基于EPB的應急制動后輪防抱死控制策略

初亮， 馬文濤， 祁富偉， 陳箭，， 楊小雨

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室 吉林，長春 130022；2.蘇州薩克汽車科技有限公司, 江蘇，蘇州 215000)

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基于EPB的應急制動后輪防抱死控制策略

初亮1， 馬文濤1， 祁富偉1， 陳箭1，2， 楊小雨2

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室 吉林，長春 130022；2.蘇州薩克汽車科技有限公司, 江蘇，蘇州 215000)

為避免車輛行車制動系統失效后用駐車制動系統制動時的后輪抱死甩尾等危險工況，對EPB應急制動時的防抱死控制策略進行研究. 通過分析EPB的構成及工作原理明確基于EPB系統是可以實現后輪防抱死控制功能. 通過對EPB執行器的結構、參數以及工作特性分析并進行臺架實驗來確定執行器零部件的特性，根據其特性確定執行器的控制方式，從而編寫了EPB在應急制動時的控制軟件. 同時在裝備了EPB的試驗車輛上對控制策略進行了試驗驗證.

電子駐車制動；應急制動；防抱死；實車試驗；控制策略

隨著汽車產業的蓬勃發展，汽車電子智能化的程度越來越高，X-By-Wire(線控控制)以其先進的智能化控制可以減少駕駛員操作同時達到精確的車輛控制. EPB(電子駐車制動系統)是基于原來傳統純機械手剎制動系統發展而來的一個新興的線控制動的電子控制系統. EPB取消了傳統手剎的拉桿，一方面節省了由手剎拉桿布置占用的車內空間減少了駕駛員操縱手剎的負擔，另一方面精確控制了EPB所提供的制動力大小，延長了執行器的使用壽命同時在有車速的時候提供相應的制動力提高車輛的主動安全性.

本文依據集成式EPB系統，詳細研究了僅依靠EPB系統在應急制動時的控制策略. EPB的應急制動只依靠車輛的后制動器進行制動，在制動時如果發生抱死時車輛外部的側向擾動車輛則會造成甩尾現象從而造成嚴重的交通事故. 基于EPB的應急制動控制策略具有卡鉗夾緊力調整以及車輪防抱死功能，并進行相關的實車試驗，使制動參數達到GB21670—2008中關于應急制動距離以及制動減速度的規定[1-2].

1 EPB組成及工作原理

1.1 EPB的系統組成

EPB是一個完整的控制系統，其中硬件系統包括傳感器輸入信號、控制器、執行器[3]. 具體組成如圖1所示.

EPB系統的輸入信號系統包括EPB按鈕的按鈕狀態信號以及EPB通過CAN通信網關得到的信號. EPB的控制器包含執行器驅動電路：驅動芯片以及控制執行器電機正反轉動作的H橋電路；主芯片用于EPB控制系統軟件運行；通信模塊處理EPB與外部的CAN信號交換以及EPB控制器內部的SPI總線數據交換；按鈕識別電路用來識別按鈕的狀態；寄存器用來存儲EPB系統的狀態信息.

1.2 EPB系統的工作原理

EPB系統作為車輛電控系統其中的一個，其控制器與其他車輛控制器的通信是依據CAN2.0協議標準完成信號的交換[4-5]. EPB系統在實際工作時，信號從整車動力CAN網絡獲得的信號具體為：變速箱檔位信號、離合器接合程度信號從TCU(變速箱控制系統)獲得；輪速信號、輪速脈沖信號、制動踏板信號、制動主缸壓力信號、車輛加速度信號是從ESP(電子穩定性系統)控制器獲得；發送機轉速型號、發送機轉矩信號、點火開關信號是從EMS(發動機管理系統)獲得.

EPB 通過按鈕狀態、制動踏板信號、主缸壓力信號來識別駕駛員的意圖，再通過輪速信號、車輛加速度信號來判斷車輛的當前狀態，通過對比駕駛員的意圖以及當前車輛狀態的差別EPB實現對車輛的控制，從而使車輛避免危險的工況達到駕駛員的需求狀態.

2 集成式EPB的零部件特性

2.1 集成式EPB執行器的特性

EPB的執行器是指電機與卡鉗集成的一體式卡鉗，其中包括電機、帶傳動機構、行星排減速機構、絲杠螺母傳動機構、以及傳統卡鉗的各部分機構.

其中EPB執行器動作部分的參數如表1所示.

表1 EPB執行器參數

EPB執行器的電氣特性試驗臺主要由以下五部分組成：① EPB執行器中的電機與減速機構的集成MGU(motor gear unit)部分，是EPB執行器的動力單元；② 轉矩傳感器，測量MGU發出的轉矩；③ 聯軸器，負責連接傳遞動力；④ 測功機，可以對MGU施加負載；⑤ 轉速傳感器，可以測量MGU的轉速.

根據試驗臺得出的MGU的特性如圖2所示.

經試驗驗證，經過MGU內的電流與輸出的轉矩基本成線性關系，如圖3所示.

以此為基礎可以進行曲線擬合.

(1)

式中：Mmgu為MGU輸出轉矩；K為比例系數；I為通過MGU電流；D為常數. EPB可以通過控制MGU兩端的電流來調節后輪上的制動力矩的大小.

2.2 EPB按鍵特性

EPB按鍵是根據特定的輸入信號經過按鍵開關后得到輸出信號來判斷EPB按鍵的狀態，來實現EPB按鍵狀態的識別，如圖4所示.

脈沖輸入信號通過輸入端口1、2向EPB按鍵來輸入脈沖信號，信號經過EPB按鍵的不同狀態顯示出不同的脈沖信號的組合，實現EPB按鍵狀態的識別.

3 EPB應急制動的控制策略

3.1 EPB應急制動后輪防抱死的必要性

根據國標GB21670—2008中關于車輛制動系統的定義，車輛在應急制動時MFDD(為充分發揮的平均加速度)要大于1.5 m·s-2. MFDD的計算公式為

(2)

式中：aMFDD為充分發揮的平均加速度；vb為0.8v的試驗車速；ve為0.1v的試驗車速；de為試驗車速從v～ve的制動距離；db為試驗車速從v～vb的制動距離.

制動距離應滿足以下公式提供的制動距離

(3)

式中：db為制動距離；v為開始計算制動距離時的車速. 當車輛在形式過程中液壓制動系統失效時只能依靠駐車制動系統來實現車輛的制動停車. 但是駐車制動是車輛的后輪制動，如果沒有控制防止后輪抱死車輛會導致甩尾造成事故. 所以依靠電子駐車制動系統來實現線控制動的后輪防抱死功能.

3.2 EPB應急制動后輪防抱死進入條件分析

根據實際的車輛情況，車輛觸發后輪防抱死的條件如圖5所示.

當EPB控制器檢測到EPB按鈕處于長期拉起狀態，車輛的CAN總線從ESP得到車輪速信號以及輪速脈沖信號處理有效得出車速并達到應急制動的門限，從而進EPB行應急制動.

3.3 EPB應急制動后輪防抱死控制策略

當前制動器制動力的估算是根據上述的分析可以得出EPB執行器的電流大小對應輸出轉矩的關系. 執行器所輸出的轉矩通過一個絲杠螺母機構傳遞到摩擦片與制動盤上進行制動. 對應的轉換關系為

(4)

式中：FN為絲杠螺母軸向力；η為絲杠螺母傳動效率；Mmgu為絲杠上的轉矩；P為絲杠導程.

作用到后輪上的制動器制動力計算過程為

(5)

式中：Mb_L為單側后輪制動力矩；Fμ2為后制動器制動力；FN_L為左后輪絲杠螺母軸向力；CL為左后輪制動效能因數；RL為左后輪有效摩擦半徑；rd為車輛滾動半徑. 右側車輪類似左側車輪受力狀態從而得到輪加速度與制動器制動力矩關系為

(6)

控制策略的流程圖如圖6所示.

其中控制門限的定義如圖7所示.

圖中為控制門限的定義，其中區域1對應的車輪滑移率與角加速度說明車輪處于不穩定狀態，這時要控制EPB進行減小夾緊力操作；區域2對應的車輪滑移率與角加速度說明車輪處于穩定狀態這時EPB可以進行增加夾緊力操作；區域5對應最佳滑移率區域這時可以保持夾緊力不變；圖中的虛線門限是指首次觸發應急制動時減小夾緊力的門限這時的門限比正常的門限要大這樣可以減小應急制動的誤觸發；區域3是指在低輪角加速度時放大滑移率的門限；區域4是指在低滑移率時角加速度值在一定范圍下不觸發應急制動.

4 EPB應急制動的實車試驗

實車試驗采取裝有EPB系統的一款B級車實車測量得到[6]，數據如圖8所示.

圖中表示的是實車測試的車速與輪速的試驗信號. 從圖中可以看出本試驗的車速與兩前輪輪速一致，后輪輪速呈現周期性的增減過程. 說明本實驗是由后輪制動使車輛減速靜止的. 根據本實驗所得到的數據計算車輛的MFDD為1.6 m·s-2，大于國標的1.5 m·s-2要求. 同時車輛的制動距離為45.46 m，根據式(3)計算的為47.92 m. 所以本次制動滿足國標對于應急制動的要求.

圖9為車輛在制動時EPB的MGU內的電流曲線. 通過曲線的第一個循環可以看出電機啟動時電流有一個較大的峰值但是很快衰減，經過較長時間的電流保持后又增加直到減小到0. 其中啟動電流后的保持階段是電機卡鉗消除空行程的過程，隨后的電流增加時MGU控制摩擦片對制動盤夾緊的過程. 隨后的負向尖峰為反向啟動電流，電流的緩慢減小是MGU控制摩擦片釋放制動盤的過程.

圖10為EPB的MGU控制卡鉗對制動盤的夾緊力，通過周期性的夾緊釋放使后輪的滑移率控制在一個比較合適的范圍內，使車輛快速減速停車而不發生抱死.

5 結 論

分析了EPB系統的構成以及工作原理，并對其工作特性進行詳細的研究. 在此基礎上得出汽車EPB后輪防抱死控制策略的3個關鍵點：執行器的特性、防抱死的進入門限以及防抱死的控制門限.

并對EPB工作過程中夾緊力估算算法進行分析研究，設計了基于EPB的應急制動控制策略，并據此編寫了EPB控制軟件. 通過實車試驗對EPB系統的應急制動部分功能進行驗證表明文中的控制策略滿足國標的要求.

[1] 郭立書，施正堂，張正兵，等.電子駐車制動系統[J].農業機械學報，2008，39(12):31-33.

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Wang Hongliang， Yuan Qingze， Zhong Huanxiang， et al. Automatic control technology of auto ramp starting based on EPB[J]. Journal of Beijing Institute of Technology， 2014，34(4):344-348. (in Chinese)

[3] 黎薇，彭憶強.線控駐車制動系統辨識方法研究[J].西華大學學報:自然科學版，2008(1):9-11.

Li Wei， Peng Yiqiang. Study on remote parking brake system identification method[J]. Journal of Xihua University: Natural Science Edition， 2008(1):9-11. (in Chinese)

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Wang Bin， Guo Xuexun，Zhang Chengcai， et al. Simulation and test of electronic parking brake system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2013，44(8):45-49. (in Chinese)

(責任編輯：孫竹鳳)

Control Strategy of Emergency Brake Rear-Wheel Anti-Lock Based on EPB

CHU Liang1， MA Wen-tao1， QI Fu-wei1， CHEN Jian1，2， YANG Xiao-yu2

(1.State Key Laboratory of Automotive Dynamic Simulation and Control， Jilin University， Changchun，Jilin 130022， China; 2.Suzhou SAC Auto Technology Co.， LTD， Suzhou， Jiangsu 215000， China)

A control strategy of emergency brake anti-lock was investigated based on electronic parking brake (EPB) to avoid the dangerous working conditions of vehicle tail swing caused from the rear wheel lock, when the vehicle was stopped with a failed braking system. First of all, through the analysis of the composition and working principle of EPB, it was showed that the system based on EPB could realize the rear wheel anti-lock control function. And then, the characteristics of the EPB actuator components were determined through the analysis of the EPB actuator structure, parameters and the working characteristic, as well as bench test. Finally, an actuator control mode and emergency braking control software were developed according to its characteristics. At the same time, the control strategy was validated on the test vehicle equipped with EPB.

electronic parking brake(EPB)；emergency brake；unti-lock; real vehicle test；control strategy

2015-07-02

國際科技合作計劃項目(2012DFA61010)

初亮(1967—)，男，教授，博士生導師，E-mail：liangchu@jlu.edu.cn.

馬文濤(1988—)，男，博士生，E-mail：mawentao-mawentao@163.com.

U 463.5

A

1001-0645(2016)11-1136-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.008