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《汽车工程》2023年第12期发表了同济大学智能汽车研究所组合定位与控制研究室研究成果"电子机械制动器构型及控制技术"一文。为了对EMB构型的研发现状进行全面梳理，论文对各种构型的发展和产业化进程进行了总结，并对滚珠丝杠、楔式自增力、滚珠坡道和凸轮4种基本构型方案进行了分析和对比。针对执行器非线性特性和慢时变参数摄动下的控制难题，论文首先对各种执行器建模方法进行了整理，然后以有无压力传感器为分类依据，从基于夹紧力反馈值的控制和基于夹紧力估计值的控制两大层面分别对国内外的研究进展进行综述。最后，提出了对于执行器构型设计、夹紧力控制以及整车协调冗余控制的发展展望。

一、研究背景

电子机械制动（EMB）取代电子液压制动（EHB），已成为下一阶段制动系统的主流方案。然而，目前现有EMB构型方案种类繁多，结构功能各异。此外，作为轮边高度集成的机电系统，EMB执行器非线性特性和温度等慢时变干扰显著突出，压力传感器布置困难且干扰严重，如何实现鲁棒自适应的精准夹紧力控制，以及在无压力传感器情况下实现鲁棒估计和间接控制是当前的研究重点。

二、研究内容

1. EMB构型研发现状：国外各供应商经过迭代设计形成的典型结构方案如表1所示。

表1 国外各供应商EMB典型结构方案

相比之下，国内对EMB构型的研究起步较晚，尚未形成完善的技术迭代体系，早期的研究主要集中于各大高校的科研成果，其典型结构方案如表2所示。

表2 国内各高校EMB典型结构方案

2.EMB基本构型：EMB执行器包括行车制动机构、驻车制动机构、制动间隙补偿机构、快速回退机构、传感器五大模块。作为执行器的基本模块，行车制动机构主要由电机、减速增力机构、运动转换机构和按压构件组成。根据减速增力机构和运动转换机构的不同，论文将EMB分为滚珠丝杠、楔式自增力、滚珠坡道和凸轮4种基本构型，并选取了典型的结构方案进行介绍。

滚珠丝杠式构型是目前最常采用的方案，利用多级减速机构实现减速增扭，并由滚珠丝杠将旋转运动转换为平移运动，实现基本的制动操作。滚珠丝杠方案能够实现较大的减速比，传动效率高、运动平稳且同步性好，但是对滚珠丝杠的制造精度要求较高，存在倾斜卡死的问题。

图1 滚珠丝杠式EMB典型构型（Continental_2002）

楔式自增力式构型也被称为电子楔式制动器（EWB），利用楔形面的自增力效应来产生较大的制动力水平。楔式自增力方案能够大大减小驱动功率需求，缩小执行器体积，但是增力效果与位移不成线性关系，且受磨损、温度等因素影响，控制难度较大。

图2 楔式自增力式EMB典型构型（Siemens_2007）

滚珠坡道式构型利用滚珠和倾斜的引导坡道实现旋转-平移运动转换以推动活塞移动，实现制动夹紧。这种旋转-平移运动的转换呈现非线性关系，进行准确的制动间隙控制难度较大。相较于电机反转实现制动释放，该构型能够依靠制动盘反作用力和弹性装置复位，减少了电机运行转数，但是系统的可靠性较差。

图3 滚珠坡道式EMB典型构型（Mando_2019）

凸轮式构型整体结构由电机、多级减速机构、凸轮构件以及支撑滚子组成。电机输出力矩由多级减速后传递至凸轮，凸轮旋转按压支撑滚子，进而实现制动夹紧。相较于其他构型，凸轮构型可以依靠凸轮外轮廓的设计，通过起始点和制动点的变动，比较容易实现制动磨损补偿功能，且轴向空间利用较少，结构紧凑，但凸轮与支撑件为点或线接触，易于磨损。

图4 凸轮式EMB典型构型（Mando_2021）

3. EMB夹紧力控制算法：

(1) 基于夹紧力反馈值的控制算法

基于夹紧力反馈值的控制算法通过压力传感器等获取反馈信号实现夹紧力的闭环控制。

图5 基于夹紧力反馈值的控制系统基本架构

对于控制器而言，如何设计适合大负载范围和全工况制动要求的控制结构和增益是关键，具体应满足两点要求：在执行器饱和及系统非线性约束下提高夹紧力跟踪的响应速度和准确性（响应时间在100ms以内，稳态RMSE小于1%）；在慢时变参数摄动下提高夹紧力控制的鲁棒性。

对于有压力信号反馈的夹紧力控制，现有的控制算法总结如表3所示。

表3 基于夹紧力反馈值的控制算法

(2) 基于夹紧力估计值的控制算法

准确鲁棒的夹紧力估计算法是无压力传感器执行器控制的基础，一般利用电机的电流、角位移等传感器信息，对夹紧力的大小进行估计，现有的夹紧力估计算法如表4所示。

表4 夹紧力估计算法

基于夹紧力估计值的控制即在没有压力传感器的情况下，利用其余传感器信息实现夹紧力的稳定跟踪。目前针对基于夹紧力估计值的控制算法研究较少，主要包括力伺服控制和位置伺服控制两类。

力伺服控制直接由夹紧力估计值作为反馈实现夹紧力闭环控制，需要选择合适的夹紧力估计算法保证力闭环控制的实时性和准确性。

图6 无压力传感器力伺服控制典型结构

位置伺服控制利用逆刚度特性曲线由目标夹紧力反推目标角位移，实现位置闭环控制。

图7 无压力传感器位置伺服控制典型结构

三、研究展望

1. 热机耦合作用下楔块、凸轮等多种传力机构的非线性特性及基础构型设计理论仍有待进一步研究，满足功率、强度、防水防尘及冗余安全要求的执行器多功能模块集成设计方法是未来的研究重点。

2. 针对执行器系统非线性与慢时变参数摄动问题，进一步研究底层电机及上层执行器关键参数的统一在线估计技术，引入多维动力学信息和自适应智能控制算法以实现更精准鲁棒的夹紧力估计和控制效果。

3. 在整车层面，考虑夹紧力估计误差的自适应迭代调节机制和四轮协调控制技术，以及功能安全要求下的失效冗余动力学控制策略仍需进一步研究。

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