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汽车主动安全控制系统之EBD综述

摘要

随着汽车工业的飞速发展和高速公路的迅速延伸,汽车的行驶速度越来越快,对汽车行驶安全性的要求也愈来愈高,改善汽车的制动性能始终是汽车设计、制造部门的重要任务。

汽车的安全性能分为主动安全性能和被动安全性能。

汽车电子制动力分配控制系统EBD属于汽车主动安全控制系统的一种。

它是在汽车防抱死制动系统ABS的基础上发展起来的。

配合ABS很好地提高了汽车的安全性能。

因此本文首先从汽车主动安全控制系统着手，对主动安全性能和被动安全性能的区别，主要的主动安全控制系统进行简述。

然后对EBD进行详细的介绍。

从研究EBD的意义，到EBD与ABS的关系，再到EBD的组成和工作原理。

最后，在此基础上总结了EBD的发展过程和研究现状，对EBD目前最新的研究有了一定的认识。

关键词：

主动安全控制系统EBD电子控制器分级控制

第一章汽车主动安全控制系统概述

1.1汽车主动安全控制系统定义

1.2主动安全与被动安全的区别

1.3主要有哪些汽车主动安全控制系统

1.4研究主动安全控制系统的意义

第二章EBD概述

2.1研究EBD的目的

2.2EBD与ABS的关系

2.3EBD的组成及工作原理

2.3.1EBD的组成

2.3.2EBD电子控制器的硬件和软件

2.3.3EBD的软件控制及控制执行

第三章EBD的发展及研究现状

3.1EBD的发展

3.2EBD的研究现状

参考文献

汽车主动安全控制系统之

——电子制动力分配系统总述

一，汽车主动安全控制系统概述

1.汽车主动安全控制系统的涵义：

汽车主动安全控制系统指以提高汽车的主动安全性能为主要目标的控制系统。

可理解为“防患于未然”。

重点是将车轮悬架、制动和转向的性能达到最好的程度,尽量提高汽车行驶的稳定性和舒服性,减少行车时所产生的偏差。

比如为了避免汽车紧急制动时车轮抱死发生危险事故而设计的ABS防抱死控制系统。

我们要和被动安全控制系统区别开来。

2.主动安全控制系统与被动安全控制系统的区别：

汽车的安全性能分为主动安全性能和被动安全性能。

主动安全性能是指车辆防止事故发生的能力，主要依靠车辆底盘性能和相应避免事故发生的装置，例如制动、防滑、防燃、防撞、限速、报警、照明等。

被动安全性能是指车辆在事故发生时大幅减低碰撞强度的功能，以最大程度保护乘客，尽可能避免重大伤亡事故。

其主要依靠车身的抗变形和相应的安全措施，如车身强度、吸能结构、座椅强度、内部设施强度、安全带、逃逸出口、阻燃防毒内饰、消防设施等。

被动安全控制系统提高了汽车的被动安全性能。

比如当汽车发生交通事故后安全气囊的自动开启就属于被动安全控制。

3.常见的主要主动安全控制系统简介：

汽车电子技术和计算机技术的深入发展促使主动安全系统越来越多。

既有防抱死制动系统ABS、制动辅助系统BAS、驱动防滑装置ASR、电子制动辅助系统EBA、电子稳定程序ESP等传统主动安全系统，也有车辆偏离警告系统、驾驶辅助系统、碰撞规避系统、监测系统、自动驾驶公路系统等智能交通主动安全系统。

这些主动安全系统主要采用先进的传感器技术、机器视觉技术、雷达技术、GPS导航与电子地图技术、计算机综合控制技术、车载通信技术等关键性技术。

汽车主动安全对策主要涉及汽车的制动性、动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性、信息性等方面。

4.研究汽车主动安全控制系统的意义

随着人们物质生活水平的提高,汽车保用量以惊人的速度增长,但交通事故发生量也随之增加。

汽车碰撞安全已经引起人们的高度重视,如何改进技术,减少汽车的损耗和驾乘人员的伤亡,已经引起了汽车行业内的关注。

汽车主动安全控制系统不仅能够积极主动避免安全事故发生的性能，提高了预防安全事故发生的能力。

而且可以帮助驾驶者在轻松和舒适的驾驶条件下避免事故的发生。

因此，各大公司和研究机构加大了对汽车主动安全控制系统的研究。

二，汽车电子制动力分配系统EBD概述

对于汽车的安全性能方面，最主要的属于制动性能方面，制动性能的好坏在很大程度上决定了汽车安全性能的高低。

最初的关于主动安全控制系统的研究就是从提高制动性能开始的。

因此，制动安全控制系统已经得到了很大程度的发展。

关于制动性方面的主动安全控制系统主要有有防抱死制动系统ABS，电子液压制动系统EHB，电子制动力分配系统EBD，驱动防滑转控制系统ASR等。

1.研究EBD的目的

汽车制动稳定性直接影响到汽车安全，而制动稳定性与制动时车轮是否抱死以及前后车轮的抱死顺序密切相关。

前轮抱死车辆将失去转向能力，后轮抱死则会发生侧滑甚至甩尾，后果更严重。

理想的前后桥制动力分配曲线（简称I线）如图2-1所示，它只与汽车的总重及质心位置有关，因此空载和满载时的I曲线是不同的。

实际上前后桥上的制动力分配是由前后制动器的大小决定的，因此它只能是一条直线即β线。

图2-1汽车前后桥制动力分配曲线

传统的汽车制动系统通常都通过在前后轴制动管路间增加一个比例阀来限制后轴的制动力，以避免制动时后轮先发生抱死侧滑，从而获得如下图所示的制动力分配曲线，但后桥的附着利用率仍然不是最好，其附着损失见图2-2中阴影部分

图2-2带比例阀的前后桥制动力分配曲线

EBD采用电子技术替代传统的比例阀来控制汽车液压制动系统的前后桥制动力分配，其基本思想:

尽可能增大后轮制动力，由传感器监测车轮的运动情况，一旦发现后轮有抱死趋势，电子控制器控制液压制动器降低制动压力。

由于EBD调节频率高、调节幅度小、控制精确，可使β线始终位于I线下方且无限接近于I线（图2-3所示）。

因此EBD在保证制动稳定性的同时，使后轮获得了最大制动力，从而提高了整车的制动效能。

图2-3带EBD的前后桥制动力分配曲线

2.EBD与ABS的关系及优点：

汽车制动防抱死系统（ABS）和电子制动力分配系统（EBD）在汽车上的开发成功,使汽车的制动性能得到质的飞跃。

ABS解决了汽车紧急制动时附着系数的利用，并可获得较好的制动方向稳定性及较短的制动距离，然而它不能解决制动系统中的所有缺陷。

在车轮滑移率还没有达到ABS的控制范围时，作用在四个车轮上的制动压力同时一致增大，然而前后车轮上的垂直载荷发生了转移，前后车轮达到最佳滑移的时间并不一致，这时ABS系统对地面附着力的利用并没有达到最大。

因此ABS就进一步发展衍生出了电子制动力分配系统（EBD）。

EBD是ABS的一种辅助系统，在ABS系统的基础上增加了功能。

装载有EBD的汽车性能要远高于只有ABS的汽车，见图2-4。

图2-4有无EBD时车辆制动性能对比图

EBD相对于ABS并没有任何硬件上的附加，而只是控制程序、功能上的优化与增强，甚至可以说EBD是ABS衍生出的辅助功能，通过改进，增强ABS电脑软件控制逻辑，使运算功能更复杂，在一些汽车的产品说明书上就是以“ABS+EBD”来标明。

汽车工程师们除了在编著电脑运算程序时需增加一定的控制程序之外，并没有过多的硬件投入。

EBD在制动时能根据车辆各个车轮的运动状态，智能分配各个车轮制动力大小，以维持车辆在制动状态下的平稳与方向。

而且，即使ABS失效，EBD也能保证车辆不会出现因甩尾而导致翻车等恶性事件的发生。

EBD在汽车制动时即开始控制制动力，而ABS则是在车轮有抱死倾向时开始工作。

ABS与EBD都是对作用在车轮上的力矩进行控制，能防止车轮相对于路面发生滑动，以充分利用路面的附着系数，防止因左右道路附着系数不同而造成附加转向力矩引起车辆方向失控。

虽然ABS能够保证后轮的稳定性，但是ABS作用时的舒适性差。

而EBD只采用滑移率，相对ABS来说EBD的滑移率门槛值更低一些（如图2-5所示），制动压力调节的升压及降压梯度明显低一些，且优先考虑持压。

其结果是制动液消耗少，且由于电磁阀工作少，液压泵不工作，因而噪声小，制动舒适性好，故有“高舒适性的后桥ABS”之称。

EBD的优点还在于在不同的路面上都可以获得最佳制动效果，缩短制动距离，提高制动灵敏度和协调性。

EBD另外一个特性就是它的随动性。

当车辆的载重或乘员数发生变化时，EBD仍能根据各个车轮车速传感器采集的信号，主动、适时、合理地进行制动力的“智能”分配，从而保证制动过程中车辆的直线行驶状态和车身的稳定性，让危险夭折于萌芽状态。

图2-5纵向力及侧向力与滑移率关系曲线图

2.EBD的组成及工作原理

2.1EBD的组成

EBD系统由转速传感器、电子控制器和液压执行器三部分组成。

转速传感器安装在4个车轮上，检测车轮转速。

液压执行器主要由控制后桥压力的常开阀，常闭阀和低压蓄能器组成，低压蓄能器的作用是暂存降压时所排出的制动液。

电子控制器接收转速信号，根据这些信号计算车辆的参考速度及滑移率，当识别出后轮有抱死趋势即滑移率大于某一个值时，控制器向液压执行器中的电磁阀发信号，使后轮制动力降低，以保证后轮不会抱死。

EBD压力调节过程分为升压、保压和降压三个阶段。

制动时通过助力器制动主缸建立制动压力，此时常开阀打开、常闭阀关闭，制动压力进入车轮制动器，车轮转速迅速降低，直到电子控制器识别出车轮有抱死趋势为止。

当电子控制器识别出车轮有抱死趋势时，电子控制器即关闭常开阀，此时常闭阀亦处于关闭状态，系统进入低压阶段，若此时后轮仍有抱死趋势，则进入降压状态，此时常开阀关闭，常闭阀打开，车轮压力降低。

降压所排出的制动液暂存在低压蓄能器中。

制动结束后，制动踏板松开，制动主缸内的制动压力为零。

此时再次打开常闭阀，低压蓄能器中的制动液经常闭阀、常开阀中的中单向阀返回制动主缸，低压蓄能器排空，为下一次电子制动力分配调节做好准备。

2.2电子控制器的硬件和软件

图2-6EBD电子控制器硬件组成框图

图2-6中电源变压器把汽车电源电压12V变为处理器用的5V电压。

转速传感器信号经滤波后由触发器把正弦波模拟信号变为一系列的矩形波脉冲信号。

在本设计中采用了两个微处理器（处理器I和处理器II）,这是考虑到汽车制动系统为主动安全件,因而采用了冗余设计。

两个处理器以相同的控制逻辑进行控制运算,仅当两处理器的输出结果完全一致时才会向电磁阀驱动电路送控制信号,同时电磁阀的监控信号通过电磁阀信号反馈电路送回处理器,以确保电磁阀工作在有效状态。

两个处理器互相间有数据交换以实现相互监控。

两个看门狗结构完全相同,但彼此独立运行,全过程监控处理器中的程序运行、控制处理器的初始化、识别过压及欠压故障,并在发现功能故障时通过电源驱动电路断开电源负极。

一旦发现故障情况,警告灯驱动电路就会点亮警告灯。

2.3EBD的软件控制及控制执行

图2-7EBD软件控制逻辑框图

参考车速：

电子制动力分配系统的输入信号为车轮速度信号,而控制输入为滑移率。

为此须根据轮速信号计算出车辆的参考速度和滑移率。

控制阶段识别及其门槛值：

图2-8阶段识别及门槛值

图中圆圈中的数字分别代表：

1——S＞△1km/h时，进入控制；7——S＞△1km/h时，进入控制；

2——退出控制；8——S＞△2km/h时，进入控制；

3——S＜△2km/h时，进入控制；9——S＞△2km/h时，进入控制；

4——S＞△2km/h时，进入控制；10——退出控制；

5——S＜△3km/h时，进入控制；11——退出控制；

6——S＞△2km/h时，进入控制；

上式中△1，△2，△3分别代表不同的门槛值。

其中:

初始进入条件为制动减速度大于ag。

退出控制条件为制动灯开关信

号由“1”变“0”或电子制动力分配功能连续工作t1ms。

控制阶段执行：

阶段执行中使用由电子制动力控制逻辑计算出来的阶段信息和控制条件,计算哪一个阀制动,制动时间多长,两个压力调节动作之间休息多长时间。

（1）阶段0的执行：

无抱死趋势,常开阀打开,常闭阀关闭,压力直线上升。

（2）阶段1的执行：

后轮有轻微抱死趋势,常开阀、常闭阀均关闭,压力保持

不变。

这是电子制动力分配控制逻辑中优先考虑的阶段,因为它没有噪声,也不消耗制动液。

（3）阶段2的执行：

车轮有抱死趋势,常开阀持续关闭,常闭阀脉冲通电。

通

电时间一般取t2ms,间歇时间由Vc及s算出。

降压停止条件为电子制动力分配功能进入条件,即车轮减速度小于a·g。

（4）阶段3的执行：

车轮稳定,无抱死趋势,常开阀脉冲通电,常闭阀持续关闭,脉冲升压,升压梯度为:

通电t2ms间歇t3ms。

ABS与EBD都是对作用在车轮上的力矩进行控制，能防止车轮相对于路

而发生滑动，以充分利用路面的附着系数，防止因左右道路附着系数不同而造成附加转向力矩引起车辆方向失控。

前面已经详述了EBD与ABS的关系，我们知道电子制动力分配是在ABS的基础上发展起来的一种新功能。

虽然ABS能够保证后轮的稳定性，但是ABS作用时的舒适性差。

而EBD只采用滑移率，不采用车轮减速度来检测车轮的抱死趋势，相对ABS来说，EBD的滑移率门槛值更加低一些，制动压力调节的升压及降压梯度明显低一些，且优先考虑保压。

其结果是制动液消耗少由山于电磁阀工作少，液压泵不工作，因而噪声小，制动舒适性好。

三，EBD的发展过程及研究现状

1.EBD的发展过程

因为电子制动力分配EBD是在防抱制动系统（ABS）的基础上发展起来的一种新的功能。

所以它不需要增加任何硬件，只需通过软件即可实现。

当更精确，高级的控制策略出现时，只需要进行软件方面的升级即可。

非常方便。

EBD的发展是关于控制策略的升级。

在EBD的发展初期，EBD的算法主要针对单一工况,适用性差。

比如利用滑移率进行控制的方法;利用前后轮滑移率差值进行控制的方法。

但这两种算法仅使用滑移率作为控制参数,门限种类单一，适用于轮速传感器不出现故障及车速估计准确的情形,且没有区分EBD的各种工况,算法的功能不完善，不能充分利用地面的附着条件,，不能完全保证制动过程的稳定性。

随着技术的发展，出现了转向时基于汽车动力学和轮胎模型的电子制动力分配策略的方法，但这种算法复杂,难以实现,且仅针对转向的工况。

后来又提出了一种基于制动减速度和滑移率的综合控制方法,主要采用后轮的滑移率进行控制,使后轮的滑移率跟踪前轮的滑移率,并且始终小于且接近于前轮的滑移率。

这种算法主要通过前后轮滑移率的比值对制动过程进行控制,算法计算量大,对滑移率的精度要求高,且没有区分制动系统故障的工况,这种工况下将很难准确控制后轮制动压力。

还有针对EBD的控制功能,将其工况分为:

轻制动、强制动和ABS故障3种的方法。

针对3种工况,采用基于轮加速度和滑移率的控制策略,通过增压、减压和保压调整轮缸制动压力,保证行车稳定性,同时最大限度利用路面附着条件。

最后,对控制策略进行仿真和硬件在回路测试,结果表明所设计的控制策略满足功能要求。

2.EBD的研究现状

目前对EBD的控制大都采用逻辑门限法等单一控制方式，难以消除复杂制动条件对控制系统的影响;或采用轮速、压力等多种传感器获取信号，通过大量试验进行匹配研究，开发周期长。

而EBD产品为提高性价比，往往只用轮速传感器来获取制动信息，这给EBD控制设计增加了困难。

汽车制动初期，各轮正压力、地面附着系数、摩擦力等都不尽相同，使得各轮速、滑移率等都有不同程度的变化，但很难为这些变化建立完整模型。

从轮胎与地面接触的力学特性着手，对EBD的控制任务进行划分，用不依赖于精确模型的分级控制解决EBD较为复杂的控制问题。

在运行级，设计了基于单轮参考滑移率和轮减速度的模糊智能控制器来计算各轮的预分配制动力。

在组织协调级，设计出基于模糊推理的整车制动力协调控制器，根据各轮参考滑移率的差异对各轮预分配制动力进行调整。

由此而设计的汽车EBD分级控制系统，见图3-1。

控制级的4个局部模糊控制器分别计算4个车轮的预分配制动力;协调级中的协调控制器对各预分配制动力进行调整，让整车各轮得到最佳的制动力分配。

图3-1EBD的分级控制系统框图

在分析汽车EBD分级控制系统之前，我们需要充分分析车辆制动时轮胎与地面接触的力学特性。

（1）车辆制动模型的建立

车辆采用单轮模型，轮胎采用以最佳滑移率为界的双线性模型，制动器模型简化为一阶积分器，考虑到制动系统的特性，增加延时和比例环节。

（2）参考车速和参考滑移率的计算

根据轮速传感器的信号来计算参考车速，对实现EBD控制至关重要，且这种方法要具有通用性。

研究实验中得到多种车辆ABS的大量轮速变化曲线，经数据处理分析，发现在车轮不抱死的前提下，采用不同轮胎的不同车辆在各种路面制动时，轮速曲线变化的基本规律是一致的。

根据制动压力、轮速和地面附着力的关系，可将轮速变化分为增压、减压和保压3种状态区间，轮速变化过程反映了制动过程中轮胎与地面接触的力学特性:

制动开始时，车速较高且与轮速一致，为缩短制动时间需加大制动力，此时轮速下降率最大;随着轮速的迅速下降，为防止车轮抱死需减小制动压力，导致轮速下降率变小;若继续减压，将不利于充分利用路面的附着系数进行制动，因此需要采用保压方式，但保压过久轮速会有回升趋势，当回升到一定程度时，又开始下一个制动周期。

由此，提出一种取轮速峰峰值之间的连线来求解参考车速的一般计算方法。

画法如图3-2.

图3-2峰值连线法求解参考车速

从图3-2可知，由于在轮速峰值点处，车轮压力位于保压和增压的交界点，轮速回升到局部最高，为区间极大值，此轮速峰值最可能与当前车速接近，是用

来求解参考车速的最佳点，进而求得最佳的参考滑移率。

装有ABS的汽车在制动初期给各轮预分配的制动力（矩）是一定的。

但各车轮角减速度难以相同，会导致各车轮线减速度不同。

另外，各轮的（参考）滑移率是否超过一定的范围也是体现车轮是否抱死的重要依据。

因此，在ABS起作用前应对车轮的制动力进行调整控制，而参考滑移率、车轮减速度和制动力之间的变化是相互影响的，但很难建立相应模型。

模糊推理适合于参数具有时变性且难以建立精确模型的对象，可用它来设计单轮制动力控制算法。

以参考滑移率为主，辅以车轮线减速度，作为模糊控制器的输入变量，预分配制动力作为输出变量。

参考滑移率的模糊子集为S，相应的语言值为（零ZE，正小PS，正中PM，正大PB，正最大PL），车轮线减速度的模糊子集为V，相应的语言值为（负最大NL，负大NB，负中NM，负小NS，零ZE）。

预分配制动力Fb的模糊子集为U，模糊语言值同参考滑移率。

研究表明，在ABS起作用以前，若分配给各轮的制动力能够使四个车轮同时抱死是最理想的。

汽车制动时，由于各轮与路面附着系数和制动力的不同，会使得各轮的参考滑移率产生变化而具有差异，因此必须对制动初期前后轮滑移率和左右轮滑移率进行比较，以调整各轮制动力，使各轮有相同参考滑移率以达到同步抱死的目的。

由于各轮参考滑移率变化关系复杂而难以建立精确模型，仍采用模糊推理来协调各轮预分配制动力的关系。

实验表明采用EBD分级控制的方法EBD分级控制能够在ABS控制起作用前协调整车制动力分配，充分利用了车轮和地面之间的附着力，让各轮的抱死趋于一致而具有良好的整车制动平稳性，是一种较为有效的新的EBD控制方法，可解决整车制动力分配问题。

它抓住了汽车制动初期的本质特征，只需要检测4个车轮的轮速，不需要精确的汽车制动动力学模型，降低了模型的不确定性对EBD系统的影响，可提高开发效率。

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