双冗余全解耦的线控制动系统

1.本技术涉及汽车控制技术领域，特别涉及一种双冗余全解耦的线控制动系统。


背景技术：

2.汽车制动系统是实现汽车制动控制的直接设备，在汽车稳定性和安全性方面发挥着至关重要的作用。随着自动驾驶技术的不断发展，汽车主动安全的实现成为可能，亟需一种能够与驾驶员解耦，实现主动制动的制动系统。并且在控制精度、响应时间方面的要求越来越高。
3.现有方案：全解耦式制动器。博世公司、大陆公司、采埃孚、天合等公司均有相关产品。如图1所示，该方案将主动制动与稳定性控制集成在了全解耦式制动器中，并且实现了驾驶员和制动轮缸的完全解耦。该方案在正常制动期间，控制器通过对电磁阀的控制将驾驶员的踏板机械/液压地与踏板模拟器相连，并驱动主动液压源产生制动压力来控制轮缸，实现了解耦。
4.该方案的缺点在于：1)安全冗余程度较低。一旦发生液压源故障、电源故障等关键部件的故障，将完全失去主动制动能力，需要由驾驶员来完全提供制动力。对于力量较小的驾驶员来说，驾驶难度和危险性陡增。2)制动主缸的制动液储备有限，在abs等需要快速降压和增压的控制期间，很容易造成补液量不够。现有的控制方法十分复杂且时间间隔长，影响abs等控制效果。3)由于主缸体积和电机功率/扭矩的限制，全解耦式制动器产品的匹配范围有限，面对不同的车型通用性不高。


技术实现要素：

5.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本技术的目的在于提出一种双冗余全解耦的线控制动系统，该系统可以实现无差别的冗余制动安全，当主电机失效时，备份电机可以立即接管，在需要补液的情况下，可以启动补液模式，双电机同时作用，增加驱动扭矩，缩短补液时间。
7.为达到上述目的，本技术实施例提出了一种双冗余全解耦的线控制动系统，包括：用于驾驶员进行制动的制动踏板，其中，所述制动踏板与制动轮缸无连接；脚感模拟器，与所述制动踏板连接，用于提供制动力和阻尼模拟；冗余踏板行程传感器，与所述制动踏板连接，用于驾驶员制动时感应所述制动踏板的行程信号；储液罐，用于存储制动液；四个制动轮缸，分别用于对四个车轮进行制动；液压源，所述液压源包括同轴连接的主电机和副电机，根据不同的制动模式控制所述主电机和所述副电机制动，所述液压源进液口与所述储液罐管道连接，出液口与所述四个制动轮缸管道连接，所述管道上设置有多个单向阀门，单向阀门打开时，所述液压源向所述制动轮缸输出制动液进行制动；所述储液罐与所述制动轮缸管道连接，管道上设置有多个单向阀门，单向阀门打开时，所述制动液流回所述储液罐；控制器，用于将所述制动踏板的行程信号转化为电机执行指令，根据所述电机执行指令控制所述液压源的电机输出相应的液压压力。
8.另外，根据本技术上述实施例的双冗余全解耦的线控制动系统还可以具有以下附加的技术特征：
9.可选地，在本技术的实施例中，所述液压源进液口与所述储液罐之间的管道上设置单向阀门。
10.可选地，在本技术的实施例中，所述液压源出口处设置双冗余压力传感器，用于矫正液压源动作。
11.可选地，在本技术的实施例中，所述四个制动轮缸处分别设置压力传感器，用于检测所述四个制动轮缸的当前制动压力。
12.可选地，在本技术的实施例中，所述液压源包括：
13.液力块，所述主电机和所述副电机通过螺栓安装在所述液力块的两侧；
14.一个集成在所述液力块上的电机主缸；
15.双丝杠活塞，所述双丝杠活塞两侧分别固定一个丝杠，用于和两个相对布置的所述主电机和所述副电机连接；
16.两个集成于电机转子中的滚柱丝杠机构；
17.两个相同的电机主缸密封盖；
18.两个用于防止活塞周向旋转的十字形止挡柱；
19.两套电源以及两个控制器。
20.可选地，在本技术的实施例中，所述制动模式为标准制动模式，控制所述主电机和所述副电机制动，包括：所述主电机单独工作，所述副电机三相线接地防止产生磁阻，增压时，所述主电机正方向旋转，补液时，所述主电机反方向旋转。
21.可选地，在本技术的实施例中，所述主电机失效，所述制动模式为备份制动模式，所述根据不同的制动模式控制所述主电机和所述副电机制动，包括：仅通过所述副电机单独工作。
22.可选地，在本技术的实施例中，所述液压源补充制动液的速率大于预设速率，所述制动模式为增强制动模式，所述根据不同的制动模式控制所述主电机和所述副电机制动，包括：所述主电机和所述副电机同时工作。
23.可选地，在本技术的实施例中，所述控制器还用于，根据所述四个制动轮缸的当前制动压力以及双冗余压力传感器的压力数据对电机执行指令进行更新及校正。
24.可选地，在本技术的实施例中，所述控制器还用于，在所述主电机失效时，发出报警信号。
25.本技术实施例的双冗余全解耦的线控制动系统，具有以下有益效果：
26.1、面向高级自动驾驶车辆提出一种制动系统，相比于传统制动系统，能够实现完全解耦的制动，满足自动驾驶全程无需驾驶员接入的要求；能够实现更高精度和更优性能的制动控制。
27.2、提高全解耦式制动系统的安全性，使得在主电机失效的情况下，副电机能够无差地介入控制，且副电机能够实现完全相同的制动性能。
28.3、提高制动控制的性能和精度。主副电机可以同时工作来满足更短的响应时间需求，尤其是在需要进行补液操作时。
29.4、提高了备份制动介入时的驾驶舒适性。
30.5、设计一种十字形的止挡柱，能够限制活塞周向运动的同时，活塞丝杠中空的设计使得活塞的惯量更小，使得活塞在以一种较大的加速度运动时，产生的迟滞更短。
31.6、提高了双电机冗余式全解耦式制动系统的紧凑性和集成度。双电机同轴相对设置，共用一个电机主缸的结构，不需要专门的外置电机主缸，也不需要在液力块上专门设计两个用于放置电机主缸的空间。
32.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
33.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
34.图1为根据本技术一个实施例的双冗余全解耦的线控制动系统结构示意图；
35.图2为根据本技术一个实施例的双电机结构示意图；
36.图3为根据本技术一个实施例的双控制器与双电源示意图。
具体实施方式
37.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
38.与现有技术相比，本技术具有以下改进：
39.现有的全解耦式制动器冗余程度不高，在主液压源失效后，只能完全由驾驶员来提供制动力，对于力量不足的驾驶员来说，驾驶难度和危险性陡增。本技术通过设置多个液压源和多个电源，且一一匹配的方案来提升安全冗余度；
40.提出一种共用主缸式双电机结构，在满足“多个液压源”地条件下，减小了整体体积，提高了紧凑性；
41.该结构中包括一种十字形止挡柱，使得限制活塞轴向运动的同时减小活塞的惯量；
42.该结构中包括集成式的密封盖，将轴承止挡与电机主缸密封盖集成；
43.该结构中包括一种集成式滚柱丝杠结构，将电机转子与滚柱丝杠结构集成，将活塞与丝杠集成；
44.提出一种主缸制动液不足时简单快速的补液方式；
45.对于更高级的自动驾驶来说，制动踏板可以可选地隐藏。提出一种踏板与主制动器完全没有任何机械或液压连接的液压回路，意味着制动踏板可选地可移动隐藏，或者不设置。
46.下面参照附图描述根据本技术实施例提出的双冗余全解耦的线控制动系统。
47.图1为根据本技术一个实施例的双冗余全解耦的线控制动系统结构示意图。
48.如图1所示，该双冗余全解耦的线控制动系统包括：制动踏板、脚感模拟器、冗余踏板行程传感器、储液罐、四个制动轮缸、液压源、控制器。
49.具体地，制动踏板，用于驾驶员进行制动，其中，制动踏板与制动轮缸无连接。
50.脚感模拟器，与制动踏板连接，用于提供制动力和阻尼模拟。
51.冗余踏板行程传感器，与制动踏板连接，用于驾驶员制动时感应制动踏板的行程信号。
52.通过一个冗余踏板行程传感器来感知驾驶员的制动意图，并设置一个压力传感器作为第三冗余，并且该传感器由第二电源供电。
53.储液罐，用于存储制动液。
54.四个制动轮缸，分别用于对四个车轮进行制动。
55.液压源，液压源包括同轴连接的主电机和副电机，根据不同的制动模式控制主电机和副电机制动，液压源进液口与储液罐管道连接，出液口与四个制动轮缸管道连接，管道上设置有多个单向阀门，单向阀门打开时，液压源向制动轮缸输出制动液进行制动。
56.储液罐与制动轮缸管道连接，管道上设置有多个单向阀门，单向阀门打开时，制动液流回储液罐。
57.控制器，用于将制动踏板的行程信号转化为电机执行指令，根据电机执行指令控制液压源的电机输出相应的液压压力。
58.进一步地，液压源进液口与储液罐之间的管道上设置单向阀门。
59.进一步地，液压源出口处设置双冗余压力传感器，用于矫正液压源动作。
60.进一步地，四个制动轮缸处分别设置压力传感器，用于检测四个制动轮缸的当前制动压力。
61.在四个轮缸处分别设置一个压力传感器。该传感器能够更精确的反映当前制动压力，为控制精度的进一步提高创造了条件。
62.如图1所示，包含一个储液罐，四个制动轮缸，一个制动踏板，一个脚感模拟器，一个踏板行程传感器，一个主缸压力传感器，以及压力调节阀系。
63.压力调节阀系中包括，四个泄压电磁阀1-4，四个增压电磁阀及其单向阀5-8，两个分配阀9和10，两个单向阀1和2。
64.其中，驾驶员制动踏板仅连接一个可以提供制动力和阻尼模拟的脚感模拟器，与制动轮缸没有任何机械或者液压连接。
65.具体地，驾驶员制动踏板与制动轮缸无制动连接，可以将驾驶员的踏板脚感与轮缸压力完全解耦，将驾驶员脚感与制动轮缸压力、制动响应时间完全割裂开，在以下两种情况中将极大地提升舒适性：
66.1)当制动器需要做出与驾驶员意图不一致的情况下，例如触发紧急制动功能，防抱死制动功能，即使制动压力陡增，驾驶员的脚感不会受到影响，从而极大地提升驾驶舒适性；而在非解耦的制动系统中(有制动连接)，当制动器需要做出与驾驶员意图不一致的动作时，一定会通过机械/液压连接传递到驾驶员踏板，从而造成压脚、顶脚等不舒适甚至危险的情况，降低了驾驶舒适性，增加了危险性；
67.2)在制动失效需要冗余制动介入时，在解耦式制动系统中，驾驶员的脚感依然不受到任何因素的影响；而在非解耦式制动系统中，由于电机与踏板的耦合，当电机失效时，制动助力功能将失效，驾驶员一定能感受到踏板力的陡增，容易造成驾驶员恐慌。
68.进一步地，驾驶员制动踏板与制动轮缸无制动连接，使得本技术实施例的系统可以面向l3及以上更高级别的自动驾驶。在高级别自动驾驶车辆中，由于控制器主动控制车
辆，所以车辆可以隐藏甚至不需要制动踏板，解耦式制动器很容易实现制动踏板的移除。
69.进一步地，驾驶员制动踏板与制动轮缸无制动连接可以提高制动性能。由于不需要考虑驾驶员的制动输入，解耦式制动器可以充分发挥电机的性能来实现主动制动，这能够极大地缩短主动制动的响应时间以及制动距离。
70.在增压模式下，液压源直接控制轮缸压力。以左前轮为例，液压源接到控制器的指令后，输出制动液，通过阀9，阀5输入到制动轮缸。在减压模式下，以左前轮为例，电磁阀1打开，轮缸压力从电磁阀1直接回到储液罐。
71.进一步地，液压源包括：液力块，主电机和副电机通过螺栓安装在液力块的两侧；
72.一个集成在液力块上的电机主缸；
73.双丝杠活塞，双丝杠活塞两侧分别固定一个丝杠，用于和两个相对布置的主电机和副电机连接，电机可以采用无刷直流电机、直流电机等；
74.两个集成于电机转子中的滚柱丝杠机构；
75.两个相同的电机主缸密封盖；
76.两个用于防止活塞周向旋转的十字形止挡柱；
77.两套电源以及两个控制器。
78.具体地，在电机主缸活塞的前部和后部分别连接一个滚柱丝杠机构，使得该活塞既能够被前端电机(主电机)推/拉，也能被后端电机(副电机)推/拉。如图2和图3所示。
79.该液压源总成包括以下主要零部件：
80.1)两个相同的永磁同步电机，分别安装在液力块的两侧，且安装时同轴。电机通过螺栓固定在液力块上。本方案的优势在于，布置简单，结构紧凑，液力块内部液压管路可以沿用现有产品。现有方案中多为双绕组电机，或者两个电机驱动不同的电机主缸。双绕组电机加工难度大，电机体积大。两个电机驱动不同电机主缸的方案，由于增加了主缸，增加产品体积，增加了液压管路的布置难度。
81.2)一个集成在液力块上的电机主缸。该方案不需要额外外置的液压缸，整体更加紧凑，提高了集成度。液压缸两端分别有一个凸台，用于安装电机主缸密封盖。
82.3)一个双丝杠活塞。该活塞两侧分别固定一个丝杠，用于和两个相对布置的电机连接。该活塞端部构造成凸台状，目的是为了防止活塞到达限位后形成封闭空间，在活塞回退时产生较大的阻力。活塞周向上装有两个密封圈，用于密封主液压室。
83.4)两个相同的电机主缸密封盖。该密封盖既能起到液压缸密封的作用，也能作为滚柱丝杠结构的轴承支承。可选地，该密封盖可以以密封螺纹连接的形式固定于液力块上，也可以以螺栓和密封圈的形式固定在液力块上。
84.5)两个集成于电机转子中的滚柱丝杠机构。
85.6)两个用于防止活塞周向旋转的十字形止挡柱。该止挡柱限制了活塞的周向运动，使得活塞仅能轴向运动。该方案的优势在于，能集成于电机内部，提高液压源的集成度，同时减小活塞的惯量，提高控制精度。
86.7)两套独立的电源a、b和控制器a、b。
87.8)电机壳体，轴承，密封环等。
88.在本技术的实施例中，主电机和副电机完全一致，且同轴设置，且使用同一个活塞及其主缸。通过该设置方式，使得不管对于主电机还是副电机，所连接的液压系统是完全一
致的，达到相同的制动压力及其响应时间所需要的电机扭矩和转速曲线也是完全一致的。这意味只需要一套控制逻辑和控制参数就可以控制两个电机，因此在控制模式切换时(特指由主电机切换为副电机时)，制动压力乃至整车减速度不会发生任何变化，能够提供给驾驶员良好的制动感受。
89.由于主电机和副电机分开设置，主电机和副电机所连接的液压系统是不完全相同的，因此达到相同的制动压力需要不同的电机扭矩，增加了控制的复杂度，增加了参数标定的工作量。并且在实际控制中，主电机工作和副电机工作切换时难以实现无制动压力差别的切换，那么在切换时就会造成制动压力和整车减速度的突变，从而导致恶劣的驾驶感受，即使能实现也要付出较大的时间成本和人力成本进行测试标定，因此，相比其他相关方案中主电机和副电机分开设置的方案，本技术的实施例可以带来更好的驾驶体验。
90.进一步地，制动模式为标准制动模式，控制主电机和副电机制动，包括：主电机单独工作，副电机三相线接地防止产生磁阻，增压时，主电机正方向旋转，补液时，主电机反方向旋转。
91.进一步地，主电机失效，制动模式为备份制动模式，根据不同的制动模式控制主电机和副电机制动，包括：仅通过所述副电机单独工作。
92.进一步地，液压源补充制动液的目标速率大于预设速率，制动模式为增强制动模式，根据不同的制动模式控制主电机和副电机制动，包括：主电机和副电机同时工作。
93.其中，预设速率可以根据实际需要进行设定，在液压源需要快速补充制动液时，通过主电机和副电机同时工作，提高补液效率，减少补液所需的时间。
94.进一步地，控制器还用于，根据四个制动轮缸的当前制动压力以及双冗余压力传感器的压力数据对电机执行指令进行更新及校正。
95.进一步地，控制器还用于，在主电机失效时，发出报警信号。
96.具体地，液压源运行方法如下：
97.标准制动模式下：
98.a)主电机单独工作，副电机三相线接地防止产生磁阻。
99.b)增压时，主电机正方向旋转，通过滚柱丝杠机构将转动变为平动，推动活塞正方向移动(图中右移)，液体通过单向阀1传送至压力调节模块。
100.c)补液时，主电机反方向旋转，拉动活塞反方向移动(图中左移)，液体通过单向阀2从储液罐进入到活塞腔。
101.增强制动模式下：
102.在abs制动过程中，或者大型载重车辆制动时，可能存在电机主缸制动液量并不能满足制动液需求的情况。这种情况下，需要液压源补液。具体操作方法是，关闭分配阀阀9和阀10，电机活塞迅速回退吸入足量制动液，而后活塞前移使得主缸压力高于等于轮缸压力，其次迅速打开阀9和阀10，由电机继续提供制动压力和制动液。
103.备份制动模式：此时，主电机失效，副电机完全接管制动。由于副电机与主电机在构型和传动机构上完全一致，所以能够提供的制动效果完全一致。此时不能再进入增强制动模式，且应在主电机失效的同时给驾驶员提供警报。
104.根据本技术实施例提出的双冗余全解耦的线控制动系统，实现了无差别的冗余制动安全。当主电机失效时，备份电机可以立即接管。由于主副电机完全一致，备份制动与常
规制动时的性能一致，使得切换到备份制动时，制动力能够及时、顺滑地按照驾驶员意图实现。在需要补液的情况下，可以启动补液模式，双电机同时作用，增加驱动扭矩，使得补液时间更短，制动力供给更及时，驾驶员驾驶感受更好。
105.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
106.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
107.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。