CN101327788A - 一种电动助力制动系统 - Google Patents

Abstract

一种电动助力制动系统，该系统包括电机、减速机构、传动机构和控制器，电机的输出轴与减速机构的输入端连接，减速机构输出端连接传动机构，控制器用于感应车辆制动踏板的动作，并根据车辆制动踏板的动作控制电机转动。采用电动助力式制动，摆脱了助力能量源的局限性，而且助力效果稳定，助力大小不会随便变化。本发明采用的零部件均为汽车中常用的零件，控制系统也是现代汽车中必备的，因此生产成本低、周期短。

Description

一种电动助力制动系统

技术领域

本发明是关于一种电动助力制动系统。尤其是使用在汽车上的电动助力制动系统。

背景技术

目前大多数汽车都采用助力制动系统来减少驾驶员在制动停车时操纵制动踏板所需的制动力。制动助力器主要有两种形式：真空助力式和线传液压助力式。最常见的真空助力式，它是利用发动机进气歧管处的真空度，作用在膜片上来提供助力。

电动汽车没有发动机，采用真空助力制动时，需要增加真空泵、真空罐等提供助力源，增加了成本，而且占用空间体积庞大。

而燃油车采用真空助力制动时，真空度受发动机的制约，随发动机工况的变化而变化，致使助力效果不能保持稳定，有时产生的助力大，有时产生的助力小。此外，针对不同的车型，需要不同型号的真空助力式制动系统，导致生产成本高、周期长。

线传液压制动系统采用高精度的电磁阀对各车轮制动力进行调节，要求响应时间迅速，控制准确，对电磁阀的加工精度和控制策略要求很高，技术难度大，生产成本高、周期长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的助力制动系统助力效果不稳定，通用性差以及生产成本高、周期长的缺点。提供一种助力效果稳定，通用性好，生产成本低、周期短的电动助力制动系统。

本发明提供的电动助力制动系统，该系统包括电机、减速机构、传动机构和控制器，电机的输出轴与减速机构的输入端连接，减速机构输出端连接传动机构，控制器用于感应车辆制动踏板的动作，并根据车辆制动踏板的动作控制电机转动。

由于各种类的汽车都能提供电能，采用电动助力式制动，就摆脱了助力能量源的局限，而且助力效果稳定，助力大小不会随便变化。本发明提供的电动助力制动系统针对不同车型，只要通过修改软件程序，就能获得所需的助力，从而达到理想的制动性能匹配效果，有利于实现零部件的通用化，另外本发明采用的零部件均为汽车中常用的零件，控制系统也是现代汽车中必备的，因此生产成本低、周期短。

附图说明

图1是本发明提供的电动助力制动系统的结构示意图；

图2是本发明提供的电动助力制动系统中控制器的结构及流程框图；

图3是本发明提供的电动助力制动系统中电机的目标电流和制动踏板传感器的电信号W的分段函数关系图；

图4是本发明提供的电动助力制动系统中增量式PID控制算法的流程图；

图5是本发明提供的电动助力制动系统中故障检测装置的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明提供的电动助力制动系统，其中，该系统包括电机7、减速机构5、传动机构(齿条3和齿轮4)以及控制器14，电机7的输出轴与减速机构5的输入端连接，减速机构5输出端连接传动机构3和4，控制器14用于感应车辆制动踏板1的动作，并根据车辆制动踏板1的动作控制电机7转动。

由于各种类的汽车都能提供电能，采用电动助力式制动，就摆脱了助力能量源的局限，而且助力效果稳定，助力大小不会随便变化。本发明提供的电动助力制动系统针对不同车型，只要通过修改软件程序，就能获得所需的助力，从而达到理想的制动性能匹配效果，有利于实现零部件的通用化，另外本发明采用的零部件均为汽车中常用的零件，控制系统也是现代汽车中必备的，因此生产成本低、周期短。

所述减速机构5为本领域常用的各种机械减速器，例如蜗轮蜗杆机构，齿轮机构等，本发明中优选为蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆减速比大，结构紧凑，适用于空间较小的情况，例如汽车。

所述传动机构3和4用于将电机7的转动转换为液压缸活塞杆的直线运动，因此优选的情况下，传动机构采用包括齿条3和齿轮4的机构，结构简单，安装方便。

由于现代汽车中多采用自动控制系统，因此优选的情况下，如图2所示，所述控制器14包括制动踏板传感器2和电子控制单元8；

制动踏板传感器2用于感应车辆制动踏板1的动作，将制动踏板1的动作过程中产生的压力转换为电信号W输入电子控制单元8；

电子控制单元8用于接收来自制动踏板传感器2的电信号W，并根据电信号W向电机7发出或不发出转动指令。

这种控制系统控制过程简单，没有复杂的判断和选择环节，使电机的助力工作非常容易实现。

制动踏板传感器2在汽车起动之后开始采样，采样周期范围为5-50毫秒，优选为20毫秒。

自动控制操作就是电子控制单元8根据电信号W来控制助力电机7工作。因此，电子控制单元8控制过程优选为：

电信号W的最大值表示制动踏板1踩到底，最小值表示没有踩制动踏板1；当电信号W的值为最小值时，电子控制单元8不向电机7发出转动指令，当电信号W的值不为最小值时，电子控制单元8向电机7发出转动指令。

汽车在行驶中有各种不同程度的制动，所需要的制动助力大小不同，制动踏板动作越大，所需助力也越大，为取得良好的助力效果，自动控制操作更优选为，当电信号W不为最小值时，电子控制单元8根据电信号W的值控制电机7以目标电流值转动，所述目标电流值与电信号W的值成分段函数关系，函数关系如图3所示。

各种程度不同的刹车操作在驾驶汽车中使用的非常频繁，并且很多情况下刹车关系到安全问题。助力系统给予的助力要及时根据电信号W变化，以使制动踏板迅速到位，达到制动效果，因此，作为本发明的另一个优选实施方式，所述控制器14还包括电机电流传感器9；电子控制单元8还包括PID控制器13；

电机电流传感器9用于周期性地检测电机7的实际电流；

电子控制单元8用于将检测到的电机7的实际电流15与目标电流16比较，计算出二者的差值17；并将该差值17发送给PID控制器13；

PID控制器13用于根据该差值17，计算出控制电机7的电压值，并以该电压值驱动电机7转动；直至检测到的电机7的实际电流15与目标电流17相等。

这样的控制器14根据电机电流传感器9检测到的电流来控制电机7，使电机7的电流值迅速达到目标值，完成助力过程。

电机电流传感器9检测电机7的实际电流的周期优选为5-50毫秒，更优选为20毫秒，这样的周期长短适中，保证整个助力系统能够及时、准确地完成助力。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。由于汽车在刹车过程中情况复杂，所以在本发明中采用PID控制器13来调控电机7。

优选的情况下，所述PID控制器13计算方法为增量式PID控制算法。

增量式PID控制有很多优点：

(1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可采用逻辑判断的方法去掉；

(2)算式中不需要累加，控制增量的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

PID控制器是一种线性调节器，它把设定值(各段从轴应该发的脉冲数)与实际输出值(从轴编码器值)相减，得到控制偏差的比例系数(P)、积分系数(I)和微分系数(D)通过线性组合构成控制变量(伺服电机的脉冲频率)。

根据递增原理可得：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+\mathrm{ki}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)+k_d[e\left(k\right)-e(k-1)]---\left(1\right)$

式中：e(k)＝r(k)-y(k)为第k时刻所得偏差信号，r_k是给定值，y_k是实际输出值；k_p为比例增益，k_l为积分系数，k_d为微分系数。

则增量式PID控制算法为

Δu(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_le(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]    (2)

根据以上推导，得到增量式PID控制算法的程序流程图如图4所示。

本发明用于制动时助力，如果本发明提供的系统中的部件产生异常，将使整个系统不能起到助力作用，还可能会妨碍汽车的制动踏板动作，使操作者更费力。因此，作为本发明更为优选的实施方式，该电动助力制动系统还包括离合器6，离合器6分别与电机7的输出轴和减速机构5的输入端连接，用于根据控制器14的指令，接通和切断电机7的输出轴输出到减速机构5的输入端的动力。

这里离合器起到了切换作用，使本发明提供的助力系统在不能正常工作时，可以将其从汽车的刹车系统中断开，避免产生问题。此外离合器由控制器控制，可以实现自动切换，避免了手工操作的不方便。

在控制器14中，有对整个系统状态进行监测的装置，来实现自动发现异常，自动控制离合器6的切换，是本发明提供的系统更好的实施方式。如图5所示，所述控制器14还包括故障检测装置，故障检测装置用于检测电动助力制动系统各部件是否处于正常状态，并将正常状态信号T或异常状态信号F传送到电子控制单元8；

当电子控制单元8接收到的故障检测装置传送的信号至少一个为F时，判定电动助力制动系统处于异常状态，电子控制单元8控制离合器6断开；当电子控制单元8接收到的故障检测装置传送的信号全部为T时，判定电动助力制动系统处于正常状态时，电子控制单元8控制离合器6接通。

所述故障检测装置为汽车领域所常用的传感器、执行器监测电路。

传感器、执行器监测电路一般都与各种电子控制单元设置在同一块印制电路板上，控制程序存储于电子控制单元内部。国防工业出版社2005年第一版的《汽车新技术》第233-243页介绍了汽车故障自诊断技术，其中有传感器、执行器监测电路工作原理。

由于故障检测装置用来检测各传感器和执行器，检测周期小于电机电流传感器的采样周期，可以保证在汽车启动之后，电动助力制动系统工作前和工作中均能进行故障检测，随时保证安全，因此故障检测装置检测电动助力制动系统各部件状态的周期为5-30毫秒，更优选为10毫秒。

作为一种优选实施方式，所述控制器14还包括报警装置，报警装置用于当电动助力制动系统处于异常状态时，接收电子控制单元指令报警。

报警装置可以采用汽车领域常用的各种报警设备，例如故障指示灯。

报警装置保证了在汽车使用中能及时发现本发明提供的助力系统存在的问题，并提醒驾驶人员，使本发明更加安全可靠。

此外故障检测装置和报警装置均为现代汽车中广泛使用的设备，技术成熟，应用于本发明中，只需修改电子控制单元控制过程即可，没有增加本发明的控制系统的复杂性。

下面根据图1-图5说明本发明提供的电动助力制动系统的工作过程。

如图1所示，本发明提供的电动助力制动系统包括电机7、离合器6、蜗轮蜗杆机构5、齿轮4齿条3机构和控制器14；电机7的输出轴与蜗轮蜗杆机构5的输入端通过离合器6连接，蜗轮蜗杆机构5输出端与齿轮4连接，齿条3一端与制动踏板1连接，另一端与汽车制动系统主液压缸10的活塞杆连接，电子控制单元8与电机7、离合器6以及车辆的制动踏板1连接。

如图2所示，控制器14包括制动踏板传感器2、电机电流传感器9、故障检测装置、报警装置和电子控制单元8；电子控制单元8中还包括PID控制器13；故障检测装置为各传感器、执行器监测电路；报警装置为故障指示灯，位于汽车仪表盘上。

汽车启动之后，制动踏板传感器2开始工作，按照采样周期每20毫秒感应一次制动踏板位置。

当驾驶员踩下制动踏板1时，制动踏板传感器2采集的电信号W不为最小值，电子控制单元8根据接收到的电信号W按图3所示的函数关系确定目标电流16的值后，向电机7发出转动指令。电机7带动蜗轮蜗杆机构5转动，蜗轮蜗杆机构5将电机7输出轴的转速降低后传给齿轮4，齿轮4带动齿条3做直线运动，齿条3的运动推动汽车制动系统主液压缸10的活塞杆工作。主液压缸10活塞杆运动产生液压力，推动制动管路11工作，最后推动制动钳12夹紧制动盘，完成制动。

制动踏板1的动作总是在程度不一的发生变化，制动踏板传感器2采集的电信号W也随之不同，电子控制单元8在接收到信号W后，如果W值增大，则控制电机7电流值增大，W值减小，则控制电机7电流值减小。在这个变化过程中，电机电流传感器9每20毫秒检测一次电机7的实际电流15；电子控制单元8将检测到的电机7的实际电流15与目标电流16比较，计算出二者的差值17；并将该差值17发送给PID控制器13；PID控制器13根据该差值17，计算出控制电机7的电压值(如图4所示)，并以该电压值驱动电机7，使电机7实际助力电流15改变；直至检测到的电机7的实际电流15与目标电流16相等。

如图5所示，汽车启动之后，故障检测装置开始工作，按照预先确定的周期，每10毫秒检测一次本系统各部件状态是否正常。

故障检测装置将检测电动助力制动系统各部件的状态，转换为状态信号T或F传送到电子控制单元8，

当电子控制单元8接收到的故障检测装置传送的信号中至少有一个为F时，判定电动助力制动系统处于异常状态，电子控制单元8控制离合器6断开并报警。此时电动助力制动系统从汽车制动系统中断开，汽车制动没有助力。

当电子控制单元8接收到的故障检测装置传送的信号全部为T时，判定电动助力制动系统各部件均处于正常状态时，电子控制单元8控制离合器6接通指令并将报警指示灯熄灭。离合器6重新结合，电动助力制动系统恢复正常。

Claims (10)

1、一种电动助力制动系统，其特征在于，该系统包括电机、减速机构、传动机构和控制器，电机的输出轴与减速机构的输入端连接，减速机构输出端连接传动机构，控制器用于感应车辆制动踏板的动作，并根据车辆制动踏板的动作控制电机转动。

2、根据权利要求1所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述控制器包括制动踏板传感器和电子控制单元；

制动踏板传感器用于周期性地感应车辆制动踏板的动作，将制动踏板行程所产生的压力转换为电信号W输入电子控制单元；

电子控制单元用于接收来自制动踏板传感器的电信号W，并根据电信号W，向电机发出或不发出转动指令。

3、根据权利要求2所述的电动助力制动系统，其特征在于，制动踏板传感器感应车辆制动踏板的动作的周期为5-50毫秒。

4、根据权利要求2所述的电动助力制动系统，其特征在于，电信号W的最大值表示制动踏板踩到底，最小值表示没有踩制动踏板；当W的值为最小值时，电子控制单元不向电机发出转动指令，当W的值不为最小值时，电子控制单元向电机发出转动指令。

5、根据权利要求4所述的电动助力制动系统，其特征在于，当W不为最小值时，电子控制单元根据W的值控制电机以目标电流值转动，所述目标电流值与制动踏板传感器信号W成分段函数关系。

6、根据权利要求5所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述控制器还包括电机电流传感器；电子控制单元还包括PID控制器；

电机电流传感器用于周期性地检测电机的实际电流；

电子控制单元用于将检测到的电机的实际电流与目标电流比较，计算出二者的差值；并将该差值发送给PID控制器；

PID控制器用于根据该差值，计算出控制电机的电压值，并以该电压值驱动电机转动；直至检测到的电机的实际电流与目标电流相等。

7、根据权利要求6所述的电动助力制动系统，其特征在于，电机电流传感器检测电机的实际电流值的周期为5-50毫秒。

8、根据权利要求1-7中任意一项所述的电动助力制动系统，其特征在于，该电动助力制动系统还包括离合器，离合器分别与电机输出轴和减速机构输入端连接，用于根据控制器的指令，接通和切断电机输出轴输出到减速机构输入端的动力。

9、根据权利要求8所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述控制器还包括故障检测装置，故障检测装置用于周期性地检测电动助力制动系统各部件是否处于正常状态，并将正常状态信号T或异常状态信号F传送到电子控制单元；

当电子控制单元接收到的故障检测装置传送的信号至少一个为F时，判定电动助力制动系统处于异常状态，电子控制单元控制离合器断开；当电子控制单元接收到的故障检测装置传送的信号全部为T时，判定电动助力制动系统处于正常状态时，电子控制单元控制离合器接通。

10、根据权利要求9所述的电动助力制动系统，其特征在于，所述故障检测装置检测电动助力制动系统各部件状态的周期为5-30毫秒。

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