电磁与摩擦制动集成系统切换控制策略

何 仁，汤 宝，赵 强

电磁与摩擦制动集成系统切换控制策略

何 仁，汤 宝，赵 强

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013）

为了研究电磁与摩擦集成制动系统中不同制动模式之间的协调关系，在分析不同制动模式的基础上，以充分利用电磁制动，尽量减少传统摩擦制动导致的磨损、噪声等危害以及保证切换过程中的制动舒适性为原则，制定了集成制动系统不同制动模式的切换控制策略，该切换控制策略包括：制动力矩管理策略和力矩协调控制策略.在所有可能的切换工况中选取了2种有代表性的工况，并在Matlab/Simulink和Matlab/Stateflow仿真平台上进行了仿真研究.结果表明：在满足制动要求的前提下，切换控制策略改善了传统摩擦制动的工作条件，并且能够有效地保证模式切换过程中的制动舒适性，提高了整车的制动性能，切换控制策略是有效和可行的.

制动器；力矩控制；舒适性；计算机仿真；Matlab

电磁与摩擦制动集成系统是一种新型的制动器，为了减少传统摩擦制动导致的制动器磨损、噪声和粉尘等危害，在传统摩擦制动系统的基础上集成了电磁制动系统，是一种能够有效提高制动系统安全性的装置［1］.电磁制动，又可称为电涡流制动，是一种非接触式的、高效的辅助制动系统，主要利用运动的导体在磁场中会受到洛伦兹力的电磁学原理，把行驶中汽车的动能转化为热能散发掉［2］，由此实现汽车的减速和辅助制动.在低速下电磁制动的制动效果不明显，需与摩擦制动集成以达到制动停车的效果.国内外有关电磁制动和集成制动方面的研究较多，主要集中在电磁制动磁感应强度的计算［3-5］、制动系统的温度场分析［6］以及通过控制电磁制动来提高制动性能［7-8］等，但是这些文献的研究对象都是纯电磁制动或者电磁与摩擦共同作用的情况，对于如何在不同制动模式之间进行切换的研究较少.

笔者主要针对电磁与摩擦集成制动系统中不同制动工作模式切换过程进行分析，设计集成制动系统的制动模式切换控制策略，并且利用Matlab/Simulink和Matlab/Stateflow仿真平台对制动模式切换控制策略的有效性和可行性进行验证.

1 制动模式切换过程分析

电磁与摩擦制动集成系统的制动器结构如图1所示，主要由摩擦制动系统制动钳和电磁制动系统的绕有励磁线圈的铁芯、线圈固定支架组成［1］.其中线圈有6组，安装在制动盘的一侧，当制动盘快速旋转时，在线圈中通入控制电流，电磁制动系统即可以起作用.

图1 电磁与摩擦集成制动系统制动器结构图

由于加入了电磁制动，车辆具有2套制动系统，可以分别采用纯摩擦制动、纯电磁制动以及联合制动3种不同的制动模式.这3种制动模式之间的切换关系如图2所示.

图2 不同模式间的切换关系图

图2中方框代表3种制动模式，方框之间带箭头的连线代表制动模式切换的方向，连线上的首尾数字分别代表切换前的制动模式和切换后的制动模式.制动模式之间切换发生的条件是由制动需求、车辆当前运行状态等多个因素决定的.

2 制动模式切换控制策略

电磁与摩擦集成制动系统包含多种制动模式，液压制动与电磁制动的工作模式在制动过程中会发生改变，确定不同制动模式之间的转换条件是切换控制策略的关键.提出的集成制动系统切换控制策略包括2部分：①制动力矩管理策略，制动力矩管理策略主要确定在不同的制动要求下制动切换发生的条件及电磁与液压目标制动力矩的确定；②力矩协调控制策略，力矩协调控制策略根据动态过程平稳控制的原则保证在制动切换过程中整车制动的舒适性和良好的制动力矩跟随性.

2.1 制动力矩管理策略

制动力矩管理策略的核心是在满足驾驶员的制动需求的前提下，对3种制动情况进行合理分配，并且考虑充分利用电磁制动，在电磁制动不能满足制动要求的情况下，再通过摩擦制动完成制动停车要求.由于电磁制动力矩的大小与制动盘的转速有关，当转速很小时，电磁制动力矩将快速下降，所以切换控制策略的确定应考虑到车速的影响，因此根据驾驶员制动强度要求及车速大小确定如下的基于逻辑门限的切换控制策略：①IF开始制动时的车速v≤vmin，THEN采取纯摩擦制动模式，ELSE根据制动强度的要求进行判断；②IF需求的制动强度z≤zmin，THEN采取纯电磁制动模式，由于电磁制动不能达到停车的目的，所以当车速v≤vmin，将切换到摩擦制动使车辆停止；③IF需求的制动强度zmin＜z＜zmax，THEN采取联合制动模式；④IF需求的制动强度z≥zmax，THEN采取纯摩擦制动模式.

车辆制定时的总需求制动力矩为

式中：m为车辆质量；g为重力加速度；z为制动强度；r为车轮滚动半径.

联合制动时电磁与摩擦目标力矩确定规则为

式中：Te为电磁制动力矩；Tf为摩擦制动力矩；Temax为电磁制动力矩的最大值.

根据电磁制动所能提供制动力的大小［9］，并且参考国内的城市交通情况［10］，确定zmin=0.1，zmax= 0.7，再根据电磁制动力矩-转速曲线，确定vmin= 15 km·h-1.

2.2 制动力矩协调控制策略

电磁与摩擦集成制动系统制动模式切换过程中由于电磁与液压制动力矩变化的时间常数不同，可能会出现制动力矩的非正常突变，例如，从联合制动模式转入纯摩擦制动模式，由电流控制的电磁制动力矩降为0，而液压制动力矩会有1个上升时间过程，虽然很短，但是在此期间总的制动力矩会有1个瞬时减小的变化历程，从而导致制动力输出不平稳，影响制动的舒适性.为了优化制动感觉，减少制动模式切换时给整车性能带来的影响，使制动更加平稳，需要对制动力矩的输出进行一定的协调控制.

由于液压制动的反应时间只有几百毫秒，所以出现力矩突变的时间很短，且并不是所有切换模式的力矩都需要协调控制，因此力矩协调控制的原则为在保证满足制动要求的前提下，对切换过程进行识别，针对需要对力矩协调控制的切换过程，按照一定的梯度切进、切出电磁制动的电流，来保证切换过程中的稳定性.梯度的大小可通过多次仿真试验得出.对于不同制动模式切换过程中的力矩协调控制情况如表1所示.

表1 制动模式切换过程的力矩协调控制情况

电磁与摩擦集成制动系统的制动模式切换过程具有离散事件系统的特征，Matlab/Stateflow在处理离散事件上的能力强于Matlab/Simulink［11］，因此在Matlab/ Stateflow平台上建立逻辑切换模型如图3所示.

图3 制动控制逻辑状态图

3 制动模式切换控制策略的仿真分析

由于制动过程时间不长，所以采取两两切换的形式进行研究，因此就有6种可能的切换情况，由于篇幅的限制，选取其中有代表性的2种进行讨论.工况1为低强度制动切换为中强度制动，即由纯电磁制动切换为集成制动，这是在城市交通中出现较多的工况，工况2为中强度制动切换为高强度制动，即由集成制动切换为纯摩擦制动，这是需要进行力矩协调控制的工况.在Matlab/Simulink中建立整车模型，整车参数以及电磁制动器的设计参数都是基于一汽捷达王轿车为研究对象获得的.对上述2种工况进行仿真研究，制动初速度为20 m·s-1，路面为附着系数良好的沥青路面，峰值附着系数达到0.8.

3.1 纯电磁制动切换为联合制动过程的仿真

工况1为纯电磁制动切换为联合制动过程的仿真.2.5 s时制动强度从0.1变为0.4的制动过程仿真结果如图4所示.从图4a可以看出：2.5 s之前是纯电磁制动模式，2.5 s时制动强度要求达到0.4.根据制动力矩管理策略，开始联合制动模式，虽然由于转速的降低，电磁制动力矩会减小，但是从图4b可以发现对制动减速度的影响不大.制动减速度曲线的波动是由于制动后期滑移率的变化导致的，但由于后期车速低于车辆防抱死控制起作用的最低车速要求，所以不需要对力矩进行控制.整个制动过程充分利用了电磁制动，且满足制动强度的要求，历时6.9 s.

图4 工况1的仿真结果

3.2 联合制动切换为纯摩擦制动过程的仿真

工况2为联合制动切换为纯摩擦制动过程的仿真.在2.5 s时制动强度从0.3变为0.7的无力矩协调控制、有力矩协调控制的制动过程仿真结果分别如图5，6所示.

从图5a，6a可以看出：2.5 s之前是联合制动模式，2.5 s时制动强度要求达到0.7，根据制动力矩管理策略，开始纯摩擦制动模式.当无力矩协调控制时，从图5a，b可以看出：切换瞬时的总制动力矩和制动减速度的绝对值都存在不正常的突然减小现象，切换过程历时4.5 s.当进行力矩协调控制时，与图5相比，图6的结果基本满足制动需求，不存在不正常的突变现象，历时4.5 s，制动时间也有所缩短.

图5 无力矩协调控制时，工况2的仿真结果

图6 有力矩协调控制时，工况2的仿真结果

仿真结果表明：在制动过程中，集成制动系统在满足制动需求的前提下充分利用了电磁制动，减少了摩擦制动的使用，提高了车辆的制动性能，并且通过对切换瞬时的力矩协调控制有效地保证了车辆制定力矩及制动强度的跟随性及车辆切换时刻的制动舒适性.在实际制动过程中，会发生不同的模式切换过程，但是其本质相同，切换控制的原则不变，故从上述2种工况的仿真中验证了切换控制策略的有效性和可行性.

4 结 论

对电磁与摩擦集成制动系统的制动模式切换过程进行了分析，提出了集成制动系统的切换控制策略，不仅确定了制动模式切换条件，而且针对其制动模式切换过程可能导致的突变情况，给出了力矩协

调控制方法，并利用Matlab/Simulink和Matlab/ Stateflow仿真平台进行了建模仿真研究.仿真结果表明：制动模式切换控制策略不仅改善了传统摩擦制动的条件，而且使得制动切换平稳，可以较好地跟随目标力矩及减速度，有效地保证了模式切换过程中的制动舒适性，提高了整车的制动性能.对于切换控制策略对整车的实际影响将会在以后的工作中进行试验研究.

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（责任编辑 贾国方）

Sw itching control strategy of integrated electromagnetic and friction brake system

He Ren，Tang Bao，Zhao Qiang
（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

In order to investigate the coordinated relations among different braking modes of integrated electromagnetic and friction brake system，the switching control strategy was proposed based on the sufficient analyses of different braking modes.The strategy included two parts of management strategy and coordinated control strategy of braking torque.Two representative switching situations were chosen to carry out the simulations on the modeling platform of Matlab/Simulink and Matlab/Stateflow.The simulation results show that on the premise of meeting braking requirement，the switching control strategy improves the working condition of traditional friction brake，and effectively ensures the braking comfort in the process of modes switching.The switching control strategy can improve the vehicle brake performance. Key words：actuator；torque control；comfort；computer simulation；Matlab

U463.5

A

1671-7775（2015）02-0125-05

何 仁，汤 宝，赵 强.电磁与摩擦制动集成系统切换控制策略［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（2）：125-129.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.02.001

2014-07-25

国家自然科学基金资助项目（51275212）

何 仁（1962-），男，江苏南京人，教授，博士生导师（heren@mail.ujs.edu.cn），主要从事汽车机电一体化技术研究.汤 宝（1990-），女，江苏盐城人，硕士研究生（bright9004@126.com），主要从事汽车机电一体化技术研究.