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汽车电控机械制动系统控制

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随着科技的飞速发展,更高的安全性能逐渐成为人们对汽车产品的一项重要需求。对于现代型汽车,人们可以通过了解其制动性能和一体化底盘综合控制技术来衡量其是否具备良好的安全性能。从制动系统来分析,传统汽车制动系统制动管路及系统构造错综复杂,不利于装配和维修,响应速度慢,制动效能低,而且制动液还污染环境。因此,汽车设计领域在传统制动系统的基础上研发了车辆电控机械制动系统(EMB-ElectromechanicalBrakingSystem)来解决这些问题。并且,EMB通过与其它部件经CAN总线集成还可以建立起一个综合的底盘控制系统。本文结合现有的EMB参考资料,根据实际零部件的参数对EMB机械执行机构和执行电机进行机电系统的建模和动力学分析,再通过EMB制动系统与传统制动系统的制动效能进行对比分析,验证EMB制动系统的优越性能,对以后的更进一步设计和完善提供思路。

1传统汽车制动系统存在的问题

传统意义上的汽车制动系统主要是HB和EHB线控液压制动系统。EHB液压制动系统是在HB液压制动器基础上发展而来。与传统液压制动器相比,EHB的一体化制动结构大大缩短了制动反应时间,提高了制动效能,操控系统更简单,噪声较轻微,并且无需真空辅助装置,有效减轻了制动踏板的打脚,提供了更优越的踏板感觉。另外,现代汽车制动系统采用模块化构造,省去了一部分零部件,节省了系统空间,使得系统运行更加轻便灵活。但是严格来讲,EHB液压制动系统的制动管路布置较复杂,装配和拆修程序非常繁琐,响应速度慢,而且制动液会污染环境,因此还需要做进一步改进。

2车辆电控机械制动系统(EMB)改进思路

电控概念的出现为汽车制动系统的研究开启了全新的思路。研究者大胆的把电控单元引入汽车液压制动系统中,开发了一套全新的车辆电控机械制动系统(EMB),解决了传统制动系统存在的问题,大大提高了汽车制动效能。

2.1系统工作原理在电控机械制动系统中,其主要组成部分有电机、制动器、控制器ECU以及传动装置等(如图1所示)。当车辆制动时,由安装在制动踏板上的传感器将车辆驾驶员踏板踩下的位移情况进行检测,并将相关数据传输到RCU中,由踏板的速度以及位移情况共同对驾驶员的意图进行判断,即属于紧急制动还是普通制动。在此过程中,ECU将对制动块制动力、车轮传感器等信号进行分析,并通过控制算法的计算获得电压控制信号,由减速器减速增扭,经过滚动丝杠机构将旋转运动转换为移动,最终实现车轮的制动力控制以及制动块压紧力控制。之后,则由FlexRay总线将传感信号传输到ECU,并由ECU将控制信号再一次传输给电机。图2清晰地展示了车辆电控机械制动系统的制动原理。

2.2控制目标对于电控机械制动系统的控制目标而言,其包括有以下几个方面:第一,踏板力感控制,对制动的感觉进行优化;第二,通过对车轮电机的控制,以实时的方式对车轮制动力矩进行控制,并对车辆ABS制动防抱死功能进行实现;第三,分配制动力,包括有车辆前后轴制动力分配以及再生制动控制策略等;第四,对转向系统、驱动系统以及制动系统实现集成控制,并对ESP以及ASR等功能进行实现。

3车辆制动管动力学模型和制动过程仿真

3.1制动动力学模型车辆制动动力学模型主要包括有整车制动模型、控制器模型、轮胎模型以及制动系统模型等。

3.1.1整车制动模型目前,国际上对于车辆制动控制进行研究的模型有以下几种,即双轮模型、四轮模型以及1/4车辆模型。本文以1/4车辆模型进行研究。

3.1.2轮胎模型在制动控制以及制动动力学研究中,其所应用的轮胎模型表征制动为路面纵向附着系数与轮胎滑移率之间的关系。其中,路面附着系数是输出数据,而轮胎滑移率则为输入数据。在具体计算中,可以根据轮速以及车速对滑移率进行计算,并由查表模块的应用对路面纵向附着系数进行查找。在本研究中,根据Burckhardt模型进行研究,如图3所示,其中表明干湿路面以及冰雪路面的最佳滑移率分别为0.2、0.08以及0.15。

3.1.3电控机械制动模型电控机械制动模型由减速器模型、制动器模型、电机模型和丝杠传动模型组成。它通过电机力矩实现输入,通过制动力矩实现输出。

3.1.4控制器模型通过PID进行制动控制时,控制器模型输入为实际滑移率同最佳滑移率之间的差,而电机力矩值则为期望输出。

3.2制动过程仿真分析为了能够对车辆在不同路面情况下的制动过程进行研究,本文对车辆在不同情况下的路面制动进行了试验,即在不同路面上以80km/h的速度进行制动,并施加制动力矩阶跃输入模拟紧急制动的制动过程:在干燥路面上,对车辆制动力矩对于制动过程的影响进行了对比与研究,即当制动力矩同附着力限定制动力矩值相比较小时,车辆制动时间为3.1s,制动距离为34.5m;当制动力矩同限定制动力矩值相比要高时,就会引起制动距离增加,使车轮抱死,制动时间为5.1s,制动距离为55.2m;在湿滑路面上,当车辆制动力矩同限定制动力矩值相比较小时,制动时间为5.8s,制动距离为63.6m,而当制动力矩同限定力矩值相比较大时,车辆所具有的制动时间为9.8s,制动距离为105.8m;在冰雪路面上,当车辆当车辆制动力矩同限定制动力矩值相比较小时,制动时间为13.5s,制动距离为151m,而当制动力矩同限定力矩值相比较大时,车辆所具有的制动时间为16.1s,制动距离为176.6m,车轮出现抱死情况,车辆具有较大的危险。通过对上述数据的分析可以发现,同干路面道路行驶相比,当车辆在湿滑路面进行高速状态制动时,车轮在很短时间内就会出现抱死情况,其滑移率为100%,并由于地面附着系数较低而使其具有了更长的制动距离。而同湿滑路面制动相比,当车辆在冰雪路面以较高车速进行制动时,所具有的抱死时间更快,甚至可以说是在瞬间就形成了抱死的情况,滑移率同样为100%,同湿滑路面相比,由于冰雪路面附着系数更低,车辆制动的距离相对来说也更长。对此,当车辆在冰雪、湿滑等附着系数较低的路面上以高速状态紧急制动、而没有做好防抱死控制时,车辆则有非常大的几率出现车轮抱死情况,进而由于制动距离增加而大大提升安全事故的发生几率。

3.3遗传算法优化PID参数本文在MATLAB软件基础上对车辆电控机械制动控制策略仿真图形界面软件进行了开发,在该软件系统中,用户将车辆的轮胎模型以及整车相关参数根据提示输入到系统中之后,通过对控制算法按钮的点击,则能够以更为直观、快速的方式对车辆制动信息进行分析。另外,本文还采用遗传算法优化PID参数,以实现快速制动的目的。对于复杂系统优化问题的随机优化来说,遗传算法是非常适合的一类搜索算法,能够在同一时间对空间中的很多点进行快速的搜索,并在段时间内实现全局的收敛。对此,本文利用模型对此问题进行优化设计,议PID控制参数中的积分系数、微分系数以及比例系数为变量,在一定长度路面上,制动实际滑移率以及理想滑移率之间的差值均方根作为目标函数,对约束条件进行优化设计,并使用MATLAB工具箱中的算法对目标函数进行求解,以提高车辆的稳定性。然后通过对主程序M文件以及目标函数M文件的编写获得理想的控制参数优化结果。在该研究的基础上,本文对不同路面情况下的控制参数进行了进一步的优化,获得由以下结果:在干路面情况下,制动时间为2.6s,制动距离为29.4m,经过比对满足我国制动规范要求;在湿路面情况下,制动时间为4.6s,制动距离为51.4m,冰雪路面上制动时间为12s,制动距离为133.8m,经过比对,都同我国制动规范要求进行了较好的满足。经过上述数据的优化与分析,可以看到,在不同路面情况下,都能够实现对目标滑移率的跟踪,在对地面附着力进行最大程度利用的同时缩短了车辆制动距离,对于车辆制动时的方向稳定性以及制动效能都是一种非常有效的提升。

4改进效果

经过仿真优化后的汽车电控机械制动系统(EMB)与传统汽车制动系统与电控制动系统进行了一番对比,发现汽车电控机械制动系统具有明显的应用优势。效果对比如下:

4.1结构和性能的对比分析传统汽车制动系统拥有复杂的管路和控制阀,造价高,系统灵活性差,反应时间较长,在一定成度上降低了制动系统的安全性能。电控机械式制动系统在管路、阀门和结构等方面都做了改进,因此安全性能更好,其相对于传统制动系统的应用优势详见表1。

4.2制动距离的对比分析以一辆40t的载货车为例,装有盘式制动器和EBS,在时速达到90km/h时开始制动,到车辆停下来的制动距离比ABS和鼓式制动器(制动压力800kPa)缩短了45%,而Haldex公司推出的EMB在此基础上又将制动距离缩短了14%。各种不同制动装置下的制动距离如图4所示。

4.3事故发展生率的对比结果梅赛德斯—奔驰公司根据德国联邦统计局(SBA)的交通事故统计数据显示,装配EMB系统的梅赛德斯—奔驰牌轿车,事故率明显降低。2014年度新登记注册的梅赛德斯—奔驰牌轿车,其事故发生率比2010年未装配EMB系统的同类车型减少了15%。同一时期内,其它知名品牌的轿车事故率平均降低了11%。显然EMB系统使梅赛德斯—奔驰牌轿车的事故率的降低程度比其他品牌轿车低了4%。

5结论

上文对汽车电控机械制动系统控制进行了一定的研究:第一,本文对具有仿真分析、控制策略设计的软件进行了开发,对控制策略设计以及分析工作的效率起到了提升的作用;第二,在对电控机械制动系统控制目标FENIX的基础上对PID控制对制动效果的影响进行了研究,并制定出了能满足制动防抱死的控制目标;第三,通过遗传算法的应用,对PID控制参数进行了优化,在对目标滑移率进行跟踪的同时对地面附着力进行了最大程度的应用,在对车辆制动距离进行缩短的同时使车辆制动过程中方向的稳定性以及制动效能得到了提升。简单的来说,电子机械制动系统就是把原来由液压或者压缩空气驱动的部分改为由电动机来驱动,借以提高响应速度、增加制动效能等,同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度。目前,该系统逐渐在汽车制造领域得到广泛应用,但是时间上相对之后,许多车辆都是出厂后才召回做改进,不仅造成了一定的经济损失,而且有损企业声誉。可见,要彻底改革传统制动模式还需要做出更多努力。

作者:王芹 单位:连云港职业技术学院

汽车工程杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次