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)展以及人們對汽車制動(dòng)性能要求的提高[1]，國內(nèi)外相繼興起了對汽車線控制動(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.