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線控制動之機電制動（EMB）系統(tǒng)的綜述：結(jié)構(gòu)、控制與應(yīng)用

2025-04-13 09:32:59·  來源：智駕社  
　
其中Fcl為夾緊力，g為總減速比，Im、θm為電機的電流和角位移，Km，Jm為電機力矩常數(shù)和電機輸出處的等效慣性矩，Tf為摩擦力矩。由于力矩平衡方程中涉及到摩擦環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)，因此有必要確定庫侖摩擦系數(shù)等這些參數(shù)。為了避免建立復(fù)雜的摩擦模型，浙江大學(xué)[61]的Wang利用制動盤夾緊和釋放過程的力矩平衡方程來抵消摩擦力矩，實現(xiàn)了電機失速狀態(tài)下夾緊力的簡化估計。在現(xiàn)代汽車提出的一項專利中，增加了一個帶有彈簧部件的機械裝置來監(jiān)測電機的角位移和電流之間的關(guān)系。相應(yīng)地修正了電機的扭矩特性，以準(zhǔn)確地估計夾緊力。為了反映真實的非線性特性，Weiet al. 通過臺式試驗得到了夾緊力與電機轉(zhuǎn)矩之間的特征曲線。根據(jù)特征曲線，對理想的力矩平衡方程進行了擬合和修正，以獲得更好的夾緊力跟蹤效果。

融合角位移和電流的信號可以提高夾緊力估計方法的精度和魯棒性。Saric等人?；趧討B(tài)剛度特性和力矩平衡方程設(shè)計了兩種夾緊力估計模型。采用在職自適應(yīng)技術(shù)來適應(yīng)兩種模型的磨損相關(guān)參數(shù)。此外，利用最大似然估計器對這兩個獨立模型的輸出進行融合，給出了夾緊力的優(yōu)化估計，具有良好的跟蹤性能高度動態(tài)的情況。Bae等人結(jié)合遺傳算法和卡爾曼濾波方法，將基于動態(tài)剛度特性和力矩平衡方程的估計結(jié)果融合，準(zhǔn)確估計夾緊力。采用實編碼遺傳算法對噪聲矩陣進行了優(yōu)化，提高了卡爾曼濾波器的性能。實驗結(jié)果表明，該估計算法在動態(tài)制動時的靈敏度較低。

4.2. 直接夾力控制

直接控制算法通過獲取壓力傳感器、角位移傳感器和電流傳感器的反饋信號，實現(xiàn)了對夾緊力的閉環(huán)控制。表12總結(jié)了現(xiàn)有的夾緊力的直接控制算法。

表12.直接夾緊力控制算法

圖片

PID控制是直接夾緊力控制最常用的算法，具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便、適應(yīng)性好等優(yōu)點。在制動過程中，EMB執(zhí)行器需要經(jīng)歷三個階段：消除制動間隙，產(chǎn)生夾緊力和釋放制動器。級聯(lián)PID控制體系結(jié)構(gòu)非常適合這三個階段。在第一和第三階段，采用中間速度回路來調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，提高執(zhí)行器的響應(yīng)速度。當(dāng)制動間隙消除，驅(qū)動電機進入停滯狀態(tài)時，利用夾緊力的外環(huán)精確跟蹤目標(biāo)夾緊力。此外，利用電流回路作為內(nèi)環(huán)來調(diào)節(jié)電機的電流，充分發(fā)揮電機的過載能力，并提高電機電流控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。由于三個閉環(huán)之間的耦合，需要進行迭代調(diào)整才能獲得最佳的整體性能，而且參數(shù)調(diào)優(yōu)的工作量很大。Li等人。采用基于Bode圖的頻域方法對PID參數(shù)進行調(diào)整，使控制器具有良好的跟蹤性能，并能將超調(diào)控制在所需的范圍內(nèi)。然而，具有固定增益的PID控制不能有效地處理時變非線性問題，如負載相關(guān)的摩擦和剛度。Jo 等人.提出了一種自適應(yīng)的PID控制算法，結(jié)合制動間隙控制算法來估計夾緊力，并根據(jù)夾緊力的變化在線調(diào)整比例增益系數(shù)，以獲得更好的控制效果。為了解決高負荷下摩擦等非線性干擾問題，Line等在級聯(lián)PI控制框架中增加了前饋摩擦補償，提高了夾緊力控制的精度和跟蹤性能。

圖片

圖 34. “力 — 速度 — 電流” 串級 PID 控制架構(gòu)

為了實現(xiàn)對夾緊力的精確控制并提高不同階段的響應(yīng)速度，KI和LEE等人 [75] 提出了一種復(fù)合 PID 控制算法，該算法會根據(jù)目標(biāo)夾緊力在力環(huán)和位置環(huán)之間進行切換。吉林大學(xué)的張等人依據(jù)目標(biāo)功率、實際制動力以及電機轉(zhuǎn)角位置的變化，將機電制動（EMB）執(zhí)行過程劃分為四個階段，并根據(jù)各階段的控制品質(zhì)和特點設(shè)計了相應(yīng)的 PID 控制策略。為提高不同階段接觸點識別的準(zhǔn)確性，湖南大學(xué)的張等人[77] 設(shè)計了一個二階卡爾曼濾波器來處理電流，并根據(jù)制動過程中夾緊力與電流之間的關(guān)系識別接觸點。在此基礎(chǔ)上，提出了一種針對不同階段有特定控制目標(biāo)的模糊 PID 控制算法，以實現(xiàn)更好的動態(tài)性能。

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