[科普中国]-制动控制系统

最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。1932年生产的质量为2860 kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419. 1 mm的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。

随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器。克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世。通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。

20世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统(ABS)的实用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱装置一般包括三部分:传感器、控制器(电子计算机)与压力调节器。传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。下图是防抱死系统基本回路。

1936年，博世公司申请一项电液控制的ABS装置专利促进了防抱制动系统在汽车上的应用。1969年的福特使用了真空助力的ABS制动器；1971年，克莱斯勒车采用了四轮电子控制的ABS装置。这些早期的ABS装置性能有限，可靠性不够理想，且成本高。1979年，默·本茨推出了一种性能可靠、带有独立液压助力器的全数字电子系统控制的A BS制动装置。1985年美国开发出带有数字显示微处理器、复合主缸、液压制动助力器、电磁阀及执行器“一体化”的ABS防抱装置。随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术的出现，以及电子信息处理技术的高速发展，ABS以成为性能可靠、成本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。1992年ABS的世界年产量已超过1000万辆份，世界汽车ABS的装用率已超过2000。一些国家和地区(如欧洲、日本、美国等)已制定法规，使ABS成为汽车的标准设备。1

自1885年汽车诞生开始，车辆制动系统就在车辆的安全方面就扮演着重要的角色。车辆发展初期，车辆低速行驶、交通密度小，对制动系统的要求相对较低。最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，由于车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动已能满足车辆制动的需要。但随着车辆质量的增加，开始出现真空助力装置。1932年生产的质量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。

二十世纪初期，随着科学技术的发展及车辆工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight车率先使用了轿车液压制动器。克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世。通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助力制动器成为现实。

上世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界车辆技术领域最显著的成就就是防抱制动系统(ABS)的实用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品，可以在完全制动时仍能保证车辆的可操纵性和方向稳定性。之后ASR, ESP等获得了陆续发展。ASR(驱动防滑转控制)可帮助驾驶员在车辆起步和加速时阻止驱动轮滑转，提高行驶稳定性。ESP(电子稳定性程序)可在危险的行驶情况下利用瞬间干预发动机输出转矩和制动器，保持车辆稳定，并沿车道行驶。所有这些改善车辆的制动性能的措施，大大提高了车辆的主动安全性和操纵性。

　　1996年，德国Bosch公司在美国专利局申请了关于电子机械制动(EMB)的专利，之后12项相关专利相继被申请；EMB慢慢引起人们的关注，渐渐成为制动系统的发展趋势之一。EMB为“ELECTROMAGNETIC WHEEL BRAKE DEVICE”的简写。

EMB可分为两类:电子液压式制动(EHB)系统和电子机械式制动(EMB)系统。EHB系统利用电子控制系统同时保留了部分的液压系统，液压系统是一个备用系统，避免系统的电子部分出现故障。EHB系统可以看作是EMB系统的一个先期产品，EHB也不会长期得到使用，因为它不能带来完全电子制动的优点。EHB系统的制动功能由液压泵和电子控制阀两者实现。在EHB系统中，制动踏板和制动器之间的液压连接是断开的。带有踏板感觉模拟器和电子传感器的电子踏板模块代替了传统的制动动作。驾驶员的需求通过‘线”传递到液压单元一整合的电子控制单元(ECU)车轮制动与传统的制动一样。EHB系统的电子控制单元接收来自于连接制动踏板的传感器信号，正常工作情况下，备用阀关闭，控制器通过由液压泵驱动的马达进行制动。当控制器处于故障一安全模式的时，备用阀打开，依靠常规液压制动系统进行制动。

EMB有诸多优点:由于制动执行器和制动踏板之间没有了液压和机械连接取而代之是数据线，无疑这将大大的减少制动器起作用的时间，进而有效地缩短制动距离，优化了稳定性;无需制动液，有利于环保;制动踏板可调，使舒适性和安全性更好;碰撞性能提高;在ABS模式下踏板无回弹振动;节省空间，零件减少;可实现所有制动和稳定功能如:ABS, EBD, TCS, ESP, BA, ACC等;可与未来的交通管理系统轻松联网;可方便的集成附加功能，如电子驻车制动。同时，EMB系统目前也还有一些问题，如由于车辆外部环境的变化和磨损，引起的制动执行器效率变化不定，这就给控制带来了困难等。

　　在液压制动系统的发展过程中，凯西一海斯(K-H)公司在一辆实验车上安装了一种电一液(EH)制动系统，彻底改变了制动器的操作机理。该系统通过采用4个比例阀和电力电子控制装置，能进行基本制动、ABS、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况的控制，而不需另外增加任何附加装置。这些制动系统的革命都预示着一种完全无油液、完全的电路制动系统BBW(Brake-By-Wire)将在不久的将来成为现实。

BBW是未来制动控制系统的发展方向之一。全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。全电制动的结构系统主要包括:

1)电制动器。其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，供能装置是电动机;
　　2)电制动控制单元((ECU)。接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动;接收驻车制动信号，控制驻车制动;接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。由于各种控制系统如卫星定位、导航系统，自动变速系统，无级转向系统，悬架系统等的控制系统与制动控制系统高度集成，所以ECU还得兼顾这些系统的控制;

3)轮速传感器。准确、可靠、及时地获得车轮的速度;
　　4)线束。给系统传递能源和电控制信号;
　　5)电源。为整个电制动系统提供能源。与其他系统共用。可以是各种电源，也包括再生能源。

系统的优点在于:
　　1)整个制动系统结构简单，省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置、液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车质量降低;
　　2)制动响应时间短，制动性能提高;

3)无制动液，维护简单;
　　4)系统总成制造、装配、测试简单快捷，易于实现模块化结构;
　　5)采用电线连接，系统耐久性能良好;
　　6)易于改进，稍加改进就可以增加各种电控制功能。

同时，还有以下问题需要解决:
　　1)驱动能源问题。采用全电路制动控制系统，需要较多的能源，但目前车辆12V电力系统提供不了这么大的能量，因此，车辆动力系统只有采用高压电，加大能源供应，才可满足制动能量要求，但高电压同时也会带来安全问题;
　　2)控制系统失效处理。全电制动控制系统面临的一个难题是制动失效的处理。因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全，在不论是ECU元件失效，传感器失效还是制动器本身、线束失效的情况下，都能保证制动的基本性能;
　　3)抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，获得最好的控制系统也是需要解决的难题之一。
　　目前，电制动控制系统首先在混合动力车辆中得到使用，采用液压制动和电气制动的联合制动是全电制动系统的过渡方案。由于两套制动系统共存，使结构复杂，成本偏高。

汽车制动线控技术的基本思想是来自于飞机控制系统，最初的线控技术是应用于飞机控制系统的一种方法。它将驾驶员的操纵指令转换成电信号，利用飞机上装载的微型计算机去控制飞机的飞行状态。这种控制方式引入到汽车制动控制上，就是将驾驶员的制动操作，经过传感器转换成电信号，并通过一定的网络把电信号传送给车载微型控制器去控制汽车制动的状态。

汽车制动线控技术中的x-by-y可理解为电控方式，这里的x就像数学函数中的自由变量，如车轮转速模块、电子踏板压力模块、车速仪模块等输入型传感信号。by则代表数学函数中的算法，如ABS, ESB, EPB等汽车电子制动控制算法。Y则代表数学函数中的值域，如车轮制动模块、发动机传动力控制模块等输出型驱动信号。

由上诉汽车制动线控系统所组成的网络是一种特殊的局域网，它的使用环境与普通的局域网不同。汽车机箱的内温度变化很大、在行驶过程中可能出现较大的振动、发动机点火等装置都会带来意想不到的干扰。尤其是对于汽车转向系统和汽车制动系统对车辆安全性的要求极高，这就要求该网络系统应具有实时性、可靠性和抗干扰能力强等特点。汽车电子制动控制就是利用其线控技术对汽车行驶过程中的各种安全问题进行合理的管理，并且由电子控制的方式实现其实时可靠的制动过程。从技术上来看，比长期使用的传统型制动控制模式有很大的进步性。

汽车电子辅助制动控制方法是利用驾驶员的制动操作进行电子辅助制动控制的方法总称。用此方法时，需要有一个中央控制单元按照汽车制动线控技术去处理，模块控制器通过一定的网络传送过来的信号，并根据制动算法的要求去控制相应的车轮制动模块。中央控制单元和各个模块控制器之间的空间分布设定后，通常用满足一定要求的总线来作为它们之间的通信媒介。汽车电子辅助制动控制方法通常使用工作频率为30-50Hz的车轮制动模块，这是因为车轮制动模块中制动器的机械运动速度比控制信号的处理速度慢，因而控制信号需要匹配车轮制动模块的工作频率，同时也可以避免车轮的长期抱死状态。另一方面，汽车电子辅助制动控制方法通常使用频率为10Hz--10KHz的车轮转速采集模块，这是中档汽车在高速行驶过程中对车体状态的一种判断，也是汽车电子辅助制动控制的一大特点。

但是由于采用了驾驶员制动操作自身的不完善性，导致对突发情况下的制动很难保证其效果。在复杂路面的情况下，需要进行连续并即时的制动时，如果系统缺乏良好的实时性制动，将无法准确的判断其最佳的制动点，从而不能满足汽车制动安全的实际需求。针对这一问题，本文讨论汽车电子辅助制动控制法在实时制动方面的问题，并给出了一种无需驾驶员制动操作，也能准确的判断其最佳制动时刻的汽车电子制动控制的方法，即实时的汽车电子辅助制动控制方法。2