电子机械制动系统（EMB）结构与性能分析

黄渊芳
广州机械科学研究院
翁建生 金智林
南京航空航天大学

【摘要】线控制动系统是未来汽车制动系统发展的方向，相比于传统制动系统，它具有制动响应速度快、制动性能高和制动系统结构简化等优点。介绍了电子液压制动系统与电子机械制动系统两类线控制动系统，并对其工作原理及特点进行了对比。然后从现有的机械结构形式、电机选用及系统控制算法等方面对电子机械制动系统能进行了详细的分析，并预测了电子机械制动系统的发展趋势。

主题词：线控制动系统；电子液压制动；电子机械制动力；分析

0 前言

在短短的一百多年的发展中，汽车已经成了人们日常生活中不可缺少的代步工具，在享受汽车带来的舒适、快捷、便利的同时，人们对汽车行驶的安全性要求也日益提高。车辆制动系统一直在车辆安全方面扮演着至关重要的角色，随着汽车工业技术飞速发展以及汽车行驶速度的不断提高，车辆制动系统的重要性表现得越来越明显。

传统的液压制动系统发展至今，已是非常成熟的技术，由于人们对制动性能要求的不断提高，传统的液压或者空气制动系统在加入了大量的电子控制系统如ABS、TCS、ESP等后，其结构和管路布置越发复杂，液压（空气）回路泄漏的隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高。因此，汽车行业加大了对结构相对简单的线控制动系统BBW（Brake-by-wire）的研究力度，其主要原因是BBW系统有着传统液压制动系统不可比拟的优越性，该制动系统用电线取代了传统制动系统中的制动管路，省去了传统制动系统中的很多阀，简化了制动系统的结构，降低了装配及维护的难度，同时BBW还具有制动响应速度快、制动性能高等特点，另外，要完全实现ABS及ASR等功能，只需在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及制动力的分配即可。

1 两种线控制动系统的结构特点及其性能分析

线控制动（Brake-by-wire）的概念源于飞机制造行业，一般可分为两类：电控液压制动系统（Electro-Hydraulic Brake，即EHB）；电控机械制动系（Electro-Mechanical Brake，即EMB）。

1.1 EHB结构特点

EHB是基于传统的液压制动系统发展起来的线控制动系统，该系统将电子与液压系统相结合，由电子系统提供控制，液压系统提供动力。为了增加制动的可靠性，EHB具有传统的液压制动备份，即一旦电子控制失败，驾驶者可以通过备份的液压制动系统直接对汽车进行有限的制动控制。

图1是根据Benz SL500的电子液压制动系统制作的EHB结构简图，控制器通过向各个车轮分配不同的制动力来优化汽车的地面附着力。如果电子控制系统出错，图中左边的备份阀（Backup valves）开启，分离机构将失效的控制系统分离开，直接通过传统液压制动系统来制动汽车前轮。

电控液压制动的控制系统由传感器、ECU（电子控制单元）及执行器（液压控制单元）等构成。制动踏板与制动器间无直接动力传递。制动时，制动力由ECU和执行器控制，踏板行程传感器将信号传给ECU，ECU汇集轮速传感器、转向传感器等各路信号，根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力，并发出指令给执行器的蓄能器来执行各车轮的制动。高压蓄能器能快速而精确地提供轮缸所需的制动压力。同时，控制系统也可接受其他电子辅助系统（例如ABS、ESP等）的传感器信号，从而保证最佳的减速度和行驶稳定性。

1.2 EMB结构特点

如果把EHB称为“湿”式Brake-by-wire制动系统的话，那么EMB就是“干”式Brake-by-wire制动系统，如图2所示。

EMB系统组成包括：

⑴ 制动执行机构。EMB有4套制动执行机构，每一套执行机构都包括力矩电机、制动器外壳、制动垫块及动力控制模块，它们作为一个整体将制动力施加在制动盘上。

⑵ 中央控制模块（ECU）。接收来自各种传感器的信号，为执行机构的控制模块提供控制信号（如制动执行机构需产生的力矩）。

⑶ 各种传感器。提供及时、准确的信号给ECU，比如轮速传感器、踏板位移传感器。

⑷ 电源。文献中指出EMB工作时的峰值功率为2kW，再加上其他汽车附件（比如汽车空调等）工作时的峰值功率，总功率大概在12.3 kW左右，而当今汽车上的12 V电源只能提供3 kW左右的能量，仅能勉强满足汽车必要部件的工作要求（比如制动等），若要兼顾舒适性，就需要安装能够提供更高能量的42V电源。

1.3 EHB与EMB的性能对比

EHB与EMB的差异主要体现在以下几个方面：

⑴ 结构。EHB依然采用液压系统提供动力，其制动过程离不开液压部件，因此其结构还不够简单，而EMB则完全抛弃了液压部件及管道，结构更简单，维护安装更加方便，同时由于没有了带有腐蚀性的液压液体，更加环保。

⑵ 性能。由于其执行机构的内在特性，EHB的反应时间稍长，但是，对于重型车辆或工业车辆，只有EHB系统可以产生较大的制动力矩，以满足大吨位车辆的制动要求，而EMB暂时提供不了。

⑶ 可靠性。由于EHB的主要执行机构为发展很成熟的液压机构，同时又有备份制动系统，所以该系统具有很好的可靠性，而EMB系统作为一套全新的制动系统，发展还不完善，也没有其他备份制动系统，其可靠性要低于EHB，但随着科技的进步，这个问题很快就能解决。

⑷ 能源供应方面。在优化设计下，EHB只需要14V的电源就能满足制动要求，而EMB则需要42V电源。

另外，EMB系统可以极大程度地减少整车重量，从而提高汽车性能及经济性，使汽车总装过程变得更简单，更快捷。EMB系统增加了和其他汽车系统的连接性，使更高级功能的牵引控制和汽车稳定控制变得更加简单，同时EMB系统易于改进，略加变化即可增设各种电控制功能以及与将来的交通管理系统进行联网工作。

虽然EHB系统相对于传统制动系统有了比较大的进步，但其仍具有局限性，其出现主要是为研究生产EMB系统打下基础。EMB系统有着其他制动系统无法比拟的优点，它是未来制动系统发展的必然方向。

2 EMB的执行机构及控制研究

2.1 EMB执行机构

从20世纪90年代起，一些著名的汽车零部件厂商陆续开始了EMB相关的研究，其执行机构均针对盘式制动器开发，包括把圆周运动转化为直线运动的机构，减速增矩机构，以及行星齿轮机构。EMB系统的结构形式归纳起来大概分为两类，一是电动机带动机械执行机构将力直接作用在制动盘上，其典型结构有Continental Teves公司研制的带有两级减速机构的EMB执行机构（图3），以及德国Bosch公司的“ELECTRO-MAGNETIC WHEEL BRAKE DEVICE”（图4）。

其中图4所示EMB系统结构采用了两个电磁离合器，这是该结构的亮点。通过控制电磁离合器的通断电，能够使EMB系统工作在4种不同的工作状态。

另一种是电动机通过一个自增力机构，将力间接作用在制动盘上，该结构可以大大降低系统消耗的能量，如德国Siemens公司的EMB执行机构（图5），当心轴3轴向移动推动增力杠杆6和压力盘7时，压力盘7是不转动的，由于心轴3和压力盘7在杠杆6两侧的力臂不同，压力盘7的力臂短，从图4中看两个力臂之比大约是4:1，这样，压力盘7的压力大于心轴3产生的轴向推力，起到了增力的作用。

这三大厂商的EMB执行机构具有代表性，它们各有利弊：

⑴ 从力矩电机的放置位置看，Bosch公司采用的是电机外置的结构，而Siemens和ContinentalTeves公司采用的都是电机内置的结构。电机外置显然会使结构占用空间较大，而电机内置的布置方式虽能够使结构更紧凑，体积更小巧，但同时也增加了结构的复杂性。

⑵ 从是否安装电磁离合器来看，Bosch公司采用电磁离合器，这样大大简化了对电机的控制，同时还能使EMB的工作方式变得更加清晰，功能更加多样。但该系统对电磁离合器的依赖性太大，降低了系统的可靠性。

⑶ 从是否采用增力结构来看，Siemens公司的EMB系统采用了增力杠杆结构，可以有效地节省能源，即对力矩电机的力矩输出要求降低，从而力矩电机的尺寸可以设计得更小。

另外，这几家公司的EMB系统都采用了不同的间隙磨损调整方式。Continental Teves公司釆用的是一种智能控制方式，性能最可靠；Siemens公司采用的是完全的机械调整机构，可靠性次之；Bosch公司的EMB系统需要手动调整制动盘和制动垫块的间隙，与前两种智能化或自动化调整的方式相比稍显逊色。

2.2 驱动电机的选择

电机是EMB执行机构中的核心部件，因此其选型设计是至关重要的。EMB最大的优势在于制动响应快，所以要求电动机必须响应速度快。同时，考虑到汽车系统中的能源供应，也要求电机功耗小、输出的力矩大。另外在制动过程中，制动器会产生大量的热量，电机将在“堵转”和高温的恶劣环境下工作，因此电机的可靠性也很重要。最后，由于制动器安装空间的限制，电机必须结构小巧紧凑、便于安装。

由于汽车使用的是直流电源，如果选用交流电机作为EMB驱动电机，汽车上必需配备车载逆变器，这就增加了制造成本，同时也降低了系统的工作效率，另外对汽车上有限的安装空间也是一个挑战。而直流有刷电机因为有机械换向器，导致其存在几个固有的缺点：最高转速受到限制；需要定期进行维护；电机体积大、噪声大、效率低。而这些缺点正是EMB所忌讳的。从现有的专利及其他很多EMB相关研究试验来看，采用较多的是永磁直流无刷电动机，因为无刷直流电机（BLD-CM）既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。但是，传统的永磁直流电机也有缺点，因为其固有特性，而导致该类电机不能适应EMB的特殊工作环境，主要表现在：

⑴ 对温度的依赖性。在EMB系统中，驱动电机的工作温度变化幅度可达200，这会使传统的永磁电机力矩静态值产生20%到25%的变化。

⑵ 永磁直流电动机，特别是永磁无刷直流电动机的绕阻很低，这将在线圈中引起不可控的振荡器效应：当EMB控制器的电源断开时，EMB执行机构要能很快的释放，让力矩很快减小，而低绕阻线圈会延迟或阻止这种释放。

在这种情况下，有人提出了将开关磁阻电动机（SRM）作为EMB驱动电机的新想法。该电机没有直流电机的那些缺点，同时它还具有以下优点：系统控制参量多，控制灵活，调速性好；体积小，结构简单，工作可靠，维护量小；运行效率高，成本低；具有良好的动态性能及其容错性。所有这些优点，使得开关磁阻电机在EMB应用方面有着巨大的潜能，但该电机也有其局限性：

⑴ 振动及噪声。这需要不断提高设计及制造水平，减小振动噪声以符合EMB系统的要求。

⑵ 位置检测器。位置检测器使得结构简单的SR电机变得逊色，降低了运转的可靠性，因此探索实用的无位置检测器的检测方案是十分引人注意的课题。

2.3 控制算法

控制算法是EMB控制系统的灵魂，其好坏直接关系到EMB系统的可靠性，如果算法选得好，不但能降低成本，还能从一定程度上解决因电机固有特性带来的问题，比如采用最优励磁控制策略、两次换流控制策略等就能有效地降低开关磁阻电机（SRM）噪声。

迄今为止，还没有公开的EMB控制策略方面的资料可以查询，但相关控制算法，如防抱死制动系统（ABS）、直流无刷电机及电动助力转向系统（EPS）等方面的控制算法已经发展得比较成熟，可以借鉴。

文献［12］在EMB系统上实现了ABS功能，利用增益规划方法（Gain-scheduled approach），将汽车速度看成标准的时变参数（Slowly time-varying parameter），同时把模型线性化在名义车轮滑移率（Nominal wheel slip）附近，然后用LQR方法设计出在各种不同工作条件的增益矩阵，从而设计出了车轮滑移控制器。并通过李亚普诺夫理论（Lyapunov theory）、频谱分析（Frequency analysis）方法，在实验车上验证了该增益规划车轮滑移控制器的稳定性和鲁棒性。

驱动电机的控制主要是围绕电机的位置、电流与电压进行的，比如文献［13］中使用了串级PI控制方案（Cascaded PI control architecture），并在一个公认的EMB模型上进行仿真，证明了串级PI控制的可行性。但这种控制方法只有在常规的制动过程中表现出良好的性能，当遇到非线性负载的干扰时，这种控制方法的可靠性就会降低。由于EMB的工作环境变化多样，因此出现非线性干扰情况的可能性很大。文献［14］中采用了一种鲁棒非线性力控制器来控制EMB中的开关磁阻电机。该控制器基于鲁棒反演法（Robust Backstepping）利用电压换向方案设计而成，其优点在于不需要知道电机的机械参数以及电机位置、制动力和电机负载力矩之间的关系，同时该控制器对电感的不确定因素也有很好的鲁棒性，并通过仿真研究证实了控制器的性能及鲁棒性。

2.4 系统安全

EMB系统中没有机械和液压备份系统，因此其稳定性就显得十分重要了，除了需要驱动电机有很好的可靠性外，还需要系统具有良好的容错性，比如EMB系统应该有可靠的电源供应（包括其管理策略），有容错性好的通信协议，还要有必要的硬件冗余等。

飞机领域中对线控制动系统的可靠性要求如下：不会因为某个部件的出错，而影响整个飞行的安全；能导致飞行停止的故障的发生概率应该控制在10^－7/h以内；不可预知的个别故障及其并发故障能够导致飞行停止事故发生的概率应该控制在10^－8/h 以内。为了保证不会因为某个部件的故障而导致飞行事故，最简单的办法就是将所有的可能出错的系统部件都备份，但是这种方法花费太贵，不适用于汽车行业。而将系统分布式布置（Distributed Systems）的方法能够合理地利用冗余，而不是将所有的部件都简单地备份，图6即是汽车线控制动系统的布置总图。

图中每个车轮都有单独的制动器和控制单元，通常将制动器和控制单元统称为制动节点（Brake Node）。每个制动器控制单元接收线控制动管理器发出的制动信息，并把此制动信息换算成相应大小的制动电流，给制动电机通电以驱动制动器制动。电力管理器PM（Power Manager）控制电池的充、放电，并且监控电池的电力供应状况。如果发电机及电池线路发生故障，电力管理器能自动将电力供应切换到备用电源上，同时发出警告消息，提醒司机及时处理，以避免发生严重交通事故；如果出现电池电力不足或电池负荷过大，电力管理器会自动关掉一些与安全无关的用电设备，以保证制动的正常进行。

为了满足一定的容错性能，在设计EMB系统时应该采用冗余技术，备份其关键部件，如线控制动管理器和电力管理器均采用2个；制动踏板传感器、车速传感器等器件同时备用3～4套。所有的冗余件均通过另一套总线与制动节点相连，加此便组成了另一套完整的系统，但制动器节点，即EMB执行机构通常不采用冗余设计，因为其布置和成本等问题不易解决。各容错部件由可靠的实时通信系统进行连接，例如比较常见的车载网络总线TTCAN、FlexRay与TTP/C。

除了采用分布式系统保证EMB系统的可靠性外，线控制动车辆还应该具有车载自诊断系统（On-Board Diagnosis System，即OBD），以便系统对检测到的任何错误做出相应的反应。文献［18］从能源电子开关故障诊断的角度，对EMB系统中电机的安全性进行了讨论，采用了模糊控制方法，将电机开关电路的电压和电流值与预设值相比较，以此来判断系统中是否有故障存在。

3 总结与展望

EMB系统相比于EHB及传统液压制动系统的优势有目共睹，但作为一项全新制动技术，它还很不完善，仍然存在许多问题有待解决，可以预见，在今后很长一段时间内，关于EMB系统方面的研究应主要围绕以下几个方面展开：

⑴ 机械结构形式方面，特别是与制动盘直接相连的执行机构的结构形式，由于EMB系统科研现在只是一个起步状态，所以并没有约定俗成的EMB系统，而现有的EMB系统的结构形式，都存在着不同的缺陷，这就需要进一步研究，综合现有机构的优点，从而得到一款更适合EMB的执行机构结构形式。

⑵ 控制方法方面，尚未形成完善的EMB系统控制理论，并且现有的EMB控制策略仅仅用于软件仿真，这与实际应用还有一定的距离，有待继续开展相关试验研究。

⑶ 驱动电机方面，不管选用哪款电机，但选型设计时必须保证电机能够满足EMB在各种工况下的性能要求，同时还要满足EMB的安装要求。