《汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)（EMB）制動器效能的數(shù)學(xué)建模與仿真研究》11000字（論文）

第第頁汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)（EMB）制動器效能的數(shù)學(xué)建模與仿真研究目錄TOC\o"1-2"\h\u25654摘要 1281541緒論 2118641.1研究背景及意義 2230911.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3158571.2.1國外研究現(xiàn)狀 346671.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6139511.3研究目的與主要內(nèi)容 7182332電子機(jī)械制動系統(tǒng)工作原理 8147612.1EMB系統(tǒng)工作原理 8237882.2EMB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理 825903電子機(jī)械制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型 10270163.1驅(qū)動電機(jī) 10211103.2減速增矩機(jī)構(gòu) 1134813.3運動轉(zhuǎn)換裝置 1161714電子機(jī)械制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模 13111994.11/4車輛制動模型的建立 13252244.1.1單輪車輛制動模型 1319184.1.2輪胎模型 1485384.2EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型 15193304.2.1無刷直流電機(jī)模型 15286764.2.2行星齒輪減速器模型 15151054.2.3滾珠絲杠與制動摩擦塊模型 1631204.2.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體建模 18120625帶有ABS制動仿真結(jié)果對比 20153755.1ABS簡介 20185595.2帶有ABS控制策略的兩種制動系統(tǒng)的仿真結(jié)果 2130995.3仿真結(jié)果對比 2715984總結(jié)與期望 2818471參考文獻(xiàn) 28摘要車輛的制動性能是車輛安全性能的重中之重。全電化是汽車制動的一個前沿領(lǐng)域，正在飛速的發(fā)展中。隨著自動緊急制動系統(tǒng)(AEB)和自動泊車(APA)等智能行車輔助科技的逐漸廣泛應(yīng)用,制動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為底層執(zhí)行的關(guān)鍵部分,因此必須提高響應(yīng)與操控性能。由于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)這種更新要求，電子機(jī)械制動系統(tǒng)（ElectroMechanicalBraking簡稱EMB）應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)相比，其具有制動器響應(yīng)迅速、制動距離短、無需助力器、節(jié)省空間、節(jié)約能源等特點。本文介紹了一種新型車輛制動系統(tǒng)——電子機(jī)械制動系統(tǒng)的工作原理、研究現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)組成，并介紹了一種電子機(jī)械制動器的數(shù)學(xué)模型，最后通過MATLAB仿真結(jié)果，對電子機(jī)械制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)在高速高附著路面上，在帶有ABS控制策略下的制動仿真結(jié)果進(jìn)行分析及對比，闡明了這種制動系統(tǒng)的制動效果和特點。關(guān)鍵詞：電子機(jī)械制動系統(tǒng)，工作原理，制動效果ADDINCNKISM.UserStyle1緒論1.1研究背景及意義隨著我國當(dāng)今社會發(fā)展和民眾的生活水平的提升,越來越快速、便利、簡單的交通運輸方法和運輸工具成為人們?nèi)粘Ｉ畹倪x擇,從而也導(dǎo)致車輛的銷售總量逐年上升。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會官方網(wǎng)站的公布數(shù)據(jù),二零二一年我國品牌轎車市場占有率將達(dá)到百分之四十四,逼近歷史上最好水準(zhǔn)。同時中國也是全球最大的單體汽車市場。然而，隨著汽車銷量在增加人們出行便利的同時，交通安全問題也變得越來越嚴(yán)重。2019年，中國交通事故數(shù)量為24.8萬起，同比增長1.1%。中國交通事故直接財產(chǎn)損失人民幣高達(dá)13.46億元。2020年，中國道路交通事故死亡人數(shù)為1.66萬人。因此，車輛的安全性能對行人和駕駛員的生命安全和財產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用。其中，車輛的制動性能是車輛安全性能的重中之重。制動，也就是通俗意義上的"剎車"，是一種能使得在運行中的車輛以及其他運輸工具或機(jī)械降低速度或停止的動作。為了實施制動而在車輛及其他交通運輸工具上裝設(shè)主要由供能裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置和一些輔件組成的裝置，稱為制動裝置。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，制動機(jī)也逐漸邁入新的領(lǐng)域。制動機(jī)不僅采用電信號傳輸制動指令，更開始使用電磁器件作為制動力的執(zhí)行器。目前，全電化是汽車制動的一個前沿領(lǐng)域，正在飛速的發(fā)展中。而近年來,隨著車輛電氣化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢日益突出,這也對車輛制動系統(tǒng)提出了全新的技術(shù)需求。一方面,由于電動汽車一般使用再生制動系統(tǒng),所以要求實現(xiàn)輪端摩擦剎車扭矩和發(fā)電機(jī)動力協(xié)調(diào)控制。這就需要對汽車輪胎端面的摩擦制動力進(jìn)行獨立控制，且能夠精確調(diào)試;但是,隨著自動緊急制動系統(tǒng)(AEB)和自動泊車(APA)等智能行車輔助科技的逐漸廣泛應(yīng)用,制動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為底層執(zhí)行的關(guān)鍵部分,因此必須提高響應(yīng)與操控性能。顯然,由于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)這種更新要求了,線控制動系統(tǒng)便應(yīng)運而生。EMB是線控制動系統(tǒng)的一種，與電子液壓是一種能夠替代空氣制動機(jī)的新型制動機(jī)。它制動力的來源直接由電機(jī)提供，推力又直接能夠作用于閘瓦或閘片，其中電機(jī)能夠響應(yīng)制動電信號，中間不需要再通過空氣閥路的轉(zhuǎn)換、放大。電機(jī)械制動器是一種安全制動的制動器，可以用于常用制動和緊急制動，它一般由電機(jī)、螺旋機(jī)構(gòu)、減速器等組成。電機(jī)械制動機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅能夠?qū)?nèi)部電機(jī)的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)化為摩擦片的平動，還能夠?qū)崿F(xiàn)減速增力、間隙調(diào)整等功能。電機(jī)械制動比起液壓制動，具有明顯的優(yōu)勢，不僅能夠節(jié)約油路、閥類等裝置的成本，更具有響應(yīng)快速，體積小巧，便于檢修等優(yōu)勢。是未來汽車制動技術(shù)的發(fā)展方向。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外知名的汽車零部件制造商已經(jīng)對電子機(jī)械制動系統(tǒng)執(zhí)行器進(jìn)行了一定程度的研究且得到了許多研究成果。ContinentalTeves公司的Drott、RIETH等在二十一世紀(jì)初（2002年）申請了電機(jī)械制動器的結(jié)構(gòu)專利，采用的是行星齒輪與滾珠絲杠組合的方式并驅(qū)動電機(jī)，是內(nèi)置式的。西門子公司采用的電子機(jī)械制動器結(jié)構(gòu)是把增力杠桿和滾珠絲杠組合起來，該方案采用將電機(jī)內(nèi)置的方式，把滾珠絲杠與電機(jī)結(jié)合在一起，增力杠桿的存在讓該結(jié)構(gòu)可以達(dá)到自動調(diào)整間隙的效果。博世公司的KELLLER在二十一世紀(jì)初（2003年）申請了一種制動器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶有電磁離合器。此方案屬于電機(jī)外置式?？刂品椒▽τ贓MB系統(tǒng)非常重要。閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種具有反饋作用的回路，能夠通過提高控制精度來精確輸出制動力。ChristofMaron團(tuán)隊采用一種雙閉環(huán)控制策略，主要是通過對制動力及轉(zhuǎn)速的控制。1995年，ChristofMaron團(tuán)隊制定了電子機(jī)械制動系統(tǒng)控制算法開發(fā)測試標(biāo)準(zhǔn)，研究了執(zhí)行器建模、汽車防抱死制動系統(tǒng)功能實現(xiàn)、制動間隙管理、電子控制單元開發(fā)、制動力控制等問題。MelbUniChrisLine團(tuán)隊在2007年改進(jìn)了基于三閉環(huán)PI反饋控制的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了摩擦補償、增益調(diào)度和反饋線性技術(shù)，實現(xiàn)了模型預(yù)測控制，優(yōu)化了制動飽和、負(fù)載相關(guān)摩擦和非線性剛度對制動性能的影響，更好地利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩。任何制動系統(tǒng)控制策略的主要問題之一是，由于系統(tǒng)參數(shù)（路況、執(zhí)行器動力學(xué)、輪胎工況等）的顯著影響，將面臨許多不確定性。RMorselli和RZanasi在2003年提出了一種電子機(jī)械制動系統(tǒng)的自校正控制。在汽車工業(yè)中，電子機(jī)械制動系統(tǒng)是液壓制動器的有前途的替代品。在高度不確定的情況下，所提出的控制可以看作是一種最小搜索算法。只需要測量車輪角速度和粗略測量（或估計）制動片上的執(zhí)行器制動力。通過仿真研究對所提出的控制方法進(jìn)行了驗證。JB?hm，SSt?lzl在2005年發(fā)明了一種電子機(jī)械制動系統(tǒng)，尤其是用于汽車的電子機(jī)械制動系統(tǒng)，其包括踏板模塊和兩個及兩個以上制動模塊。此外，還有一個中央控制模塊。上述模塊之間的連接可通過數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)。在一個實例中，中央控制模塊可以評估傳感器系統(tǒng)的信號并檢查它們的錯誤。此外，中央控制模塊可發(fā)出相應(yīng)的目標(biāo)制動值，然后將其發(fā)送至制動模塊。因此，制動模塊為與車輪上電子機(jī)械制動器執(zhí)行器確定適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號，以實現(xiàn)駕駛員的制動意圖。CTCao，DBaumann，DHofmann等人在2007年發(fā)明了一種機(jī)電盤式制動器，其具有可切換的自由輪，以便配置為停車制動器?？汕袚Q自由輪包括夾緊滾輪自由輪，其具有用于鎖定制動器電機(jī)的電機(jī)軸的滾輪。電機(jī)的定位軸承和飛輪安裝在電機(jī)外殼的蓋子上，盤式制動器的所有電氣連接都通過蓋子布線。集成設(shè)計可以大大減少使用的組件數(shù)量。此外，借助本發(fā)明可以減小飛輪相對于電機(jī)軸的位置公差。TTamasho，MKubota，MTsukamoto等在2004年提出車輛的機(jī)電制動系統(tǒng)具有安裝在車輛每個車輪上的制動執(zhí)行器和用于控制每個制動執(zhí)行器操作的控制器。制動執(zhí)行器根據(jù)電機(jī)的操作，通過旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)通過一對制動片夾緊盤式轉(zhuǎn)子。旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸整體連接的螺桿軸和與螺桿軸一起擰緊并與一對剎車片整體連接的滾珠絲杠構(gòu)成。當(dāng)車輛處于停止?fàn)顟B(tài)時，控制器驅(qū)動電機(jī)，使得在制動操作期間與球螺母的球接觸的螺旋軸的普通使用區(qū)域面對在球螺母的端部形成的潤滑劑孔。

JNell，PSkotzek等人在2004年發(fā)明涉及一種用于機(jī)動車的機(jī)電式駐車制動系統(tǒng)，包括制動器驅(qū)動裝置，一種電子控制裝置，用于將輸入信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出信號，以及停車制動器，該停車制動器由電機(jī)驅(qū)動，并可基于控制裝置的輸出信號進(jìn)行控制。為了增強(qiáng)操作安全性，電子控制裝置具有兩個或多個并行工作的控制單元，以分別處理輸入信號。FSchumann在2001年發(fā)明了一種帶制動卡鉗的電子機(jī)械式車輪制動裝置，該制動卡鉗由一個整體構(gòu)成，帶有一個齒輪殼體，其中容納一個行星滾柱螺旋傳動裝置，用于將摩擦制動襯片壓在制動盤上，以及一個錐齒輪副，用于驅(qū)動行星滾柱螺旋傳動裝置旋轉(zhuǎn)。當(dāng)摩擦制動襯片壓在制動盤上時，為了使齒圈不受軸向作用在行星滾柱螺旋傳動螺母上的力，該裝置將傘齒輪副的齒圈以旋轉(zhuǎn)固定和軸向移動的方式固定在螺母上，例如通過多槽輪廓，以及在剛性嵌入的齒輪殼體中用單獨的軸向軸承支撐傘齒輪。JStaltmeir在2002年發(fā)明了一種電子機(jī)械制動拉緊裝置，尤其是用于軌道車輛制動器的裝置，包括用于拉緊和/或松開制動器的制動執(zhí)行器和用于將制動執(zhí)行器提供的能量轉(zhuǎn)換為制動拉緊運動的功率轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明，功率轉(zhuǎn)換器包括剪切力測量螺栓或制動桿，所述剪切力測量螺栓或制動桿布置在功率流中，并且具有至少一個用于直接或間接測量制動力的測量傳感器。對于機(jī)電或電動操作的制動器，調(diào)整間隙會出現(xiàn)問題，因為對于這種制動器，不能使用為液壓制動器提供的自動復(fù)位裝置。調(diào)整時，必須首先確定制動器的中性位置，其中至少一個摩擦襯片非常接近。為此，BJurgen在2003年發(fā)明提供了一種檢測制動器電流（I）的變化、制動器位置（φ）的變化以及系統(tǒng)剛度的變化，這些變化由制動器力導(dǎo)出，作為制動器位置的函數(shù)進(jìn)行評估，以確定接觸。DHShin，CPJeong等人于2018年提出了一種用于增加制動力的電子機(jī)械制動器。根據(jù)發(fā)明的一個實施例，用于增加制動力的機(jī)電制動器可以包括上剎車片、內(nèi)剎車片和外剎車片，內(nèi)剎車片可以通過旋轉(zhuǎn)螺釘移動移動移動塊來加壓制動盤的內(nèi)側(cè)表面，外剎車片可以加壓制動盤的外側(cè)表面，上襯塊還可以對圓盤上端的圓柱表面加壓，因此制動力可以增加，因為與對圓盤的內(nèi)側(cè)表面和外側(cè)表面加壓的情況相比，通過對圓盤上端的圓柱表面加壓可以進(jìn)一步產(chǎn)生額外的制動力。BMichael，SJanos等人于2020年發(fā)明了一種電子機(jī)械制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個制動執(zhí)行器，該制動執(zhí)行器具有一個用于將驅(qū)動力傳遞至制動片的動力傳遞裝置，所述動力傳遞裝置包括一個可旋轉(zhuǎn)軸、一個帶有鎖止元件的耦合裝置，其中，可以控制耦合裝置，以使鎖緊元件與可旋轉(zhuǎn)軸嚙合并阻止其旋轉(zhuǎn)，或者使鎖緊元件與可旋轉(zhuǎn)軸分離，從而可旋轉(zhuǎn)可旋轉(zhuǎn)軸，以及可插入第一工具元件的第一插座，以使其與可旋轉(zhuǎn)軸嚙合并在旋轉(zhuǎn)軸上傳輸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)也對電子機(jī)械制動系統(tǒng)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了廣泛、大量的研究。從1990年以來，中國大陸公司和萬都公司等國外非常出名的零部件制造商在電子機(jī)械制動系統(tǒng)方案、控制策略、零部件和車輛測試方面進(jìn)行了大量的開發(fā)工作。近年來，國內(nèi)的知名高校，如清華大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等也在電子機(jī)械制動仿真與臺架驗證等方面取得了一定進(jìn)展。廣州機(jī)械科學(xué)研究院的黃淵芳和南京航空航天大學(xué)的翁建生與金智林在2010年從現(xiàn)有的電子機(jī)械制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及控制算法等進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)方面存在的問題，并預(yù)測了未來發(fā)展方向。李靜，張健等在2011年針對電子機(jī)械制動車輛，開發(fā)了基于目標(biāo)ECU的車輛穩(wěn)定性控制（VSC）系統(tǒng)軟件。分析了軟件的功能，建立了開發(fā)框架和軟件流程圖。用C語言的手寫代碼編寫了一個程序。建立了基于XPC目標(biāo)和CAN網(wǎng)絡(luò)的半實物仿真平臺。通過半實物仿真平臺驗證了VSCECU與EMB系統(tǒng)的匹配性能和VSC系統(tǒng)的控制有效性。廣西大學(xué)的楊偉強(qiáng)在2014年建立了一種EMB制動系統(tǒng)的模型，并且設(shè)計了一種自整定模糊PID控制器，在ABS控制要求下，先與無ABS控制的制動模型對比，最終得出其設(shè)計的控制器能有效彌補其他控制策略的不足，如PID控制和模糊控制，使電子機(jī)械制動系統(tǒng)制動性能顯著提高，且驗證其具有較強(qiáng)的路面識別特性。西華大學(xué)黃鈺在2016年為一款輕型轎車設(shè)計了一種電機(jī)械制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并用兩種控制方法解決了電機(jī)的電流環(huán)動態(tài)耦合問題，搭建了基于電機(jī)械制動系統(tǒng)的仿真模型，驗證了基于滑移率的模糊滑?？刂撇呗缘挠行?，對車輛制動的穩(wěn)定性和安全性有一定的提升。合肥工業(yè)大學(xué)的朱學(xué)青于2019年設(shè)計了一種電機(jī)械制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了要求。在MATLAB/Simulink中對電機(jī)械制動系統(tǒng)構(gòu)件間的力學(xué)關(guān)系建立仿真模型。然后對電機(jī)械制動控制策略進(jìn)行相應(yīng)的研究，對制動間隙的消除做出一定的改善，并在其基礎(chǔ)上增加了ABS防抱死控制，提高了車輛制動的安全性，并驗證了可行性。齊剛，泛亞汽車技術(shù)中心有限公司的高級工程師，在2021年設(shè)計了一套后輪EMB制動鉗。基于卡鉗剛度建立了電子機(jī)械制動系統(tǒng)卡鉗夾緊力的控制模型。分析了EMB卡鉗對不同制動力要求的響應(yīng)特性，并進(jìn)行了臺架試驗和驗證。研究了制動鉗剛度對控制效果和夾緊力的影響，為后續(xù)EMB制動鉗夾緊力的精確控制的實現(xiàn)提供了改進(jìn)方向?？偠灾?，國內(nèi)在電子機(jī)械制動系統(tǒng)的研究上與國外還有很大差距，實現(xiàn)電子機(jī)械制動系統(tǒng)廣泛化還有很長的路要走，仍須付出更加艱辛的努力。1.3研究目的與主要內(nèi)容由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)步向前，人們的生活質(zhì)量有了很大的提高，對汽車安全性要求也逐漸提出了更高的要求。為了提高汽車的汽車制動性能，各科研場所和零部件商有必要對汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，不斷對制動性能進(jìn)行優(yōu)化和改善。近年來我國新能源汽車發(fā)展迅猛，預(yù)計在2030年將有高達(dá)百分之四十的交通工具比例。新能源汽車?yán)秒妱訖C(jī)取代燃油機(jī)，噪聲更低，效率更高。但大多數(shù)車輛仍然使用傳統(tǒng)氣壓或液壓助力來轉(zhuǎn)向和制動，這一過程涉及多種能源轉(zhuǎn)換，由于多種轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，肯定會造成矩大的能源損耗。且這種損耗將伴隨汽車的運行存在下去，影響甚遠(yuǎn)。若采用線控制動系統(tǒng)，如EMB，不但可以在平時不耗能，只在制動時耗能，還可以減少能量轉(zhuǎn)換過程中的損失。因此對新型汽車電子制動系統(tǒng)展開分析研究,是順應(yīng)了電動汽車的時代發(fā)展要求。論文的主要內(nèi)容包括：介紹EMB系統(tǒng)工作原理。介紹不同類型EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)與其優(yōu)缺點。介紹了一種電子機(jī)械制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，并在一定條件下通過MATLAB仿真結(jié)果，對相同參數(shù)車輛在制動時電子機(jī)械制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)制動器制動效果分析及對比。2電子機(jī)械制動系統(tǒng)工作原理2.1EMB系統(tǒng)工作原理汽車EMB制動系統(tǒng)的組成較為復(fù)雜，首先是安裝在車輪上的執(zhí)行器，然后是執(zhí)行器上的控制器，再到中控單元、踏板、電源以及各種類型的傳感器（如踏板位移傳感器、踏板力傳感器、電流傳感器等）以及輔助安全系統(tǒng)（ABS防抱死剎車系統(tǒng)、ASR驅(qū)動防滑系統(tǒng)、VSC車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)、TCS牽引力控制系統(tǒng)等）?？梢苑磻?yīng)汽車運動工況的信息隨時被各種傳感器所收集，并按照相應(yīng)的算法和邏輯進(jìn)行處理，根據(jù)輔助安全系統(tǒng)的控制指令，輸出制動信號，傳遞給車輪上執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖2.1所示。圖2.1整車EMB制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖2.2EMB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理電子機(jī)械制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為電子機(jī)械制動執(zhí)行器和電子機(jī)械制動控制器。首先由中央制動單元輸出一個控制控制器的信號，控制器接收到信號后通過一定的算法，及時處理此信號然后輸出一個目標(biāo)電壓信號，隨即電動機(jī)接收此信號后起動，產(chǎn)生相應(yīng)大小的目標(biāo)力矩，再經(jīng)傳動裝置，將目標(biāo)制動壓力輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成車輪單獨的制動。如圖2.2所示。圖2.2車輪EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖EMB執(zhí)行器的工作原理是：制動踏板模擬器接收到制動指令后，制動系統(tǒng)控制器輸出一個制動信號，電機(jī)隨即運動，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的減速器機(jī)構(gòu)隨電機(jī)一起運動，目標(biāo)力矩經(jīng)過減速器減速增矩后，經(jīng)過執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的運動轉(zhuǎn)換裝置，把電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為制動塊的平動，最終把輸出的扭矩轉(zhuǎn)換為車輪上制動器的夾緊力，完成制動。制動過程期間，制動系統(tǒng)控制器實時檢測轉(zhuǎn)子位置、電路電流以及車速、輪速等。如圖2.3所示。圖2.3電子機(jī)械制動系統(tǒng)原理圖3電子機(jī)械制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)對于電子機(jī)械制動系統(tǒng)來說是重中之重，它主要包括驅(qū)動電機(jī)、減速增矩機(jī)構(gòu)和運動轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)等幾個部分組成。不同的機(jī)構(gòu)具有不同的類型，其性能和優(yōu)缺點也大不相同。選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對于電子機(jī)械制動系統(tǒng)的制動性能至關(guān)重要。本節(jié)主要介紹幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成部分的結(jié)構(gòu)類型，并進(jìn)行對比。3.1驅(qū)動電機(jī)對于電子機(jī)械制動系統(tǒng)來說，驅(qū)動電機(jī)是整個電子機(jī)械制動系統(tǒng)的核心部件，它直接影響制動性能。而對于制動要求高的電子機(jī)械制動，制動系統(tǒng)的制動器功率需求較高，因此12V或24V的汽車電壓不能維持這種需求。建立42V電壓系統(tǒng)機(jī)構(gòu)尤為關(guān)鍵。發(fā)展至今，EMB系統(tǒng)上主流的三種驅(qū)動電機(jī)優(yōu)缺點如表3.1所示。表3表3.1各類電機(jī)的優(yōu)缺點由表可知，無刷直流電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、啟動轉(zhuǎn)矩大、效率高的特點相比于其他電機(jī)更符合要求。3.2減速增矩機(jī)構(gòu)圖3.1減速增矩機(jī)構(gòu)示意圖電動機(jī)需要通過減速增矩機(jī)構(gòu)將低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的運動轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的運動并輸出。常用的減速增矩機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點如表3.2所示。表3表3.2各類減速器的優(yōu)缺點由表可知，行星齒輪機(jī)構(gòu)相較于其他減速機(jī)構(gòu)來說，有更穩(wěn)定的運動性能及抗沖擊性能，且精度較高，更符合要求。3.3運動轉(zhuǎn)換裝置圖圖3.2運動轉(zhuǎn)換裝置運動轉(zhuǎn)換裝置作用是把輸出的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成直線運動，從而推動活塞，帶動制動鉗松開和壓緊制動盤。幾種常用的運動轉(zhuǎn)換裝置機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點如表3.3。表3表3.3各類運動轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)缺點由表可知，滾珠絲杠副由于其有較高的效率和穩(wěn)定性、使用壽命長、使用精度高的特點，相較于其他轉(zhuǎn)換裝置更符合要求。4電子機(jī)械制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模本節(jié)將主要介紹一種由無刷直流電機(jī)，行星齒輪機(jī)構(gòu)及滾珠絲杠機(jī)構(gòu)組成的電子機(jī)械制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。4.11/4車輛制動模型的建立4.1.1單輪車輛制動模型在汽車制動過程中，由于路況和環(huán)境等因素，會受到許多外力影響，有著非常復(fù)雜的動力學(xué)關(guān)系，因此，采用簡化的單輪模型（假設(shè)車輪載荷為常數(shù)，忽略了風(fēng)阻、滾阻等影響）。通過簡化的1/4車輛動力學(xué)方程可以如圖4.1所示：圖4.1單輪車輛制動圖示車輛動力方程：車輪運動方程：車輪縱向摩擦力：其中m——整車質(zhì)量（kg）——地面法向反力（N）μ——附著系數(shù)——車輪轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2）——車輪角加速度（rad/s2——制動力矩（N?m）——汽車速度（m/s）——地面摩擦力（N）4.1.2輪胎模型車輛的運動過程源于輪胎與地面之間產(chǎn)生的力，如制動力和驅(qū)動力，回正力矩、側(cè)傾力及測偏力，這些力與摩擦系數(shù)、行駛速度、側(cè)偏角和滑移率等因素有關(guān)。將輪胎模型根據(jù)路面附著系數(shù)的大小分為高附著系數(shù)、中附著系數(shù)、低附著系數(shù)三種。本文選用高附著系數(shù)下的輪胎模型（峰值附著系數(shù)0.92，滑動附著系數(shù)0.7327），如圖4.2所示。圖4.2輪胎模型4.2EMB執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型4.2.1無刷直流電機(jī)模型電機(jī)控制器根據(jù)制動控制系統(tǒng)輸入的控制信號，將目標(biāo)電流輸入給電機(jī)，即其中——線圈端電流（A）——控制信號與之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)(A/V)——控制信號（V）電機(jī)內(nèi)部電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：其中——電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩（V）——電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型為：其中——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2）——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度（rad）——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的阻尼系數(shù)——轉(zhuǎn)子的等效扭轉(zhuǎn)剛度（N?m/rad）——電機(jī)轉(zhuǎn)動的阻力矩（N?m）電機(jī)輸出力矩為4.2.2行星齒輪減速器模型選用行星減速器，以行星架作為輸出構(gòu)件，太陽輪作為輸入構(gòu)件，將行星輪的轉(zhuǎn)動慣量及阻尼等效在行星架上，并對輸出構(gòu)件（行星架）做動力學(xué)分析，得：其中——轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2——阻尼系數(shù)——轉(zhuǎn)過的角度（rad）——傳動比——扭轉(zhuǎn)剛度（N?m/rad）——阻力矩（N?m）其中：——減速器輸出力矩（N?m）4.2.3滾珠絲杠與制動摩擦塊模型減速器將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動。則其中——螺母轉(zhuǎn)過的角度（rad）——推桿的位移（m）——導(dǎo)程（mm）滾珠絲杠螺母所受力矩關(guān)系為：其中——螺母轉(zhuǎn)過的角度（rad）——粘性摩擦系數(shù)——螺母的轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2）——等效扭轉(zhuǎn)剛度（N?m/rad）——阻力矩（N?m）——減速機(jī)構(gòu)的輸出力矩（N?m）其中：式中——滾珠絲杠驅(qū)動力矩（N?m）——軸向預(yù)緊力（N）螺桿與摩擦塊的運動微分方程為：式中——摩擦塊的質(zhì)量（kg）——滾珠絲杠的驅(qū)動推力（N）——螺桿的質(zhì)量（kg）——螺桿、摩擦塊與制動盤接觸的等效彈性剛度其中：為EMB系統(tǒng)的制動力。制動器制動力矩為：其中——制動盤等效作用半徑（m）——制動器制動因數(shù)4.2.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體建模電子機(jī)械制動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)（無刷直流電機(jī)）、減速機(jī)構(gòu)（行星齒輪減速器）及運動轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)（滾珠絲杠）等組成，前面幾節(jié)主要對各部分進(jìn)行分析與數(shù)學(xué)模型的建立，并由此推導(dǎo)出各部分的傳遞函數(shù)。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與控制信號之間的傳遞函數(shù)為：電機(jī)的輸出與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為：減速器輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為：運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩與減速器輸出轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為：與EMB系統(tǒng)制動力與運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為：其中——電機(jī)的滾阻力矩（N?m）——滾珠絲杠的滾阻力矩（N?m）——行星減速器的滾阻力矩（N?m）5帶有ABS制動仿真結(jié)果對比汽車在高速行駛時緊急剎車非常容易造成危險事故。為了檢驗和對比帶有ABS控制策略的兩種制動系統(tǒng)在汽車高速緊急制動工況下的工作性能，本節(jié)將上述電子機(jī)械制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型在某種控制方法下與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)在水平良好的峰值附著系數(shù)為0.92，滑動附著系數(shù)為0.7327的高附著路面上以27.8m/s的初速度制動，在MATLAB的仿真結(jié)果分析及對比。在以下仿真中會用到的參數(shù)如表5.1所示表5.1仿真參數(shù)符號名稱數(shù)值符號名稱數(shù)值車輪質(zhì)量364總質(zhì)量（滿載）1800φp峰值附著系數(shù)0.92φ滑動附著系數(shù)0.7327s目標(biāo)滑移率0.2V初始車速27.8m/s軸距2.807車輪滾動半徑0.268車輪轉(zhuǎn)動慣量kg?12g重力加速度m/9.85.1ABS簡介ABS，即汽車防抱死系統(tǒng)，是一種車輛主動安全裝置。能夠通過自動調(diào)節(jié)車輪制動力，在制動過程中防止車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象而容易導(dǎo)致事故發(fā)生，使得車輛在行駛過程中的轉(zhuǎn)向操縱性和側(cè)向穩(wěn)定性得到有效保障。對提高車輛安全性，減少交通事故發(fā)生，具有重大意義。在制動過程中，車輪之所以會發(fā)生抱死現(xiàn)象，是因為輪胎也地面間的摩擦力不足，如果不能完全制動，車輪就會在路面上滑移。想要在制動時保持良好的行駛性能，就要合理利用路面與輪胎端面間的附著力。附著力大小主要由汽車在路面上的垂直載荷與輪胎端面和路面間的附著系數(shù)限制，其中附著系數(shù)的影響最大。附著系數(shù)與車輪滑移率關(guān)系如圖5.1所示。圖圖5.1附著系數(shù)與輪胎滑移率關(guān)系曲線當(dāng)滑移率時為制動非穩(wěn)定區(qū)域，當(dāng)滑移率時為制動非穩(wěn)定區(qū)域。當(dāng)車輪滑移率控制在左右（圖中陰影部分），便可獲得最大的總線附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù)，是最理想的控制效果。當(dāng)汽車在高速緊急制動，容易發(fā)生車輪抱死，所以ABS的作用就是把輪胎的滑移率控制在百分之二十左右，讓車輪能產(chǎn)生最大的制動力。5.2帶有ABS控制策略的兩種制動系統(tǒng)的仿真結(jié)果分別給傳統(tǒng)汽車液壓制動系統(tǒng)及上述電子機(jī)械制動系統(tǒng)加裝ABS控制策略，傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5.2-5.5所示、電子機(jī)械制動系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5.6-5.9所示。傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5.2-5.5所示。圖5.2圖5.2滑移率圖5.3車輪制動力矩的時域曲線圖5.3車輪制動力矩的時域曲線圖5.4車輛車輪減速度圖5.4車輛車輪減速度圖5.5車速、輪速圖5.5車速、輪速對于傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)：從滑移率圖可以看出，在接近0.7s的制動初期時，滑移率接近目標(biāo)滑移率0.2附近，緊隨其后，增加到目標(biāo)值的過程比較緩慢，緊隨其后，增加到目標(biāo)值的過程比較緩慢。但是在大部分制動過程中（0.8s至3.2s左右），滑移率穩(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近。制動后期（3.2s以后），滑移率發(fā)生了發(fā)散性振蕩。從制動器制動力矩曲線，可以看出在制動初期，制動力矩迅速升高至1400N.m附近，隨后在1000N.m附近振蕩，最后在3.6s時減小至0。從汽車車輪制動減速度曲線可以看出，在制動初期，制動減速度迅速升高至9m/s2附近（約0.6s），隨后穩(wěn)定振蕩，最終在3.6s時減小至根據(jù)車輪、輪速曲線圖，在制動器響應(yīng)時間內(nèi)，車速和輪速大小比較接近，輪速與車速隨著制動力矩的增大而減小，其中車速降低較慢，在大多數(shù)制動過程中，輪速與車鎖都以線性規(guī)律下降，在制動末期有小幅度振蕩，總制動時間大約在3.6s。電子機(jī)械制動系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5.6-5.9所示。圖5.6滑移率圖5.6滑移率圖5.7車輪制動力矩的時域曲線圖圖5.8汽車減速度圖5.9車輪、車速對于電子機(jī)械制動系統(tǒng)：由仿真結(jié)果可得，在經(jīng)歷了0.4s作用的制動初期時間，滑移率距離目標(biāo)滑移率的數(shù)值越來越接近，緊隨其后，增加到目標(biāo)值的過程比較緩慢。但是在大多數(shù)制動時間中能夠?qū)⒒坡史€(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近。制動后期，對于滑移率的控制發(fā)生了發(fā)散性振蕩。從制動器制動力矩圖中，我們可以看出系統(tǒng)能將制動力矩在0.3秒左右的時間快速達(dá)到900N.m并且穩(wěn)定下來，在制動后期制動力矩調(diào)節(jié)的幅度愈來愈大。在高附著系數(shù)路面下，在制動過程的大多數(shù)時間中，制動的減速度都能在最大減速度附近穩(wěn)定(約0.4s)，制動過程的后期產(chǎn)生單向波動。根據(jù)車輪、輪速圖，在制動器響應(yīng)時間內(nèi)，車速和輪速大小幾乎相同，輪速與車速隨制動力矩的增大而減小，其中車速降低較慢，在大多數(shù)制動過程中，輪速與車鎖都以線性規(guī)律下降，總制動時間在3.5s內(nèi)，大約在3.4s。5.3仿真結(jié)果對比表5.2仿真結(jié)果對比表傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)電子機(jī)械制動系統(tǒng)時期項目制動初期制動中期制動末期時期項目制動初期制動中期制動末期滑移率在0.7s左右接近目標(biāo)滑移率穩(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近在3.5s左右發(fā)散性振蕩滑移率在0.4s左右接近目標(biāo)滑移率穩(wěn)定在目標(biāo)滑移率附近在2.7s左右發(fā)散性振蕩制動器制動力矩在0.6s左右升高至最大制動力矩（1400N.m）附近穩(wěn)定在1000N.m附近振蕩在3.6s左右減小至0制動器制動力矩在0.3s左右達(dá)到最大制動力矩（1000N.m）附近穩(wěn)定在900N.m附近振蕩制動力矩調(diào)節(jié)幅度越來越大汽車減速度在