CN114987420A - 一种线控制动执行机构及冗余控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线控制动执行机构及冗余控制系统，包括制动主缸和电机，嵌套的行星齿轮减速机构，电机的永磁体转子与行星齿轮减速机构的太阳轮连接，太阳轮与行星齿轮减速机构的行星轮咬合旋转带动行星架转动，行星齿轮减速机构的行星架与滚珠丝杠或螺纹丝杠的丝杠螺母连接，丝杠螺母套接在滚珠丝杠或螺纹丝杠的外周，滚珠丝杠或螺纹丝杠与制动主缸之间顺次连接有助力盘、反应盘和主缸推杆。采用六相双绕组永磁同步电机提供了制动主缸加压的电机执行器失效的冗余措施，线控制动可以使整车有效利用驱动动力电机在发电模式工况下的制动扭矩实现减速的目的，而发电效能则用于动力电池充电，实现了制动能量回收，提高了电动车的续航里程。
Description
技术领域
本发明涉及一种线控制动执行机构及冗余控制系统。
背景技术
制动系统是使汽车的行驶速度可以强制降低或者直至停车的一系列专门装置，真空制动助力器是利用真空(负压)来增加驾驶员施加于踏板上力的部件，已在传统燃油汽车上得到普遍应用。然而在新能源汽车上由于缺失了内燃机进气行程产生的真空负压使得真空制动助力器无法直接利用，因此新能源汽车现有制动技术中，制动系统提供制动助力的方式有：
第一、电机驱动真空泵的方式：这种方式存在高原地区负压不足制动助力欠缺、负压控制波动促成振动噪声显现等问题。
第二、通过液压储能方式提供制动助力，是电机驱动油泵持续储备高压液压能量，通过控制油压储能罐油液的释放起到制动助力的作用，其中，真空泵和油泵储压罐的方式都存在整车设计布置空间的问题。
第三、通过电机的高精度复杂驱动控制：即通过2级或3级齿轮副减速增扭传动以及涡轮蜗杆机构、或者螺母丝杠、或者滚珠丝杠机构，把电机旋转运动转变为往复直线运动来推动制动主缸活塞实现施加制动力的功能。
随着新能源汽车的快速发展，传统内燃机汽车的制动真空助力器的适用受到了限制，由于新能源汽车不能提供有效的真空源来保证制动真空助力器的有效工作，因此新能源汽车的制动助力课题解决方案需要其它电控结构的装置来实现。
自动驾驶以及使用场景限定的无人车对于制动系统的预期功能安全需求受到了行业的瞩目关注，并且展开了创新性的思考与方案实现。另外由于激烈的市场竞争，电动汽车的续航里程要求日益增高，对于制动能量的回收技术也备受关注，因此需要整车协调驱动电机发电模式对电池充电的同时，还可以利用电机发电产生的制动扭矩来有效地贡献给车辆实施制动。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种线控制动执行机构及冗余控制系统，针对诸如电动汽车的新能源汽车提供解决制动助力的手段，有效利用了汽车动能转化为发电效能用于电池充电，实现了制动能量回收，亦即提高了电动车的续航里程，同时占用空间小且成本低。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种线控制动执行机构，包括制动主缸和电机，还包括嵌套的行星齿轮减速机构，所述电机的永磁体转子与行星齿轮减速机构的太阳轮连接，太阳轮与行星齿轮减速机构的行星轮咬合旋转带动行星架转动，所述行星齿轮减速机构的行星架与滚珠丝杠或螺纹丝杠的丝杠螺母连接，所述丝杠螺母套接在滚珠丝杠或螺纹丝杠的外周，所述滚珠丝杠或螺纹丝杠与制动主缸之间顺次连接有助力盘、反应盘和主缸推杆。
优选，所述电机为六相双绕组永磁同步电机，所述电机包括永磁体转子和六相双绕组定子，六相双绕组定子设置在永磁体转子外周。
优选，六相双绕组定子的一路3相绕组卷绕在永磁体转子的外周一侧，另一路3相绕组卷绕在永磁体转子的外周，两路绕组的形态是交叉卷绕。
优选，所述永磁体转子设置有转角位置传感器用于检测转子的位置。
一种冗余控制系统，包括可传输外部制动请求信号的总线、电源和ECU，还包括上述任意一项所述的一种线控制动执行机构，所述ECU接收外部制动请求信号，控制电机且ECU同时用DLC储能电源备份，所述电源为具有电源监控功能以及由超级电容DLC组成的安全备份电源系统。
优选，外部制动请求信号包括踏板的线控行程传感器信号或/和环境感知系统决策的来自总线传输的制动请求信号。
优选，当ECU接收到行程传感器信号或/和环境感知系统决策的制动请求信号后，对信号进行真伪判断：在制动液压建立过程中，利用制动主缸压力传感器信号进行合理性校验；若没有制动请求信号，则不实施任何制动干预；若请求信号数据有误，则禁止电机实施制动加压。
本发明的有益效果是：
本发明采用电机内转子与太阳轮固定连接、太阳轮驱动行星轮绕内齿圈运转，因此行星架与固定连接的丝杠(滚珠丝杠或者螺纹丝杠)的螺母套被带动旋转，从而实现了电机的旋转运动转变为丝杠的往复运动。在制动系统中采用这种机构组合相比于电机轴端齿轮驱动2级齿轮副或者3级齿轮副啮合滚珠丝杠或者螺纹丝杠的螺母套的结构实现，具有系统实现所需空间尺寸小的特点。
此外在这种制动系统组合中制动执行电机为六相双绕组永磁同步电机，控制器ECU采用了两路电机预驱动芯片与相应的场效晶体管MOSFET架构，由此规避了电机绕组短路或预驱芯片或者MOSFET桥路失效而整体电机完全失效的故障模式，也就是一路3相绕组失效的情况下，另外一路3相绕组仍然可以保障电机的基本功能，实施降级制动的冗余控制，保障制动系统的功能安全，继续发挥作用使车辆迁移到安全状态。
此外线控制动可以使整车有效利用驱动动力电机在发电模式工况下的制动扭矩实现减速的目的，而发电效能则用于动力电池充电，实现了制动能量回收，亦即提高了电动车的续航里程。
附图说明
图1是制动信号来源于驾驶员制动踏板行程传感器信号的示意图；
图2是制动信号来源于ADAS系统的制动请求信号的示意图；
图3是本发明线控制动系统冗余电控单元的结构示意图；
图4是本发明一种线控制动执行机构的结构示意图；
附图的标记含义如下：1：内齿圈；2：行星轮；3：行星架；4：太阳轮；5：永磁体转子；6：六相双绕组定子；7：丝杠螺母；8：滚珠丝杠或螺纹丝杠；9：助力盘；10：反应盘；11：主缸推杆；12：制动主缸；13：转子位置传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1-4所示，一种线控制动执行机构，包括制动主缸12和双绕组电机，优选，所述电机为六相双绕组永磁同步电机(Dual-coil PMSM)，所述电机包括永磁体转子5和六相双绕组定子6，六相双绕组定子6设置在永磁体转子5外周，二者同轴设置，六相双绕组定子6的一路3相绕组(即U、V、W)设置在永磁体转子5的外周，另一路3相绕组(即X、Y、Z)也设置在永磁体转子5的外周，两路绕组的形态是交叉卷绕。
对于控制器ECU高发MOSFET及其预驱芯片易于烧毁故障的失效模式，六相双绕组永磁同步电机在控制器与电机本体方面提供了冗余方法：当电机的一路三相绕组出现短路或断路故障时，当电机控制的预驱芯片以及MOSFET回路出现故障时，电机的另一路绕组、电机控制的预驱芯片以及MOSFET回路可以发挥冗余备份作用，极大地减少了系统完全功能失效的概率，保障了制动系统的安全性。
执行机构还包括嵌套的行星齿轮减速机构，包括中心的太阳轮4，太阳轮4和行星齿轮的内齿圈1之间分别均布啮合有三个行星轮2，三个行星轮2的轴心之间通过行星架3连接，太阳轮4与行星齿轮减速机构的行星轮2咬合旋转带动行星架3转动。
其中，所述电机的永磁体转子5与行星齿轮减速机构的太阳轮4连接，二者也是同轴设置，永磁体转子5与太阳轮4固定连接，所述行星齿轮减速机构的行星架3与滚珠丝杠或螺纹丝杠8的丝杠螺母7连接，所述丝杠螺母7套接在滚珠丝杠或螺纹丝杠8的外周，所述滚珠丝杠8或螺纹丝杠与制动主缸12之间顺次连接有助力盘9、反应盘10和主缸推杆11，如图4所示，电机的旋转运动转变为丝杠的往复运动，滚珠丝杠或螺纹丝杠8带动助力盘9往复运动，助力盘9推动反应盘10往复运动，反应盘10推动主缸推杆11往复运动，从而实现制动主缸制动液的压力建立，实现制动轮产生制动扭矩的作用。也即，丝杠推动制动主缸推杆机构使制动主缸实现了制动系统压力的建立，由此完成了车辆制动减速、安全停止的功能。
本发明是线控制动系统电控电机减速机构与制动主缸加压的新型构造，在制动系统中采用这种行星齿轮机构组合相比于电机轴端齿轮驱动2级或3级齿轮副啮合滚珠丝杠或者螺纹丝杠的螺母套的结构实现往复运动，具有系统实现所需空间尺寸小，封闭空间噪声小的特点。比如，公开号为CN1674413A、发明名称为轮毂电机的专利，其采用电机转子定义嵌套滚珠式离合器与行星齿轮机构的组合，实现了电机的变速提高转矩输出目的，但其输出的运动方式仍然是动力驱动为目的轴的旋转运动。又比如，公开号为CN105099069A、发明名称为电机的专利，采用电机转子定义嵌套行星齿轮机构的组合，实现了电机的变速提高转矩输出目的，但其输出的运动方式仍然是以动力驱动为目的的轴的旋转运动。
而本发明则是输出丝杠的往复运动，使得执行机构具有体积小、传动比大、要求电机功率小等诸多优点。采用体积紧凑、传动比较大的行星齿轮传动可以有效实现增扭效果，可以减小助力机械机构体积的限制而导致的电机大功率要求，遏制因电机功率的提高导致的成本提高。可以采用较小功率的制动执行电机，减小电机的驱动电流，提高电机以及控制器的耐久可靠性。本发明可以选择小功率、低成本电机构成系统。
所述永磁体转子5设置有转子位置传感器13，比如，APS(Angle Position Sensor)角度位置传感器。在没有外部ADAS辅助驾驶功能的自动紧急制动AEB或自适应巡航ACC制动请求，或者没有驾驶员线控制动请求的情况下，如果APS检测到转角信号，(1)系统判定为非意图制动，ECU立即控制电机停止驱动并且复位原点，切断制动助力动作进入安全模式；(2)系统判定角度位置传感器APS故障，ECU切断制动助力电机控制进入安全模式。
当ECU接收到行程传感器信号，说明驾驶员对于车辆起着主导制动控制作用。如果在环境感知系统决策指令的制动请求信号情况下，一旦检测到踏板行程传感器信号，中断环境感知系统决策的制动请求信号，也即行程传感器信号的优先级高于环境感知系统决策的制动请求信号，也就是说驾驶员对于车辆的控制负有主体责任。车辆的制动减速度一般处于0.1m/s2～13m/s2的范围内；在积雪道路制动时，由于轮胎前积雪推压有可能产生高达13m/s2的制动减速度，而人的体感减速度大约为0.5m/s2。
其中，制动主缸的压力p与电机转角位置θ以及与踏板的行程传感器信号s成正比p∝θ∝s；
p＝c1·s
式中，c1为正比常数。
或者制动主缸的压力p与电机转角位置θ以及环境感知系统决策的制动请求信号acc成正比p∝θ∝acc：
p＝c2·acc
式中，c2为正比常数。
对应的，一种冗余控制系统，包括可传输外部制动请求信号的总线、电源和ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)，车辆的制动请求信号安全传输到达线控制动控制执行的电控单元ECU，还包括上述任意一项所述的一种线控制动执行机构，所述ECU接收外部制动请求信号，控制电机且ECU同时用DLC储能电源备份，所述电源为具有电源监控功能以及由超级电容DLC(Double Layer Capacitor)组成的安全备份电源系统，电源为线控冗余制动系统供电。对ECU以及电机的供电电源实施冗余备份。当出现意外突然掉电故障，超级电容DLC的储能释放，ECU可以根据有效制动请求信号，控制电机实施制动加压。为线控制动系统的操控执行提供冗余以及降级安全状态迁移的方法。
线控制动请求信号包括踏板的行程传感器信号或/和环境感知系统决策的制动请求信号，其中：
当ECU接收到行程传感器信号或/和环境感知系统决策的制动请求信号后，对信号进行真伪判断：在制动液压建立过程中，利用制动主缸压力传感器信号进行合理性校验，也即主缸压力传感器信号与行程传感器信号或者环境感知系统决策的制动请求信号随动变化。若没有制动请求信号，则不实施任何制动干预；若请求信号数据有误，即制动请求的信号在规定的物理限值范围以外，或者没有定义的信号，或者2路行程传感器信号校验发现错误，或者环境感知系统决策的制动请求信号传输后的循环冗余算法(CRC)或者累加和(CheckSum)校验发现错误，则禁止电机实施制动加压。
1)如图1所示，线控制动踏板要求行程传感器输出2路冗余信号，信号S1与S2互为校验，其占空比之和常数100％，行程传感器信号反映了驾驶员的制动需求，对此行程传感器的故障失效率要求为108小时使用寿命中容许1次故障。在正常制动过程中，制动主缸的液压p＝c1·s(这里c1为正比常数)，与行程成正比。如果信号正比关系失衡，诊断行程传感器或压力传感器是否存在故障。
2)如图2所示，线控制动请求来自汽车辅助驾驶的环境感知系统，针对辅助驾驶环境感知而决策的制动请求信号，ECU不仅要对传递数据的真伪进行循环冗余算法(CRC)或者累加和(CheckSum)校验，还要对制动请求信号的物理限值进行判断(一般道路车辆减速度范围：0.1m/s2～13m/s2)。在正常制动过程中，制动主缸的液压p＝c2·acc(这里c2为正比常数)，与请求减速度成正比。如果信号正比关系失衡，诊断行程压力传感器或ADAS系统是否存在故障。
上述1)、2)信号数据合规正常的条件之下，制动请求信号质量因子SQF＝3，依据制动需求指令，控制电机实施制动加压。参见下表1。
表1信号质量因子表
如果制动请求信号数据置信度较低，但是信号数据在规定的物理限值范围内，结合实时制动减速度信号数据，判断信号质量因子SQF＝2，可以实施制动加压降级的电机控制策略。制动降级程度取决于整车厂安全目标定义以及实车标定。其它情况下，SQF＝0则禁止电机实施制动加压，防止非意图制动的发生。SQF＝1则不进行任何制动建压的电机驱动控制。
本发明针对诸如电动汽车的新能源汽车提供解决线控制动的手段，采用六相双绕组永磁同步电机提供了制动主缸加压的电机执行器失效的冗余措施，在一路电机绕组由于控制电路发生故障时，冗余的另外一路电机绕组仍然可以实现电机执行器功能。此外线控制动可以使整车有效利用驱动动力电机在发电模式工况下的制动扭矩实现减速的目的，而发电效能则用于动力电池充电，实现了制动能量回收，亦即提高了电动车的续航里程。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种线控制动执行机构，包括制动主缸（12）和电机，其特征在于，还包括嵌套的行星齿轮减速机构，所述电机的永磁体转子（5）与行星齿轮减速机构的太阳轮（4）连接，太阳轮（4）与行星齿轮减速机构的行星轮（2）咬合旋转带动行星架（3）转动，所述行星齿轮减速机构的行星架（3）与滚珠丝杠或螺纹丝杠（8）的丝杠螺母（7）连接，所述丝杠螺母（7）套接在滚珠丝杠或螺纹丝杠（8）的外周，所述滚珠丝杠或螺纹丝杠（8）与制动主缸（12）之间顺次连接有助力盘（9）、反应盘（10）和主缸推杆（11）。
2.根据权利要求1所述的一种线控制动执行机构，其特征在于，所述电机为六相双绕组永磁同步电机，所述电机包括永磁体转子（5）和六相双绕组定子（6），六相双绕组定子（6）设置在永磁体转子（5）外周。
3.根据权利要求2所述的一种线控制动执行机构，其特征在于，六相双绕组定子（6）的一路3相绕组卷绕在永磁体转子（5）的外周一侧，另一路3相绕组卷绕在永磁体转子（5）的外周，两路绕组的形态是交叉卷绕。
4.根据权利要求1所述的一种线控制动执行机构，其特征在于，所述永磁体转子（5）设置有转角位置传感器（13）用于检测转子的位置。
5.一种冗余控制系统，包括可传输外部制动请求信号的总线、电源和ECU，其特征在于，还包括上述权利要求1-4任意一项所述的一种线控制动执行机构，所述ECU接收外部制动请求信号，控制电机且ECU同时用DLC储能电源备份，所述电源为具有电源监控功能以及由超级电容DLC组成的安全备份电源系统。
6.根据权利要求5所述的一种冗余控制系统，其特征在于，外部制动请求信号包括踏板的线控行程传感器信号或/和环境感知系统决策的来自总线传输的制动请求信号。
7.根据权利要求6所述的一种冗余控制系统，其特征在于，当ECU接收到行程传感器信号或/和环境感知系统决策的制动请求信号后，对信号进行真伪判断：在制动液压建立过程中，利用制动主缸压力传感器信号进行合理性校验；若没有制动请求信号，则不实施任何制动干预；若请求信号数据有误，则禁止电机实施制动加压。
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