汽车摩擦制动与电磁制动的系统集成与协调控制

摘要

虽然经过多年的发展汽车液压制动系统的控制功能在不断地增强，但是其作为摩擦制动的本质没有改变，仍存在持续制动下热衰退和制动噪声等问题。为改善汽车液压制动系统的制动效能，国内外研究学者提出将电子液压制动与电磁制动进行系统集成，充分发挥电子液压制动和电磁制动各自优势以提升汽车的安全性、节能性和环保性。目前，国内外研究学者在摩擦与电磁集成制动系统领域已经取得一些研究进展，但这些研究大都关注电子液压制动动态特性分析、电磁制动性能的有限元分析、电子液压制动和电磁制动非线性控制方法研究、基于电磁制动实现防抱死制动控制或车身稳定性控制、摩擦与电磁集成制动系统的结构设计和参数优选、摩擦制动与电磁制动联合工作时制动性能分析等。通过分析国内外学术文献，发现相关研究成果中缺乏对摩擦与电磁集成制动系统耦合非线性特性、节能优化设计、前后轴制动力分配、制动模式切换控制及防抱死制动协调控制等方面的研究工作。针对上述关键技术问题的提出和解决，本文着重开展如下工作：
　　分别提出电磁制动器和永磁制动器励磁磁场、涡流磁场和气隙磁场分布的理论计算方法，并用台架试验和有限元数值计算验证理论计算的正确性；系统地讨论励磁磁场和涡流磁场对气隙磁场分布的影响，揭示涡流去磁效应的物理机理并完善涡流去磁效应理论。依据涡流去磁效应理论的重新界定，可以精确获得电磁制动的动态数学模型，以此作为基础对现有电磁制动器的制动特性进行解释并对设计中电磁制动器的制动性能进行预测。
　　分别建立电子液压制动、电磁制动和汽车制动的动态数学模型，推导得到摩擦与电磁集成制动系统的耦合非线性模型；搭建基于NI的快速控制原型平台，进行摩擦与电磁集成制动系统的耦合非线性特性试验研究。试验研究表明摩擦与电磁集成制动系统耦合非线性模型是正确有效的，可直接用于摩擦与电磁集成制动系统前后轴制动力分配方法研究，并通过适当简化后得到摩擦与电磁集成制动系统制动模式切换控制和防抱死制动协调控制的数学模型。
　　建立电子液压制动和电磁制动的能耗数学模型，并以此为基础分别进行电子液压制动和电磁制动能耗特性的影响因素分析；以ECE-EUDC循环工况耗能量为主要优化目标，建立摩擦与电磁集成制动系统节能优化设计数学模型，利用遗传算法进行节能优化设计的算例分析。优化结果表明在保证电子液压制动制动性能的前提下能够有效降低电子液压制动的耗能量并缩小蓄能器的体积；在使得电磁制动完成典型的城市运行工况前提下，使其耗能功率曲线的“低耗能功率区”尽量包含典型城市汽车行驶工况的汽车制动初始速度区间，能够显著提高电磁制动能耗特性。
　　研究电子液压制动的安全特性，提出摩擦制动模式下摩擦与电磁集成制动系统前后轴制动力分配方法；研究热力学特性对电磁制动能耗的影响，提出电磁制动模式下前后轴制动力分配方法；分析 ECE R13制动法规对汽车前后轴制动力分配的影响，提出联合制动模式下前后轴制动力分配方法。仿真研究表明摩擦与电磁集成制动系统在三种制动模式下的制动力分配方法能够显著提高摩擦与电磁集成制动系统的能耗特性和安全特性。
　　提出摩擦与电磁集成制动系统制动模式切换控制策略，建立摩擦与电磁集成制动系统混杂Petri网模型并利用共同Lyapunov函数法分析制动模式切换过程中的稳定性；设计摩擦与电磁集成制动系统解耦控制器并进行制动模式切换控制的试验研究。试验研究表明在制动模式切换过程中控制车轮纵向滑移率使其始终低于路面的最佳滑移率，使用电磁制动跟随驾驶员的制动意图而电子液压制动主要用来提供一定的制动强度，可以保证汽车在制动模式切换中稳定性并提高制动模式切换过程中的舒适性。
　　建立摩擦与电磁集成制动系统防抱死制动模型，设计摩擦与电磁集成制动系统防抱死制动协调控制器；搭建基于NI的硬件在环仿真平台，并进行摩擦与电磁集成制动系统防抱死制动性能研究。硬件在环仿真结果表明利用电磁制动取代低性能电子液压制动进行最佳滑移率的估算和维持最佳滑移率，仅使用低性能电子液压制动跟踪并满足制动强度需求，能够实现与高性能电子液压制动相同甚至更优的防抱死制动控制效果。

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第一章 绪论

1.1 汽车集成制动系统研究现状

1.2 课题研究的意义

1.3 论文主要研究内容

第二章 涡流去磁效应物理机理研究

2.1 涡流制动器制动特性建模问题

2.2 电磁制动器气隙磁场

2.3 永磁制动器气隙磁场

2.4 涡流去磁效应物理机理

2.5 本章小结

第三章 摩擦与电磁集成制动系统耦合非线性建模

3.1 电子液压制动模型

3.2 电磁制动模型

3.3 汽车制动模型

3.4 集成制动系统耦合非线性模型

3.5 基于NI快速控制原型平台开发

3.6 集成制动系统耦合非特性分析

3.7 本章小结

第四章 摩擦与电磁集成制动系统节能优化设计

4.1 电子液压制动能耗特性分析

4.2 电磁制动能耗特性分析

4.3 摩擦与电磁集成制动系统节能优化设计

4.5 本章小结

第五章 摩擦与电磁集成制动系统前后轴制动力分配

5.1 摩擦制动模式下前后轴制动力分配

5.2 电磁制动模式下前后轴制动力分配

5.3 联合制动模式下前后轴制动力分配

5.4 本章小结

第六章 摩擦与电磁集成制动系统制动模式切换控制

6.1 制动模式切换过程中稳定性分析

6.2 集成制动系统解耦控制器设计

6.3 制动模式切换控制试验与分析

6.4 本章小结

第七章 摩擦与电磁集成制动系统防抱死制动协调控制

7.1 集成制动系统防抱死制动模型

7.2 防抱死制动协调控制器设计

7.3 基于NI硬件在环仿真平台开发

7.4 防抱死制动协调控制硬件在环仿真研究

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 论文工作总结

8.2 本文创新点

8.3 进一步工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表与完成的论文

作者在攻读博士学位期间负责或参与的科研项目

作者在攻读博士学位期间申请专利情况