CN116811812A

CN116811812A - 一种基于电子机械制动装置及汽车防抱死控制方法

Info

Publication number: CN116811812A
Application number: CN202311038339.6A
Authority: CN
Inventors: 潘公宇; 徐豪晖; 刘志强; 谢婉莹; 陈家琪; 王学攀; 范菲阳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2023-08-17
Filing date: 2023-08-17
Publication date: 2023-09-29

Abstract

本发明公开了一种基于电子机械制动装置及汽车防抱死控制方法，包括车辆单轮模型、滑移率计算、路面附着系数计算、期望滑移率、ABS控制器、电子机械制动装置，通过控制车轮滑移率来实现制动力矩的闭环控制，能够有效缩短制动距离，提高车辆行驶的安全性。本发明公开了一种电子机械制动装置，将行星减速机构和滚珠丝杠副作为电机输出力矩的传动机构，最终由活塞推动制动块完成制动，在结构上屏弃了传统的液压装置，使传动更平稳，控制更精确，有利于提升车辆的紧急制动效率。

Description

一种基于电子机械制动装置及汽车防抱死控制方法

技术领域

本发明属于汽车紧急防抱死制动技术领域，具体涉及一种基于电子机械制动装置的汽车防抱死控制方法。

背景技术

在汽车“新四化”的发展趋势下，制动系统迎来了革命性的变化。电子机械制动(Electro-mechanical Brake，EMB)系统凭借结构简单、功能全面、性能可靠等优点已成为汽车制动行业的发展重点。EMB系统完全摒弃了液压装置，其制动装置结构更简洁、响应更迅速。

与此同时，防抱死制动系统(Anti-lock Braking System，ABS)技术作为汽车传统制动系统的附加装置，其作用是保证车轮处于连续最佳制动状态，有利于减少制动距离，提高制动状态下方向盘控制车轮的可操纵性。作为一种主动安全装置，传统ABS产品多采用逻辑门限控制方式，其存在的局限性是不同车辆需要其特定的匹配技术，并需要在各种道路上进行验证。车辆系统作为非线性强、负载变化大、控制复杂的系统，再加上制动时路面状况及车辆本身运动状态波动均较大，因此开发出鲁棒性强的基于电子机械制动装置的ABS控制尤为关键。

发明内容

本发明的目的在于能够在降低整车质量的同时，有效减少车辆紧急制动距离。为此，提出一种基于电子机械制动装置的汽车防抱死控制方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

第一方面，本发明提供一种防抱死制动控制方法，包含以下步骤：

步骤1，建立车辆单轮模型S1：

对汽车后轴单个车轮进行分析，其动力学方程为：

式中：F_Xb为地面制动力；F_Z为地面对车轮的法向反作用力；M为车轮对地面垂直载荷；v为车体纵向速度；w为车轮角速度；T_b为制动块作用在制动盘上的制动扭矩；R为车轮半径；I为车轮转动惯量；为轮胎与地面间的纵向附着系数。

步骤2，根据单轮模型输出的车速与轮速进行滑移率计算S2：

式中：s为滑移率。

步骤3，通过建立轮胎模型，进行路面附着系数计算S3与最佳滑移率计算S4：

式中：c₁、c₂、c₃为由实验数据拟合得到的参数；s_p为最佳滑移率。

步骤4，设计基于非线性自抗扰控制算法的ABS控制器S5：

步骤4.1，跟踪微分器设计：

利用最速综合函数fhan(u₁,u₂,r,h₁)：

其中，等式左边d、a₀、y、a₁、a₂、s_y、a、s_a均为中间变量，用来赋值，建立滑移率跟踪微分器：

式中：fh为中间变量，u为输入信号，即最佳滑移率s_p与实时滑移率s的差值；u₁、u₂为系统信号状态；r为控制量增益；h为采样步长；h₁为积分因子。

步骤4.2，扩张状态观测器设计：

式中：e为误差信号；z₁、z₂、z₃为系统状态变量估计值；fal()为连续幂次函数；b₀为放大系数；i为输出信号；δ为区间长度；β₁、β₂、β₃为增益系数。

步骤4.3，非线性状态误差反馈控制率设计：

式中：w₁、e₂为误差信号；i₀为非线性状态误差反馈控制率；c为阻尼因子。

步骤5，电子机械制动装置S6的电机控制器接收来自ABS控制器S5生成的输出信号，从而控制制动装置产生相应的制动力矩。

第二方面，本发明提供一种电子机械制动装置，用于产生第一方面的控制方法中的制动力矩，包括：

电机1，其输出轴与一级太阳轮4通过花键相连接；

行星减速机构2，安装在前端盖3中；

丝杠副安装在钳体10中，一端与二级行星架16同轴连接，滚珠丝杆6与钳体10间安装有轴承15；

导向筒7安装在钳体10中，与活塞13的一端滑动连接；

进一步地，所述行星减速机构2包括二级行星架16、二级太阳轮17、二级行星轮18、一级行星架19、一级太阳轮4、一级行星轮20，一级太阳轮4与一级行星轮20啮合连接，一级行星架19与一级太阳轮4和一级行星轮20转动连接，二级太阳轮17与一级行星架通过花键连接，二级行星轮18与二级太阳轮17啮合连接，并与二级行星架16转动连接；

进一步地，所述丝杠副包括滚珠丝杆6、丝杠螺母14；

进一步地，制动装置包括摩擦片、制动块；

第一摩擦片8、第二摩擦片9分别固定在第一制动块12和第二制动块11上；

第一制动块12附在活塞13上，第二制动块11固定在钳体10上。

本发明所述的有益效果：

1)本发明设计的一种电子机械制动装置，将行星减速机构和滚珠丝杠副作为电机输出力矩的传动机构，屏弃了传统的液压装置，结构更紧凑，有利于提升车辆的紧急制动效率；

2)本发明设计的一种基于电子机械制动装置的汽车防抱死控制方法，通过控制车轮滑移率来实现制动力矩的闭环控制，能够有效缩短制动距离，提高车辆行驶的安全性。

附图说明：

图1为本发明控制系统的结构示意图。

图2为电子机械制动装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

实施例一

图1是本发明一种基于电子机械制动装置的汽车防抱死控制方法的系统结构示意图，该系统主要包括车辆单轮模型S1、滑移率计算S2、路面附着系数计算S3、期望滑移率S4、ABS控制器S5、电子机械制动装置S6。车辆单轮模型S1根据电子机械制动装置S6输出的制动力矩以及路面附着系数计算S3确定当前实际运动状态信息；滑移率计算S2根据当前状态的车速与轮速计算得到实时滑移率；路面附着系数计算S3根据输入的实时滑移率从而获得路面附着系数；期望滑移率S4根据建立轮胎模型计算得到当前路面的期望滑移率；ABS控制器S5根据输入的实时滑移率与期望滑移率通过非线性自抗扰控制算法计算得到电子机械制动装置S6所需的电流值；电子机械制动装置S6接受到电流控制信号，通过制动块夹紧车轮制动盘产生制动力矩。

该方法包含以下步骤：

步骤1，建立车辆单轮模型S1：

对汽车后轴单个车轮进行分析，其动力学方程为：

步骤2，根据单轮模型输出的车速与轮速进行滑移率计算S2：

式中：s为滑移率。

步骤4，结合已计算出的车轮实时滑移率与最佳滑移率，设计基于非线性自抗扰控制算法的ABS控制器S5，自抗扰控制器的基本结构包括跟踪微分器、扩张状态观测器、状态误差反馈控制律3部分：

步骤4.1，跟踪微分器设计：

利用最速综合函数fhan(u₁,u₂,r,h₁)：

建立滑移率跟踪微分器：

式中：u为输入信号，即最佳滑移率s_p与实时滑移率s的差值；u₁、u₂为系统信号状态；r为控制量增益；h为采样步长；h₁为积分因子。

步骤4.2，扩张状态观测器设计：

步骤4.3，非线性状态误差反馈控制率设计：

式中：e₁、e₂为误差信号；i₀为非线性状态误差反馈控制率；c为阻尼因子。

步骤5，电子机械制动装置S6的电机控制器接收来自ABS控制器S5生成的输出信号，从而将电机输出的力矩放大控制制动块夹紧方向盘产生相应的制动力矩。

实施例二

如图2所示，为本发明提供的电子机械制动装置S6的结构示意图，包括电机1、行星减速机构2、前端盖3、螺栓5、滚珠丝杠6、导向筒7、第一摩擦片8、第二摩擦片9、钳体10、第二制动块11、第一制动块12、活塞13、丝杠螺母14、轴承15，其中行星减速机构2又包括二级行星架16、二级太阳轮17、二级行星轮18、一级行星架19、一级太阳轮4、一级行星轮20。

其中，电机1输出轴与一级太阳轮4通过花键相连接；

行星减速机构2，安装在前端盖3中，前端盖3通过螺栓5与钳体10的一端紧固连接；

滚珠丝杆6与丝杠螺母14螺纹连接，安装在钳体10中，滚珠丝杆6一端与二级行星架16同轴连接，滚珠丝杆6与钳体10间安装有轴承15；

导向筒7安装在钳体10中，与活塞13的一端滑动连接；

第一制动块12附在活塞13上，第二制动块11固定在钳体10上。

制动时，电机1驱动一级太阳轮4转动，从而带动一级行星轮20沿着前端盖3内壁的齿圈转动，一级行星架19将运动传递到二级行星轮18带动二级行星架16转动；与二级行星架16同轴连接的滚珠丝杆6将旋转运动转化为丝杠螺母14的轴向移动，将作用力传导至导向筒7中的活塞13推动第一制动块12，从而夹紧设置于第一摩擦片8、第二摩擦片9之间的制动盘。

Claims

1.一种基于电子机械制动装置的汽车防抱死控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，建立车辆单轮模型S1：

对汽车后轴单个车轮进行分析，其动力学方程为：

式中：F_Xb为地面制动力；F_Z为地面对车轮的法向反作用力；M为车轮对地面垂直载荷；v为车体纵向速度；w为车轮角速度；T_b为制动块作用在制动盘上的制动扭矩；R为车轮半径；I为车轮转动惯量；为轮胎与地面间的纵向附着系数；

步骤2，根据单轮模型输出的车速与轮速进行滑移率计算S2：

式中：s为滑移率；

式中：c₁、c₂、c₃为由实验数据拟合得到的参数；s_p为最佳滑移率；

步骤4，设计基于非线性自抗扰控制算法的车防抱死制动系统(anti-braking system,ABS)控制器S5；

2.根据权利要求1所述的一种控制方法，其特征在于：所述基于非线性自抗扰控制算法的ABS控制器S5的基本结构包括跟踪微分器、扩张状态观测器和状态误差反馈控制器三部分，具体设计步骤为：

步骤4.1，跟踪微分器设计：

利用最速综合函数fhan(u₁,u₂,r,h₁)：

式中：fh为中间变量，u为输入信号，即最佳滑移率s_p与实时滑移率s的差值；u₁、u₂为系统信号状态；r为控制量增益；h为采样步长；h₁为积分因子；

步骤4.2，扩张状态观测器设计：

式中：e为误差信号；z₁、z₂、z₃为系统状态变量估计值；fal()为连续幂次函数；b₀为放大系数；i为输出信号；δ为区间长度；β₁、β₂、β₃为增益系数；

步骤4.3，非线性状态误差反馈控制率设计：

3.一种电子机械制动装置，其特征在于：包括电机1、行星减速机构2、前端盖3、螺栓5、滚珠丝杠6、导向筒7、第一摩擦片8、第二摩擦片9、钳体10、第二制动块11、第一制动块12、活塞13、丝杠螺母14、轴承15；

所述行星减速机构2包括二级行星架16、二级太阳轮17、二级行星轮18、一级行星架19、一级太阳轮4、一级行星轮20；所述电机1的输出轴与一级太阳轮4通过花键相连接；一级太阳轮4与一级行星轮20啮合连接，一级行星架19与一级太阳轮4和一级行星轮20转动连接，二级太阳轮17与一级行星架通过花键连接，二级行星轮18与二级太阳轮17啮合连接，并与二级行星架16转动连接；

所述行星减速机构2安装在前端盖3中，前端盖3通过螺栓5与钳体10的一端紧固连接；

所述滚珠丝杆6与丝杠螺母14螺纹连接，安装在钳体10中，滚珠丝杆6一端与二级行星架16同轴连接；滚珠丝杆6与钳体10间安装有轴承15；

所述导向筒7安装在钳体10中，与活塞13的一端滑动连接；

所述第一摩擦片8、第二摩擦片9分别固定在第一制动块12和第二制动块11上，第一制动块12附在活塞13上，第二制动块11固定在钳体10上。