电子机械制动系统（EMB）控制算法详解 —— 以同驭汽车、菲格智能为例
汽车
2024-11-04 08:40
上海
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随着技术的不断进步，汽车制动系统也在悄然发生变革。同驭汽车与菲格智能科技分别推出的电子机械制动系统及其控制方法，为解决电子机械制动系统存在的精确性和可靠性问题提供了参考价值。同驭汽车的电子机械制动系统通过电机驱动，实现了制动力的精确传递和控制，而其双重冗余设计更是将安全性提升到了新的高度。另一方面，菲格智能科技的制动控制方案则在制动踏板失效的情况下，提供了一种减速方法，确保了车辆在紧急情况下的安全。这两项技术的应用，不仅展现了电子制动系统在精确性、可靠性和智能化方面的巨大潜力，也预示着汽车制动技术向更高效、更安全方向的持续演进。接下来，我们将详细剖析这些技术的核心内容，并探讨它们对汽车制动系统未来发展的影响。同驭汽车提供了一种电子机械制动系统 (EMB) 及其控制方法(申请号 202411205388 .9)，旨在解决传统机械制动系统存在的精确性和可靠性问题，并提高车辆的整体制动性能和安全性。以下是该专利中的主要知识点，并进行更深入的分析：EMB 采用电机作为制动力的驱动源，通过机械传动机构将电机的动力转化为制动力，实现对车辆制动盘或制动鼓的夹紧，从而达到制动的目的。与传统液压制动系统相比，EMB 具有更高的响应速度和更精确的控制能力，可以实现更高效的能量回收和更优化的制动性能。随着汽车电子化和智能化的不断发展，电子机械制动系统成为高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶系统中的关键组成部分。传统制动系统存在对夹紧力识别精准度低、摩擦衬片磨损难监测等问题。现有EMB系统中的夹紧力传感器价格昂贵，布置位置面临挑战，完全取消夹紧力传感器会增加夹紧力辨识的难度。该发明旨在解决此类问题，以提高电子制动系统的精确性和可靠性。该专利发明的目的是设计一种具有高精度控制、快速响应和冗余安全功能的电子机械制动系统，具体包括以下几个目标：- 利用刚度拟合和摩擦识别实现对无传感器车轮的精准控制，降低硬件成本。
该系统由控制模块和执行模块组成，执行模块包含主执行模块和次执行模块，实现了双重冗余设计：- 主执行模块：包括电机、力传感器和减速增扭机构，负责实时测量夹紧力和转换运动。
- 次执行模块：负责基于主执行模块的夹紧力信息和算法计算估计的夹紧力，提供冗余或辅助制动。
- 控制模块：接收指令并控制电机旋转，从而实现夹紧或释放操作。
负责发送操作指令，控制制动系统的运行。例如，控制模块可以根据驾驶者的制动踏板信号或车辆的行驶状态信息，发送相应的夹紧或释放指令。与电机位置传感器、电流传感器和力传感器相连，接收控制模块的指令，并根据这些传感器的实时信息控制电机的旋转。通过精确控制电机的旋转角度和电流大小，控制器能够执行精确的夹紧或释放操作。控制器可以采用多种控制策略，例如 PID 控制、模糊控制、自适应控制等，以实现最佳的制动性能。设置有力传感器，通过接触识别获取夹紧力信息。力传感器可以实时测量制动器对制动盘或制动鼓的夹紧力，并将该信息反馈给控制器。包括电机及减速增扭机构、运动转换机构、电机位置传感器和电流传感器。电机及减速增扭机构提供必要的夹紧或释放动力，运动转换机构将旋转运动转换为直线运动，实现制动操作。电机位置传感器和电流传感器提供实时反馈，使控制器能够精确控制电机的旋转角度和电流大小。通过接触计算获取预估的夹紧力，提供冗余或辅助制动。次执行模块可以根据主执行模块的夹紧力数据和/或其他相关参数，通过预设的算法计算并预估夹紧力。实现夹紧力的精确控制和摩擦衬片磨损情况的有效监测。避免因摩擦衬片磨损导致夹紧力误差，影响制动性能和安全性。判断是否满足触发接触计算的条件，若满足，则获取车辆参数信息，进行接触计算和活塞位置计算，再进行刚度拟合和摩擦识别，最后执行夹紧/释放指令；若不满足，则直接进行活塞位置计算、刚度拟合、摩擦识别和夹紧/释放指令。该方法通过单个力传感器实现了对无力传感器车轮的有效控制和监测，降低了成本，提高了制动系统的可靠性和安全性。该方法结合了车辆参数和电机状态信息，提高了估计夹紧力的准确性，为车辆制动系统的智能控制提供了有力支持。与基于单个力传感器的控制方法类似，但增加了一个力传感器，可以更准确地估计夹紧力。 该方法可以进一步提高制动系统的性能和可靠性，并更好地适应不同的车辆参数和行驶条件。- 接触识别与接触计算：基于电机电流变化，更新活塞接触点行程以监测摩擦衬片磨损状况。
- 刚度拟合：通过有力传感器车轮的夹紧力和活塞位置信息，在无力传感器车轮上进行夹紧力估计。
- 摩擦识别与补偿：通过电机转速、电机电流和估计夹紧力控制摩擦补偿，提高系统稳定性和准确性。
该系统的控制方法包括获取车辆参数、进行接触计算、夹紧力估算和摩擦识别等步骤，通过如下几种不同的控制策略实现制动操作的优化：通过力传感器获取夹紧力信息，并更新活塞的接触点行程，计算活塞位置。接触识别：通过力传感器得到的夹紧力变化情况和电机电流变化情况，更新活塞的接触点行程，以此判断摩擦衬片的磨损情况，实现摩擦衬片的自适应补偿。活塞位置计算：通过电机位置传感器实时传感的电机角度，再根据执行机构参数进行积分获得活塞位置。- 单力传感器控制：在一个车轮上安装力传感器，其他车轮通过刚度拟合获取夹紧力估计，实现全车监控。
- 双力传感器控制：在两个车轮上安装力传感器，并通过刚度拟合进一步提高无力传感器车轮的控制精度。
通过车辆参数和电机电流进行接触计算，得到活塞位置信息，并通过刚度拟合估计夹紧力。接触计算：根据有力传感器车轮中接触点识别模块得到的接触点行程，结合该车轮执行机构的电机电流变化情况，更新活塞的接触点行程，以此判断摩擦衬片的磨损情况，实现摩擦衬片的自适应补偿。刚度拟合：接收有力传感器车轮的夹紧力和活塞位置信息进行刚度拟合，得到夹紧力与活塞位置之间的函数关系，再根据未设置力传感器车轮的活塞位置信息，通过该函数关系计算得到估计夹紧力。摩擦识别：通过电机电流、电机转速和估计夹紧力辨识摩擦补偿，控制所需的摩擦转矩。摩擦补偿：通过实时辨识和补偿摩擦影响，可以减小预估夹紧力与实际夹紧力之间的偏差，提高制动的准确性。摩擦补偿有助于消除因摩擦不确定性导致的制动波动和抖动现象，提高制动的平稳性和稳定性。精确的摩擦控制和补偿可以减少制动部件的磨损和损坏风险，从而延长整个制动系统的使用寿命。精确控制：通过优化传感器布置和夹紧力辨识方法，实现夹紧力的精确控制和摩擦衬片磨损情况的有效监测。提高性能和可靠性: 主执行模块和次执行模块的双重设计，提高了制动系统的准确性和可靠性。降低成本: 仅在部分车轮上设置力传感器，降低了系统复杂性和成本。增强安全性: 精确控制每个车轮的夹紧力，实现了车辆制动力的合理分配，提升了车辆的整体制动性能和安全性。该电子机械制动系统及其控制方法可以应用于各种车辆，包括汽车、卡车、摩托车等，提高车辆的整体制动性能和安全性。随着汽车电子化和智能化的发展，EMB 系统将逐渐成为未来汽车制动系统的重要发展方向。进一步优化控制算法: 开发更先进的控制算法，例如基于人工智能的控制算法，以进一步提高制动系统的性能和可靠性。集成更多传感器: 例如，集成轮速传感器、加速度传感器等，以获取更全面的车辆状态信息，并进一步提高制动系统的控制精度。开发更先进的摩擦模型: 建立更精确的摩擦模型，以更准确地描述摩擦衬片与制动盘之间的摩擦特性，并进一步提高制动系统的控制精度。同驭汽车提供了一种先进的电子机械制动系统及其控制方法，该系统具有精确控制、高可靠性、低成本和增强安全性等优点，具有广阔的应用前景。菲格智能科技提供了一种针对电子机械制动系统（EMB）的制动控制方案（申请号 202411160648 .5），旨在解决制动踏板失效时的车辆减速问题，提升车辆在制动踏板失效时的安全性。以下是对该方案的详细分析：- EMB 以电驱动元件为制动执行器，通过无刷直流电机产生制动力矩，将制动力施加在制动盘上。每个车轮都安装有独立的制动机构，中央控制模块负责分析各个车轮的制动需求，并输出相应的控制信号。
- 组成部分： EMB 主要包括制动执行机构、电机、控制模块、制动器外壳、制动垫块、踏板模拟器、电源等。
- 优势： 相比传统液压或气压制动器，EMB 具有体积小巧、反应快速、性能可靠和安全环保等优点。EMB系统中的无刷电机生成制动力矩，不需要制动液，避免了 “制动打脚”现象。
- 为了维持用户对传统制动器的操作习惯，可引入踏板模拟器，反馈踏板位移信息至控制单元。
该方法在制动踏板失效时，启用冗余制动模式，通过加速踏板控制车辆减速，确保安全。具体包括以下步骤：- 激活条件判断：当车辆在行驶状态且满足条件时，系统进入冗余制动模式。
- 操作提示信息：进入冗余制动模式时，输出相应提示信息，以便驾驶员了解如何操作。
- 加速踏板检测：在冗余模式下，通过加速踏板的开度判断驾驶员是否需要减速。
- 电子机械制动：当加速踏板满足预设条件时，以设定的减速度进行减速。
- 制动控制装置：包括判断模块、第一控制模块、第一检测模块和第二控制模块等，用于实现制动控制方法的各个步骤。
- 电子设备与存储介质：描述了包含处理器、存储器和通信接口的电子设备结构，以及存储有实现制动控制方法的计算机程序的计算机可读存储介质。
制动控制模块包含多个控制模块与检测模块，用于监测车辆行驶状态、加速踏板开度、制动踏板故障等，并在必要时执行冗余制动控制。- 判断模块用于判断车辆是否满足冗余制动模式激活条件：检测制动踏板是否出现故障，并根据预设条件判断是否激活冗余制动模式。
- 第一控制模块用于控制车辆进入冗余制动模式，并输出操作提示信息。
- 第二控制模块用于在加速踏板开度满足预设条件时，控制电子机械制动系统减速。
电子设备：该设备包括处理器、存储器等，并存储有计算机程序，用于执行上述制动控制方法。计算机可读存储介质：该介质存储有计算机程序，用于执行上述制动控制方法。系统组件包括：处理器610、通信接口620、存储器630以及通信总线640。这些组件通过通信总线640实现数据交换与通信。处理器610能够访问存储器630中的指令集，其主要执行以下功能： - 当车辆处于行驶状态时，监测车辆是否达到激活冗余制动模式的条件；
- 当车辆符合激活冗余制动模式的条件时，使车辆进入冗余制动模式，并显示相应的操作提示信息；
- 在车辆处于冗余制动模式期间，实时监测加速踏板的开度；
- 当加速踏板的开度达到预设标准时，操控电子机械制动系统，按照预设的减速度对车辆进行减速操作。
双闪控制模块：在车辆进入冗余制动模式时，控制双闪警示灯开启，提高行车安全性。目的：作为制动踏板失效时的备用制动方式，确保车辆在紧急情况下能够安全减速。激活方式：可以手动或自动激活。手动激活可以通过按下电子驻车制动（EPB）开关实现；自动激活则通过检测制动踏板行程和减速度来判断是否进入冗余制动模式。操作提示：当车辆进入冗余制动模式时，会通过车载显示器或音箱等设备输出操作提示信息，指导驾驶员进行制动操作。- 激活冗余制动模式：当检测到制动踏板故障，或通过驾驶员手动操作开启冗余模式。手动激活方式包括按下电子驻车制动（EPB开关）。
- 操作提示：冗余模式激活后，通过车载设备（如显示屏、音箱）提供提示信息，指导驾驶员正确操作。
- 加速踏板开度检测：进入冗余模式后，监测加速踏板开度，满足条件时系统会进行减速控制。
- 车速和扭矩管理：若加速踏板开度不满足减速条件，系统根据车速控制驱动电机的扭矩输出。在高速下（如超过50 km/h），保持动力输出；在低速下则降低扭矩输出。
- 模式退出：驾驶员可以通过实体或软按键退出冗余模式，恢复车辆的正常控制功能。
- 进入冗余模式时，双闪警示灯自动开启，提醒其他车辆注意。
- 判断条件：在车辆行驶状态下，判断是否满足冗余制动模式激活条件，例如制动踏板故障。
- 进入模式：当满足条件时，控制车辆进入冗余制动模式，并输出操作提示信息。
- 检测踏板：在冗余制动模式下，检测加速踏板开度，判断驾驶员是否有减速意图。
- 减速控制：当加速踏板开度满足预设条件时，控制电子机械制动系统以预设减速度对车辆进行减速。
- 当车辆速度超过预设的车速阈值（例如，50km/h），意味着车辆正处于高速行驶状态。此时，系统将指令驱动电机输出与加速踏板开度相匹配的第一扭矩，确保车辆动力系统的正常运作。
- 当车辆速度等于或低于预设的车速阈值，表明车辆速度较慢。在这种情况下，系统将调整驱动电机输出较低的第二扭矩，该扭矩值小于第一扭矩。这种调整的目的是在车速较低时对驱动电机的扭矩输出进行适度限制，以此提醒驾驶员车辆制动系统可能存在异常，同时保障驾驶员能够继续平稳驾驶车辆。
在实施过程中，如果检测到加速踏板的开度未达到预设条件，这表明驾驶员并未意图实施制动。换句话说，在当前的驾驶环境下，车辆不符合减速的要求。例如，当车辆行驶在高速公路或城市快速路上，出于行车安全的考虑，不应直接对车辆进行减速操作，而应引导驾驶员继续行驶至适当的地点再进行减速停车。因此，当加速踏板的开度不符合预设条件时，系统将计算与当前加速踏板开度相对应的第一扭矩值，并实时监测车辆的速度。- 提高安全性：确保在制动踏板失效的情况下，车辆仍然可以安全减速，避免发生交通事故。
- 操作便捷：驾驶员可以通过控制加速踏板的方式对车辆进行制动，操作简单易学。
- 提高驾驶体验：车辆进入冗余制动模式时，会输出操作提示信息，方便驾驶员进行操作。
菲格智能科技提供了一种具有创新性和实用性的制动控制方案，有效地解决了电子机械制动系统中制动踏板失效的问题，提高了行车安全性，并具有良好的经济效益，通过车辆信号交互实现额外的制动冗余保护，无需增加硬件，实现了在制动踏板失效情况下的安全保障。该方案为电子机械制动系统的应用提供了新的思路，具有重要的研究价值和应用前景。
