前言

由于对电气化和燃油效率日益增长的需求，X-By-Wire技术成为汽车行业的未来趋势。它们的电子架构和接口使它们成为自动驾驶和混合动力的理想选择。在所有必要的By-Wire技术中，制动By-Wire系统是首要考虑的，因为它在汽车中扮演着安全关键性的角色。

制动系统

制动By-Wire系统可以减轻组件重量，并使致动器只在需要时消耗能量，通过同时结合再生制动和摩擦制动来实现。这可以将燃料消耗和CO2排放降到最低。通过使用传感器和控制方法，制动By-Wire技术可以消除制动卡滞，使其更加节能高效。

将单个轮子制动和更快的激活时间与车辆的ECS系统结合，可以使车辆更安全。新致动器的可靠性以及部署新制动技术所带来的风险和成本是制动By-Wire系统成为汽车制造商首选的主要障碍。

制动系统可以分为湿式制动和干式制动。湿式制动使用液体进行操作，而干式制动通常是纯机械系统。电液制动系统是湿式制动的一种类型，它们的压力是通过可以电子控制的压力调节器进行调整的。

压力源可以集中安装在所有四个车轮的一个集中位置，就像Bosch的第一个电液制动系统，也可以局部安装在每个车轮上，就像大陆的MKC-l 。干式制动也可以采用几种不同的配置。有一种电机制动，它利用小型电机、行星齿轮传动和滚珠丝杠来移动制动片。

然而，这种类型的制动需要42伏特电机运转，并且消耗大量能量。另一方面，电子楔式制动采用楔形机构来实现将楔形制动片内移的系统，因此需要较少的能量来运行。维也纳工程公司还提出了类似的概念，使用了曲轴机构来减少减速齿轮和滚珠丝杠的复杂性。

在本研究中，科学家选择研究电液制动、电机制动，和电子楔式制动。键合图是一种图形表示方法，用于对动态系统进行建模，利用能量流动。它是一种简单直观的方式来模拟物理系统，特别是那些处于多能领域的系统。

在对致动器进行建模后，科学家将使用尤拉参数化技术设计控制器。最后，科学家将添加干扰抑制并比较电机制动和电子楔式制动的控制器，并展示它们的有效性。本书章节的目的是展示对三种不同的制动By-Wire致动器进行建模的过程，并使用尤拉参数化技术设计其鲁棒控制器。

系统建模

所有的致动器模型都包括一个单车轮模型，它包括一个带有转动惯量的运动车轮，连接到一个点质量。这个简单的动力学模型非常适用于对制动器和算法进行初步研究，并且在测试装置上容易实现。这个简单模型仅用于研究车辆的纵向动力学效应。

由于它专注于车辆的纵向动态，因此这个模型足以研究大多数制动By-Wire致动器和ABS技术。在未来，一旦对不同致动器进行了初步比较和研究，使用这个简单模型揭示了结果，科学家将考虑包括横向动力学的更高保真度的车辆模型，例如自行车模型和扩展自行车模型。

电机制动致动器

显示了电机制动致动器的示意图。它包括一个电动机、行星齿轮组、滚珠丝杠、活塞、制动片和浮动卡钳来对抗制动片。在这种致动器中，电机的旋转运动通过一个行星齿轮组和滚珠丝杠机制转化为制动片的运动。然后，这种运动将产生图5中所示的夹紧力Fcl。

电子楔形制动器致动器

电动机的旋转速度通过一个行星齿轮组和滚珠丝杠转化为楔形的线性力。电机轴向刚度和阻力也加入到系统中。Kcaliper表示卡钳本身的刚度以及楔形和盘之间的刚度。

表示电子楔形制动器的键合图。系统的输入是电动机电压。电动机部分与前面讨论的相同。变压器包括滚珠丝杠的导程比和行星齿轮组的齿轮比。为了简单起见，科学家假设α=β.FB是可以从卡钳和车轮之间的相对速度计算出来的制动力；然而，由于车轮的速度远远快于卡钳的速度，为了简单起见，科学家假设它仅是卡钳运动的函数。

控制策略

在本次研究中，科学家讨论每种制动器的控制策略。对于每个制动器，通过使用前面提供的线性化运动方程获得一个传递函数。在每种情况下，都使用Youla-Kucera参数化设计控制器，科学家将在本次研究中详细讨论。这种控制策略确保了闭环系统的内部稳定性、鲁棒性和参考跟踪。

在电液制动器致动器中，压力是输入，刹车力是输出。围绕该系统设计了一个控制器，以跟踪特定的刹车参考力。在实际应用中，科学家需要估计刹车力，或使用传感器获取该信息。对于电动机和电子楔形制动器，采用级联控制方案。

在级联控制方案中，每个内部闭环系统都是外环控制器设计的新的工厂。在这种情况下，对于第一个回路，输入是电动机的电压，输出是电动机的电流。对于第二个回路，输入是电动机的电流，输出是电动机的角速度。最后，对于最外层的回路，输入是电动机的角速度，输出是夹紧力。

级联控制可以增加系统的性能和鲁棒性，特别是对于具有相对更多非线性特性的系统。因此，对于电动机和电子楔形制动器的控制器使用了级联控制，因为它们具有比标准电液制动器更多的非线性特性。

电动机的电流和角速度可以直接测量，而夹紧力需要通过估计或使用力传感器测量。此外，每个环路都有一个干扰项，科学家在控制设计的第一部分中将忽略这些干扰项。稍后，科学家将使用干扰抑制方案来减轻这些干扰的影响。

Youla参数化是一种鲁棒控制技术，它允许塑造期望的闭环传递函数，即互补灵敏度传递函数，同时确保内部稳定性、低频干扰抑制、以及高频传感器噪声和未建模干扰的抑制。主要思想是使用称为Youla的传递函数来塑造闭环传递函数，当与系统传递函数相乘后，它会成为闭环传递函数。为了在稳态时实现良好的跟踪性能，T在低频应该为1，而在高频时应该尽量小以确保高频干扰的抑制。

因此科学家可以塑造闭环传递函数。值得注意的是，Youla传递函数与执行器努力相关，因此在高频时，具有低幅度的Youla可以保持执行器努力较低。

闭环传递函数T是灵敏度传递函数S的互补，根据给出的这两个传递函数的矢量和被称为代数约束。因此，这个灵敏度传递函数在低频时应该很小，而在高频时幅度应为1，这是由于代数约束。

EHB的Youla控制设计

首先，科学家需要从压力输入到施加在车轮上的夹紧力的EHB的系统传递函数，然而，通过使用键合图和等效质量和等效阻尼，科学家可以进一步简化方程式和传递函数到较低程度。

由于该系统稳定且不包含任何不稳定极点或非最小相位零点，因此除了选择一个稳定的Youla传递函数外，无需满足其他插值条件。科学家选择了这个传递函数，以使所有的系统极点都被抵消，以便自由地塑造闭环传递函数T，因为这种滤波器形状是最优的，并且科学家可以自由选择带宽和交叉频率。

此外，科学家可以向Youla参数添加一个低通滤波器，以强制它在高频时幅度很小，正如科学家通过得到T和Y，科学家可以使用方程式30和35计算控制器。由于这个过程在所有的控制设计中都是相同的，所以从现在开始，科学家只为每个回路计算Y和T。灵敏度传递函数S可以从T计算，控制器传递函数可以使用方程式35计算。

EMB的Youla控制设计

由于EMB执行器采用了级联控制策略，科学家需要设计三个控制器。科学家从内环开始，然后是第二个环，最后是最外环，即夹紧力控制。科学家可以计算从电压输入到输出电流的传递函数。然而科学家将方程式中的最后一项视为干扰。这样做的目的是将键合图分为三个单独的块，并使用级联控制策略控制每个块。

这种方法使得设计更简单，更直观，因此其他块的任何输入都被视为干扰。在这种情况下，旋涡器的输入信号被视为干扰。然后科学家可以写出传递函数，由于GpEMB没有不稳定极点和非最小相位零点，科学家可以取消所有系统极点并创建所需的闭环响应。

然而取消所有极点会导致更大幅度的Youla传递函数，因此执行力度更大。由于科学家希望尽可能保持执行力度较低，科学家将只使用一个低通滤波器作为Youla传递函数。在这个设计中，科学家选择了Youla传递函数，使得闭环传递函数T具有与原始系统相同的带宽。

所选的Youla传递函数由方程式42给出。根据YEMB1，科学家可以计算TEMB1，如方程式43所示。另一个重要的注意事项是，在设计级联控制器时，内环的闭环带宽必须始终比外环快。这确保内环可以跟随外环的任何命令变化，因此不会损害整体闭环稳定性。

干扰抑制

在之前的级联控制策略中，科学家忽略了每个环中的干扰项。然而，这些干扰仍然对每个环的性能产生负面影响。因此，科学家有兴趣研究这些干扰在每个环中的作用。为了分析干扰的影响，科学家需要获取每种情况下环输出到干扰输入的传递函数。这也有助于设计前馈干扰抑制以减轻干扰对输出和执行器力度的负面影响。

显示了级联控制环中的干扰块图。为了减轻每个环中的干扰影响，科学家添加了前馈项以抵消这些干扰，为了简单起见，未在所有级联环路中显示干扰抑制。只有在闭环性能或执行器力度受到严重负面影响的情况下，才应该使用干扰抑制。由于估计可能在计算上比较昂贵，并且有时不太准确，因此科学家应该仅在有严重负面影响的情况下使用干扰抑制。干扰抑制的效果在通过额外项−GpdG−1pS展示。

显示了EWB执行器干扰抑制性能的结果。干扰抑制对电流控制响应性产生了很大影响，同时保持相同的电压。然而，显示第二个和第三个环的干扰抑制对闭环响应或执行器力度没有太大影响。因此，在这种情况下，建议仅使用电流控制的前馈干扰抑制能力，并放弃第二个和第三个环中的其他干扰抑制。

结论

在本次研究中，科学家使用键合图方法对三种不同的摩擦制动器进行了建模，实现了摩擦制动器的制动功能。然后，科学家使用Youla参数化技术为每个执行器设计了闭环反馈控制器。对于EMB和EWB执行器，科学家使用了级联控制策略。

此外，科学家还为每个执行器的各个环设计了干扰抑制。对于这些干扰抑制的结果进行了讨论，发现EHB的响应速度比EMB和EWB执行器更快。然而，由于添加了液压管路和模块，这样做的成本更高。比较EMB和EWB执行器时，根据给定的电流调整，EWB的响应速度比EMB更快，但EWB也需要更高的执行器力度。需要进一步的研究，通过同时优化执行器的物理系统和控制参数，以更好地比较所提出的执行器。