CN115962239A - 一种电子机械制动器伺服电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子机械制动器伺服电机的控制方法，电子机械制动器包括制动钳体、传动机构和电机及减速机构构成的驱动机构；制动钳体连接有摩擦片，摩擦片包括分别位于制动盘两侧的摩擦片内片和摩擦片外片，驱动机构的输出轴通过传动机构与摩擦片内片接触；定义电机产生制动所旋转的方向为正转，解除制动所旋转的方向为反转；传动机构用于将电机输出轴的正反旋转运动转换为轴向伸缩运动，从而提供摩擦片的压紧力和实现的制动回位功能。制动时，通过传动机构将电机减速后的堵转扭矩转化为制动器的夹紧力。本发明提供一种新的制动驱动方式，最终制动力的驱动来源为电机的堵转扭矩，通过传动机构将电机的堵转扭矩转化为制动器的夹紧力。

Description

一种电子机械制动器伺服电机的控制方法

技术领域

本发明涉及车辆制动器的控制领域，尤其涉及一种电子机械制动器伺服电机的控制方法。

背景技术

盘式制动钳在乘用车及商用车均得到长久的应用。目前传统盘式制动钳的传力媒介为液压或气压。传统燃油车通过发动机带动液压泵或空压机工作，将动力能转化为压力能，然后将压力能传导至轮边制动钳进行制动。而传统的商用车气压制动***将压缩机的压力传导至轮边，整车还需布置相对复杂的气管路、储气筒以及各类控制阀，同时管路中气压的建立和撤销均具有一定的滞后时间，同时还存在较大的噪声问题。液压制动的反应时间比气压制动短，但对回路的密封要求较高。液压制动较气压制动具有操作轻便、易于采用各种优化调节装置等优点，但是其结构复杂、***中精密件较多，这使得液压制动方式并没有广泛应用于商用车，目前主要应用于乘用车上。

随着新能源汽车的发展，内燃机被电机取代。现阶段新能源汽车液压制动以及气压制动均需在车辆上配备电液压泵或电空压机将电能转化为压力能，然后将压力能传导至轮边。与此同时伴随着汽车电子技术的进步，人们对车辆制动性能的要求越来越高，精确的制动控制将是汽车制动技术不断进步的目标。随着技术的进步，人们开始着眼于线控制动技术(Brake-By-Wire)的研究，所谓线控制动技术，指将一系列智能控制***集成从而实现一些高级的功能，比如防抱死制动***(ABS)、牵引力控制***(TCS)、电子稳定性控制***(ESP)及自适应巡航控制***(ACC)等等，线控制动技术的最终目标是取代传统的气压或液压制动***，进而由更为先进的电子技术代替。作为由传统的气压或液压制动***向线控制动***过渡的产品，出现了线控液压制动***(Electro Hydraulic Brake,简称EHB),简单来说，EHB就是将传统的液压控制***改为电子控制***，但其制动器的执行***仍然为液压形式，即“液控液”的模式改为了“电控液”的模式，当然对于气压制动***，也可以有相应的存在形式。EHB只是线控制动技术的先期研究，其最终目的还是实现电子机械制动***，即EMB。不再需要液压或气压***，是一种通过电信号控制电机的纯机械制动***。

EMB具有明显的优势，具体说来其性能特点如下：1.由于取消了气管路，大大减少了制动响应时间，有效地缩短了制动距离，为行车安全提供了有力保障；2.取消了空压机、储气筒等部件，使得整车布置更加灵活；3.制动踏板可调，无回弹振动，舒适性和安全性更好；4.通过控制***即可实现所有附加功能，如ABS、TCS、ESP、ACC等等；5.未来亦可通过车联网***与国家交通管理***联网。无论从制动效率及响应时间以及制动***成本上都有更大的优势。

EMB采用伺服电机来控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制***中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

电机堵转是电机在转速为0转时仍然输出扭矩的一种情况，一般都是机械的或者人为的。由于电机负载过大、拖动的机械故障、轴承损坏扫膛等原因引起的电动机无法启动或停止转动的现象。电机堵转时功率因数极低，根据电机容量的大小和加工工艺不同，电机堵转电流一般为电机额定电流的5-12倍，时间稍长就会烧坏电机。因此，电机的一般性试验就包括堵转试验这一项。

电机转动时，定子绕组形成的旋转磁场拖动转子旋转，而转子中感应电流所产生的磁场也在定子绕组感应出反电势，也就是我们说的感抗，起到阻止电机定子电流增加的作用。

如果电机堵转了，上述反电势也没有了，电机就像接在电源中的一个电感元件，只有其自身的电阻和电感，自然电流会大大增加。电机运行时会产生反电动势，这是消耗电压的主要部分。堵转时反电势为零，所有电压都加载在绕组上，所以电流很大。

发明内容

本发明主要目的在于：提供一种电子机械制动器伺服电机的控制方法，作为一种新的制动驱动方式。

本发明所采用的技术方案是：一种电子机械制动器伺服电机的控制方法，所述的电子机械制动器包括制动钳体、传动机构和电机及减速机构构成的驱动机构；制动钳体连接有摩擦片，摩擦片包括分别位于制动盘两侧的摩擦片内片和摩擦片外片，驱动机构的输出轴通过传动机构与摩擦片内片接触；定义电机产生制动所旋转的方向为正转，解除制动所旋转的方向为反转；传动机构用于将电机输出轴的正反旋转运动转换为轴向伸缩运动，从而提供摩擦片的压紧力和实现动回位功能；

本控制方法为：制动时，通过所述传动机构将电机减速后的堵转扭矩转化为制动器的夹紧力。

按上述方法，所述的控制方法具体为：

电机控制器收到制动指令后，电机开始正转，通过减速机构增扭后，将扭矩传输至所述传动机构，传动机构将输出轴的正转转换为轴向运动，推动所述摩擦片内片，同时制动盘另一侧的摩擦片外片在制动钳体的滑动机制下移动；当摩擦片内片和摩擦片外片夹持制动盘后，传动机构无法继续产生轴向运动，

电机开始堵转，摩擦片内片和摩擦片外片抱紧制动盘，实现制动；

电机控制器收到解除制动指令后，电机开始反转，所述传动机构轴向回缩，摩擦片在制动盘离心力的作用下回弹，实现回位。

按上述方法，所述的传动机构包括滚珠丝杠副和推块，所述的输出轴与滚5珠丝杠副的丝杠轴连接；滚珠丝杠副的丝杠螺母与推块固连或集成一体；推块与所述摩擦片内片接触；推块与摩擦片内片之间、或推块与卡钳体之间，设有止转机构，从而保证推块只沿轴向运动。

按上述方法，所述的传动机构为曲柄连杆、涡轮蜗杆、齿轮齿条、偏心轮/

凸轮或半齿加弹簧中的一种。

0按上述方法，通过控制电子机械制动器伺服电机的堵转扭矩，来实现对制动力大小的控制。

按上述方法，对电子机械制动器伺服电机的位置环进行控制时，通过控制外部输入的脉冲数量来控制电机转动的角度，电机的扭矩随着正转角度增大而增大，直至达到设定的扭矩。

5按上述方法，对电子机械制动器伺服电机的电流环进行控制时，通过设定与扭矩大小相关联的外部输入模拟量，或者改变与扭矩相对应的地址，从而设定电机轴对外输出的扭矩大小，实现控制电子机械制动器制动力的大小。

一种电子机械制动器的电机控制器，用于在控制电子机械制动器伺服电机时，实现所述的电子机械制动器伺服电机的控制方法。

0一种新能源汽车，采用了所述电子机械制动器的电机控制器。

一种计算机可读存储介质，其存有计算机程序，所述的计算机程序被电机控制器调用后实现所述的电子机械制动器伺服电机的控制方法。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明提供一种新的制动驱动方式，最终制动力的驱动来源为电机减速后的堵转扭矩，通过传动机构将电机的堵转扭矩转化为制动器的夹紧力。

2、在这种新的制动驱动方式下，可在不同的控制模式下进行预设参数，从而快速响应制动指令。并且，踏板感可调，在对电机位置环的模式控制下，电机旋转位置决定了制动力的大小，而这个位置的变化曲率完全可以自由设定和切换，这样也对应了制动力的大小增加曲率，以获得不同的驾驶制动感受。同时，该制动驱动方式控制精准，电机的位置环和电流环，均非常精准的达到每个踏板角度对应的扭矩和位置，从而满足制动力的精准和稳定控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的制动器结构示意图。

图中：1-卡钳体，2-推块，3-丝杠螺母，4-丝杠轴，5-推力轴承，6-轴套，7-电机及减速机构，8-卡钳支架，9-制动盘，10-摩擦片外片，11-摩擦片内片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所适用的电子机械制动器如图1所示，包括制动钳体(本实施例中为卡钳体1)、传动机构和由电机及减速机构7构成的驱动机构。制动钳体连接有摩擦片，摩擦片包括分别位于制动盘两侧的摩擦片内片和摩擦片外片，驱动机构的输出轴通过传动机构与摩擦片内片11接触；定义电机产生制动所旋转的方向为正转，解除制动所旋转的方向为反转；传动机构用于将电机输出轴的正反旋转运动转换为轴向伸缩运动，从而提供摩擦片的压紧力和实现的制动回位功能。

本实施例中，所述的传动机构包括滚珠丝杠副和推块2，所述的输出轴与滚珠丝杠副的丝杠轴4通过键连接；滚珠丝杠副的丝杠螺母3与推块2固连或集成一体；推块2与所述摩擦片内片11接触；推块2与摩擦片内片11之间、或推块2与卡钳体1之间，设有止转机构，从而保证推块2只沿轴向运动。本发明所述的传动机构不限于本实施例中的滚珠丝杠副，还可以是其他螺纹丝杠、楔块、曲柄连杆、涡轮蜗杆、齿轮齿条、偏心轮/凸轮、半齿加弹簧等各种转化机械结构。

本实施例中的电机及减速机构7选用的是一种直流伺服电机和行星减速机构集成的结构，也可采用其它形式的组合结构。

伺服电机是机械设备常用的配件之一，其主要有三种控制方式，它的速度和转矩控制都是用模拟量来实现的，位置控制是通过控制脉冲来实现的。

1.速度环控制

速度环控制是主要通过模拟量的输入和脉冲的频率来进行转动速度的控制。模拟量的数值就决定了电机的运行速度。

2.电流环控制

电流环控制是主要通过外部的模拟量输入，或者是直接的地址赋值去设定电机轴对外输出的扭矩大小。我们可以通过改变模拟量的设定来改变扭矩设置的大小，也可以通过通讯方式改变相应的地址来改变扭矩的大小。

3.位置环控制

位置环控制是主要通过外部输入的脉冲频率大小来确定转速大小的。主要是通过输入脉冲的个数来决定转动的角度。

本发明提供一种电子机械制动器伺服电机的控制方法，其核心为：制动时，通过所述传动机构将电机减速后的堵转扭矩转化为制动器的夹紧力。即，本发明通过对电机的改进设计和完善的控制策略，充分利用和控制电机的堵转扭矩，来实现电子机械制动器(EMB)的驱动控制。

进一步的，所述的控制方法具体为：

电机控制器收到制动指令后，电机开始正转，通过减速机构增扭后，将扭矩传输至所述传动机构，传动机构将输出轴的正转转换为轴向运动，推动所述摩擦片内片，同时制动盘另一侧的摩擦片外片在制动钳体的滑动机制下移动；当摩擦片内片和摩擦片外片夹持制动盘后，传动机构无法继续产生轴向运动，电机开始堵转，摩擦片内片和摩擦片外片抱紧制动盘，实现制动；

电机控制器收到解除制动指令后，电机开始反转，所述传动机构轴向回缩，摩擦片内片在制动盘离心力的作用下回弹，实现回位。

在本实施例中，当整车ECU发出制动指令后，该指令可来源于有人驾驶汽车的电子制动踏板通过传感器发出的信号，也可来源于无人驾驶汽车行车电脑直接发出的制动信号，制动器控制器将信号转化处理，将控制指令下达至电机，电机及减速机构通电开始正转，电机通过行星减速机构增扭后，将扭矩传输至滚珠丝杠轴4，丝杠螺母3和推块2由于止转机构无法转动，则在丝杠轴4的旋转作用下，沿着丝杠轴4向制动盘9方向产生轴向位移，从而推动摩擦片内片11顶住制动盘9，在浮动式盘式制动器滑动机制下，拉动摩擦片外片10，此时无法再产生轴向位移，整体滚珠丝杠副机构及电机轴无法再转动，电机开始堵转，这时摩擦片抱紧制动盘，实现制动。解除制动时，电机通过控制，带动丝杠轴4反转，丝杠螺母3沿丝杠轴4向远离制动盘9方向轴向位移，实现回位。

采用本发明的控制方法，能够通过控制电子机械制动器伺服电机的堵转扭矩，来实现对制动力大小的控制。

对电子机械制动器伺服电机的位置环进行控制时，通过控制外部输入的脉冲数量来控制电机转动的角度，电机的扭矩随着正转角度增大而增大，直至达到设定的扭矩，通常设定的是电机的额定堵转扭矩。具体的，通过控制伺服电机轴的旋转位置，来实现对制动夹紧力大小的控制。工作过程：当制动踏板踩下(或制动命令发送)，电机开始正转(本文将产生制动力的电机旋转方向定义为正转，解除制动的电机旋转方向定义为反转)，此时由于摩擦片与制动盘之间的间隙尚未消除，滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为直线运动，推动螺母和推块，将摩擦片推至制动盘消除盘边间隙。当摩擦片与制动盘刚好接触时，电机将很难再正常旋转，几乎处于堵转状态。这时，踏板行程踩下了全行程的10％(即空行程，不产生制动力)。接下来，踏板行程通过位移传感器将行程转化为电机的输入信号，电机控制器将对应的位移信号处理后，继续控制电机轴旋转位置。此时由于摩擦片与制动盘已经接触，电机负载陡然增大，后边的旋转运动行程，均来自摩擦片、制动盘的压缩量，以及制动器卡钳体的形变量。这个过程电机的扭矩随着旋转角度正转角度增大也迅速增大，直至达到电机的额定堵转扭矩。这个过程中的制动力大小，由电机的控制器通过位置模式进行控制。

对电子机械制动器伺服电机的电流环进行控制时，通过设定与扭矩大小相关联的外部输入模拟量，或者改变与扭矩相对应的地址，从而设定电机轴对外输出的扭矩大小，从而控制制动力的大小。具体的，通过控制伺服电机扭矩大小，来实现对制动夹紧力大小的控制。工作过程：当制动踏板踩下(或制动命令发送)，电机开始正转(本文将产生制动力的电机旋转方向定义为正转，解除制动的电机旋转方向定义为反转)，此时由于摩擦片与制动盘之间的间隙尚未消除，滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为直线运动，推动螺母和推块，将摩擦片推至制动盘消除盘边间隙。当摩擦片与制动盘刚好接触时，电机将很难再正常旋转，这时，踏板行程踩下了全行程的10％(即空行程，不产生制动力)。接下来，电机几乎处于堵转状态。踏板行程通过位移传感器将行程转化为电机的输入信号，电机控制器将对应的位移信号处理后，由扭矩模式继续控制电机扭矩大小，踏板行程越大，电机堵转扭矩越大，对应的制动力也越大，反之则越小。

通过对电子机械制动器伺服电机的位置环进行控制，或对电流环进行控制，实现电机对制动力大小的控制，有多种效果：

1)响应速度快。

2)踏板感可调。在对伺服电机的位置环进行控制时，电机旋转位置决定了制动力的大小，而这个位置的变化曲率完全可以自由设定和切换，这样也对应了制动力的大小增加曲率，以获得不同的驾驶制动感受。

3)控制精准，电机的位置环控制和电流环控制，均非常精准的达到每个踏板角度对应的扭矩和位置，从而满足制动力的精准和稳定控制。

作为本发明的又一实施例，本发明还提供一种电子机械制动器的电机控制器，用于在控制电子机械制动器伺服电机时，实现所述的电子机械制动器伺服电机的控制方法。

作为本发明的又一实施例，本发明还提供一种新能源汽车，采用了所述电子机械制动器的电机控制器。

作为本发明的又一实施例，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存有计算机程序，所述的计算机程序被电机控制器调用后实现所述的电子机械制动器伺服电机的控制方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子机械制动器伺服电机的控制方法，其特征在于，所述的电子机械制动器包括制动钳体、传动机构和电机及减速机构构成的驱动机构；制动钳体连接有摩擦片，摩擦片包括分别位于制动盘两侧的摩擦片内片和摩擦片外片，驱动机构的输出轴通过传动机构与摩擦片内片接触；定义电机产生制动所旋转的方向为正转，解除制动所旋转的方向为反转；传动机构用于将电机输出轴的正反旋转运动转换为轴向伸缩运动，从而提供摩擦片的夹紧力和实现制动回位功能；

本控制方法为：制动时，通过所述传动机构将电机减速后的堵转扭矩转化为制动器的夹紧力。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的控制方法具体为：

电机控制器收到制动指令后，电机开始正转，通过减速机构增扭后，将扭矩传输至所述传动机构，传动机构将输出轴的正转转换为轴向运动，推动所述摩擦片内片，同时制动盘另一侧的摩擦片外片在制动钳体的滑动机制下移动；当摩擦片内片和摩擦片外片夹持制动盘后，传动机构无法继续产生轴向运动，电机由开始堵转，摩擦片内片和摩擦片外片抱紧制动盘，实现制动；

电机控制器收到解除制动指令后，电机开始反转，所述传动机构轴向回缩，摩擦片在制动盘离心力的作用下回弹，实现回位。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述的传动机构包括滚珠丝杠副和推块，所述的输出轴与滚珠丝杠副的丝杠轴连接；滚珠丝杠副的丝杠螺母与推块固连或集成一体；推块与所述摩擦片内片接触；推块与摩擦片内片之间、或推块与卡钳体之间，设有止转机构，从而保证推块只沿轴向运动。

4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述的传动机构为曲柄连杆、涡轮蜗杆、齿轮齿条、偏心轮/凸轮或半齿加弹簧中的一种。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，通过控制电子机械制动器伺服电机的堵转扭矩，来实现对制动力大小的控制。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，对电子机械制动器伺服电机的位置环进行控制时，通过控制外部输入的脉冲数量来控制电机转动的角度，电机的扭矩随着正转角度增大而增大，直至达到设定的扭矩。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，对电子机械制动器伺服电机的电流环进行控制时，通过设定与扭矩大小相关联的外部输入模拟量，或者改变与扭矩相对应的地址，从而设定电机轴对外输出的扭矩大小，实现控制电子机械制动器制动力的大小。

8.一种电子机械制动器的电机控制器，其特征在于：用于在控制电子机械制动器伺服电机时，实现权利要求1至7中任意一项所述的电子机械制动器伺服电机的控制方法。

9.一种新能源汽车，其特征在于：采用了权利要求8所述电子机械制动器的电机控制器。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其存有计算机程序，所述的计算机程序被电机控制器调用后实现权利要求1至7中任意一项所述的电子机械制动器伺服电机的控制方法。

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