電子機械制動系統無壓力傳感器控制策略研究

馬馨茹

摘要：作為軌道交通領域下一代新型制動方式，電子機械制動（Electro mechanical Brake，EMB）技術最早于航空領域以“全電剎車”概念提出，屬于航空技術民用化。區別于有軌列車常見的空氣和液壓制動方式，EMB系統省去復雜的空氣與液壓管路，避免了油液泄露的風險，具有響應快、結構簡單、輕量化、智能化等優點。考慮EMB系統中多變量、強耦合、變參數等非線性特點，工程中通過安裝制動力測量元件實現其制動力精確控制。然而低地板有軌電車整車地板距軌面高度較低，運行環境惡劣，因此傳感器的可靠性受到巨大挑戰。同時常規的測量元件采用應變片的形變反饋制動力值，在長時間的疲勞使用過程中應變片亦存在斷裂的風險。如果制動力測量傳感器發生故障，則車輛會出現制動性能下降及制動不當的情況，影響人身安全。因此無壓力傳感器控制已成為當今EMB系統研究領域的熱點與難點。

關鍵詞：電子機械制動系統;無壓力傳感器;控制策略

引言

電子機械制動系統是線路控制制動系統的一部分，通過電纜束傳輸制動信號和制動能量。對于汽車目前應用的所有制動穩定功能，制動功率的穩定性和精度是必要的，電子機械制動系統可以通過精確控制制動電機實現制動功率的穩定輸出。

1控制器整體設計

汽車工業用發動機制動器是基于PID控制、能量選擇和制動過程、系統主系統。機械原理：將操作人員的腳放在踏板上時，系統發出信號，并將采集到的信號發送到中央單元。同時按下相應的制動傳感器會發出制動力矩信號，將信號轉發給系統，并產生相位控制力矩。系統的制動驅動將轉矩轉換為橫向推力。制動時，驅動開始時，閉環控制的鞍形組件可以在控制電阻增大時進入。CPU的控制信號隨前面的傳感器而變化，以確保汽車的最佳減速。

2無壓力傳感器制動力伺服控制分類

1）轉矩動態方程法;2）特征曲線法;3）實驗方法。提出汽車EMB系統的制動正壓力與絲杠位移滿足三次多項式的參數關系，但忽略了兩者之間的“遲滯”特性。與之相比，建立了電機轉角與制動力間關系式，保留了制動力極值間的“遲滯”特性。不足之處在于，文獻忽略了不同制動力間差異的“遲滯”特性，無法處理時變的期望制動力。由于系統固有的“遲滯”特性，將EMB剛度模型分為線性與非線性兩個部分，同時構建系統負載轉矩模型，采用卡爾曼濾波器對非線性部分進行觀測補償。不依賴于經驗數據與EMB執行器的剛度特性曲線。提出了一種基于超螺旋算法的擴張狀態觀測器，在動態轉矩平衡方程基礎上估算系統制動力信號。不足之處在于，系統摩擦模型復雜，無法建立精確的數學模型。結合鉗式制動工作原理，在制動緩解時，系統主要克服摩擦轉矩，近似空載運行，負載模型與制動力無關。此外，在制動施加輸出恒定制動力時，電機工作狀態為堵轉，輸出恒定轉矩。由于系統選用伺服電機作為驅動電機，長時間的堵轉會對系統控制器和伺服電機造成一定的風險。自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）是一種幾乎不依靠數學模型來處理非線性、不確定性和外部擾動的控制方法，目前于非線性控制領域得到廣泛應用。作為ADRC技術的核心部分，擴張狀態觀測器（Extended State Observer，ESO）可對系統中的未建模誤差與外部擾動進行實時估計。由于單一的反步控制策略無法滿足系統魯棒性及高動態響應的要求。因此在反步控制中引入積分項構建積分反步控制以提高系統控制精度，有效地避免滑模控制引入的抖振問題，同時利用擴張狀態觀測器估計與補償內外擾動，提高系統的魯棒性。

3電機控制系統

保證汽車系統的穩定性和精度是PID控制算法的主要功能。目前，最新的制動技術促進了電子制動系統的發展。制動轉矩可以無限調節。因此，有必要調整驅動支持的主動制動系統，產生的電壓信號傳輸到電機的中央控制部分。機械控制部分在發動機的供電中起作用。發動機產生傳動力矩，通過傳動軸連接旋轉球，活塞傳動直接接觸制動墊和制動盤。制動墊圈和活塞之間的摩擦不均勻會增加摩擦系數。制動盤老化和保溫性能影響系統的穩定性和可靠性，良好的制動效果依賴完善的伺服系統，最終消除不穩定因素。

4電子機械制動系統發展預測

電控機械制動系統的諸多優點使其與傳統液壓制動系統的更換、線路控制技術的應用和產品的智能自動化相結合，有利于電子機械制動系統的應用速度的預期，符合模塊化、集成、情報和根據embram技術的現狀和目前存在的問題，其發展趨勢預計如下：研究和開發適合車輛制動系統使用的小型高靈敏度智能傳感器;研究適用于不同車輛制動方式的最佳控制方法，優化電控機械制動系統制動功率的控制精度和穩定性;優化和進一步完善制動執行器結構，向簡單結構、性能穩定、控制方便、整體空間緊湊結構等方向發展;研究制動意圖識別算法，確保制動意圖識別精度;制動感覺模擬器的研究始終是一個潛在方向。

5結束語

在分析電子機械制動系統結構及工作原理的基礎上，提出了一種電子機械制動系統無壓力傳感器制動力伺服控制策略，具有如下優勢：1）文中所提出的EMB間隙調整策略不依賴于附加機械調節機構及壓力檢測裝置，具備準確的制動間隙調整能力。2）在強耦合條件下提出的無壓力傳感器控制策略，考慮了系統制動和緩解過程中存在的“遲滯”特性，與傳統控制相比，有效地改善了制動力的估計精度，可作為備用控制回路，為EMB系統在軌道交通領域的可靠性研究提供一種方案，具有創新型。3）基于Sigmoid函數的改進型擴張狀態觀測器能夠觀測出系統存在的外部擾動，為積分反步控制器提供前饋補償，提高系統的魯棒性與控制精度。

參考文獻

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