技术领域
[0001] 本实用新型涉及
汽车底盘技术领域中的一种集成电机电控制动系统，尤其是涉及汽车底盘技术领域中的一种补偿式集成电机电控制动系统。
背景技术
[0002] 现代汽车车速不断提高，汽车的制动性直接关系到人们的生命财产安全，良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。现代汽车广泛应用的液压制动系统，主要包括制动
踏板、
制动主缸、
真空助
力器、液压管路、制动器等几部分。驾驶员实施制动时，主要依靠真空助力器助力产生高压
制动液来实现
车轮制动。传统的真空助力制动系统可有效减轻驾驶员驾驶疲劳强度，技术已经非常成熟。但该系统也存在一些问题：机械部件及液压管路复杂，集成ABS、TCS和ESP等功能后，系统结构更加复杂，真空助力器体积庞大，同时真空度取决于
发动机的工况变化，助力大小不能保持稳定，系统响应速度慢。尤其是近年来我国广泛推广的新
能源汽车，由于缺少真空助力源，如采用传统方案，势必增加额外的真空
泵和真空罐等助力源，生产成本高，匹配技术难度大。
[0003] “一种电动助力制动系统”的实用新型
专利（
申请号为200710111537.5，公开号为CN 10132778A，公开日为2008.12.24），该系统结构上需额外增加一种
离合器的匹配设计，系统总体的径向和轴向尺寸均较大，且没有考虑目前广泛应用的ABS、TCS和ESP等主动安全功能的集成问题，电机或减速机构失效后，系统工作的安全可靠性也欠考虑。
[0004] 因此，在保证汽车制动系统具有良好的制动性能的同时，为了进一步简化制动系统的结构匹配设计，降低生产成本、提高系统工作安全可靠性，满足现代汽车要求的制动系统是当前汽车制动系统设计的一个难点。实用新型内容
[0005] 为了克服
现有技术的不足，充分结合未来汽车制动系统的发展需求，本实用新型的目的在于提供一种补偿式集成电机电控制动系统，本实用新型能满足不同车型的制动需求，具有体积小、
质量轻、结构简单、成本低、响应快和通用性好的优点。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案：
[0007] 本实用新型是由制动踏板操作机构、电机执行机构、制动主缸带储油杯总成、液压控制单元、
电子控制单元和电机驱动
控制器组成，制动踏板操作机构与电机执行机构相连，电机执行机构与制动主缸带储油杯总成相连，液压控制单元分别与制动主缸带储油杯总成和各路制动轮缸通过液压油管和接头机械连接，电子控制单元分别与液压控制单元和所述电机驱动控制器
电路连接，电机驱动控制器与电机执行机构电路连接；
[0008] 所述制动踏板操作机构的制动踏板分别与制动
开关、制动踏板
位置传感器和输入
推杆的一端相连，输入推杆的另一端与所述电机执行机构连接。
[0009] 所述电机执行机构是由前端盖、机壳、电机
定子、电机
转子、输入推杆、
柱塞顶杆、防尘套、防尘垫、第一
轴承、第二轴承、第一回位
弹簧、第二回位弹簧、
橡胶衬垫、滚珠
丝杠机构、转子
位置传感器、卡环、橡胶反馈盘、输出推杆、行程回位弹簧和弹簧支座构成；所述滚珠丝杠机构是由丝杠
螺母、丝杠螺杆与滚珠体组成，输入推杆和柱塞顶杆采用球铰连接，所述电机的电机转子为中空结构，电机转子与丝杠螺母可采用键或其他机械连接结构实现动力传输目的，丝杠螺母两端设有第一轴承和第二轴承，第一轴承设置在丝杠螺母的一端与前端盖之间，第二轴承设置在丝杠螺母的另一端与后端盖之间，丝杠螺母安装有第二轴承的一端设有转子位置传感器，丝杠螺杆也采用中空结构，丝杠螺杆内部为不同直径的阶梯孔结构，防尘垫、橡胶衬垫、第一回位弹簧和第二回位弹簧置入丝杠螺杆一端的圆柱孔内，输出推杆和橡胶反馈盘置入丝杠螺杆另一端圆柱孔内，弹簧支座为一个圆形环并设置有环形凹槽，行程回位弹簧大直径端卡套在弹簧支座环形凹槽内并通过
焊接或其他工艺与弹簧支座固连，弹簧支座卡套并固连在后端盖上，丝杠螺杆靠近行程回位弹簧一端的圆环端面设有环形凹槽，环形凹槽内设有若干凹坑，卡环为一圆环也设置有环形凹槽，行程回位弹簧小直径端嵌入卡环的环形凹槽内并通过焊接或其他工艺与卡环固连，卡环嵌入丝杠螺杆的环形凹槽内，卡环外表面设有与丝杠螺杆环形凹槽内的凹坑相等数量的圆柱形或其他形状的凸起，卡环外表面设置的凸起嵌入丝杠螺杆凹槽内的凹坑从而限制卡环与丝杠螺杆的相对转动。
[0010] 所述的液压控制单元是由补偿控
制模块和轮缸压力调节模块组成；所述补偿
控制模块是由
液压泵、泵电机、
蓄能器、安全
阀、
单向阀、蓄能器
压力传感器和补偿
电磁阀组成；所述轮缸压力调节模块是由第一低压蓄能器、第一低压蓄能器常闭电磁阀、第二低压蓄能器、第二低压蓄能器常闭电磁阀、第一压力调节
常开电磁阀、第二压力调节常开电磁阀、第三压力调节常开电磁阀、第四压力调节常开电磁阀和主缸压力传感器构成；所述补偿电磁阀为高速
常闭开关阀或高速常闭线性阀，所述第一低压蓄能器常闭电磁阀、第二低压蓄能器常闭电磁阀为高速开关阀，所述第一压力调节常开电磁阀、第二压力调节常开电磁阀、第三压力调节常开电磁阀和第四压力调节常开电磁阀为高速开关阀或高速线性阀；所述液压泵与泵电机相连并由泵电机驱动液压泵输出高压制动液，液压泵进油口分别与
安全阀出油口和所述制动主缸带储油杯总成的储油杯相连，液压泵出油口与单向阀进油口相连，单向阀出油口分别与蓄能器油口、蓄能器压力传感器油口、补偿电磁阀进油口和安全阀进油口相连，制动主缸的腔出油口分别与第一低压蓄能器常闭电磁阀进油口、第一压力调节常开电磁阀进油口、第二压力调节常开电磁阀进油口和主缸压力传感器油口相连，制动主缸的腔出油口分别与第二低压蓄能器常闭电磁阀进油口、第三压力调节常开电磁阀进油口和第四压力调节常开电磁阀进油口相连，补偿电磁阀出油口分别与制动主缸的腔和腔出油口相连，第一低压蓄能器常闭电磁阀、第二低压蓄能器常闭电磁阀出油口对应与第一低压蓄能器、第二低压蓄能器油口相连，第一压力调节常开电磁阀、第二压力调节常开电磁阀、第三压力调节常开电磁阀和第四压力调节常开电磁阀出油口对应与前左、前右、后左和后右车轮的制动轮缸进油口相连。
[0011] 所述电子控制单元是由中央处理单元、输入
信号采集处理电路、
控制信号输出电路、故障诊断电路和电源模块构成；所述中央处理单元分别与
输入信号采集处理电路、控制信号输出电路、故障诊断电路和电源模块电路连接；所述输入信号采集处理电路分别与主缸压力传感器、蓄能器压力传感器、制动踏板位移传感器、制动开关、
电流传感器、转子位置传感器和电源模块电路连接；所述控制信号输出电路分别与泵电机、压力调节电磁阀、补偿电磁阀、低压蓄能器电磁阀、电源模块和电机驱动控制器的控制电路电路连接；所述故障诊断电路与电源模块电路连接。
[0012] 所述电机驱动控制器是由控制电路、驱动电路和电流传感器构成。
[0013] 与背景技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0014] 1、取消了体积庞大的真空助力器，避免了汽车发动机进气
歧管处真空助力的不
稳定性；
[0015] 2、以
电能作为系统动力源，系统软
硬件匹配设计灵活方便，易于满足不同车型的制动系统需求，符合未来汽车制动系统的发展趋势；
[0016] 3、方便集成ABS、TCS和ESP等功能的同时，大大简化了液压控制单元结构设计；
[0017] 4、采用补偿式制动控制策略，进一步提高了系统响应速度，实现最优控制，降低能耗并有效减少
制动距离；
[0018] 5、失效保护模式时，驾驶员可独立实施制动，确保汽车安全可靠运行；
附图说明
[0020] 图2是本实用新型的机械结构示意图。
[0021] 图3是液压控制单元的结构示意图。
[0022] 图4是行程回位弹簧、卡环和丝杠螺杆装配局部放大示意图。
[0023] 图5是本实用新型之丝杠螺杆左端面视图。
[0024] 图6是本实用新型之卡环的主视图。
[0025] 图7是本实用新型之卡环的侧视图。
[0026] 图8是本实用新型之电机伺服控制原理框图。
[0027] 其中：101-储油杯，102-制动主缸，103-行程回位弹簧，104-第一轴承，105-机壳，106-电机定子，107-电机转子，108-第二轴承，109-前端盖，110-丝杠螺杆，111-防尘套，112-防尘垫，113-制动踏板位置传感器，114-制动开关，115-制动踏板，116-输入推杆，117-第一回位弹簧，118-第二回位弹簧，119-橡胶衬垫，120-转子位置传感器，121-柱塞顶杆，122-丝杠螺母，123-橡胶反馈盘，124-滚珠体，125-输出推杆，126-卡环，127-后端盖，
128-弹簧支座；
[0028] 201-蓄能器压力传感器，202-安全阀，203-蓄能器，204-单向阀，205-液压泵，206-泵电机，207-第二低压蓄能器常闭电磁阀，208-第二低压蓄能器，209-主缸压力传感器，210-第一压力调节常开电磁阀，211-第二压力调节常开电磁阀，212-第一低压蓄能器，
213-第三压力调节常开电磁阀，214-第一低压蓄能器常闭电磁阀，215-第四压力调节常开电磁阀，216-补偿电磁阀。
具体实施方式
[0029] 本实用新型是由制动踏板操作机构A、电机执行机构B、制动主缸带储油杯总成C、液压控制单元D、电子控制单元E和电机驱动控制器F组成，制动踏板操作机构A与电机执行机构B相连，电机执行机构B与制动主缸带储油杯总成C相连，液压控制单元D分别与制动主缸带储油杯总成C和各路制动轮缸通过液压油管和接头机械连接，电子控制单元E分别与液压控制单元D和电机驱动控制器F电路连接，电机驱动控制器F与电机执行机构B电路连接；
[0030] 所述制动踏板操作机构A的制动踏板115分别与制动开关114、制动踏板位置传感器113和输入推杆116的一端相连，输入推杆116的另一端与所述电机执行机构B连接。
[0031] 所述电机执行机构B是由前端盖109、机壳105、电机定子106、电机转子107、输入推杆116、柱塞顶杆121、防尘套111、防尘垫112、第一轴承104、第二轴承108、第一回位弹簧117、第二回位弹簧118、橡胶衬垫119、滚珠丝杠机构、转子位置传感器120、卡环126、橡胶反馈盘123、输出推杆125、行程回位弹簧103和弹簧支座128构成；所述滚珠丝杠机构是由丝杠螺母122、丝杠螺杆110与滚珠体124组成，输入推杆116和柱塞顶杆121采用球铰连接，所述电机的电机转子107为中空结构，电机转子107与丝杠螺母122可采用键或其他机械连接结构实现动力传输目的，丝杠螺母122两端设有第一轴承104和第二轴承108，第一轴承104设置在丝杠螺母122的一端与前端盖127之间，第二轴承108设置在丝杠螺母122的另一端与后端盖109之间，丝杠螺母122安装有第二轴承108的一端设有转子位置传感器120，丝杠螺杆110也采用中空结构，丝杠螺杆110内部为不同直径的阶梯孔结构，防尘垫112、橡胶衬垫119、第一回位弹簧117和第二回位弹簧118置入丝杠螺杆110一端的圆柱孔内，输出推杆125和橡胶反馈盘123置入丝杠螺杆110另一端圆柱孔内，弹簧支座128为一个圆形环并设置有环形凹槽，行程回位弹簧103大直径端卡套在弹簧支座128环形凹槽内并通过焊接或其他工艺与弹簧支座128固连，弹簧支座128卡套并固连在后端盖127上，丝杠螺杆110靠近行程回位弹簧103一端的圆环端面设有环形凹槽，环形凹槽内设有若干凹坑，卡环126为一圆环也设置有环形凹槽，行程回位弹簧103小直径端嵌入卡环126的环形凹槽内并通过焊接或其他工艺与卡环126固连，卡环126嵌入丝杠螺杆110的环形凹槽内，卡环126外表面设有与丝杠螺杆110环形凹槽内的凹坑相等数量的圆柱形或其他形状的凸起，卡环126外表面设置的凸起嵌入丝杠螺杆110凹槽内的凹坑从而限制卡环126与丝杠螺杆110的相对转动。
[0032] 所述的液压控制单元D是由补偿控制模块和轮缸压力调节模块组成；所述补偿控制模块是由液压泵205、泵电机206、蓄能器203、安全阀202、单向阀204、蓄能器压力传感器201和补偿电磁阀216组成；所述轮缸压力调节模块是由第一低压蓄能器212、第一低压蓄能器常闭电磁阀214、第二低压蓄能器208、第二低压蓄能器常闭电磁阀207、第一压力调节常开电磁阀210、第二压力调节常开电磁阀211、第三压力调节常开电磁阀213、第四压力调节常开电磁阀215和主缸压力传感器209构成；所述补偿电磁阀216为高速常闭开关阀或高速常闭线性阀，所述第一低压蓄能器常闭电磁阀214、第二低压蓄能器常闭电磁阀207为高速开关阀，所述第一压力调节常开电磁阀210、第二压力调节常开电磁阀211、第三压力调节常开电磁阀213和第四压力调节常开电磁阀215为高速开关阀或高速线性阀；所述液压泵205与泵电机206相连并由泵电机206驱动液压泵205输出高压制动液，液压泵205进油口分别与安全阀202出油口和所述制动主缸带储油杯总成C的储油杯101相连，液压泵205出油口与单向阀204进油口相连，单向阀204出油口分别与蓄能器203油口、蓄能器压力传感器201油口、补偿电磁阀216进油口和安全阀202进油口相连，制动主缸102的a腔出油口分别与第一低压蓄能器常闭电磁阀214进油口、第一压力调节常开电磁阀210进油口、第二压力调节常开电磁阀211进油口和主缸压力传感器209油口相连，制动主缸102的b腔出油口分别与第二低压蓄能器常闭电磁阀207进油口、第三压力调节常开电磁阀213进油口和第四压力调节常开电磁阀215进油口相连，补偿电磁阀216出油口分别与制动主缸102的a腔和b腔出油口相连，第一低压蓄能器常闭电磁阀214、第二低压蓄能器常闭电磁阀207出油口对应与第一低压蓄能器212、第二低压蓄能器208油口相连，第一压力调节常开电磁阀210、第二压力调节常开电磁阀211、第三压力调节常开电磁阀213和第四压力调节常开电磁阀215出油口对应与前左、前右、后左和后右车轮的制动轮缸进油口相连。
[0033] 所述电子控制单元E是由中央处理单元、输入信号采集处理电路、控制信号输出电路、故障诊断电路和电源模块构成；所述中央处理单元分别与输入信号采集处理电路、控制信号输出电路、故障诊断电路和电源模块电路连接；所述输入信号采集处理电路分别与主缸压力传感器、蓄能器压力传感器、制动踏板位移传感器、制动开关、电流传感器g、转子位置传感器和电源模块电路连接；所述控制信号输出电路分别与泵电机、压力调节电磁阀、补偿电磁阀、低压蓄能器电磁阀、电源模块和电机驱动控制器F的控制电路电路连接；所述故障诊断电路与电源模块电路连接。
[0034] 所述电机驱动控制器F是由控制电路、驱动电路和电流传感器g构成；
[0035] 根据图1、图2、图3和图7所示，本实用新型的工作过程具体说明如下：
[0036] 在驾驶汽车的过程中，驾驶员经常会遇到各种复杂多变的工况，根据各种不同车况，需要驾驶员及时合理地对汽车实施各种制动操作，比如缓慢轻度制动、缓慢中度制动、汽车高速运行时短时间紧急制动减速和长时间紧急制动停车等。当本实用新型处于正常工作状态时，驾驶员开始踩下制动踏板对汽车实施制动会触发两个事件：（1）制动踏板推动输入推杆和柱塞顶杆前移，柱塞顶杆前移逐渐消除和橡胶反馈盘之间的间隙后，
挤压橡胶反馈盘产生作用力；（2）电子控制单元E开始检测到制动踏板位置传感器信号，电子控制单元E根据此信号控制电机驱动控制器F输出控制
电压驱动电机旋转带动丝杠螺杆前移，丝杠螺杆挤压橡胶反馈盘产生作用力。在触发上述两个事件之后，驾驶员可能解除制动，也可能继续实施制动。如果驾驶员释放制动踏板解除制动，橡胶反馈盘、丝杠螺杆、柱塞顶杆和输入推杆等在各种回位反力的作用下快速恢复到彻底解除制动作用的初始状态；如果驾驶员继续踩踏制动踏板实施制动，电子控制单元E会不断地检测制动踏板位置传感器、电流传感器g、主缸压力传感器等控制信号，控制电机驱动控制器F输出控制电压控制电机通过丝杠螺母带动丝杠螺杆动作，快速准确地跟随驾驶员踩踏制动踏板的速度、位移和力度，实现丝杠螺杆和柱塞顶杆共同挤压橡胶反馈盘推动输出推杆进而推动
活塞m，活塞m挤压制动液推动活塞n，进而实现理想的电机和驾驶员共同施加推动力作用于活塞m、活塞n的目的，输出准确可控的制动液压力使汽车减速或者停车。实施或解除制动过程中，为了使丝杠螺杆快速准确地跟随驾驶员踩踏或释放制动踏板的速度、位移和力度，电子控制单元E根据所
采样的制动踏板位置传感器、电流传感器g、主缸压力传感器的信号，可以采用电机三环控制
算法或其他控制方法控制电机驱动控制器F输出控制电
压实现对电机转子实现精确
定位。
[0037] 现有很多电机控制系统采用单环控制，很难同时满足系统的快速性、稳定性与准确性要求。本实用新型采用TMS320F2812型DSP为主控
制芯片，采用EPM3128ATC100-10实现电机的逻辑换相与速度计算，实现了控制系统的电流环、速度环、压力（电机转子位置）环的三环控制。下面将进一步说明本实用新型采用电机三环控制算法实现快速精确调节制动主缸输出压力的基本工作原理。
[0038] 电机三环控制系统的基本工作原理为：控制器的最内环为电流环，次内环为速度环，最外环为压力（位置）环，该三环控制算法以压力（位置）调节为最终目标。在实施或解除制动的过程中，电机驱动控制器F与电子控制单元E进行实时通信，电子控制单元E不断采样接收电机转子位置反馈信号、电枢电流反馈信号、电机转子速度反馈信号、制动踏板位置传感器信号后，经过计算得到制动主缸的期望输出压力值和电机转子的期望位置值。然后，根据电机转子的期望位置值和电机转子位置反馈值的偏差值，电子控制单元E计算得到电机转子的期望速度值，它与电机转子速度反馈值的偏差经调节后形成期望电流，它与采样计算电流传感器g信号得到的电流反馈值的偏差经调节后输出电机驱动控制器F的控制电压，从而驱动电机带动丝杠螺杆快速精确跟随驾驶员踩踏制动踏板的速度、位移和力度，最终实现快速精确调节制动主缸输出压力的目的。
[0039] 下面针对本实用新型系统结构具体说明本实用新型实现常规制动、ABS、TCS或ESP等功能的工作过程。
[0040] 常规制动工况：常规制动过程中，系统未触发ABS、TCS或ESP等主动控制功能，用于控制调节制动轮缸压力的各制动轮缸压力调节常开电磁阀断电处于开启状态。驾驶员踩下制动踏板实施制动，电子控制单元E迅速检测到制动开关、制动踏板位置传感器信号，从而
感知到驾驶员的制动意图。于是，电子控制单元E控制电机驱动控制器F驱动电机带动丝杠螺杆快速精确跟随驾驶员踩踏制动踏板的速度、位移和力度，电机和驾驶员共同对活塞m施加作用力，活塞m在电机、驾驶员、液压负载和活塞回位弹簧等的作用力的共同作用下作前进或后退运动；制动主缸a腔、b腔分别输出或流回的制动液经各自制动管路、压力调节常开电磁阀进入或排出制动轮缸，实现制动轮缸的常规制动增减压功能，使汽车减速或者停车。
[0041] ABS、TCS或ESP等工况：汽车行驶中经常会遇到各种复杂工况，例如：在湿滑或
冰雪等低附着路面上，高速行驶中突然实施较强制动、起步
加速或高速转弯等工况下，汽车很可能发生车轮抱死拖滑、
驱动轮滑转或偏离车道行驶等危险情况，这时系统将迅速触发ABS、TCS或ESP主动安全控制功能。ABS、TCS或ESP功能被触发后，电子控制单元E通过实时采集处理汽车纵向和侧向加速度、横摆
角速度、质心
侧偏角、轮速等信号以识别汽车当前的运行状态，实时输出各种控制信号控制电机、补偿电磁阀、低压蓄能器电磁阀、各制动轮缸的压力调节常开电磁阀等完成制动轮缸的
增压、保压和减压调节。
[0042] 采用当前应用广泛的各种压力调节控制算法都可以实现各路制动轮缸压力的快速有效控制，但是控制效果可能会存在较大差别。基本控制规则为：（1）系统设定减压调节具有最高优先级，即当电子控制单元E判断得出某一控制周期内有一路或多路轮缸需减压时，首先满足它们的减压需求；（2）全部制动轮缸都无减压需求时，根据汽车实时运行状态使各制动轮缸保压或增压；（3）某一路或多路制动轮缸减压时，电子控制单元E同时输出多路控制信号控制电机迅速反转带动丝杠螺杆后退、需减压制动轮缸的压力调节常开电磁阀断电开启和低压蓄能器常闭电磁阀上电开启，需减压制动轮缸内制动液经过制动管路、对应压力调节常开电磁阀、低压蓄能器常闭电磁阀先进入低压蓄能器内，然后流入制动主缸内，快速完成对应制动轮缸的减压循环，制动轮缸之间的不同减压流量调节通过控制电磁阀平均开启时间长短来实现，其它无减压需求的制动轮缸在此过程中实施保压，特别需要指出的是，减压过程中，由于电机反转带动丝杠螺杆后退，丝杠螺杆内部阶梯孔结构会限制柱塞顶杆继续前移的运动，驾驶员此时会感觉到类似于常规制动系统ABS工作过程中的“顶脚”的感觉；（4）某一路或多路制动轮缸增压时，电子控制单元E控制电机迅速正转带动丝杠螺杆快速前移，同时补偿常闭电磁阀上电开启，对应制动轮缸的压力调节常开电磁阀断电开启、低压蓄能器常闭电磁阀断电关闭，蓄能器和制动主缸中的高压制动液迅速进入增压管路通道，不同制动轮缸之间的增压流量调节通过控制对应的压力调节常开电磁阀的开启时间来完成，其他无增压需求的制动轮缸实施保压控制，根据汽车实时运行状况，也可控制泵电机的通断实现制动轮缸增压时不同压力梯度的精细控制，蓄能器中的高压制动液用于补偿增压管路制动液的流量，以解决电机带动丝杠螺杆前移过程中可能出现的制动主缸中制动液输出流量不足的问题，这样可以大大提高系统的响应速度和复杂工况控制算法的灵活性，显著降低系统功耗。
