汽车电子机械制动系统容错控制研究

郭超　王建伟　梁夏

要：随着线控技术的日渐成熟，线控制动系统已被广泛应用于汽车制动中，尤其是电子机械制动系统，因其具有结构简单、操作容易、使用性能良好等特性而备受青睐。从汽车电子机械制动系统的原理、结构等出发，对执行系统如何容错控制进行研究、讨论，为后续研发作参考。

关键词：汽车电子机械；制动系统；执行系统；容错控制

中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0008-02

在汽车综合性能因素中，制动性占据着重要的地位，其作用的可靠性将直接制约着汽车行驶的安全。随着汽车的提速和使用数量的增加，对汽车制动性能的可靠性也有了更高的追求。而随着电子技术的问世和快速发展，线控技术逐渐取代传统的机械式和液压式系统，为车辆的制动性带来技术上的革新。根据执行机构的不同，主要包括两类，即电液制动系统和电子机械制动系统，前者以液压提供制动力，后者以电机驱动为主。以下将围绕电子机械制动系统展开论述。

1 系统的结构及其工作原理介绍

汽车电子机械制动系统（EMB）是指汽车进行正常行驶中，在制动踏板和制动器之间没有机械连接，而是利用传感器、电线、通信数据线等组成的系统。因具有机械连接较少、结构紧凑、制动性能良好等优点，它在汽车制动系统的应用前景较好。

1.1 结构组成

EMB主要是由电子制动中央控制器（ECU）、4个EMB执行器、制动踏板、电源和数据传输总线等组成：中央控制器用于接收制动踏板发出的信号，执行器结构包括电机控制器、直流电机和执行机构等。其系统结构框图如图1所示。

图1 电子机械制动系统总体框图

1.2 工作原理过程

在进行制动时，电子制动踏板在驾驶员制动力的作用下，将制动力大小、制动速度等转换为中央控制器可识别的电信号。在中央控制器中处理输出目标制动力信号，并分配到各自独立的EMB执行器中进行处理，进而输送到相应的控制器中，将制动力信号转换为电机的电压控制量大小，使得驱动电机运转，推动制动压盘加紧制动盘，从而完成整个制动过程。

2 系统的执行系统及容错控制

2.1 执行系统的组成

执行系统是与最终制动结果直接相关的部分，因此，执行系统的性能将直接决定着汽车制动效果。在上述中提到，执行系统主要是由制动控制器、直流电机、减速齿轮、制动钳和其附属传感器、摩擦衬片等共同作用，完成制动过程。

2.2 容错控制

执行系统在工作过程中，不可避免地会出现故障，可能会影响甚至中断汽车的制动过程，造成事故。因此，需引入容错控制，以保证制动过程的正常运行。所谓“容错”，即在使用设备发生故障时，能够采取相应的措施，以保障系统在故障干扰下仍能正常工作或是略低于正常标准状态工作，从而实现基本功能。

容错控制（FTC）的基本出发点是充分利用系统中已有的冗余资源对故障进行容错。当制动执行系统的某个零部件出现异常时，可利用其他冗余信息对故障零部件进行重构，以保证制动过程继续执行。其主要有被动容错和主动容错之分：被动容错方式即在刚进行设计时，对可能会发生的故障加以屏蔽，这样便可保证在出现故障时系统仍能继续工作；而主动容错方式则是在出现故障后，系统通过对控制器参数及结构的调整应对当前情况，其可操行具有灵活性。

3 系统的容错控制研究

3.1 故障类别

电子机械制动执行系统主要是由制动控制部分和执行机构组成，所以，故障也多出于这些部分。常见的故障问题有执行器出错、传感器故障和执行机构失效等方式。由于执行器受程序保护，其故障发生率低于后两种方式，因此对执行系统的故障讨论主要是从传感器故障问题及执行机构失效出发。

3.2 容错控制研究

针对传感器故障问题的分析，一般常用硬件冗余和解析冗余的方式对故障问题进行判断和隔离。硬件冗余的方式即利用冗余传感器装置对同一物理量进行测量，与结果比较得到残差。通过比较残差与阈值，从而对故障问题进行分析和定位，可实现对故障问题的快速诊断，并有效地隔离故障源，同时，需利用很大的空间对传感器数据进行备份，并且还需克服一些技术和成本较高的问题。解析冗余方式则填补了硬件冗余的不足，即可通过对物理系统进行数学建模，减少阈值的检测，其将逐步取代硬件冗余方式对传感器进行故障诊断及自适应重构。可通过神经网络系统建立EMB系统辨识模型，将模型所得的输出与系统本身的输出结果进行比对，进而对故障问题加以判断和隔离并重构。

执行机构的故障问题，可通过各自的控制器装置将接收到其他车轮节点的制动信号采用同一种计算方式进行计算，将得到的目标值动力通过CAN（控制器区域网络）总线传递到中央控制单元进行比对处理，进而找出故障源并对其进行隔离。

4 结束语

电子机械制动系统作为一个高度集成化的机电一体化装置，其制动效果的可靠性，将直接关系到汽车的安全性。快速并有效地检测出制动执行系统上的故障源问题，并进行有效容错，对提高电子机械制动系统的可靠性，切实保护驾驶员的人身安全具有重大的实际意义。然而，现有的容错控制技术还不完善，仍存在很多不足，还需进一步努力加以突破。

参考文献

[1]吴小川.汽车电子机械制动系统的设计[J].汽车零部件，2012（03）. 〔编辑：李珏〕

要：随着线控技术的日渐成熟，线控制动系统已被广泛应用于汽车制动中，尤其是电子机械制动系统，因其具有结构简单、操作容易、使用性能良好等特性而备受青睐。从汽车电子机械制动系统的原理、结构等出发，对执行系统如何容错控制进行研究、讨论，为后续研发作参考。

关键词：汽车电子机械；制动系统；执行系统；容错控制

中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0008-02

在汽车综合性能因素中，制动性占据着重要的地位，其作用的可靠性将直接制约着汽车行驶的安全。随着汽车的提速和使用数量的增加，对汽车制动性能的可靠性也有了更高的追求。而随着电子技术的问世和快速发展，线控技术逐渐取代传统的机械式和液压式系统，为车辆的制动性带来技术上的革新。根据执行机构的不同，主要包括两类，即电液制动系统和电子机械制动系统，前者以液压提供制动力，后者以电机驱动为主。以下将围绕电子机械制动系统展开论述。

1 系统的结构及其工作原理介绍

汽车电子机械制动系统（EMB）是指汽车进行正常行驶中，在制动踏板和制动器之间没有机械连接，而是利用传感器、电线、通信数据线等组成的系统。因具有机械连接较少、结构紧凑、制动性能良好等优点，它在汽车制动系统的应用前景较好。

1.1 结构组成

EMB主要是由电子制动中央控制器（ECU）、4个EMB执行器、制动踏板、电源和数据传输总线等组成：中央控制器用于接收制动踏板发出的信号，执行器结构包括电机控制器、直流电机和执行机构等。其系统结构框图如图1所示。

图1 电子机械制动系统总体框图

1.2 工作原理过程

在进行制动时，电子制动踏板在驾驶员制动力的作用下，将制动力大小、制动速度等转换为中央控制器可识别的电信号。在中央控制器中处理输出目标制动力信号，并分配到各自独立的EMB执行器中进行处理，进而输送到相应的控制器中，将制动力信号转换为电机的电压控制量大小，使得驱动电机运转，推动制动压盘加紧制动盘，从而完成整个制动过程。

2 系统的执行系统及容错控制

2.1 执行系统的组成

执行系统是与最终制动结果直接相关的部分，因此，执行系统的性能将直接决定着汽车制动效果。在上述中提到，执行系统主要是由制动控制器、直流电机、减速齿轮、制动钳和其附属传感器、摩擦衬片等共同作用，完成制动过程。

2.2 容错控制

执行系统在工作过程中，不可避免地会出现故障，可能会影响甚至中断汽车的制动过程，造成事故。因此，需引入容错控制，以保证制动过程的正常运行。所谓“容错”，即在使用设备发生故障时，能够采取相应的措施，以保障系统在故障干扰下仍能正常工作或是略低于正常标准状态工作，从而实现基本功能。

容错控制（FTC）的基本出发点是充分利用系统中已有的冗余资源对故障进行容错。当制动执行系统的某个零部件出现异常时，可利用其他冗余信息对故障零部件进行重构，以保证制动过程继续执行。其主要有被动容错和主动容错之分：被动容错方式即在刚进行设计时，对可能会发生的故障加以屏蔽，这样便可保证在出现故障时系统仍能继续工作；而主动容错方式则是在出现故障后，系统通过对控制器参数及结构的调整应对当前情况，其可操行具有灵活性。

3 系统的容错控制研究

3.1 故障类别

电子机械制动执行系统主要是由制动控制部分和执行机构组成，所以，故障也多出于这些部分。常见的故障问题有执行器出错、传感器故障和执行机构失效等方式。由于执行器受程序保护，其故障发生率低于后两种方式，因此对执行系统的故障讨论主要是从传感器故障问题及执行机构失效出发。

3.2 容错控制研究

针对传感器故障问题的分析，一般常用硬件冗余和解析冗余的方式对故障问题进行判断和隔离。硬件冗余的方式即利用冗余传感器装置对同一物理量进行测量，与结果比较得到残差。通过比较残差与阈值，从而对故障问题进行分析和定位，可实现对故障问题的快速诊断，并有效地隔离故障源，同时，需利用很大的空间对传感器数据进行备份，并且还需克服一些技术和成本较高的问题。解析冗余方式则填补了硬件冗余的不足，即可通过对物理系统进行数学建模，减少阈值的检测，其将逐步取代硬件冗余方式对传感器进行故障诊断及自适应重构。可通过神经网络系统建立EMB系统辨识模型，将模型所得的输出与系统本身的输出结果进行比对，进而对故障问题加以判断和隔离并重构。

执行机构的故障问题，可通过各自的控制器装置将接收到其他车轮节点的制动信号采用同一种计算方式进行计算，将得到的目标值动力通过CAN（控制器区域网络）总线传递到中央控制单元进行比对处理，进而找出故障源并对其进行隔离。

4 结束语

电子机械制动系统作为一个高度集成化的机电一体化装置，其制动效果的可靠性，将直接关系到汽车的安全性。快速并有效地检测出制动执行系统上的故障源问题，并进行有效容错，对提高电子机械制动系统的可靠性，切实保护驾驶员的人身安全具有重大的实际意义。然而，现有的容错控制技术还不完善，仍存在很多不足，还需进一步努力加以突破。

参考文献

[1]吴小川.汽车电子机械制动系统的设计[J].汽车零部件，2012（03）. 〔编辑：李珏〕

要：随着线控技术的日渐成熟，线控制动系统已被广泛应用于汽车制动中，尤其是电子机械制动系统，因其具有结构简单、操作容易、使用性能良好等特性而备受青睐。从汽车电子机械制动系统的原理、结构等出发，对执行系统如何容错控制进行研究、讨论，为后续研发作参考。

关键词：汽车电子机械；制动系统；执行系统；容错控制

中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0008-02

在汽车综合性能因素中，制动性占据着重要的地位，其作用的可靠性将直接制约着汽车行驶的安全。随着汽车的提速和使用数量的增加，对汽车制动性能的可靠性也有了更高的追求。而随着电子技术的问世和快速发展，线控技术逐渐取代传统的机械式和液压式系统，为车辆的制动性带来技术上的革新。根据执行机构的不同，主要包括两类，即电液制动系统和电子机械制动系统，前者以液压提供制动力，后者以电机驱动为主。以下将围绕电子机械制动系统展开论述。

1 系统的结构及其工作原理介绍

汽车电子机械制动系统（EMB）是指汽车进行正常行驶中，在制动踏板和制动器之间没有机械连接，而是利用传感器、电线、通信数据线等组成的系统。因具有机械连接较少、结构紧凑、制动性能良好等优点，它在汽车制动系统的应用前景较好。

1.1 结构组成

EMB主要是由电子制动中央控制器（ECU）、4个EMB执行器、制动踏板、电源和数据传输总线等组成：中央控制器用于接收制动踏板发出的信号，执行器结构包括电机控制器、直流电机和执行机构等。其系统结构框图如图1所示。

图1 电子机械制动系统总体框图

1.2 工作原理过程

在进行制动时，电子制动踏板在驾驶员制动力的作用下，将制动力大小、制动速度等转换为中央控制器可识别的电信号。在中央控制器中处理输出目标制动力信号，并分配到各自独立的EMB执行器中进行处理，进而输送到相应的控制器中，将制动力信号转换为电机的电压控制量大小，使得驱动电机运转，推动制动压盘加紧制动盘，从而完成整个制动过程。

2 系统的执行系统及容错控制

2.1 执行系统的组成

执行系统是与最终制动结果直接相关的部分，因此，执行系统的性能将直接决定着汽车制动效果。在上述中提到，执行系统主要是由制动控制器、直流电机、减速齿轮、制动钳和其附属传感器、摩擦衬片等共同作用，完成制动过程。

2.2 容错控制

执行系统在工作过程中，不可避免地会出现故障，可能会影响甚至中断汽车的制动过程，造成事故。因此，需引入容错控制，以保证制动过程的正常运行。所谓“容错”，即在使用设备发生故障时，能够采取相应的措施，以保障系统在故障干扰下仍能正常工作或是略低于正常标准状态工作，从而实现基本功能。

容错控制（FTC）的基本出发点是充分利用系统中已有的冗余资源对故障进行容错。当制动执行系统的某个零部件出现异常时，可利用其他冗余信息对故障零部件进行重构，以保证制动过程继续执行。其主要有被动容错和主动容错之分：被动容错方式即在刚进行设计时，对可能会发生的故障加以屏蔽，这样便可保证在出现故障时系统仍能继续工作；而主动容错方式则是在出现故障后，系统通过对控制器参数及结构的调整应对当前情况，其可操行具有灵活性。

3 系统的容错控制研究

3.1 故障类别

电子机械制动执行系统主要是由制动控制部分和执行机构组成，所以，故障也多出于这些部分。常见的故障问题有执行器出错、传感器故障和执行机构失效等方式。由于执行器受程序保护，其故障发生率低于后两种方式，因此对执行系统的故障讨论主要是从传感器故障问题及执行机构失效出发。

3.2 容错控制研究

针对传感器故障问题的分析，一般常用硬件冗余和解析冗余的方式对故障问题进行判断和隔离。硬件冗余的方式即利用冗余传感器装置对同一物理量进行测量，与结果比较得到残差。通过比较残差与阈值，从而对故障问题进行分析和定位，可实现对故障问题的快速诊断，并有效地隔离故障源，同时，需利用很大的空间对传感器数据进行备份，并且还需克服一些技术和成本较高的问题。解析冗余方式则填补了硬件冗余的不足，即可通过对物理系统进行数学建模，减少阈值的检测，其将逐步取代硬件冗余方式对传感器进行故障诊断及自适应重构。可通过神经网络系统建立EMB系统辨识模型，将模型所得的输出与系统本身的输出结果进行比对，进而对故障问题加以判断和隔离并重构。

执行机构的故障问题，可通过各自的控制器装置将接收到其他车轮节点的制动信号采用同一种计算方式进行计算，将得到的目标值动力通过CAN（控制器区域网络）总线传递到中央控制单元进行比对处理，进而找出故障源并对其进行隔离。

4 结束语

电子机械制动系统作为一个高度集成化的机电一体化装置，其制动效果的可靠性，将直接关系到汽车的安全性。快速并有效地检测出制动执行系统上的故障源问题，并进行有效容错，对提高电子机械制动系统的可靠性，切实保护驾驶员的人身安全具有重大的实际意义。然而，现有的容错控制技术还不完善，仍存在很多不足，还需进一步努力加以突破。

参考文献

[1]吴小川.汽车电子机械制动系统的设计[J].汽车零部件，2012（03）. 〔编辑：李珏〕