電子機械制動系統(tǒng)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(qū)別于有軌列車常見的空氣和液壓制動方式，EMB系統(tǒng)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(yōu)點。考慮EMB系統(tǒng)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(huán)境惡劣，因此傳感器的可靠性受到巨大挑戰(zhàn)。同時常規(guī)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(fā)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(tǒng)研究領域的熱點與難點。

關鍵詞：電子機械制動系統(tǒng);無壓力傳感器;控制策略

引言

電子機械制動系統(tǒng)是線路控制制動系統(tǒng)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(wěn)定功能，制動功率的穩(wěn)定性和精度是必要的，電子機械制動系統(tǒng)可以通過精確控制制動電機實現制動功率的穩(wěn)定輸出。

1控制器整體設計

汽車工業(yè)用發(fā)動機制動器是基于PID控制、能量選擇和制動過程、系統(tǒng)主系統(tǒng)。機械原理：將操作人員的腳放在踏板上時，系統(tǒng)發(fā)出信號，并將采集到的信號發(fā)送到中央單元。同時按下相應的制動傳感器會發(fā)出制動力矩信號，將信號轉發(fā)給系統(tǒng)，并產生相位控制力矩。系統(tǒng)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(huán)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(tài)方程法;2）特征曲線法;3）實驗方法。提出汽車EMB系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)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(tài)觀測器，在動態(tài)轉矩平衡方程基礎上估算系統(tǒng)制動力信號。不足之處在于，系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)為堵轉，輸出恒定轉矩。由于系統(tǒng)選用伺服電機作為驅動電機，長時間的堵轉會對系統(tǒng)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(tài)觀測器（Extended State Observer，ESO）可對系統(tǒng)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(tǒng)魯棒性及高動態(tài)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(tǒng)控制精度，有效地避免滑?？刂埔氲亩墩駟栴}，同時利用擴張狀態(tài)觀測器估計與補償內外擾動，提高系統(tǒng)的魯棒性。

3電機控制系統(tǒng)

保證汽車系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)的發(fā)展。制動轉矩可以無限調節(jié)。因此，有必要調整驅動支持的主動制動系統(tǒng)，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(fā)動機的供電中起作用。發(fā)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，良好的制動效果依賴完善的伺服系統(tǒng)，最終消除不穩(wěn)定因素。

4電子機械制動系統(tǒng)發(fā)展預測

電控機械制動系統(tǒng)的諸多優(yōu)點使其與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)展趨勢預計如下：研究和開發(fā)適合車輛制動系統(tǒng)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(yōu)化電控機械制動系統(tǒng)制動功率的控制精度和穩(wěn)定性;優(yōu)化和進一步完善制動執(zhí)行器結構，向簡單結構、性能穩(wěn)定、控制方便、整體空間緊湊結構等方向發(fā)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(tǒng)結構及工作原理的基礎上，提出了一種電子機械制動系統(tǒng)無壓力傳感器制動力伺服控制策略，具有如下優(yōu)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(jié)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(tǒng)制動和緩解過程中存在的“遲滯”特性，與傳統(tǒng)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(tǒng)在軌道交通領域的可靠性研究提供一種方案，具有創(chuàng)新型。3）基于Sigmoid函數的改進型擴張狀態(tài)觀測器能夠觀測出系統(tǒng)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(tǒng)的魯棒性與控制精度。

參考文獻

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