技术领域
[0001] 本
发明涉及拖挂式房车的房车制动控制技术领域，尤其涉及一种用于房车的
电磁制动器高精度控制系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 车辆
制动系统性能好坏直接关系到人身安全的，国内外车企和科研部
门都非常重视
汽车新型制动系统的研发。电磁制动器是一种新型制动器，现在大部分已用到拖车尤其是拖挂式房车的房车制动上。和传统液压式制动器相比，电磁制动器有其突出的优点，
电缆代替管路，提高制动器灵敏度，可靠性高，安装方便；其次，
控制器设计方便，代表了制动器的发展趋势，为实现车辆自动化、智能化提供了必备部件。
[0003] 现有的电磁制动系统，其主要功能是可以将制动
踏板传感器、
加速度传感器接受到的踏板行程、减速度
信号输入到PWM
电路中(PWM即
脉宽调制，其控制方式就是对电路
开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替
正弦波或所需要的
波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值
电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变电路
输出电压的大小)，比如随着的
牵引车制动踏板行程的增加或者减速度的增加，需要增加房车的制动
力，即通过PWM调节
输出信号的大小，进而改变电磁吸力的大小来满足房车实际制动的要求。
[0004] 在房车上采用电磁制动器，如果电磁体是与车载
蓄电池直接连接的，那么拖车一旦制动，房车
车轮会出现抱死，不利于行车安全。在现有的技术当中，如果利用分压原理来改变
蓄电池作用在电磁体上压降而改变电磁吸力大小，可有效减小甚至避免车轮抱死而产生的滑动现象，但是这样设计的控制电路功效很大，蓄电池效率不高。电磁制动器是靠线圈的通断电来控制产生电磁吸力的，电磁制动器制动时，电磁体中的线圈通电吸合，使电磁体与旋转的
制动鼓产生相对摩擦从而产生制动。现有的电磁制动器中线圈只有一种，当电磁制动器中线圈断路时，电磁制动系统将无法正常使用，也就意味着房车无法制动，因此现有的电磁制动系统线圈部分容错率较低。
[0005] 拖挂式房车在行驶过程中，房车的负载是在变化的，现有的电磁制动系统中设计了一个增益调节控制器来补偿房车不同的
载荷，比如随着房车的载荷增加，需要增加房车的制动力，通过增益调节来改变输出信号大小，改变电磁吸力大小满足房车实际制动的要求。增益调节控制器实际上是动态处理器一种，它的增益随信号的变化而变化，为改变增益信号变化的问题，可通过
负反馈电路解决，但是负反馈电路的增加，使得电磁制动系统成本增加。
[0006] 拖挂式房车在制动时，驾驶员通过制动踏板发出指令，整个控制电路开始工作，输出PWM信号驱动电磁体；随着牵引车减速度增加，输出PWM信号占空比逐渐增加使得制动力增大，制动力矩也增大，直至车轮抱死。当房车轻载或半载制动时，其车轮抱死时的制动力矩远远小于重载时车轮抱死的制动力矩，因而其制动力增加也相对较小，输出PWM信号占空比也较小。即当房车轻载或半载制动时，PWM输出的有效值较低，且制动力控制精度也较低。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于设计一种电磁制动系统及控制方法，以期望房车在轻载或半载制动时，PWM输出的有效值以及制动力控制精度都较高；同时，房车在轻载或半载制动时，相比于现有的电磁制动系统，使线圈能耗损失较小。本发明的电磁体结构中设置三种不同
电阻的线圈，分别匹配房车轻载、半载或者重载制动时的接入；同时，还在现有的电磁制动系统中加入三个控制开关来控制三种不同电阻的线圈
电流的通断，设置三种不同电阻的线圈也可以增加电磁制动系统线圈部分的容错率。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。
[0009] 一种用于房车的电磁制动器高精度控制系统，包括牵引车、房车、检测机构、执行器、供电电源、PWM控制器、线圈以及
电子控制单元ECU，所述检测机构将检测到的信号输入电子控制单元ECU，所述电子控制单元ECU通过执行器与PWM控制器相连，所述执行器还与线圈相连，所述供电电源用于给线圈供电；所述检测机构包括载重传感器、加速度传感器及制动踏板行程传感器，所述制动踏板行程传感器位于牵引车制动踏板的下方，实时监测牵引车的制动踏板开度；所述载重传感器位于房车悬架
弹簧处，实时监测房车的载重大小；所述加速度传感器位于牵引车后悬架，实时监测牵引车的加速度大小；所述执行器包括可控开关a、可控开关b及可控开关c并联而成，所述线圈由线圈a、线圈b及线圈c并联而成，每一个可控开关对应连接一个线圈。
[0010] 上述方案中，所述线圈a、线圈b、线圈c的单
匝线圈电阻分别为r1、r2、r3，且r1﹥r2﹥r3。
[0011] 上述方案中，所述电子控制单元ECU包括输入模
块、运算模块、开关控
制模块及输出模块，所述开关
控制模块包括开关控制a、开关控制b、开关控制c。
[0012] 一种用于房车的电磁制动器高精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013] 步骤(1)，车辆启动，检测机构检测制动踏板开度信号、载重信号及减速度信号，并将结果发送给电子控制单元ECU的输入模块并传送到运算模块，运算模块根据检测的制动踏板开度信号判断汽车是否制动；如果汽车制动，则执行步骤(2)，否则执行器断开；
[0014] 步骤(2)，电子控制单元ECU的运算模块判断载重信号是否小于或等于
阈值m1，若小于或等于阈值m1，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
[0015] 步骤(3)，可控开关a闭合，可控开关b、可控开关c断开，电子控制单元ECU判断线圈a是否断路，若断路，则可控开关a断开、可控开关b闭合、可控开关c断开，执行步骤(5)；否则PWM控制器根据制动踏板开度信号和减速度信号调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压；
[0016] 步骤(4)，电子控制单元ECU的运算模块判断载重信号是否小于或等于阈值m2，若小于或等于，则可控开关a断开、可控开关b闭合、可控开关c断开，否则可控开关a断开、可控开关b断开、可控开关c闭合，执行步骤(6)；
[0017] 步骤(5)，电子控制单元ECU判断线圈b是否断路，若断路，可控开关a断开、可控开关b断开、可控开关c闭合，执行步骤(6)；否则PWM控制器根据制动踏板开度信号和减速度信号调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压；
[0018] 步骤(6)，电子控制单元ECU判断线圈c是否断路，若断路，制动损坏，警示灯提醒；否则PWM控制器根据制动踏板开度信号和减速度信号调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压。
[0019] 本发明的有益效果为：
[0020] 1、本发明中，设置了三种不同阻值的电阻线圈，当房车轻载时，电磁制动系统中接入阻值最高的电阻线圈，可以实现房车在轻载制动时，PWM有效值以及制动力控制精度得到提高；同样，当房车半载时，电磁制动中接入阻值第二的线圈，可以实现房车在半载制动时，PWM有效值以及制动力控制精度得到提高，且该电磁制动系统相比于现有的电磁制动系统，其控制效果仍然一样，并不会由于线圈电阻的改变而影响房车的制动。
[0021] 2、本发明的电磁体结构中设置三种不同阻值的电阻线圈，分别匹配房车轻载、半载或者重载制动时的接入，由于三种电阻线圈互不影响，当其中一种电阻线圈电路出现问题时，可以由另外两种来电阻线圈替代，从而增加了电磁制动系统线圈部分的容错率。
附图说明
[0023] 图2为本发明实施例的电子控制系统结构图；
[0024] 图3为本发明房车部分受力平衡示意图；
[0025] 图4为本发明房车车轮力矩平衡模型示意图；
[0027] 图中，1、房车；2、载重传感器；3、加速度传感器；4、制动踏板行程传感器；5、牵引车；6、电子控制单元ECU；7、供电电源；8、PWM控制器；9、可控开关a；10、可控开关b；11、可控开关c；12、线圈a；13、线圈b；14、线圈c。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明进一步详细说明。
[0029] 图1所示为本发明所述一种车用电磁制动器控制系统，所述电磁制动器控制系统包括牵引车5、房车1、检测机构、执行器、供电电源7、PWM控制器8、线圈以及电子控制单元ECU6，检测机构将检测到的信号输入电子控制单元ECU6，电子控制单元ECU6通过执行器与PWM控制器8相连，执行器还与线圈相连，供电电源7用于给线圈供电。
[0030] 所述检测机构包括载重传感器2、加速度传感器3、制动踏板行程传感器4，所述制动踏板行程传感器4位于牵引车5制动踏板的下方，实时监测牵引车5的制动踏板开度；所述载重传感器2位于房车1悬架弹簧处，实时监测房车的载重大小；所述加速度传感器3位于牵引车5后悬架，实时监测牵引车5的加速度大小。制动踏板行程传感器4检测的制动踏板开度信号输入到电子控制单元ECU6，载重传感器2检测的载重信号输入到电子控制单元ECU6，加速度传感器3的减速度信号输入到电子控制单元ECU6。
[0031] 图2的电子控制单元ECU6在现有
车身控制单元的
基础上设计，包括输入模块、运算模块、开关控制模块、输出模块；输入模块分别与制动踏板行程传感器4、载重传感器2、加速度传感器3电连接，输入模块用于接收制动踏板行程传感器4检测的开度信号、载重传感器2接收的载重信号和加速度传感器3的减速度信号，并将信号传送到运算模块；运算模块根据开度信号判断牵引车5是否开始制动，并将结果传送到开关控制模块；同时，运算模块将载重信号与设定的载重阈值m1、m2比较，将判断结果传送到开关控制模块；运算模块根据减速度信号计算出等效电压及电流大小，将运算结果传送到PWM控制器8。控制模块根据判断结果生成控制指令，将控制指令传送到输出模块，输出模块与执行器电连接，输出模块根据生成的指令控制执行器运行；开关控制模块包括开关控制a、开关控制b、开关控制c，执行器由可控开关a9、可控开关b10、可控开关c11并联而成；输出模块根据开关控制a、开关控制b、开关控制c生成的控制指令分别控制可控开关a9、可控开关b10、可控开关c11的闭合或断开。PWM控制器8根据运算模块得出的结果控制PWM控制器8调节等效电压的大小。
[0032] 供电电源7通过PWM控制器8及执行器的闭合实现对线圈的通电；同样，供电电源7通过执行器的断开实现对线圈的断电。所述线圈由线圈a12、线圈b13、线圈c14并联而成，它们与相对应的可控开关a9、可控开关b10、可控开关c11电连接。线圈a12、线圈b13、线圈c14的单匝线圈电阻分别为r1、r2、r3，且r1﹥r2﹥r3；线圈在通电情况下，有骨架包围缠绕在磁
钢内，使电磁体产生吸力，从而带动电磁制动器产生制动力。
[0033] 如图3和图4所示，当拖挂式房车制动时，理想状态下，牵引车5与房车1之间是没有作用力的，则根据
牛顿力学定律，房车1的平衡关系式为：
[0034] Fr＝ma (1)
[0035] 其中Fr为地面给房车1的制动力，m为房车
质量(包括载重)，a为房车减速度；
[0036] 对房车1车轮中心点取矩，建立力矩平衡模型，力矩平衡关系式为：
[0037] J·α＝l·Fr-T (2)
[0038] 其中J为房车1车轮的
转动惯量，l为房车1车轮的半径，α为房车1车轴
角加速度，T为房车1制动力矩；
[0039] 由以上两式可得：
[0040] T＝l·ma-Jα (3)
[0041] 由式(3)可知，当房车1的减速度a不变，房车1载重减小时，房车的制动力矩T也将减小；即房车1轻载或半载制动时，其抱死时的制动力矩相对于重载要小。
[0042] 根据电磁制动器制动力传递模型，可以建立房车1制动力矩T随电磁吸力的数学关系式，其关系式为：
[0043] T＝μκKFb (4)
[0044] 其中μ为电磁体与摩擦环间的
摩擦系数，κ杠杆的放大系数，K制动器效能因数，b为制动鼓半径，F为电磁吸力；
[0045] 由式(4)可知，制动力矩T与电磁体吸力F成正比。
[0046] 凡线圈通以直流电的电磁
铁都称之为直流电
磁铁，本发明电磁体为E型电磁铁，包括磁钢、线圈及
摩擦材料，当线圈接上电源时，线圈中有了激磁电流，使电磁体回路中产生密集的磁通，从而使电磁体产生电磁吸力，电磁吸力公式为：
[0047] F＝A×[μ0(IN)2S/δ] (5)
[0048] 其中μ0为空气的磁导率，I为线圈电流，N为电阻线圈匝数，S为磁导和电磁吸力的磁钢面面积，δ为气隙长度，A为
磁场部分的计算系数；
[0049] 由于线圈电流I为等效电压U除以线圈电阻R，因此上式可以写成：
[0050]
[0051] 其中U为等效电压，是由恒定供电直流电源U0，通过PWM控制器改变方波占空比调制而成的电压，R是线圈的电阻，对于N匝线圈，其电阻R＝N·r；其中，r为单匝线圈的电阻，将R＝N·r带入式(6)，可得：
[0052]
[0053] 通过式(7)，可知，电磁吸力与单匝线圈电阻和等效电压有关，而单匝线圈电阻与
电阻率、线圈横截面积等有关。
[0054] 本发明设计三种不同单匝线圈电阻r的线圈，分别匹配轻载、半载、重载时房车制动。单匝线圈电阻r的阻值设置如下：
[0055] 假设地面附着系数 不变，设置房车1轻载时质量阈值为m1，此时接入单匝线圈阻值为r1的线圈，当房车1制动时，保证等效电压最大时(即PWM占空比为100％，此时输出电压为最大值U0)，电磁制动器产生的制动力矩正好等于房车1抱死时的制动力矩，即此时电磁制动器制动力与地面给房车的制动力以及
附着力一样大；即；
[0056]
[0057] 其中FZ是地面对车轮的法向反作用力，g为
重力加速度；
[0058] 当房车制动抱死时，其房车轴角加速度α为0，即式(2)可变为：
[0059]
[0060] 将式(4)带入式(9)得：
[0061]
[0062] 由于此时要保证等效电压最大，则PWM输出占空比为100％，即等效电压U等于输出电压U0，将式(7)中的U替换成U0并带入式(10)得：
[0063]
[0064] 式(11)即为r1的计算公式。
[0065] 同理可以计算r2和r3的值。式(11)中只有m1是变化的，因此由于轻载m1﹤半载m2﹤重载m3，可以得出r﹥1 r﹥2 r3。
[0066] 当房车1载重小于或等于轻载m1(包含空载)时，接入单匝线圈阻值为r1的线圈；当房车载重大于轻载m1且小于或等于半载m2时，接入单匝线圈阻值为r2的线圈；当房车载重大于半载m2时，接入单匝线圈阻值为r3的线圈；假设现有的电磁体中单匝线圈的电阻为r3。其中，设计r﹥1 r﹥2 r3。
[0067] 当房车1载重小于或等于轻载m1时，接入为r1的线圈，其抱死时的制动力矩是一定的，因此电磁吸力也是一定的，设用本发明的控制制动系统，房车抱死时的电磁吸力为F1，则有如下公式：
[0068]
[0069] 设用现有的控制制动系统，房车抱死时的电磁吸力为F3，则有如下公式：
[0070]
[0071] 若电磁吸力F1＝F3，由于r1﹥r3，因此U1﹥U3，说明恒定直流电源U0通过PWM控制器改变方波占空比D调制成等效电压时，电磁吸力为F1时输出的占空比D1比电磁吸力为F3时输出的占空比D3大，而PWM有效值＝峰值×占空比，则可得：
[0072] P有效1＝U0·D1＞U0·D3＝P有效3 (14)
[0073] 通过式(14)可知接入单匝线圈阻值为r1的线圈，与接入现有的单匝线圈阻值为r3的线圈相比，前者使得PWM的有效值较大。
[0074] 同时，由于PWM本身的精度是一定的(PWM精度＝最小占空比÷周期)，假设将PWM周期分为n份，则PWM本身精度为1/n，也就是最小占空比为1/n。分别接入上述两个单匝线圈阻值为r1和r3线圈，由于接入阻值为r1的线圈在输出房车所需最大制动力矩时，其输出的占空比D1大于接入阻值为r3的线圈其输出的占空比D3，而线圈电磁吸力F1＝F3，则可得两者精度关系为：
[0075]
[0076] 由上式可得，接入阻值为r1的线圈，与接入现有的阻值为r3的线圈相比，前者使得PWM控制器对制动力的控制精度得到提高。
[0077] 同理，当房车载重大于轻载m1且小于或等于半载m2时，接入单匝线圈阻值为r2的线圈，其有效值、制动力控制精度相比于现有阻值为r3的线圈要高。不接入单匝线圈阻值为r1的线圈是因为房车半载制动时，其所需的制动力矩较大，接入阻值r1的线圈，即使占空比为100％，即等效电压最大时，其产生的制动力矩也不能达到所需求的制动力矩。
[0078] 当房车载重大于半载m2时，接入单匝线圈阻值为r3的线圈，此时，本发明电磁制动系统与现有的电磁制动系统没有区别，PWM有效值、制动力控制精度是一样的。
[0079] 图5为控制流程图，车辆启动后，制动踏板行程传感器检4测到制动踏板开度信号，载重传感器2检测到载重信号，加速度传感器3检测到减速度信号，电子控制单元ECU6的输入模块接受检测的数据并传送到运算模块；运算模块根据检测的制动踏板开度信号判断汽车是否制动；运算模块根据检测的载重信号判断拖挂式房车载重与阈值m1或m2的大小，将判断运算结果传送到开关控制a、开关控制b、开关控制c；运算模块根据检测的减速度信号，计算出等效电压及电流大小，将运算结果传送到PWM控制模块。
[0080] 当检测到制动踏板开度为零时，即车辆不需制动；可控开关a9、可控开关b10、可控开关c11断开，三个线圈都不通电，电磁体不会产生吸力，即房车不产生制动；当检测到制动踏板开度不为零，即车辆开始制动。
[0081] 检测到载重信号小于或等于阈值m1，即房车1处于空载或轻载状态，则可控开关a9闭合，可控开关b10、可控开关c11断开，线圈a12通电，同时电子控制单元ECU6检测线圈a12是否断电，如果检测线圈a12正常，根据制动踏板开度信号和减速度信号调节PWM输出占空比。PWM控制器8根据检测到的减速度信号大小调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压，使电磁体产生吸力；如果检测线圈a12断路，可控开关b10闭合，可控开关a9、可控开关c11断开，线圈b13通电，同时电子控制单元ECU6检测线圈b13是否断电，如果检测线圈b13正常，PWM控制器8根据检测到的减速度信号大小调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压，使电磁体产生吸力；如果检测线圈b13断路，可控开关c11闭合，可控开关a9、可控开关b10断开，给线圈c14通电，同时电子控制单元ECU6检测线圈c14是否断电，如果检测线圈c14正常，PWM控制器8根据检测到的减速度信号大小调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压，使电磁体产生吸力；如果检测线圈c14断路，则车辆无法制动，警示灯提醒。
[0082] 检测到载重信号大于阈值m1且小于或等于阈值m2，即房车1处于半载状态，则可控开关b10闭合，可控开关a9、可控开关c11断开，给线圈b13通电，同时电子控制单元ECU6检测线圈b13是否断电，如果检测线圈b13正常，PWM控制器8根据检测到的减速度信号大小调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压，使电磁体产生吸力；如果电子控制单元ECU6检测线圈b13断路，可控开关c11闭合，可控开关a9、可控开关b10断开，给线圈c14通电，同时电子控制单元ECU6检测线圈c14是否断电，如果检测线圈c14正常，PWM控制器8就根据检测到的减速度信号大小调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压，使电磁体产生吸力；如果检测线圈c14断路，则车辆无法制动，警示灯提醒。
[0083] 检测到载重信号大于阈值m2，即房车处于满载或超载状态，则可控开关c11闭合，可控开关a9、可控开关b10断开，给线圈c14通电，同时电子控制单元ECU6检测线圈c14是否断电，如果检测线圈c14正常，PWM控制器8就根据检测到的减速度信号大小调节PWM输出占空比，产生相应的等效电压，使电磁体产生吸力；如果检测线圈c14断路，则车辆无法制动，警示灯提醒。
[0084] 以上对本发明所提供的一种用于房车的电磁制动器高精度控制系统及其控制方法进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
