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汽车线控制动系统设计与分析

摘要：汽车线控（BBW）系统也被称为机电制动系统，已经成为车辆制动控制方案一种发展方向，该方案产生了许多新的驾驶员界面而且无需机械或液压后备即可增强汽车性能。在本文中，我们研究BBW控制系统主要侧重于容错设计和车辆制动方向的控制方案。我们首先描述BBW系统的系统结构。然后对容错设计进行讨论以满足BBW系统对可靠性和安全性的高要求。本文研究了广泛使用的制动模型和几种制动控制方案。 虽然以前的工作主要集中在单轮防抱死和防滑制动控制上，但我们是提出了整车控制方案来提高车辆的稳定性和安全性。基于整车制动模型的仿真验证了在车辆侧向和横摆稳定性控制中提出的模糊逻辑控制方案。

关键词：线控制动，制动模型，容错设计，网络控制系统，稳定控制

正文：

一、介绍

线控系统主要是由机电制动器和通信网络组成的，它可以代替传统的液压或电动液压设备，已经成为一种新的很有前景的车辆制动控制方案。它可以提供更强的安全性和舒适性，并且彻底消除制造和维护相关的成本，而且还消除了由液压系统引起的环境问题。BBW系统在目前已经引起了全世界工业界和学术界的极大兴趣。

在BBW系统中，制动力由驾驶员开始产生，并作用于应用了电子马达驱动的执行器的四个车轮上。BBW系统可与其他车辆系统轻松的实现连接，实现车辆牵引和稳定性控制的简单集成。与传统的液压或电动液压系统相比，BBW系统可以更好地控制踏板刚度，车辆稳定性和制动力分配等问题。现将BBW系统优点列举如下：

1. 可以避免使用结构复杂或者质量较大的机械或者液压部件；
2. 由于电动机可以快速而且精确地产生制动力矩，从而提高了制动控制的效率和稳定性;
3. 提高了制动系统的故障诊断能力；
4. 不需要额外的机械或液压部件就可以很容易的调整辅助系统[例如防抱死系统和电子稳定程序（ESP）];
5. 可以非常有效的降低设计，施工，装配和维护阶段的成本;
6. 占用的空间尺寸更小，质量更轻；
7. 可以有效地消除传统液压制动系统所产生的相关的环境问题。

虽然BBW系统可以很好的保证效益和效率，但其可靠性和安全性仍然需要容错和故障安全系统架构是一个十分重要的关注点。为了提高安全性，BBW系统自然需要多余的电源，传感器，执行器和信息处理和传递，并且要提供错误检测和容错管理。

本文检查了采用不同的制动力矩进行侧向和横摆稳定性控制的BBW系统的有效性。移动车辆的横向运动控制是智能车辆高速公路系统的其中一个重要组成部分。行驶车辆的横向控制和偏航稳定性的损失有可能来自侧向风力，轮胎的压力损失或者是因为在各种道路和车辆情况下的制动的不同情况。 在某些情况下，驾驶员无法及时响应偏航不稳定性，这使得拥有自动横向和偏航稳定性控制具有十分重要的意义。车辆偏航稳定性控制通过产生瞬时和校正偏航力矩来补偿在慌乱反应时间期间内驾驶员没有做出的控制。BBW系统可以通过差速制动来轻松产生偏航力矩。

本文大体上的结构如下。 第二部分主要介绍了制动系统的结构。 第三节研究容错设计以满足BBW系统的可靠性和安全性的要求。第四部分介绍了一个典型的整车模型。第五部分介绍了有关于制动控制方案的调查。第六部分研究了采用差速制动的模糊逻辑控制方法的偏航稳定性控制的性能，其结果通过相关仿真验证。最后，得出结论。

BBW系统的结构

BBW系统架构如图1所示。它由四个机电制动（EMB）模块，一个EMB踏板模块，一个双工通信网络，一个中央制动控制和管理（CBCM）模块和电源组成。 每个EMB由一个执行器，一个本地电控单元（ECU）和一个通信接口（CI）组成。 CBCM单元有一个ECU和一个CI。 在每个车轮上，使用轮速传感器（WSS）来检测轮速，其信息被发送到相应的EMB。 车速传感器（VSS）被用于检测车辆速度。 传感器，执行器和控制节点通过具有热备份的实时网络相互通信，为了简单起见，图中未示出。

驾驶人制动意向输入

图1、BBW系统大致结构

（EMB--机电制动模块，power--电源，CBCM--管理模块，ECU--电控单元，CI--通信接口，Brake Padel Module--制动踏板模块，VSS--车速传感器）

EMB的主要组件是四个车轮上的电动执行器以及其相关的控制单元。如果是在使用盘式制动器的情况下，这些部件的主要任务就是在制动时牢固地将制动片压紧在制动盘上。从制动踏板箱可以取出制动时间和强度的信息。从驾驶员的角度来看，踏板箱与传统的踏板箱并没有太大的区别。在文献[10]中提出了一种非线性控制器来完成EMB踏板箱的设计。制动信息由踏板箱内的多个传感器进行感应，每个传感器单独的工作以探测一种类型的信息，例如制动踏板的力和速度等。信息被传递到本地ECU以及中央ECU中。中央ECU能够根据车速，车轮转角和车轮转速的信息来控制车辆的稳定性。如果本地ECU或中央ECU发生故障，另一个ECU将取代它继续进行工作。

图2描述了所提出的BBW系统工作的框图。中央制动控制器接收踏板制动信号，转向角度，车辆速度，车轮转速以及与车辆运动和安全相关的其他信息。中央控制器根据检测到的制动信息计算执行器的制动力。然后制动力的值通过实时通信网络发送到车轮制动控制单元。车轮制动控制器根据控制算法执行制动。 制动力矩的值被发送到执行器进行制动控制。同时，车轮传感器将车轮状态反馈给车轮制动控制器。制动控制器监视组件的操作，检测故障并使用故障安全方法处理故障。

图二、BBW系统工作框图

（Brake Pedal Signal--制动踏板信号，Steering Signal--转向信号，Vehicle Central Controller--中央制动控制器，Braking Force Distribution--制动力分配，Central Brake Control and Management Unit--中央制动控制单元，Braking Force--制动力，Braking Torque--制动力矩，Actuator Controller--执行器控制器，Wheel EMB System--车轮机电制动系统，Vehicle Velocity--车速，Yaw Rate and Slip Angle--偏航角速度和滑动角，Vehicle Dynamics--车辆动态）

BBW系统容错分析

BBW系统没有机械或液压后备，电子和电气部件的可靠性本质上是低于机械部件的。 所以BBW系统的可靠性，可用性，可维护性和安全性的所有方面都需要进行仔细认真的考虑。 具有更高安全完整性要求的BBW系统要求

1、在电源，传感器，执行器，数据处理单元和通信网络中采用冗余；

2、启用错误检查和故障管理策略；

最近已经有许多与X线控系统的容错设计有关的工作完成了。 在参考文献[1]中提供了容错线控驱动系统的整体概述。 时间触发协议（TTP）通信网络在BBW系统中的应用在参考文献[2]，[3]中也进行了讨论。在参考文献[5]-[9]之中也已经提出了一些用于BBW系统的故障检测和诊断的方法。

表1列出了BBW系统中主要部件冗余度的推荐值。三种传感器用于测量制动踏板力，建议使用两个复制总线以正确保证部件之间的通信。备份电源以保证系统运行。所有与安全相关的信号，例如车速和车轮转速都会反馈回来以监控车辆状态。同时，也使用了传感器的历史价值。但是，执行器没有冗余，因为只有两个或更多执行器的损失可能导致安全方面的危急情况。

表一、BBW系统中主要部件冗余度的推荐值

目前大体上有两类实时网络：事件触发网络[例如，控制区域网络（CAN）]和TTP网络。但是，它们都不符合BBW系统的安全要求，因为它们都缺乏确定性和容错特性。 上述两种网络的组合--TTCAN可以算是汽车BBW系统的理想选择。 TTCAN协议在CAN顶层的高层软件中实现，它允许以事件触发或时间触发模式传输消息。

制动系统的汽车模型

适当的数学模型对于BBW系统的设计至关重要。然而，由于BBW系统的非线性特性程度非常高，以及其随时间变化的现象和一些不确定的参数（包括悬架系统的振动以及制动过程中的风阻），很难准确对实际的BBW系统进行描述。相反，我们通常使用简化的设计模型。该模型应该抓住BBW过程的基本特征。目前主要有三种类型的BBW设计模型：单轮模型，单轨模型和双轨模型。在本文中我们采用双轨模型来解决制动控制设计。在参考文献[13]和[14]中，已有一个类似的模型被用来测试防抱死和防滑刹车控制算法的性能。下图所示车型代表具有后部推进和前部转向的车辆。

图三、双轨车辆模型

图3所示的车辆模型描述了车辆的纵向和横向行为以及偏航运动。该模型包括轮胎动力学，车轮对路面影响和摩擦的影响。在整车制动模型中，忽略了风力，翻滚，俯仰和升沉运动。建立一个七自由度（7自由度）车辆模型。有以下算式：

(1)

(2)

(3)

(4)

有：

和分别是第i个车轮的纵向和横向力，而和分别是纵向和横向速度。psi;是偏航/转向角度，是偏航率。 表II列出了其他相关参数。公式（4）是车轮动力学的表示。 单轮模型如图4所示。单轮模型已广泛应用于防抱死和防滑控制的研究。 在第六节的模拟中选择了Dugoff [28]的模型，该模型被描述为

(5)

(6)

表二，车辆和车轮的各种参数

图四、单轮模型

(7)

(8)

其中车轮滑移率lambda;定义为纵向速度与车轮转速之差与纵向速度之比。 既有：

式子中和分别是第i个车轮的车速和角速度。是车轮的半径。轮胎侧滑角由下式给出

当滑移率lambda;和滑移角alpha;足够小时，忽略和之间的耦合。 Dugoff的轮胎模型可以进一步简化为：

制动控制策略

防抱死制动系统（ABS）目前作为车辆的标准安全部件已经逐渐被大众所接受。ABS可以防止在硬刹

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