电子机械制动器构型及控制技术发展现状

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.001

Abstract

Abstract:

As a complete form of brake-by-wire system， electro-mechanical brake （EMB） system has many advantages such as simplified structure and rapid braking response. To give a comprehensive review on the development status of EMB structure， the development and industrialization of various structure schemes are summarized based on investigation of a large number of patents in this paper. And four basic structure schemes including the ball-screw-type， wedge-type， ball-ramp-type and cam-type scheme are analyzed and compared. For the clamping force control problem of the actuator with nonlinear characteristics and slow time-varying parameter perturbations， firstly a review on the actuator modeling methods is conducted in this paper. Then through the classification based on the presence or absence of pressure sensors， the research progress both home and abroad is reviewed from two aspects： clamping force control methods based on the feedback force value and control methods based on the estimated force value. Finally， future development trends of the actuator structure design， clamping force control and vehicle coordination redundancy control are prospected.

Key words: brake-by-wire, electro-mechanical brake, structure, clamping force control, clamping force estimation

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Figures/Tables 20

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供应商	国家	专利申请年份	专利总数
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Siemens	德国	1996-2007	18
Continental	德国	1994-2020	15
Delphi	美国	1999-2005	15
Hyundai	韩国	2006-2020	40
Mando	韩国	2009-2021	33
国内		2018-2022	28
总计		1994-2022	197

供应商	EMB结构方案
供应商	运动转换机构	减速增力机构
Bosch	滚珠丝杠传动	行星轮系
	齿轮齿条传动	双楔形面
	滚珠坡道传动	直齿齿轮系
	凸轮传动
Siemens	无/螺旋传动	多楔形面
	滑动丝杠传动	杠杆机构
	滑动丝杠传动	压电元件
Continental	滚珠丝杠传动	直齿齿轮/行星轮系
Continental	螺旋传动	双楔形面
Delphi	环形滚珠丝杠传动	行星轮系
Delphi	滚珠丝杠+凸轮传动	同步带轮+行星轮系
Hyundai	滑动丝杠传动	行星轮系/蜗轮蜗杆
	螺旋传动	多楔形面
	滚珠坡道传动
Mando	滚珠丝杠传动	斜齿轮/组合齿轮系
	凸轮传动	行星轮系
	滚珠坡道传动	组合齿轮系

高校	EMB结构方案
高校	运动转换机构	减速增力机构
同济大学、吉林大学、清华大学、重庆大学...	滚珠丝杠传动	行星轮系
南京理工大学	滚珠丝杠传动	锥齿轮+行星轮系
同济大学、浙江大学	滚珠丝杠传动	蜗轮蜗杆
华南理工大学	滚珠丝杠传动	单楔形面
沈阳理工大学	滚珠丝杠传动	多楔形面
江苏大学	凸轮传动	锥齿轮

方案名称	滚珠丝杠式	楔式自增力式	滚珠坡道式	凸轮式
驱动装置	中空式电机	线性驱动单元	一体式电机	一体式电机
驱动装置布置形式	同轴布置	垂直布置	平行布置	垂直布置
减速增力机构	行星轮系	多楔形面	斜齿轮+蜗轮蜗杆+行星轮系	直齿齿轮+行星轮系
运动转换机构	滚珠丝杠	无	滚珠坡道	凸轮
驻车制动机构	电磁阀+挺杆+滚子-凹槽	无	无	电磁阀+挺杆+旋转销-棘齿
优点	减速比较大，传动效率高，运动平稳	驱动功率需求小，执行器体积小	无需电机反转实现制动释放，减少电机运行转数	容易实现制动磨损补偿功能
缺点	承载能力相对较差，存在卡死问题	夹紧力控制难度较大	拖滞力矩可能较大，系统的可靠性也较差	易于磨损，受加工精度影响较大

控制算法	优、缺点	分类	文献
PID 控制	优点：结构简单，便于执行层的算法开发和应用缺点：参数依赖性高且整定困难，对时变非线性问题具有一定局限性	级联PID控制（三闭环/双闭环）	［29-36］
		复合式级联PID控制	［24，37-39］
		摩擦补偿PID控制	［40］
		增益调度PID控制（自适应PID控制）	［24，41］
		反馈线性化PID控制	［41］
		模糊PID控制	［42］
		摩擦补偿+增益调度+反馈线性化PID控制	［43］
鲁棒控制	优点：抗干扰性和容错性好，稳定性高缺点：控制偏于保守，设计和调试困难	反步设计法+非线性鲁棒控制	［44-45］
		快速终端滑模控制	［46］
		线性鲁棒H_∞ 最优控制	［47］
模型预测控制	优点：动态控制性能较好，可以显式处理约束问题缺点：模型依赖度高，计算量大且实时性差	线性无约束自适应MPC控制	［48］
模型预测控制	优点：动态控制性能较好，可以显式处理约束问题缺点：模型依赖度高，计算量大且实时性差	显式非线性自适应MPC控制	［49］
其他算法		逆动力学模型控制	［50］
		准时间最优控制	［51］
		缘脑系统控制	［52］

Review on Electro-Mechanical Brake Structure and Control Technology

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估计方法	优、缺点	分类	文献
刚度特性法（输入信号：角位移）	优点：只需要角位移信号，动态稳定性较好缺点：需要准确识别接触点，受衬垫磨损/温度等因素干扰	平均刚度特性	［22］
		动态刚度特性	［55］
		滞回效应修正刚度特性	［56］
		热效应修正刚度特性	［57］
力矩平衡法（输入信号：电流，角速度）	优点：鲁棒性较好缺点：信号噪声干扰大，模型参数辨识困难，受传动件磨损/温度等因素干扰	摩擦抵消的力矩平衡	［22，25，58-59］
力矩平衡法（输入信号：电流，角速度）	优点：鲁棒性较好缺点：信号噪声干扰大，模型参数辨识困难，受传动件磨损/温度等因素干扰	简化摩擦模型力矩平衡	［54，60］
状态观测器法（输入信号：电流，角位移）	优点：适应性广缺点：受传感器噪声干扰，仍须准确辨识摩擦	扰动观测器	［61］
		龙伯格观测器	［62］
		超螺旋观测器	［62］
融合方法（输入信号：电流，角速度，角位移）	优点：准确性和鲁棒性好缺点：须根据工况设计合适的融合算法	线性比例融合	［22］
		最大似然估计融合	［54］
		卡尔曼滤波融合	［60］
		遗传算法+卡尔曼滤波融合	［59］

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