汽车电子机械制动执行器的研制及压力估算研究

　　1前目

　　随着人们对汽车安全性能要求的提高，汽车电子机械制动(EMB)巳成为国外汽车零部件厂商及整车厂的研究热点[1，2]。作为制动系统的发展趋势，EMB改变了汽车制动系统的工作模式，通过机电传动代替了传统的液压回路，具有传动效率高、节能、环保的优点，但同时也对其可靠性提出了很高的要求。为了提高系统的可靠性，传统方法是采用硬件备份，这不仅会增加EMB执行器的体积、质量，还会增加成本，因此在不增加成本的前提下来提高EMB执行器的可靠性巳成为研究EMB的一个焦点[3?]。本文针对某轿车研制EMB执行器，给出EMB执行器的设计流程，并从降低执行器成本、质量及增加可靠性的角度出发，搭建了EMB执行器压力估算试验台，

　　得到了压力估算的两种方法，为实现压力的估算提供了依据。

　　2EMB执行器的工作原理

　　本文研制的EMB执行器的结构如图1所示

　　电机采用空心轴式结构，丝杠从电机中间穿过，以减小执行器的轴向尺寸；减速装置为2Z-X型行星齿轮减速机构，太阳轮与电机转子相连，作为输入;输出是与丝杠相连的行星架，丝杠推动螺母在电机的内孔中运动，螺母端部与制动衬片相连。该EMB执行器工作原理是，施加电压后，电机带动行星齿轮减速装置运动，然后通过滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动，从而推动制动衬片运动以压紧制动盘从而产生制动压力。

　　3EMB执行器的设计开发

　　EMB执行器的设计开发流程如图2所示。设计开发过程主要分两个部分：执行器理论设计、市场调研及执行器研制与装配。本文所选目标车型轮缸的最大制动压强为12MPa,活塞直径为48mm。为保证制动钳与制动盘充分脱开,选定EMB的制动间隙为0.3mm,消除制动间隙的时间为0.1s。所设计EMB执行器的参数见表1所列。

　　4EMB执行器压力估算试验台

　　EMB执行器的压力估算是通过试验得到EMB执行器压力与电机电流、丝杠位移的关系后进行的。本文以Matlab/xPCTarget[89]为平台搭建了EMB

　　执行器压力估算试验台，其原理如图3所示。主机为PC机，主要用来接收目标机传回的数据，以进行

　　分析处理；目标机是研华610H工控机，其作用是作为I/O板卡的载体，完成各种信号的采集。

　　图3EMB执行器压力估算试验台原理压力信号是与压力大小成正比的电压信号，它通过安装在丝杠螺母与制动衬片之间的压力传感器测量得到；电流信号是与电机母线电流大小成正比的电压信号，它是通过串联在电机电路中的大功率小阻值的采样电阻得到的；丝杠位移是通过测量消除间隙后电机转过的角度，然后经过转换得到的，电机转过的角度通过测量电机霍尔传感器信号得到。本文所采用的电机为三相四极对无刷直流力矩电机，其有3个霍尔传感器。根据无刷直流电机的工作原理知，该电机转过90°,霍尔传感器的输出信号有6种组合状态，即每个状态对应角度为15°。电机转角与丝杠位移之间的关系为：

　　&=9m/l(1)

　　S=9L/2n(2)

　　式中，9m为电机转轴的角位移；e为丝杠转过的角度;l为减速装置减速比；S为丝杠位移；L为丝杠的螺纹导程

　　试验台采用的数据采集卡为研华PCL-818HD和研华PCL-727,其中PCL-818HD通过AD来采集

　　压力传感器及电流采样电阻传来的电压信号；PCL-727通过DI采集电机的3个霍尔传感器输出的信号以计算丝杠位移。试验台的组成如图4所示。

　　5EMB执行器压力估算试验

　　研究EMB执行器压力估算的目的有两个：一是用来进行执行器压力估算，以省掉价格昂贵的压力传感器，从而减小执行器的体积、质量；二是实现压力信号的冗余检测，从而增加EMB执行器的可靠性。试验方法是，分别给电机施加不同的电压，使执行器运动，并测量电机堵转后各参数的值。本文共设置了13组试验，每组试验做3次，然后求取平均值，试验结果见表2所列。

　　根据所测得的数据在Matlab中进行拟合，对于由于无刷直流力矩电机的特性是电流与输出力矩成线性关系，所以电机电流与压力的关系采用1阶拟合，公式如下：

　　F=2.197I-0.74(3)

　　式中，F为EMB执行器压力；I为电机电流。

　　根据各数据点在坐标系中的分布知，丝杠位移与压力不成线性关系,所以进行高阶拟合。拟合时发现，3阶以上拟合与3阶相似，所以本文以2、阶拟合为例说明，公式如下：

　　F=7.66S2+7.57S-1.187(4)

　　F=-31.75S3+62.24S2-19.31S+2.0607(5)拟合曲线分别如图5~图7所示，相应的相关系数分别为0.9977、0.9638、0.9722。由相关系数可知，3种情况都能达到较高的精度，且通过电机电流来估算EMB执行器压力的精度较高；压力与位移之间的2阶拟合精度比3阶拟合略差，但3阶拟合时曲线不与位移成单调递增的关系，与实际情况不符，且3阶以上拟合与3阶类似，所以压力与位移的关系取2阶拟合。另外，虽然通过电机电流进行压力估算精度较高,但是在试验过程中发现电流测量受外界干扰较大，所以实际应用时，应该采用电流估算为主、以位移估算为辅的冗余压力估算策略，从而提高EMB执行器的可靠性。

　　6结束语

　　a.针对某轿车研制了EMB执行器，并给出了EMB执行器的设计流程。

　　b.搭建了EMB执行器的压力估算试验台，进行了压力估算试验。由试验数据通过曲线拟合得到了电机电流与执行器输出压力的关系曲线及丝杠位移与执行器输出压力的关系曲线。结果表明，通过电流与丝杠位移均可估算得到执行器压力，从而实现冗余压力估算，提高EMB执行器可靠性。