1.2萬
本文是同濟大學熊路老師團隊發(fā)表于2023年3月，英文版發(fā)表于Sustainability期刊，DOI:10.3390/su15054514。
本文由小明師兄翻譯，如由不妥之處歡迎隨時溝通
1.?引言
在汽車電氣化和智能化的發(fā)展趨勢下，制動系統(tǒng)迎來了革命性的變革。為了最大限度地提高制動能量回收率并實現(xiàn)主動制動控制，有必要將制動力與制動踏板解耦，以便能夠通過電信號精確控制摩擦制動力 [1]。線控制動（BBW）系統(tǒng)正是為滿足上述要求而被提出的，它可分為兩類：電液制動（EHB）和機電制動（EMB）。盡管電液制動（EHB）憑借其兼容性好、易于實施等優(yōu)勢已成為當前市場的主流方案，但它仍然保留了大部分液壓部件，并采用電液控制方式。這就導致了制動響應遲緩、管路布置復雜以及制動液泄漏等問題 。
相比之下，機電制動（EMB）完全摒棄了液壓回路。執(zhí)行器由電機直接驅(qū)動來產(chǎn)生夾緊力，它具有以下優(yōu)勢 ：
?減小了系統(tǒng)體積和重量，便于安裝和維護；
?不存在制動液泄漏問題，對環(huán)境污染更??；
?零殘余拖曳扭矩，能耗更低，制動使用壽命更長；
?易于與駐車制動器集成；
?制動響應更快，控制精度更高；
?易于與復合制動系統(tǒng)以及主動安全控制系統(tǒng)相匹配。
作為線控制動系統(tǒng)的一種完備形式，機電制動（EMB）在未來將逐步取代電液制動（EHB），這已成為行業(yè)共識。然而，機電制動（EMB）的設計、控制和應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。而且，機電制動（EMB）的控制和應用是基于執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)的。目前，存在多種結(jié)構(gòu)和功能各異的執(zhí)行器方案，但尚無成熟產(chǎn)品。如何設計出緊湊的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)行車制動、駐車制動、制動間隙補償?shù)裙δ埽切枰鉀Q的首要問題。
如表 1 所示，已有數(shù)篇關于機電制動（EMB）的綜述性論文發(fā)表。例如，施拉德等人?對與安全概念相關的機電制動（EMB）執(zhí)行器、控制拓撲、能量供應以及通信架構(gòu)進行了綜述。在與我們的研究最為相關的論文中，龔等人對線控制動執(zhí)行器的發(fā)展、控制方法以及應用前景進行了綜述。但據(jù)我們所知，任何論文都未曾詳細分析執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)方案。執(zhí)行器的集成結(jié)構(gòu)會對控制算法的有效性以及車輛應用產(chǎn)生根本性影響。因此，我們提供了一種研究方法來總結(jié)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)方案。在廣泛查閱專利和文獻的基礎上，我們分析了機電制動（EMB）執(zhí)行器的基本配置，并將其分解為五個模塊。
本文其余部的結(jié)構(gòu)安排如下：第 2 節(jié)回顧了機電制動（EMB）執(zhí)行器的發(fā)展現(xiàn)狀；第 3 節(jié)分析了其基本配置，并介紹了各個模塊的功能及方案；第 4 節(jié)總結(jié)了用于間接夾緊力控制的估計算法以及直接控制算法；第 5 節(jié)根據(jù)功能安全要求分析了機電制動（EMB）系統(tǒng)的架構(gòu)，并簡要總結(jié)了關于機電制動（EMB）系統(tǒng)在智能駕駛中應用的研究情況；第 6 節(jié)給出了關鍵的結(jié)論性意見。
表 1. 現(xiàn)有關于機電制動（EMB）的綜述性論文對比情況
2.?機電制動（EMB）執(zhí)行器的發(fā)展現(xiàn)狀
為了概述機電制動（EMB）執(zhí)行器的發(fā)展情況，基于行業(yè)背景以及各企業(yè)對機電制動（EMB）研究的參與程度，共選取了 21 家相關汽車零部件制造商，如表 2 所示。
在這 21 家相關制造商中，依據(jù)專利分布情況選取了 6 家具有代表性的制造商，包括博世、西門子、大陸特維斯、德爾福、現(xiàn)代和萬都。此外，對這些制造商的總共 169 項相關專利進行了調(diào)研。專利的總體分布情況在表 3 以及圖 1 - 3 中給出。這些專利依據(jù)基本結(jié)構(gòu)被分為兩類：采用減速機構(gòu)的方案和采用自增力機構(gòu)的方案。而且，與駐車制動器集成的專利被單獨列出，以展示駐車制動方案的總體分布情況。
表 2. EMB相關制造商
表3.專利權(quán)的總體分布情況
此外，這些制造商隨時間推移所提出的機電制動（EMB）執(zhí)行器基本方案如圖 4 所示（具體結(jié)構(gòu)將在下一節(jié)介紹）。自 20 世紀 90 年代以來，隨著制動輔助（BA）和電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）的應用，機電制動（EMB）的優(yōu)勢吸引了眾多制造商的關注，其中大陸特維斯、博世、西門子和德爾福率先開始對機電制動（EMB）執(zhí)行器的基本配置進行研究。到 21 世紀初，隨著自適應巡航控制（ACC）和自動緊急制動（AEB）等先進駕駛輔助系統(tǒng)的發(fā)展，對主動制動控制提出了更高的要求?，F(xiàn)代和萬都等制造商開始投入對機電制動（EMB）執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及控制策略的研究，以實現(xiàn)量產(chǎn)和實際應用。
圖1.具有減少機制的專利的總體分布情況
圖2.?自激勵機制專利總體分布
圖3.集成停車制動器的專利總體分布
對于行車制動機構(gòu)，大陸特維斯首先提出了 “滾珠絲杠 + 行星齒輪系” 的集成結(jié)構(gòu)。從 1994 年到 1997 年，先后對電機結(jié)構(gòu)、快速回位機構(gòu)、傳感器形式以及控制方法進行了研究。自 2002 年起，大陸特維斯開始采用滾珠絲杠作為運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，形成了 “滾珠絲杠 + 直齒輪 / 行星齒輪系” 的典型結(jié)構(gòu)，并設計了相應的制動間隙補償機構(gòu)、密封裝置以及軸承結(jié)構(gòu)。
從 1996 年到 1998 年，博世提出了 “滾珠絲杠 + 不同減速機構(gòu)” 的方案，先后采用直齒輪、蝸輪、錐齒輪以及行星齒輪系作為減速機構(gòu)?；谏鲜雠渲?，針對制動失效的情況，設計了雙電機主動釋放方案以及帶電磁離合器的被動釋放方案，并且進一步改進了電磁離合器的結(jié)構(gòu)與功能。從 1999 年到 2001 年，博世最終采用了 “滾珠絲杠 + 行星齒輪系” 的典型方案，并對電機結(jié)構(gòu)和制動回位限位裝置進行了優(yōu)化。
自 2002 年起，博世一直在研發(fā)楔形自增力方案。從 2002 年到 2004 年，提出了 “絲杠 / 齒輪齒條 + 單 / 雙 / 多楔形面” 的各類方案，并對楔角、制動力控制方法以及制動間隙補償機制進行了研究。從 2005 年到 2006 年，“齒輪齒條 + 雙楔形面” 的自增力方案得到進一步完善并最終被采用。
同樣，其他制造商經(jīng)過多輪迭代設計后也形成了典型的結(jié)構(gòu)方案，如表 4 所示。
圖 4. 6 家制造商的機電制動（EMB）執(zhí)行器發(fā)展情況
行車制動方案（時間線之上）以 “運動轉(zhuǎn)換機構(gòu) + 力放大機構(gòu)” 的形式表示，專利的創(chuàng)新點在括號內(nèi)注明。駐車制動方案（時間線之下）以 “驅(qū)動部件 + 鎖定部件” 的形式表示。此外，6 家制造商提出的典型結(jié)構(gòu)方案用相應顏色進行了標注。
在商用車和乘用車制動系統(tǒng)變革需求的驅(qū)動下，制造商們開始關注機電制動（EMB）的產(chǎn)業(yè)化。2020 年，美國卡車運輸協(xié)會技術與維修委員會（TMC）與 PIT 集團合作，對商用車的機電制動（EMB）進行了市場調(diào)研 [9]。共向 16 家相關制造商發(fā)放了調(diào)查問卷，有 5 家制造商給出了有效回復，其中 3 家正在研發(fā)機電制動（EMB）。調(diào)研結(jié)果如表 5 所示。
表 4. 6 家制造商提出的機電制動（EMB）執(zhí)行器典型結(jié)構(gòu)方案表5、TMC和PIT組的調(diào)查結(jié)果
盡管這些制造商已經(jīng)為機電制動技術工作了大約15年或更長的時間，但都沒有一個目前已經(jīng)上市的產(chǎn)品。主要的障礙包括成本限制、監(jiān)管標準和安全要求。為了確保安全，歐盟和美國已經(jīng)對服務制動系統(tǒng)實施了嚴格的規(guī)定。中國和印度也實施了相關的規(guī)范，盡管的性能水平較低。有關EMB系統(tǒng)容錯能力的性能和設計要求的規(guī)定見表6。
表6。與EMB系統(tǒng)[8]的性能和設計要求相關的標準文件的章節(jié)。要求下右欄所列出的數(shù)字是指立法文件的段落。如果字母“A”前于數(shù)字，可以在附件中找到相關要求。
對于商用車來說，EMB系統(tǒng)是否會取代現(xiàn)有的氣壓制動系統(tǒng)仍存在爭議。Bendix聲稱，一個足夠安全、冗余和健壯的系統(tǒng)的成本太昂貴，無法與目前的氣動制動系統(tǒng)競爭。為了證明EMB技術的市場可接受性和發(fā)展?jié)摿?，Haldex目前在中國非?；钴S，中國的立法對EMB施加的限制較少。2020年5月，Haldex和VIE在中國聯(lián)合成立了Haldex VIE EMB，致力于開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)商用車電子。對于乘用車，用EMB系統(tǒng)取代EHB系統(tǒng)的過程正在進行中。在2015年勒芒24小時比賽中，奧迪展示了新一代R8 e-Tron，它在后橋上使用了兩個emb，標志著emb在面向客戶的乘用車上的首次應用。2021年6月，長城汽車發(fā)布了智能線驅(qū)動底盤和自行開發(fā)的EMB系統(tǒng)，并聲稱在2023年實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。Haldex和其他相關制造商的EMB原型如圖5所示。
圖 5. 瀚德（Haldex）、維也納工程（Vienna Engineering）和長城汽車的機電制動（EMB）樣機
3. 機電制動（EMB）執(zhí)行器的基本配置
現(xiàn)有的機電制動（EMB）執(zhí)行器是基于傳統(tǒng)制動器（包括盤式制動器和鼓式制動器）的結(jié)構(gòu)進行設計的。由于盤式制動技術本身具備的優(yōu)勢，以及將鼓式機電制動（EMB）集成到標準輪端存在困難，盤式機電制動（EMB）將成為未來的主要形式。
以萬都（Mando）提出的一種盤式機電制動（EMB）執(zhí)行器為例，如圖 6 所示。該執(zhí)行器被分解為多個模塊，其中行車制動模塊用于實現(xiàn)基本的制動操作。行車模塊由電機、力放大機構(gòu)、運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)以及施壓部件組成。制動時，電機 1041 通過斜齒輪系 1050（力放大機構(gòu)）驅(qū)動主軸 1032 旋轉(zhuǎn)。主軸 1032 的旋轉(zhuǎn)運動隨后通過滾珠絲杠 1030（運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)）轉(zhuǎn)換為螺母 1031 的平移運動，進而驅(qū)動帶有制動片 1013 的活塞 1020（施壓部件）去擠壓制動盤 1011。在輸入斜齒輪的軸端，執(zhí)行器上增設了駐車制動模塊。駐車制動模塊由驅(qū)動部件、移動部件和鎖定部件組成。當需要駐車時，首先通過行車制動模塊獲得駐車制動力，然后給螺線管 2080（驅(qū)動部件）通電，使挺桿 2081（移動部件）移動一定距離以鎖定棘輪（鎖定部件），這樣在車輛斷電時也能保持足夠的制動力。此外，在輸出斜齒輪的軸端，執(zhí)行器還配備了一個快速回位模塊，即扭簧 2090。扭簧的一端固定在外殼上，另一端固定在輸出斜齒輪上。扭簧通過扭轉(zhuǎn)變形儲存彈性能量，可用于制動器的快速釋放。
圖6. 提出的一種圓盤式EMB致動器的結(jié)構(gòu)?？焖俜祷啬K和駐車制動模塊如圖所示，已圈出
除了上述三個模塊之外，EMB致動器還可以包括用于補償制動襯里磨損的制動間隙補償模塊和傳感器模塊，以及用于檢測諸如用于精確制動力控制的夾緊力等信號的傳感器模塊。EMB執(zhí)行器的基本配置如圖7所示，包括五個失調(diào)模塊：行車制動模塊、停車制動模塊、制動間隙補償模塊、快速返回模塊和傳感器模塊。以下章節(jié)將介紹各模塊的功能和六大廠家提出的典型方案。
圖7. EMB執(zhí)行器的基本配置（圓盤式）
3.1. 按組件
壓力部件布置在制動片和運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)的主軸或螺母之間，以傳遞壓力。
3.1.1.基本形式
大多數(shù)執(zhí)行機構(gòu)采用帶表面的單一壓制部件的基本形式接觸連接。主軸或螺母固定在制動片上，或在中間增加一個活塞，以間接推動制動片。
3.1.2.雙按組件
如圖8所示，在箭頭所示的旋轉(zhuǎn)方向上，前緣的壓力會大于后緣的壓力，導致剎車片磨損不均勻，制動力減少。為了解決上述問題，德爾福設計了一種雙活塞結(jié)構(gòu)，以調(diào)整壓力的分布，產(chǎn)生均勻可靠的制動力[18]。隨后，現(xiàn)代汽車也提出了一個類似的結(jié)構(gòu)。Mando在兩個活塞之間增加了一個浮動組件，以實現(xiàn)相對浮動的[19]，如圖9所示。
圖8：制動片各面的錐形磨損模式（用虛線表示）
圖9.?Mando的浮動雙活塞結(jié)構(gòu)
3.1.3.點接觸點連接
在制動過程中，由反作用力和摩擦力引起的變形，會影響運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動效率，甚至造成干擾。為了減少這些力的影響，大陸網(wǎng)使用了制動片和主軸之間點接觸連接的形式。制動片由兩端有球座的壓力桿支撐。博世和現(xiàn)代使用滾珠軸承，球頂或弧頂實現(xiàn)點接觸。圖10顯示了幾種主要形式。
圖 10. 點接觸連接的主要形式
3.2. 運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)
運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為主軸或螺母的平移運動。運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)主要有四種形式，包括絲杠、凸輪、滾珠坡道以及齒輪齒條驅(qū)動機構(gòu)。
絲杠驅(qū)動機構(gòu)通過由主軸和螺母組成的絲杠副來實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)換，它包含滑動絲杠、滾珠絲杠和滾珠絲杠副（滾子絲杠）這三種類型?；瑒咏z杠結(jié)構(gòu)簡單，但傳動效率和精度較低，容易自鎖且磨損嚴重。滾珠絲杠和滾珠絲杠副（滾子絲杠）通過滾珠或滾子將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，它們具有更高的傳動效率和精度，運動平穩(wěn)且可靠性良好，這兩種形式在機電制動（EMB）執(zhí)行器中較為常用。此外，凸輪驅(qū)動機構(gòu)也用于驅(qū)動施壓部件，它結(jié)構(gòu)簡單且傳力可靠，然而其高副接觸容易磨損，無法傳遞較大的夾緊力。
滾珠坡道驅(qū)動機構(gòu)利用滾珠在坡道上的滾動運動來實現(xiàn)軸向平移。博世、現(xiàn)代和萬都先后針對滾珠坡道提出了不同的結(jié)構(gòu)方案。一種典型結(jié)構(gòu) [23] 如圖 11 所示。滾珠坡道驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸較小，但設計較為復雜。
圖 11. 萬都的滾珠坡道驅(qū)動機構(gòu)
3.3. 力放大機構(gòu)
為了增大電機的驅(qū)動力，通常采用兩種方案：（1）諸如直齒輪系、斜齒輪系、錐齒輪系、蝸輪蝸桿齒輪系、行星齒輪系、帶輪等減速機構(gòu)；（2）諸如楔形機構(gòu)、杠桿機構(gòu)等自增力機構(gòu)。
3.3.1. 減速機構(gòu)
在選擇減速機構(gòu)時，主要考慮結(jié)構(gòu)布局、傳動比以及效率等因素。直齒輪系用于平行軸之間的傳動，其結(jié)構(gòu)簡單但傳動比小。錐齒輪系用于相交軸之間的傳動，錐齒輪的制造復雜且成本高。蝸輪蝸桿齒輪系用于交錯軸之間的傳動，蝸輪蝸桿傳動比大且承載能力高，但傳動效率低且容易磨損。行星齒輪系是一種應用廣泛的方案，它可以通過不同的輸入和輸出部件組合來實現(xiàn)不同的傳動比，其結(jié)構(gòu)緊湊且承載能力高，但裝配復雜。
3.3.2. 自增力機構(gòu)
一種典型的自增力方案是電子楔式制動器（EWB），它通過楔形機構(gòu)將制動盤的切向摩擦力轉(zhuǎn)換為壓力。博世、西門子、現(xiàn)代和大陸特維斯都提出過不同的楔形自增力方案。如圖 12 所示，依據(jù)楔面數(shù)量，可分為三種類型：單楔面機構(gòu)、雙楔面機構(gòu)和多楔面機構(gòu)。單楔面只能實現(xiàn)單向自增力效果，而雙楔面和多楔面能實現(xiàn)雙向自增力效果。多楔面機構(gòu)產(chǎn)生的壓力分布更均勻，但結(jié)構(gòu)更復雜。由于自增力效果與位移并非線性相關，且受加工誤差、磨損等諸多因素影響，楔形自增力方案產(chǎn)生的制動力較難控制。
圖12. 三種形式的楔形自能機構(gòu)
3.4.?電機類型及布置圖
3.4.1. 電機類型
作為EMB執(zhí)行器的功率輸入，電機必須能夠在鎖定轉(zhuǎn)子條件下長時間以大扭矩工作。此外，它還應具有小尺寸、低成本和良好的熱穩(wěn)定性。EMB執(zhí)行器中常用的電機類型如表7所示。
表7.EMB執(zhí)行器[3,27,28]中常用的各種類型的電機
電機結(jié)構(gòu)分為兩種類型：整體設計和空心設計
整體設計，即固體轉(zhuǎn)子嵌套在定子內(nèi)，轉(zhuǎn)子端部軸向連接到其他部件以輸出功率。如圖13所示，該結(jié)構(gòu)比較簡單，但軸向或徑向布局尺寸較大；
空心設計，即空心轉(zhuǎn)子嵌套在轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)子與其他組件同軸連接到輸出功率。該結(jié)構(gòu)具有高度的集成性，軸向尺寸較小，但設計也比較復雜，適應性相對較差。
圖13. 兩種形式的電機結(jié)構(gòu)設計
3.4.2.?電機布置
在車輪內(nèi)部有限的空間內(nèi)，存在沿徑向方向的輪輞限制和沿軸向的懸掛桿限制。電機的布置是一個關鍵問題。根據(jù)電機和壓制部件的相對位置，布置可分為同軸、平行和角度布置三種類型，如圖14-16所示。
圖14. 同軸布置圖
圖15. 平行布置
圖16. 角度布置
電機排列的差異與減速機構(gòu)的形式有關，減速機構(gòu)決定了EMB執(zhí)行器的軸向和徑向尺寸。各種電機布置的特性如下表8所示。
表8. 各種電機布置的特點
3.4.3.?雙電機設計
雙電機設計，即在EMB執(zhí)行器中采用兩個電機。這確保了冗余的安全，因為當單個電機發(fā)生故障時，執(zhí)行器仍然可以產(chǎn)生部分制動力。常見的雙電機設計如圖17所示（輔助電機的功能標記在圖的底部）。
圖17. 雙電動機設計
在雙電機設計中，主電機通常用于行車制動，而副電機配合實現(xiàn)以下功能：
?制動間隙調(diào)整：可通過輸出軸處的角位移傳感器控制松開電機 34，以調(diào)整制動間隙，確保制動間隙保持恒定。
?制動失效松開：副電機 60 驅(qū)動梯形螺母 48 旋轉(zhuǎn)，使得帶有整個支撐驅(qū)動裝置的空心軸 46 軸向移動，從而在發(fā)生故障時松開制動器。
?快速消除制動間隙：副電機 50 驅(qū)動齒輪系 52 和主軸 56 旋轉(zhuǎn)，使螺母 60 產(chǎn)生軸向位移，從而快速消除制動間隙。然后，副電機 50 停止運行，主電機 22 通電以產(chǎn)生壓力。
?駐車制動：駐車制動電機 30 驅(qū)動梯形絲杠 34 旋轉(zhuǎn)，帶動梯形螺母 36 移動，使得杠桿 40 壓在摩擦盤 20 上，進而阻止電機軸 15 旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)制動鎖定；
?增強制動穩(wěn)定性：兩個電機 41 直接驅(qū)動楔塊 36 擠壓制動盤，在保持穩(wěn)定壓力的同時產(chǎn)生自增力效果。
3.5. 駐車制動模塊
駐車制動模塊用于在車輛斷電時保持制動力?，F(xiàn)有的駐車制動模塊從結(jié)構(gòu)上可分解為驅(qū)動部件、移動部件和鎖定部件。根據(jù)常用的驅(qū)動部件，駐車制動模塊可分為三種類型：手動式、電機驅(qū)動式和螺線管驅(qū)動式。
3.5.1. 手動駐車制動
手動駐車制動通常依靠駕駛員拉動手剎來實現(xiàn)駐車。除了基本的駐車制動功能外，在電源故障或電氣系統(tǒng)故障的情況下，它還可用于手動控制制動器。
西門子在傳統(tǒng)機電制動（EMB）結(jié)構(gòu)的基礎上設計了一種輔助制動器，如圖 18 所示。通過拉索 S 驅(qū)動鼓輪 H 旋轉(zhuǎn)，鼓輪內(nèi)的滾子 K1、K2 和 K3 與轉(zhuǎn)子軸 RW 相嚙合，從而鎖定電機。
圖 18. 西門子的手動駐車制動
Delphi在卡尺后側(cè)設計了一種緊急控制裝置，如圖19所示，通過手動操作控制臂24來控制加速機構(gòu)21控制電機軸14a的旋轉(zhuǎn)。
圖19.德爾菲的手動停車制動器
3.5.2. 電機驅(qū)動的駐車制動器
電機驅(qū)動的停車制動器通常需要一個額外的電機。如圖20所示，德爾菲使用電機30驅(qū)動螺母36穿過螺釘34，杠桿40被壓在摩擦盤20上，從而阻止電機軸15的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)停車制動。
圖20.德爾的電機驅(qū)動駐車制動器
駐車電機接收來自控制單元的制動信號，然后精確控制移動部件的進給距離。與螺線管驅(qū)動方案相比，它能夠減少因移動部件進給過量或不足而導致的部件磨損。
3.5.3. 螺線管驅(qū)動式駐車制動器
螺線管驅(qū)動式駐車制動器中使用電磁線圈來改變磁場分布，進而驅(qū)動相關部件實現(xiàn)制動鎖定。螺線管部件應具備雙穩(wěn)態(tài)特性，也就是說，在斷電時它能夠保持鎖定和松開這兩種穩(wěn)定狀態(tài)。
圖 21 - 24 展示了一些由螺線管部件驅(qū)動的典型駐車制動方案（圖的底部標注了驅(qū)動部件、移動部件和鎖定部件）。
博世采用了帶有電樞盤和摩擦部件（離合器）的螺線管驅(qū)動式駐車制動方案，如圖 21 所示。螺線管部件 10 通電產(chǎn)生反向磁場，使電樞盤 28 松開。借助螺旋彈簧 26 的彈力，電樞盤 28 被壓向連接盤 36，從而鎖定電機軸 38 并保持駐車制動力。
圖 21. 博世的螺線管驅(qū)動式駐車制動器
德爾福采用了帶有棘爪 - 棘輪鎖定機構(gòu)的螺線管驅(qū)動式駐車制動方案，如圖 22 所示。螺線管部件 68 通電，克服磁鐵 66 的吸引力使駐車制動桿 64 下落，并與棘輪 60 相嚙合。然后，棘輪 60 被制動桿 64 鎖定，以保持駐車所需的制動力。
圖 22.? 德爾福的螺線管驅(qū)動式駐車制動器
大陸集團采用了帶有滾子 - 坡道鎖定機構(gòu)的螺線管驅(qū)動式駐車制動方案，如圖 23 所示。螺線管部件 44 通電使挺桿 45 向下移動，將滾子 38 壓向旋轉(zhuǎn)部件 37 的坡道 41，從而鎖定旋轉(zhuǎn)部件 37 以保持制動力。
萬都采用了帶有鎖銷 - 齒輪機構(gòu)的螺線管驅(qū)動式駐車制動方案，如圖 24 所示。螺線管部件 152 通電驅(qū)動鎖銷 152a 伸出并插入齒輪 151 的限位槽 151b 中，從而鎖定軸 141 的旋轉(zhuǎn)并保持制動力。
圖23. 大陸虎[46]電磁驅(qū)動駐車制動器
圖24. Mando[47]的電磁閥驅(qū)動的駐車制動器
3.5.4. 總結(jié)
表9總結(jié)了典型的駐車制動方案。
表9 典型的停車制動器方案
在這些方案中，螺線管驅(qū)動式駐車制動器因其結(jié)構(gòu)簡單緊湊已成為一種主要趨勢。各種螺線管驅(qū)動式方案的優(yōu)缺點如下 ：
?使用摩擦部件的螺線管驅(qū)動式方案能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的鎖定和制動力控制，制動過程穩(wěn)定，沒有較大沖擊，但摩擦的特性會導致熱穩(wěn)定性和耐久性差的問題。
?使用棘爪和棘輪的螺線管驅(qū)動式方案可以保持相對較大的制動力，但棘爪可能會過度前進，對棘輪造成持續(xù)沖擊，進而可能出現(xiàn)磨損和變形等問題，降低駐車制動器的耐久性和可靠性。
?使用滾子和坡道的螺線管驅(qū)動式方案鎖定過程平穩(wěn)，并且能夠產(chǎn)生一定的力放大效果。然而，坡道角度和鎖定位置很難設計以確保鎖定效果。?使用銷和齒輪的螺線管驅(qū)動式方案設計簡單，但當鎖銷與輪齒分離時，齒輪可能會卡住，這會降低駐車制動器的響應速度和穩(wěn)定性。
3.6. 制動間隙補償模塊
制動片在反復制動操作過程中會逐漸磨損。為了保持車輛的制動性能，有必要對制動片的磨損進行補償。根據(jù)所使用部件的材料特性，制動間隙補償模塊可分為三種類型：柔性型、剛性型、柔性與剛性結(jié)合型。
3.6.1. 柔性補償機構(gòu)
與傳統(tǒng)液壓制動器相同，利用柔性體的彈性變形來實現(xiàn)補償機構(gòu)的自動定位。通常在機電制動（EMB）執(zhí)行器的移動部件周圍安裝密封環(huán)和彈簧等柔性部件。由于彈性變形受溫度等多種因素的影響，制動間隙變化很大，甚至可能出現(xiàn)制動回位不完全的現(xiàn)象。圖 25 展示了一種典型的柔性補償機構(gòu)方案，其中環(huán)形密封環(huán) 76 環(huán)繞活塞 62 放置。
圖 25. 博世的柔性補償機構(gòu)（圖中圈出部分）
3.6.2. 剛性補償機制
這種補償機制是在基本結(jié)構(gòu)中添加剛性部件。通過電機的主動驅(qū)動，補償部件越過初始位置形成新的剛性定位，并保持制動片與制動盤之間的間隙。與柔性補償機制相比，這種方案對制動間隙的控制更加精確。
博世提議使用一個額外的電機來調(diào)整制動間隙。當主電機 40 驅(qū)動主軸 18 推動制動片 14 完成正常制動后，副電機 34 繼續(xù)驅(qū)動主軸 18 軸向移動，以此來調(diào)整制動間隙，如圖 26 所示。
圖 26. 博世的剛性補償機制
現(xiàn)代為楔式制動器提出了一種閂鎖裝置，如圖 27 所示，通過移動塊 56 來補償制動磨損。
圖 27. 現(xiàn)代的剛性補償機制
萬都在絲杠外側(cè)的法蘭和螺母上設計了凸起，如圖 28 所示。螺母和活塞通過螺紋連接。首先由主軸 121 驅(qū)動法蘭 136 旋轉(zhuǎn)，然后法蘭上的凸起 137 與螺母上的凸起 130 接觸，螺母 125 和活塞 110 之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，從而推動活塞移動以調(diào)整制動間隙。
圖 28. 萬都的剛性補償機制
3.6.3. 柔性與剛性補償機制
此方案同時使用了柔性和剛性部件。因此，補償過程比僅使用柔性部件更可靠，并且比僅使用剛性部件更平穩(wěn)，噪音和摩擦更小。
如圖 29 所示，德爾福提出了一種結(jié)合密封環(huán)和棘爪機構(gòu)的制動間隙補償方案。當制動間隙增大時，密封環(huán) 152 相應地滑動，棘爪 131 沿著凹槽 138 后退到下一個齒適配的新位置，實現(xiàn)制動間隙的自動補償。西門子也提出了類似的方案，利用彈簧 9 和 10 中儲存的彈性勢能推動滑塊 12 和棘爪 11 來實現(xiàn)制動間隙的自動補償。萬都在執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)盤的外側(cè)設計了彈性臂 20 和 24。彈性臂通過齒輪 19 驅(qū)動絲杠 18 旋轉(zhuǎn)，從而推動銷 6 和制動片向制動盤靠近。
圖 29. 柔性與剛性補償機制（圖中圈出部分）
3.7. 快速回位模塊
快速回位模塊用于通過彈性部件中儲存的彈性能量快速松開制動器。這種快速松開可以提高制動響應的動態(tài)性能。此外，它有助于在執(zhí)行器出現(xiàn)故障時松開制動器，從而進一步提高安全性。根據(jù)模塊中使用的彈性部件，現(xiàn)有的快速回位模塊可分為以下三種類型。
3.7.1. 扭簧
扭簧通過扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)來儲存彈性能量，它具有吸收振動和大變形的能力。在快速回位模塊中，扭簧的一端通常固定在外殼上，另一端固定在執(zhí)行器的一個旋轉(zhuǎn)部件上。德爾福、現(xiàn)代和萬都先后提出了不同的方案，將扭簧的端部固定在電機轉(zhuǎn)子軸、主軸或減速齒輪上，如圖 30 所示。制動時，扭簧被旋轉(zhuǎn)部件扭轉(zhuǎn)并儲存彈性能量。當電機反轉(zhuǎn)松開制動器時，扭簧為與其相連的旋轉(zhuǎn)部件提供彈性恢復力，從而實現(xiàn)快速松開制動器。
圖 30. 扭簧式快速回位模塊（圖中圈出部分）
3.7.2. 壓縮彈簧
壓縮彈簧在制動過程中通過軸向壓縮或拉伸來儲存彈性能量。在快速回位模塊中，壓縮彈簧的一端通常固定在支撐部件上，另一端固定在執(zhí)行器的一個移動部件上。萬都提議將壓縮彈簧的端部固定在活塞上，它通過活塞的軸向運動來儲存彈性能量，如圖 31 所示。當松開制動器時，壓縮彈簧借助彈性恢復力驅(qū)動活塞遠離制動盤，從而實現(xiàn)制動器的快速松開。
圖 31. 壓縮彈簧式快速回位模塊（圖中圈出部分）
3.7.3. 其他彈性部件
除了扭簧和壓縮彈簧外，執(zhí)行器中還會使用其他異形彈性部件來實現(xiàn)制動器的快速松開。萬都提議在絲杠端部安裝一個離合器單元，如圖 32 所示。外側(cè)離合器單元 110 在制動時儲存彈性能量，當松開制動器時，通過滾珠 133 向內(nèi)側(cè)離合器單元 120 施加彈性恢復力。
圖 32. 使用其他彈性部件的快速回位模塊（圖中圈出部分）
3.8. 傳感器類型及布置
機電制動（EMB）執(zhí)行器中常用的傳感器包括以下幾種類型：用于夾緊力控制的壓力、扭矩、角位移和軸向位移傳感器；用于檢測制動盤磨損情況的制動片磨損及接觸傳感器；用于檢測執(zhí)行器工作溫度的溫度傳感器。6 家制造商常用的傳感器情況如表 10 所示。
壓力傳感器通常安裝在傳遞壓力的兩個部件之間，比如主軸與外殼、螺母與外殼、主軸與制動片以及活塞與制動片之間，也有一些安裝在導向支架上。角位移傳感器通常安裝在旋轉(zhuǎn)部件的端部，例如主軸、螺母以及電機輸出軸的端部。制動片磨損及接觸傳感器通常安裝在靠近外側(cè)制動襯片的位置。
大多數(shù)傳感器會受到外界高溫的極大影響。因此，傳感器應布置在遠離制動盤的位置，或者在傳感器與制動盤之間添加隔熱層。
表 10. 傳感器類型
機電制動（EMB）執(zhí)行器控制研究
機電制動（EMB）執(zhí)行器是一個高度集成的機電系統(tǒng)。如何控制電機以實現(xiàn)對目標制動力的快速、精確且可靠的跟蹤，是當前研究的重點。機電制動（EMB）執(zhí)行器的控制包含兩種方法：間接夾緊力控制（夾緊力估算）和直接夾緊力控制。
4.1. 間接夾緊力控制的估算方法
為了實現(xiàn)夾緊力的閉環(huán)控制，通常會在執(zhí)行器中使用壓力傳感器來實時獲取夾緊力的值。然而，壓力傳感器的測量精度容易受到熱量和磁場的干擾。一旦壓力傳感器出現(xiàn)故障，執(zhí)行器必須有備用的控制方法。而且，壓力傳感器價格昂貴、體積較大，很難集成到執(zhí)行器有限的空間內(nèi)。為了省去壓力傳感器，需要利用估算的力值來對夾緊力進行間接控制。現(xiàn)有的夾緊力估算方法總結(jié)于表 11 中。
表 11. 夾緊力估算方法
基于角位移的估算方法利用夾緊力與電機角位移之間的關系，也就是剛度特性（圖 33）來估算夾緊力。這是最常用的估算方法，簡單且易于實施。為了確定初始位置并避免制動片磨損對估算結(jié)果的影響，有必要識別制動片與摩擦盤的接觸點。施瓦茨等人通過設置電機電流隨角位移變化的閾值差值來識別接觸點?；诤喕闹苿幽Ｐ停_定一個比例系數(shù)來修正平均剛度特性，從而精確估算夾緊力。由于剛度特性會受到溫度、摩擦等因素的干擾，所以需要對其進行修正以確保夾緊力估算的準確性。薩里奇等人 ?提議使用兩個溫度傳感器來研究制動片的熱分布特性，并建立不同熱工況下的剛度特性估算模型，這提高了夾緊力估算的準確性。針對由摩擦以及制動盤彈性特性所導致的夾緊力滯后效應，帕克等人 提出了一種基于滯后模型的夾緊力估算方法，該方法保障了在運動方向發(fā)生瞬態(tài)變化時估算夾緊力的準確性。此外，還采用定期更新剛度特性的方法來提高估算方法的魯棒性。
圖 33. 剛度特性曲線
基于電機電流的估算方法通過建立電機輸出軸處的轉(zhuǎn)矩平衡方程來估算夾緊力，如下所示：
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)。為了避免建立復雜的摩擦模型，浙江大學[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系。相應地修正了電機的扭矩特性，以準確地估計夾緊力。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計了兩種夾緊力估計模型。采用在職自適應技術來適應兩種模型的磨損相關參數(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
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、應用方便、適應性好等優(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)行器的響應速度。當制動間隙消除，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。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，如負載相關的摩擦和剛度。Jo 等人.提出了一種自適應的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 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速度，KI和LEE等人 [75] 提出了一種復合 PID 控制算法，該算法會根據(jù)目標夾緊力在力環(huán)和位置環(huán)之間進行切換。吉林大學的張等人依據(jù)目標功率、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)和特點設計了相應的 PID 控制策略。為提高不同階段接觸點識別的準確性，湖南大學的張等人[77] 設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系識別接觸點。在此基礎上，提出了一種針對不同階段有特定控制目標的模糊 PID 控制算法，以實現(xiàn)更好的動態(tài)性能。
增強控制算法對外部干擾的魯棒性是實現(xiàn)夾緊力精確控制的關鍵。萊恩等人設計了一種魯棒 H∞最優(yōu)控制器，該控制器考慮了溫度、制動片磨損以及未建模動態(tài)等不確定參數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明，與標準串級 PI 控制相比，該控制器對外界干擾的敏感度更低，能夠保證控制性能的穩(wěn)定性。克里希那穆爾蒂（Krishnamurthy）等人針對開關磁阻電機（SRM）機電制動系統(tǒng)提出了一種非線性魯棒控制算法，假定負載是位置的未知非線性函數(shù)，并通過魯棒反推程序設計了一個轉(zhuǎn)矩級控制律。提出了兩種獲取控制律的方案，一種基于額外的魯棒反推步驟，另一種基于轉(zhuǎn)矩紋波最小化。嚴（Eum）等人提出了一種基于力 — 位置串級控制結(jié)構(gòu)的魯棒夾緊力控制方法，并采用干擾觀測器（DOB）來增強針對模型變化的控制魯棒性。盡管魯棒算法降低了干擾的影響，但也導致了控制保守的問題。而且，設計一種同時兼顧魯棒性和響應性能的魯棒算法頗具挑戰(zhàn)性。
模型預測控制（MPC）可預測系統(tǒng)未來的動態(tài)特性，在線求解優(yōu)化問題，并將最優(yōu)解應用于系統(tǒng)以實現(xiàn)閉環(huán)控制。它能夠明確處理約束問題，且具有良好的動態(tài)控制性能。萊恩等人 首先利用增益調(diào)度、摩擦補償以及反饋線性化技術對串級 PI 控制的結(jié)構(gòu)進行改進，然后進一步引入模型預測控制，以便更好地利用可用電機轉(zhuǎn)矩。為便于實際應用，采用一種事后施加動態(tài)約束的無約束模型預測控制，以此降低計算需求。為避免對象線性化并簡化控制器，李等人設計了一種顯式非線性模型預測控制，通過最小化二次型性能指標來獲得顯式控制律。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的線性模型預測控制相比，顯式模型預測控制的計算時間減少了 24%，并且在復雜制動操作方面性能略優(yōu)。該算法的優(yōu)化是離線進行的，通過使用查找表來減少計算開銷。由于模型預測控制的連續(xù)動態(tài)優(yōu)化過程需要大量計算，因此在實際應用中通常采用簡化模型或離線計算的方法。
滑模控制（SMC）通過設計滑模面和趨近律使控制變量快速收斂。它不僅響應速度快、調(diào)節(jié)參數(shù)少，而且對不確定參數(shù)和外部干擾具有很強的魯棒性。林德瓦伊 - 索斯（Lindvai - Soos）和霍恩（Horn）基于車輛制動系統(tǒng)的動態(tài)模型為執(zhí)行器設計了滑?？刂坡桑诨？刂浦邪涯Σ磷鳛椴淮_定因素加以考慮。實驗結(jié)果表明，在不同輸入信號下，滑?？刂破髋c串級 PI 控制器相比具有更高的跟蹤精度。韓等人 [84] 基于電子楔式制動器（EWB）的動態(tài)模型設計了滑模控制器。夾緊力是基于帶有接觸點檢測的簡化電子楔式制動器模型進行估算的。實驗表明，該算法對參數(shù)變化和非線性因素具有魯棒性。樸（Park）和崔（Choi）設計了一種自適應滑?？刂破鳎ㄟ^自適應調(diào)整摩擦模型的參數(shù)，并將摩擦補償?shù)那梆伃h(huán)節(jié)融入滑?？刂破?，以此降低估算誤差，提高控制算法的魯棒性。然而，當系統(tǒng)狀態(tài)達到滑模面時，滑模控制會存在抖振問題，這將影響控制精度。因此，有必要采用濾波、添加觀測器、模糊控制以及遺傳算法等方法來優(yōu)化控制過程。
為進一步提高控制精度，還提出了其他智能控制算法。李和曼齊（Manzie）[86] 設計了一種狀態(tài)受限、魯棒的近實時最優(yōu)夾緊力跟蹤控制器。他們首先針對具有狀態(tài)約束的一般二階非線性系統(tǒng)設計控制器，然后將其擴展到具有有界但可能隨時間變化的干擾的受擾系統(tǒng)。樣機測試證明，該控制器具有魯棒穩(wěn)定性，跟蹤誤差漸近收斂到一個包含原點的一致最終界內(nèi)。金等人將一種基于邊緣腦系統(tǒng)的仿生控制策略應用于機電制動（EMB）執(zhí)行器，并通過遺傳算法對控制參數(shù)進行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該控制方法在控制速度、參考跟蹤以及對干擾的魯棒性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的 PID 控制。
5. 機電制動（EMB）系統(tǒng)架構(gòu)與智能駕駛應用
智能駕駛的進一步發(fā)展對制動系統(tǒng)提出了更高的要求。根據(jù)當前行業(yè)內(nèi)技術水平和需求的調(diào)研結(jié)果，從 L0 到 L5 級自動駕駛對制動響應時間、控制精度、集成控制以及功能安全的基本要求如圖 35 所示。作為未來制動系統(tǒng)的最終方案，機電制動（EMB）系統(tǒng)應滿足高級別自動駕駛的要求
快速響應與精確控制：L4 級及以上自動駕駛在車輛動力學控制方面對主動制動的響應速度和控制精度提出了更高要求。對于機電制動（EMB）系統(tǒng)而言，制動響應時間應在 100 毫秒以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)控制精度應達到 0.1 兆帕；
?高度集成控制：驅(qū)動、制動和轉(zhuǎn)向的協(xié)同控制要求各子系統(tǒng)的控制集中于底盤域控制器。在底盤域控制器的框架下，機電制動（EMB）系統(tǒng)需要具備高度的控制自由度以實現(xiàn)集成控制；
?良好的冗余安全性：從輔助駕駛（L1 和 L2 級）到自動駕駛（L3 級及以上），智能駕駛系統(tǒng)的功能安全是一個關鍵問題，有必要確保系統(tǒng)在出現(xiàn)單一故障時仍能接管控制。制動冗余是功能安全的重要組成部分。對于機電制動（EMB）系統(tǒng)，必須通過執(zhí)行器（雙電機設計）、控制算法（基于夾緊力估算的間接控制）以及系統(tǒng)架構(gòu)的冗余設計來滿足汽車安全完整性等級（ASIL）中 D 級的功能安全要求。此外，還需滿足預期功能安全和信息安全方面的要求。
圖 35. L0 - L5 級自動駕駛對制動系統(tǒng)的基本要求
接下來將首先根據(jù)功能安全要求分析機電制動（EMB）系統(tǒng)的架構(gòu)，并總結(jié)基于機電制動（EMB）系統(tǒng)的傳統(tǒng)車輛穩(wěn)定性控制（包括防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、電子制動力分配系統(tǒng)（EBD）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）等）方面的研究。在此基礎上，介紹機電制動（EMB）系統(tǒng)在智能駕駛中的初步應用，即先進駕駛輔助（包括自動緊急制動（AEB）、自適應巡航控制（ACC）等）方面的研究
5.1. 系統(tǒng)架構(gòu)
一個典型的機電制動（EMB）系統(tǒng)由四個執(zhí)行器、若干控制電子控制單元（包括一個主電子控制單元和四個執(zhí)行器電子控制單元）、一個供電系統(tǒng)、一個電子踏板（包括制動踏板、踏板力感模擬器、踏板位移傳感器和踏板力傳感器）、一個駐車開關以及其他部件組成。當駕駛員踩下制動踏板時，踏板模擬器會給駕駛員提供合適的踏板感覺，踏板傳感器檢測踏板信號以獲取駕駛員的制動意圖。主電子控制單元接收駕駛員的制動意圖，并結(jié)合輪速等傳感器反饋的車輛狀態(tài)信號，依據(jù)控制目標制定制動力分配策略。然后，將所需制動力發(fā)送至執(zhí)行器電子控制單元，以控制輪端的執(zhí)行器來實現(xiàn)制動操作。
機電制動（EMB）系統(tǒng)的具體架構(gòu)與功能要求、車輛控制要求以及冗余要求相關。以下基于 ISO 26262 功能安全所要求的系統(tǒng)架構(gòu)設計流程 進行簡要分析：
危害分析：首先通過基于嚴重程度、暴露概率和可控性這三個因素，對車輛和子系統(tǒng)層面的危害進行系統(tǒng)評估，來確定汽車安全完整性等級（ASIL）。如圖 36 所示，以分析各種駕駛場景下 “無制動” 失效模式為例 [88]，制動系統(tǒng)應滿足最高安全等級，即 ASIL - D 級。
安全功能要求：基于危害分析，將總體安全目標設定為降低喪失制動能力的可能性。具體而言，它包括三種不同模式：（1）全功能模式：系統(tǒng)能夠容忍至少一個任意故障，并保證完全的制動能力；（2）部分功能模式：由單一故障導致的部分制動能力喪失不應影響車輛的穩(wěn)定性；（3）緊急模式：系統(tǒng)必須確保在出現(xiàn)第二個任意故障后車輛能夠完全停止。
系統(tǒng)架構(gòu)設計原則：基于安全功能要求，主要設計原則設定如下：（1）避免單點故障；（2）盡量減少系統(tǒng)對任何可能突然失效的條件的依賴；（3）采用依賴最少且具備足夠容錯能力的保守設計。
圖 36. “無制動” 失效模式的汽車安全完整性等級（ASIL）
為了滿足 ASIL - D 級的功能安全要求，首先必須避免系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障。因此，對于控制電子控制單元、供電系統(tǒng)、通信線路等需要進行冗余備份設計。在電子控制單元布局方面，少數(shù)系統(tǒng)會舍棄機電制動（EMB）執(zhí)行器自身的控制器，將控制集成到一個集中式的雙模塊中，更為常見的是采用四個執(zhí)行器電子控制單元的系統(tǒng)。文中給出了三種具有不同電子控制單元布局的典型機電制動（EMB）系統(tǒng)架構(gòu)方案。方案 1 使用一個主電子控制單元通過兩個車橋電子控制單元分別控制前橋和后橋的執(zhí)行器電子控制單元。該方案有呈 H 形布置的兩個電源以及四條通信線路作為冗余備份。當主電子控制單元或車橋電子控制單元出現(xiàn)故障時，分別能保證 100% 和 50% 的制動能力。方案 2 使用單個主電子控制單元控制四個執(zhí)行器電子控制單元，并有兩個全冗余的電源以及兩條通信線路。當主電子控制單元出現(xiàn)故障時，電子踏板可直接控制兩個或四個執(zhí)行器，以確保 50% 或 100% 的制動能力。方案 3 使用主電子控制單元接收并分析制動需求、監(jiān)測電機狀態(tài)并發(fā)出制動指令，而輔助電子控制單元直接接收制動踏板信號和輪速信號來控制執(zhí)行器電子控制單元。在此方案中，設有呈 X 形布置的兩個電源以及兩條通信線路。當主電子控制單元或輔助電子控制單元出現(xiàn)故障時，仍能保證 50% 的制動能力。除了上述三種方案外，一些方案可能還會采用 “2/3 個主電子控制單元 + 4 個執(zhí)行器電子控制單元” 的電子控制單元布局形式。對于供電系統(tǒng)，采用呈 X 形或 H 形布置的兩個電源以及一個全冗余的備用電源來實現(xiàn)三重冗余。各方案的對比情況如表 13 所示。
方案1 主ECU+2軸ECU+4執(zhí)行器ECU
方案2 主ECU+4執(zhí)行器ECU
方案3 主ECU +輔助ECU + 4執(zhí)行器ECU
表13.各類系統(tǒng)架構(gòu)方案的比較
5.2. 基于EMB系統(tǒng)的車輛穩(wěn)定性控制
車輛穩(wěn)定控制是指車輛在突然轉(zhuǎn)向、道路激勵突變等緊急情況下，在駕駛或制動過程中保持穩(wěn)定運行的能力?；贓MB系統(tǒng)的優(yōu)點，如高精度和快速響應，以及電子控制，更容易結(jié)合先進的復合輔助駕駛控制算法，更好地保持車輛的穩(wěn)定性，實時監(jiān)控和跟蹤車輛的運行狀態(tài)，并進行反饋調(diào)整。一般來說，穩(wěn)定控制可以分為縱向穩(wěn)定控制和橫向穩(wěn)定控制。現(xiàn)有的基于EMB系統(tǒng)的車輛穩(wěn)定控制方法見表14。
表14. 基于EMB系統(tǒng)的車輛穩(wěn)定性控制方法
(1) 在縱向穩(wěn)定性控制方面，燕山大學的徐采用邏輯閾值控制方法實現(xiàn)了防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的應用。邏輯閾值控制方法是依據(jù)車輪加速度和滑移率的閾值來控制制動壓力的增減及維持，從而使車輪滑移率能維持在最佳滑移率附近，以獲取最佳地面制動力。仿真結(jié)果表明，基于機電制動（EMB）系統(tǒng)的防抱死制動系統(tǒng)（ABS）控制更為精確、高效且能耗更低。重慶大學的夏和李 基于夾緊力反饋信號能夠?qū)崿F(xiàn)制動轉(zhuǎn)矩連續(xù)閉環(huán)控制這一特性，提出了一種優(yōu)化的邏輯閾值控制方法。在防抱死制動系統(tǒng)（ABS）控制過程中，依據(jù)車輛滑移率和制動減速度，直接給出制動轉(zhuǎn)矩增減的梯度，以實現(xiàn)制動轉(zhuǎn)矩的調(diào)整，將滑移率控制在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。邏輯閾值控制方法不涉及數(shù)學模型，具有響應速度快、成本低的優(yōu)點。然而，其設計與調(diào)試較為復雜，且控制過程不穩(wěn)定。此外，由于其開關特性，它無法始終保持在最佳滑移率狀態(tài)。
韓國科學技術院的李等人 通過縱向加速度控制器（PI）計算預期電機轉(zhuǎn)速，以此動態(tài)控制夾緊力，并運用軌跡更新算法解決控制器與目標之間的相位滯后問題，使其趨近預設的預期加速度曲線。這樣一來，在低風險制動條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)在停車前減少制動輸入，從而提高乘坐舒適性。江蘇大學的董、田]；華中科技大學的張；湖南大學的張 ；吉林大學的韓 、楊和李等人提出了一種模糊 PID 復合控制方法來實現(xiàn)防抱死制動系統(tǒng)（ABS）/ 電子制動力分配系統(tǒng)（EBD）（如圖 37 所示）。將預期最佳滑移率與實際滑移率之間差值的微分輸入到模糊控制器中，依據(jù)模糊規(guī)則生成 PID 控制的比例、積分和微分參數(shù)，進而能夠?qū)χ苿恿M行反饋控制。這種控制方法不僅具備 PID 控制精度高的優(yōu)點，還擁有模糊控制魯棒性強的優(yōu)勢。吉林大學的唐、饒，江蘇理工學院的王以及南通大學的沈等人通過將 BP（反向傳播）或 CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡）神經(jīng)網(wǎng)絡與 PID 控制相結(jié)合，實現(xiàn)了防抱死制動系統(tǒng)（ABS）/ 牽引力控制系統(tǒng)（TCS）的控制。將車輛縱向速度、車輪速度、預期最佳滑移率與實際滑移率的差值及其變化率輸入到 BP 或 CNN 神經(jīng)網(wǎng)絡后，也可通過神經(jīng)網(wǎng)絡學習獲得 PID 控制器的三個參數(shù)，進而進行反饋控制，這使得控制更加精確，且具有良好的跟蹤適應性。
圖 37. 采用模糊 PID 控制方法的防抱死制動系統(tǒng)（ABS）控制框架
西華大學的黃 和長安大學的張通過模糊滑模控制方法實現(xiàn)了防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的控制。首先，通過滑?？刂破鲗⒒坡首鳛榭刂茖ο螅惯\動點始終位于基于最佳滑移率生成的滑模面上，然后進一步設置模糊控制校正器，對滑?？刂破鞯妮敵鲞M行模糊化處理，以便依據(jù)模糊控制規(guī)則對控制值進行優(yōu)化。經(jīng)過這些過程后，利用去模糊化輸出控制制動力。因此，有效抑制了常規(guī)滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象，同時保持了滑?？刂频聂敯粜浴Ｎ鞅惫I(yè)大學的梁等人 基于滑?？刂铺岢隽艘环N自適應非奇異快速終端滑模（NFTSM）控制方案，該方案利用徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡方法解決了估計系統(tǒng)中復雜干擾上界的難題，降低了滑模切換增益設計的保守性，并有效消除了抖振。
波爾多大學的貝寧 - 內(nèi)托（Benine - Neto）等人設計了一種具備防抱死制動系統(tǒng)（ABS）功能的新型非整數(shù)階魯棒控制器（CRONE）。其基于頻域控制的線性化模型使其能夠跟蹤車輪的參考角速度，并在車輛質(zhì)量、路況等不確定參數(shù)存在的情況下，顯著降低由測量噪聲引起的控制輸入波動。
伊希克大學的丁奇曼（Din?men）等人提出了一種防抱死制動系統(tǒng)（ABS）控制器的極值搜索方案。通過開發(fā)一種自優(yōu)化算法和觀測器設計，在無需估計路況的情況下，能夠使道路車輛在緊急制動條件下的制動力達到最大。
(2) 在橫向穩(wěn)定性控制方面，密歇根大學的向等人分析了線控制動系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和容錯設計，研究了利用差動制動轉(zhuǎn)矩控制橫向和橫擺穩(wěn)定性的有效性。因此，提出了一種模糊邏輯控制方案，該方案根據(jù)車輛狀態(tài)和路況將最優(yōu)制動轉(zhuǎn)矩施加到不同車輪上，從而實現(xiàn)橫向和橫擺穩(wěn)定性控制，并且通過車輛制動模型的仿真驗證了該控制方案的有效性。
吉林大學的張、楊 和王研究了基于機電制動（EMB）系統(tǒng)的橫擺控制算法。他們都通過 PID 控制實現(xiàn)了電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）功能的應用。針對線性二自由度汽車模型，采用質(zhì)心側(cè)偏角的 PID 控制器和橫擺角速度的 PID 控制器進行聯(lián)合控制。當質(zhì)心側(cè)偏角較小時，采用質(zhì)心側(cè)偏角的 PID 控制器；否則，使用橫擺角速度的 PID 控制器。系統(tǒng)通過收集方向盤和制動踏板信息來判斷駕駛員的意圖，并通過計算將監(jiān)測到的實際值與理論值進行比較，從而計算出每個車輪達到預期狀態(tài)所需的目標制動力。通過執(zhí)行這種反饋調(diào)整來確保車輛的橫向穩(wěn)定性。武漢理工大學的周?運用模糊 PID 控制方法對質(zhì)心側(cè)偏角的 PID 控制器和橫擺角速度的 PID 控制器進行描述，該方法對輸入的精確信號進行模糊化處理，并依據(jù)模糊規(guī)則為控制對象獲取相應的模糊控制輸出。它通過非數(shù)學模型將質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的控制量關聯(lián)起來，降低了模型的復雜性，便于控制調(diào)試。吉林大學的尹等人研究了基于機電制動（EMB）的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）中的橫擺力矩控制算法（如圖 38 所示）。以質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度作為控制參數(shù)，利用結(jié)合 PID 算法和閾值的橫擺力矩決策算法實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制，并通過仿真實驗驗證了橫擺控制算法的有效性。
圖 38. 采用 PID 控制方法的電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）控制框架
費爾加尼（Fergani）等人 提出了一種基于橫向穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的線性變參數(shù)（LPV）控制方法，該方法能夠以一種簡單的方式在性能目標之間實現(xiàn)平滑過渡并處理非線性問題，同時保持足夠的魯棒性，以更好地維持車輛穩(wěn)定性。
綜上所述，機電制動系統(tǒng)（EMB）的應用使得高階控制輔助算法的耦合成為可能。因其線控制動系統(tǒng)的特性，它不僅確保了通用性和高穩(wěn)定性，還具備集成度高、能耗低、響應快等優(yōu)勢。這保障了整車的穩(wěn)定性控制，為車輛的電動化和智能化發(fā)展奠定了基礎。
5.3. 基于機電制動系統(tǒng)（EMB）的先進駕駛輔助
先進駕駛輔助是指通過感知技術獲取周邊環(huán)境信息，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析向駕駛員發(fā)出警報或主動介入?yún)f(xié)助駕駛員進行應急處理，以此提高車輛行駛過程中的安全性和可靠性?；跈C電制動（EMB）主動制動能力的車輛動力學控制是當前研究的重點，旨在實現(xiàn)諸如自適應巡航控制（ACC）、自動緊急制動（AEB）等先進輔助駕駛功能。
吉林大學的楊等人 [109] 搭建了一個帶有虛擬現(xiàn)實功能的機電制動（EMB）與自適應巡航控制（ACC）離線仿真平臺，對節(jié)氣門位置采用 PI 控制，對制動控制采用模糊 PID 控制。在兩種典型跟車工況的虛擬仿真下，他們初步探究了基于機電制動（EMB）的自適應巡航控制（ACC）功能。吉林大學的牟 [3] 基于機電制動（EMB）的多級閉環(huán)控制算法建立了縱向動力學分層控制框架，包含自適應巡航控制（ACC）和自動緊急制動（AEB）系統(tǒng)（如圖 39 所示）。下層控制部分依據(jù)車輛縱向動力學方程設計目標制動壓力、目標驅(qū)動轉(zhuǎn)矩以及驅(qū)動與制動之間的切換控制策略，而上層控制部分則設計了定速巡航 PID 控制器、自主跟車線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）控制器，以及自動緊急制動（AEB）安全距離模型和分層制動控制策略。此外，通過仿真驗證了縱向動力學控制策略的有效性。山東交通學院的徐 [110] 基于三閉環(huán)控制策略精確控制機電制動（EMB）的夾緊力，建立了基于滑移率的防抱死制動系統(tǒng)（ABS）模糊 PID 控制器，并采用基于碰撞時間的碰撞時間（TTC）碰撞策略作為自動緊急制動（AEB）控制算法，對集成機電制動（EMB）的自動緊急制動（AEB）功能進行了仿真驗證。
圖 39. 基于機電制動（EMB）的自適應巡航控制（ACC）/ 自動緊急制動（AEB）系統(tǒng)控制框架
江蘇大學的苗 [111] 設計了一種基于楔式機電制動（EMB）的防抱死制動系統(tǒng)（ABS）與自動緊急制動（AEB）聯(lián)合作用的控制方法。執(zhí)行系統(tǒng)采用邏輯閾值控制方法，將滑移率作為自動緊急制動（AEB）控制的第二個邏輯閾值，結(jié)合防抱死制動系統(tǒng)（ABS）對輸出制動轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整，以增強制動穩(wěn)定性。最后，在四種不同類型的路面上，通過聯(lián)合仿真驗證了制動系統(tǒng)的性能。
6. 結(jié)論
作為線控制動系統(tǒng)的一種完備形式，機電制動（EMB）系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，例如響應迅速、制動力控制精確以及易于集成控制等。同時，它也仍然存在一些問題，比如冗余性差、成本高以及熱干擾嚴重等。通過總結(jié)各制造商提出的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)方案，可得出以下結(jié)論：
對于行車制動模塊，運動轉(zhuǎn)換通常以絲杠傳動（尤其是滾珠絲杠和滾珠絲杠副）的形式實現(xiàn)。此外，主要采用減速機構(gòu)（以行星齒輪系為代表）或增力機構(gòu)（以楔形自增力機構(gòu)為代表）來解決電機驅(qū)動力不足的問題。
對于駐車制動模塊，根據(jù)常用的不同驅(qū)動部件，可分為三種類型：手動式、電機驅(qū)動式和螺線管驅(qū)動式。其中，螺線管驅(qū)動式方案因其結(jié)構(gòu)簡單緊湊已成為主流方案。
對于制動間隙補償模塊，根據(jù)所使用部件的材料特性，可分為三種類型：柔性型、剛性型、柔性與剛性結(jié)合型。其中，柔性與剛性結(jié)合的補償機制結(jié)合了前兩種方案的特點，使得制動間隙的控制更加精準可靠，補償過程也更加平穩(wěn)。
對于快速回位模塊，通常采用扭簧、壓縮彈簧或其他彈性元件來儲存彈性能量，實現(xiàn)制動力的快速釋放。
關于機電制動（EMB）執(zhí)行器的夾緊力估算與控制算法，以及機電制動（EMB）系統(tǒng)在智能駕駛中的應用研究，當前的研究進展和未來的研究前景如下：
在夾緊力估算方面，分別有基于電機角位移、電機電流以及角位移與電流融合的三種方法。它們大多仍采用近似模型進行擬合，在溫度、摩擦等干擾因素方面魯棒性不強。還需進一步開發(fā)強魯棒性的狀態(tài)估計算法。
在夾緊力控制方面，目前主要采用串級 PID 控制算法，也包括魯棒控制、模型預測控制、滑?？刂频绕渌惴?。鑒于機電制動（EMB）系統(tǒng)具有非線性時變特性，運用自適應智能控制算法來實現(xiàn)制動力的精確調(diào)整是當前研究的一大趨勢。
目前，機電制動（EMB）系統(tǒng)在智能駕駛中的應用研究主要集中在車輛穩(wěn)定性控制方面，關于其在先進駕駛輔助方面的應用研究較少。機電制動（EMB）系統(tǒng)在 L3 - L5 級自動駕駛車輛的橫向和縱向動力學控制中的應用將是未來研究的重點。
