器的工作原理：當(dāng)EMB的執(zhí)行電機(jī)接收上層制動(dòng)信號(hào)時(shí)，電機(jī)將動(dòng)力傳遞給小弧齒錐齒輪，由大弧齒錐齒輪將轉(zhuǎn)矩傳遞給蝸輪蝸桿，進(jìn)一步傳遞給絲杠軸，通過(guò)滾動(dòng)螺旋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為夾緊螺母的線性平動(dòng)，推動(dòng)摩擦塊夾緊制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)夾緊力。

1.3 商用車EMB結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配

商用車EMB關(guān)鍵部件參數(shù)匹配流程如圖2所示。由于目前EMB參數(shù)匹配流程和方法很成熟，并且不在文中研究范圍，文中對(duì)該部分內(nèi)容予以簡(jiǎn)化。經(jīng)匹配，EMB關(guān)鍵部件參數(shù)如表1所示。

1.4 電控機(jī)械制動(dòng)器模型建立

在此基礎(chǔ)上，建立的EMB三維模型見圖3。

圖4為將所設(shè)計(jì)的EMB裝配到目標(biāo)車型后軸的實(shí)際效果。其中，左后車輪裝配氣壓盤式制動(dòng)器，右后車輪裝配文中設(shè)計(jì)的EMB。從圖4可以看出，原有氣壓盤式制動(dòng)器的軸向長(zhǎng)度為627 mm，EMB軸向長(zhǎng)度為528 mm（其中動(dòng)力裝置的軸向長(zhǎng)度僅為233 mm），軸向長(zhǎng)度縮短15.8 %。

2 商用車EMB動(dòng)力學(xué)模型

用于制動(dòng)夾緊力控制的EMB動(dòng)力學(xué)模型包括執(zhí)行電機(jī)模型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)模型、制動(dòng)鉗模型和負(fù)載模型，如圖5所示。

1） 執(zhí)行電機(jī)模型 電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

[Jdωmdt=Te-TL-Bωm] （3）

式中：[ωm]為電機(jī)的機(jī)械角速度；[J]為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；[B]為阻尼系數(shù)；[TL]為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。經(jīng)由Clark變換和Park變換實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor， PMSM）數(shù)學(xué)模型的完全解耦。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[d-q]坐標(biāo)下電磁轉(zhuǎn)矩方程為

[Te=32pniqid（Ld-Lq）+ψf] （4）

2） 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由弧齒錐齒輪與蝸輪蝸桿組成，弧齒錐齒輪與PMSM的輸出軸連接，蝸輪蝸桿將轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步放大后輸入運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化如下：

[T2=i1i2η1η2T1， " n2=n1i1i2] （5）

式中：[i1、i2]為弧齒錐齒輪的傳動(dòng)比；[η1、η2]為弧齒錐齒輪與蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率；[T1、T2]分別為輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩；[n1]為輸入轉(zhuǎn)速；[n2]為輸出轉(zhuǎn)速。

3） 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型 文中設(shè)計(jì)的EMB中運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用滾珠螺旋副，其中絲杠為主動(dòng)件，螺母為從動(dòng)件。施加制動(dòng)力及撤除制動(dòng)力的過(guò)程中，螺母在絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下軸向伸縮。絲杠轉(zhuǎn)角與螺母軸向位移量滿足如下關(guān)系：

[s=θPH2πitotal] （6）

式中：[s]為絲杠平動(dòng)位移量；[θ]為電機(jī)轉(zhuǎn)角；[PH]為導(dǎo)程；[itotal]為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。輸入絲杠的轉(zhuǎn)矩[Tinput]與螺母輸出的軸向推力[Fa]滿足如下關(guān)系：

[Fa=2πTinputη3PH] （7）

式中：[η3]為滾動(dòng)螺旋副的傳動(dòng)效率。

4） 負(fù)載模型 為了得出相對(duì)準(zhǔn)確的負(fù)載模型，文中通過(guò)模擬加載的方法測(cè)取氣壓盤式制動(dòng)器推桿軸向行程和摩擦塊與制動(dòng)盤間的垂向作用力，制動(dòng)鉗特性曲線如圖6所示，由圖6可以看出在制動(dòng)壓緊和放松的過(guò)程中摩擦塊與制動(dòng)盤間的垂向作用力推桿軸向行程的增大而增大。結(jié)合EMB結(jié)構(gòu)和工作原理，可推算出電機(jī)端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

[TL=FclPH2πitotalηtotal] （8）

式中：[ηtotal]為EMB機(jī)械效率；[Fcl]為制動(dòng)夾緊力；[TL]為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

5） 制動(dòng)鉗模型 當(dāng)絲杠螺母推動(dòng)摩擦塊夾緊制動(dòng)盤時(shí)，由于正夾緊力的存在，在制動(dòng)盤兩側(cè)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，其數(shù)學(xué)模型［11］為

[Tμ=2μbFclRc] （9）

式中：[Rc]為制動(dòng)盤摩擦半徑。

3 商用車EMB制動(dòng)夾緊力控制策略

EMB工作過(guò)程如圖7所示，EMB控制器接收到上層控制器發(fā)送的制動(dòng)指令后，執(zhí)行電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大后輸入運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，最終推動(dòng)摩擦塊壓緊制動(dòng)盤。因此，制動(dòng)過(guò)程可分為制動(dòng)間隙消除，制動(dòng)夾緊力跟隨和制動(dòng)間隙形成［16］。

EMB制動(dòng)夾緊力策略控制核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行電機(jī)的精確控制，常見的電機(jī)閉環(huán)控制方式有速度控制，電流控制，位置控制等。結(jié)合對(duì)EMB工作過(guò)程的分析，文中采用“夾緊力—轉(zhuǎn)速—電流”的閉環(huán)串聯(lián)架構(gòu)，在合理設(shè)計(jì)各回路控制器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)夾緊力的精確調(diào)節(jié)。夾緊力控制回路的輸入為實(shí)際制動(dòng)夾緊力與目標(biāo)制動(dòng)夾緊力的偏差，輸出為電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速回路的控制輸入是電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速的誤差，輸出是內(nèi)層參考電流；電流回路的輸入是q軸和d軸的實(shí)際電流，輸出是q軸和d軸的參考電壓。最終通過(guò)執(zhí)行電機(jī)控制策略控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖8為EMB制動(dòng)夾緊力控制框圖。其中，夾緊力回路、轉(zhuǎn)速回路和電流回路采用PI控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得各回路的輸出量跟隨輸入量。文中采用[id=0]的電流控制方式。

在電流控制過(guò)程中，基于Clark變換將坐標(biāo)系A(chǔ)BC下的三相定子電流變換到兩相坐標(biāo)系[α-β]中，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的相位和轉(zhuǎn)速。使用Park變換將定子電流旋轉(zhuǎn)變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[d-q]，將產(chǎn)生的定子電壓空間矢量經(jīng)由Park反變換到兩相坐標(biāo)系[α-β]，再通過(guò)SVPWM算法產(chǎn)生三相電壓并輸出。由于d軸電流控制電磁繞組磁場(chǎng)，q軸電流控制永磁體磁場(chǎng)，當(dāng)[id]為0時(shí)電磁繞組磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)垂直，電機(jī)達(dá)到最大的功率因數(shù)和效率。

4 制動(dòng)夾緊力控制策略仿真分析

文中基于MATLAB/Simulink建立EMB制動(dòng)夾緊力控制仿真平臺(tái)，如圖9所示。仿真平臺(tái)由信號(hào)產(chǎn)生模塊、結(jié)果分析模塊和EMB制動(dòng)夾緊力控制模型構(gòu)成。EMB制動(dòng)夾緊力仿真模型包括EMB控制器模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊、PMSM模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型、PMSM負(fù)載模型等。

分別在階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)和正弦信號(hào)下對(duì)EMB制動(dòng)夾緊力的控制策略進(jìn)行仿真分析，EMB制動(dòng)器夾緊力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖10所示。

1） 階躍信號(hào) 在仿真平臺(tái)中，設(shè)置目標(biāo)制動(dòng)夾緊力為階躍信號(hào)，制動(dòng)夾緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線如圖10a和圖10d所示。從圖10a中可以看出：在0.5 s時(shí)，目標(biāo)制動(dòng)夾緊力由0 kN階躍變化至120 kN，制動(dòng)器在0.82 ms達(dá)到最大值后略有超調(diào)，超調(diào)量約為4 kN，響應(yīng)時(shí)間約為320 ms。從圖10d可看出，電機(jī)達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為4900 r·min?1，整體響應(yīng)性能較好。

2） 斜坡信號(hào) 設(shè)置目標(biāo)制動(dòng)夾緊力為斜坡信號(hào)，制動(dòng)夾緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線如圖10b和圖10e所示。結(jié)合圖10b和圖10e可以看出，待完全消除制動(dòng)間隙后，制動(dòng)器輸出的制動(dòng)夾緊力隨目標(biāo)信號(hào)一同上升，直至達(dá)到最大值。在此過(guò)程中，制動(dòng)器輸出的制動(dòng)夾緊力與目標(biāo)制動(dòng)夾緊力之間動(dòng)態(tài)誤差逐漸縮小，制動(dòng)夾緊力逐漸增大的過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)靈活，曲線變化趨勢(shì)與預(yù)期相符。

3） 正弦信號(hào) 設(shè)置目標(biāo)制動(dòng)夾緊力為周期1.5 s，幅值40 kN的正弦信號(hào)，制動(dòng)夾緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線如圖10c和圖10f所示。結(jié)合圖10c和圖10f可以看出，由于系統(tǒng)慣量的存在，實(shí)際制動(dòng)夾緊力的曲線相較于目標(biāo)制動(dòng)夾緊力的曲線有一定的延遲，電機(jī)轉(zhuǎn)速符合預(yù)期。

5 結(jié)論

文中根據(jù)目標(biāo)車型參數(shù)提出了商用車EMB整體結(jié)構(gòu)方案，完成了EMB關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配工作，建立了EMB三維模型?；贛ATLAB/Simulink 建立EMB機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型和“制動(dòng)夾緊力—電機(jī)轉(zhuǎn)速—電機(jī)電流”閉環(huán)串聯(lián)控制架構(gòu)，基于PI控制算法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流的調(diào)節(jié)。最后，基于MATLAB/Simulink建立制動(dòng)夾緊力控制策略模型，并分別在階躍、斜坡和正弦信號(hào)輸入下對(duì)制動(dòng)夾緊力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分 析。結(jié)果表明，在不同的信號(hào)作用下 EMB響應(yīng)過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)變化趨勢(shì)均與預(yù)期相符。受客觀條件限制，文中尚未開展EMB的硬件在環(huán)測(cè)試與試驗(yàn)工作，下一步將建立EMB物理樣機(jī)，并進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試與驗(yàn)證等工作。

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