本发明涉及一种基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸及控制方法，涉及自动驾驶线控制动系统。本发明的目的在于通过采用电磁力作为驱动力，代替原有的电机加传动机构驱动主缸的驱动方式，使制动主缸的结构更加简单、体积更小、成本更低，进而提升线控制动系统的轻量化和高效化。在本发明中，电磁制动主缸包括焊接在一起的双腔制动液缸和电磁力发生装置；所述电磁力发生装置包括衔铁和线圈，线圈位于衔铁的外围。当线圈通电后，线圈产生电磁驱动力，推动衔铁运动，从而使双腔制动液缸中的活塞运动，将制动液推出。当线圈断电后，活塞在回位弹簧作用下复位，从而使衔铁复位。
1.一种基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸，所述电磁制动主缸包括焊接在一起的双腔制动液缸和电磁力发生装置；所述电磁力发生装置包括衔铁和线圈，线圈位于衔铁的外围；所述双腔制动液缸内有两个存储制动液的密闭腔室，每个腔室均有入口和出口；
所述密闭腔室由第一活塞和第二活塞分割而成；所述第一活塞和第二活塞之间可伸缩相连；在第一活塞的第一端面有第一推杆，第一推杆远离第一活塞的一端与衔铁的一端相接触；当线圈通电后，衔铁在线圈的电磁驱动力推动下做直线移动，从而使推杆推动活塞做直线运动，压缩腔室存储空间，从而将腔室内的制动液从出口推出；当线圈断电后，所述第一活塞与所述第二活塞，均通过回位弹簧进行复位，从而使衔铁复位；其特征在于：所述电磁驱动力采用下述公式计算：
式中：FM为电磁驱动力；Fmmax为主缸所需的最大制动力；Sp为回位弹簧力；pmax为主缸最大制动压力，d为主缸活塞直径，ηm为主缸机械效率；c为回位弹簧刚度，xmax为主缸最大行程，S'p为回位弹簧预紧力。
2.根据权利要求1所述的电磁制动主缸，其特征在于，所述双腔制动液缸和电磁力发生装置的接触面有通孔，在电磁力发生装置的通孔上有相同直径的限位套筒，限位套筒的两头与衔铁的限位凸起配合，限定衔铁移动的距离，限位套筒中间用于固定线圈；当第一活塞回位后，推杆的一端位于通孔处；当第一活塞被推动时，衔铁通过通孔伸入到双腔制动液缸内。
3.根据权利要求1所述的电磁制动主缸，其特征在于，所述衔铁采用下述公式计算横截面积S：式中：F为稳态工作时电磁驱动力；Kf为漏磁系数；N为线圈匝数；I为电流强度；δ为气隙长度；μ0为真空磁导率。
4.根据权利要求3所述的电磁制动主缸，其特征在于，所述漏磁系数取值范围是1.2‑
5.根据权利要求3所述的电磁制动主缸，其特征在于，所述电流强度通过下述步骤确定：根据车辆的车速与前轮转角，计算车辆当前状态的横摆角速度理想值与质心侧偏角理想值；
根据横摆角速度理想值与实际横摆角速度计算第一差值，根据质心侧偏角理想值与实际质心侧偏角计算第二差值；
基于第一差值和第二差值计算当前车况下为使车辆稳定所需的附加横摆力矩；
将所需的附加横摆力矩分配至四个车轮，计算得到单一车轮的最大制动力矩，进而获得制动主缸的目标制动压力；
基于目标制动压力和实际制动压力的差值计算电磁制动主缸中电磁发生装置线圈的电流强度。
6.一种基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸控制方法，其特征在于，通过给线圈通电，使线圈产生电磁驱动力，通过电磁驱动力衔铁推动推杆做直线移动，从而推动主缸中的活塞做直线运动，缩小腔室存储空间，进而将腔室内的制动液从出口推出；
通过给线圈断电，主缸中的活塞在回位弹簧的作用下复位，从而使衔铁复位；
式中：FM为电磁驱动力；Fmmax为主缸所需的最大制动力；Sp为回位弹簧力；pmax为主缸最大制动压力，d为主缸活塞直径，ηm为主缸机械效率；c为回位弹簧刚度，xmax为主缸最大行程，S'p为回位弹簧预紧力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述衔铁采用下述公式计算横截面积S：式中：F为稳态工作时电磁驱动力；Kf为漏磁系数，取值由磁路组成决定；N为线圈匝数；I为电流强度；δ为气隙长度；μ0为真空磁导率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述漏磁系数取值范围是1.2‑5.0。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电流强度通过下述步骤确定：根据车辆的车速与前轮转角，计算车辆当前状态的横摆角速度理想值与质心侧偏角理想值；
根据横摆角速度理想值与实际横摆角速度计算第一差值，根据质心侧偏角理想值与实际质心侧偏角计算第二差值；
基于第一差值和第二差值计算当前车况下为使车辆稳定所需的附加横摆力矩；
将所需的附加横摆力矩分配至四个车轮，计算得到单一车轮的最大制动力矩，进而获得制动主缸的目标制动压力；
基于目标制动压力和实际制动压力的差值计算电磁制动主缸中电磁发生装置线圈的电流强度。
基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸及控制方法
技术领域
[0001] 本公开涉及自动驾驶线控制动系统，尤其涉及一种基于自动驾驶线控制动系统的电磁式制动主缸及其控制方法。
背景技术
[0002] 随着自动驾驶的兴起，传统的制动方式已无法满足车辆的行车安全需求。线控制动作为新型的制动系统弥补了传统制动系统的不足，可以大大提高自动驾驶车辆的安全性能。线控制动系统可以分为两类，电子液压制动系统(Electro‑hydraulic brake system，EHB)及电子机械制动系统(Electro‑mechanical brake system，EMB)。当前EMB依然存在可靠性差、容错性低、抗干扰能力弱等诸多关键问题，因此无法广泛使用。
[0003] 现有的EHB系统的核心是建压模块和调压模块，其中建压模块大多采用电机驱动制动主缸的形式。由于电机的运动方式为旋转而制动主缸的运动方式为平动，所以在电机和制动主缸之间需要加装蜗轮蜗杆和齿轮齿条或滚珠丝杠等传动机构将旋转运动转变为直线动。传动机构增加了系统的体积和质量，且使得系统的不可控因素增多。
发明内容
[0004] 针对上述现有技术，本发明的目的在于采用电磁力作为液压线控制动系统的动力源，进一步提升线控制动系统的轻量化和高效化。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提出一种基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸，所述电磁制动主缸包括焊接在一起的双腔制动液缸和电磁力发生装置；所述电磁力发生装置包括衔铁和线圈，线圈位于衔铁的外围；所述双腔制动液缸内有两个存储制动液的密闭腔室，每个腔室均有入口和出口；所述密闭腔室由第一活塞和第二活塞分割而成；所述第一活塞和第二活塞之间可伸缩相连；在第一活塞的第一端面有第一推杆，第一推杆远离第一活塞的一端与衔铁的一端相接触；当线圈通电后，衔铁在线圈的电磁驱动力推动下做直线移动，从而使推杆推动活塞做直线运动，缩小腔室存储空间，从而将腔室内的制动液从出口推出；当线圈断电后，所述第一活塞与所述第二活塞，通过回位弹簧进行复位，从而使衔铁复位。
[0006] 在上述技术方案中，通过采用电磁力作为驱动力，代替现有的电机加传动机构驱动主缸的驱动方式，使制动主缸的结构更加简单且体积更小、成本更低，进而提升线控制动系统的轻量化和高效化。
[0007] 在上述技术方案中，所述双腔制动液缸和电磁力发生装置的一种具体实现方式是在接触面设置通孔，在电磁力发生装置的通孔上有相同直径的限位套筒，限位套筒的两头与衔铁的限位凸起配合，限定衔铁移动的距离，限位套筒中间用于固定线圈；当第一活塞回位后，推杆的一端位于通孔处；当第一活塞被推动时，衔铁通过通孔伸入到双腔制动液缸内。
[0008] 在上述技术方案中，所述电磁驱动力采用下述公式计算：
[0009] FM＝Fmmax+Sp
[0010]
[0011] Sp＝Sp+cxmax
[0012] 式中：FM为电磁驱动力；Fmmax为主缸所需的最大制动力；Sp为回位弹簧力；pmax为主缸最大制动压力，d为主缸活塞直径，ηm为主缸机械效率；c为回位弹簧刚度，xmax为主缸最大行程，S′p为回位弹簧预紧力。
[0013] 在上述技术方案中，通过衔铁的横截面积，确定双腔制动液缸和电磁力发生装置之间的通孔大小。所述衔铁采用下述公式计算横截面积：
[0014]
[0015] 式中：F为稳态工作时电磁驱动力；Kf为漏磁系数，取值由磁路组成决定，取值范围是1.2‑5.0；N为线圈匝数；I为电流强度；δ为气隙长度；μ0为真空磁导率。
[0016] 在上述技术方案中，在获知电磁驱动力的情况下，通过确定电流强度，可估算出线圈匝数。所述电流强度的一种确定方式，包括下述步骤：
[0017] 根据车辆的车速与前轮转角，计算车辆当前状态的横摆角速度理想值与质心侧偏角的理想值；
[0018] 获取车辆实际的横摆角速度、车辆实际的质心侧偏角；
[0019] 根据车辆的车速与前轮转角，计算车辆当前状态的横摆角速度理想值与质心侧偏角理想值；
[0020] 获取车辆实际的横摆角速度、车辆实际的质心侧偏角；
[0021] 根据横摆角速度理想值与实际横摆角速度计算第一差值，根据质心侧偏角理想值与实际质心侧偏角计算第二差值；
[0022] 基于第一差值和第二差值计算当前车况下为使车辆稳定所需的附加横摆力矩；
[0023] 将所需的附加横摆力矩分配至四个车轮，计算得到单一车轮的最大制动力矩，进而获得制动主缸的目标制动压力；
[0024] 基于目标制动压力和实际制动压力的差值计算电磁制动主缸中电磁发生装置线圈的电流强度。
[0025] 为了实现上述目的，本发明还提出一种基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸控制方法，通过给线圈通电，使线圈产生电磁驱动力，通过电磁驱动力衔铁推动推杆做直线移动，从而推动主缸中的活塞做直线运动，缩小腔室存储空间，进而将腔室内的制动液从出口推出；
[0026] 通过给线圈断电，主缸中的活塞在回位弹簧的作用下复位，从而使衔铁复位；
[0027] 所述电磁驱动力的大小通过用下述公式计算：
[0028] FM＝Fmmax+Sp
[0029]
[0030] Sp＝Sp+cxmax
[0031] 式中：FM为电磁驱动力；Fmmax为主缸所需的最大制动力；Sp为回位弹簧力；pmax为主缸最大制动压力，d为主缸活塞直径，ηm为主缸机械效率；c为回位弹簧刚度，xmax为主缸最大行程，S′p为回位弹簧预紧力。
[0032] 在上述技术方案中，本发明采用电磁驱动力力代替电机加一套传动机构进行推动的驱动力，从而使制动主缸的结构简单，体积减小，降低制动主缸的制作成本。
[0033] 在上述技术方案中，所述衔铁采用下述公式计算横截面积：
[0034]
[0035] 式中：F为稳态工作时电磁驱动力；Kf为漏磁系数，取值由磁路组成决定，取值范围是1.2‑5.0；N为线圈匝数；I为电流强度；δ为气隙长度；μ0为真空磁导率。
[0036] 在上述技术方案中，所述电流强度一种确定方式，包括下述步骤：
[0037] 根据车辆的车速与前轮转角，计算车辆当前状态的横摆角速度理想值与质心侧偏角理想值；
[0038] 获取车辆实际的横摆角速度、车辆实际的质心侧偏角；
[0039] 根据横摆角速度理想值与实际横摆角速度计算第一差值，根据质心侧偏角理想值与实际质心侧偏角计算第二差值；
[0040] 基于第一差值和第二差值计算当前车况下为使车辆稳定所需的附加横摆力矩；
[0041] 将所需的附加横摆力矩分配至四个车轮，计算得到单一车轮的最大制动力矩，进而获得制动主缸的目标制动压力；
[0042] 基于目标制动压力和实际制动压力的差值计算电磁制动主缸中电磁发生装置线圈的电流强度。
附图说明
[0043] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044] 图1、一个实施例中关于电磁制动主缸的第一整体示意图；
[0045] 图2、一个实施例中关于电磁制动主缸的第二整体示意图；
[0046] 图3、一个实施例中关于电磁制动主缸的第一剖视示意图；
[0047] 图4、一个实施例中关于电磁制动主缸的第二剖视示意图；
[0048] 图5、一个实施例中关于电磁制动主缸的控制方法流程示意图。
具体实施方式
[0049] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。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”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。流程图的操作可以不按顺序实现。相反，操作可以以反转顺序或同时实现。此外，可以向流程图添加一个或多个其他操作。可以从流程图中移除一个或多个操作。
[0050] 在本发明的一种实施方式中，基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸整体示意图如图1、图2所示。从图1和图2可以看出，所述电磁制动主缸包括两个部分，连接在一起的制动液缸和电磁力发生装置。在制动液缸上有两个出油口和两个进油口。
[0051] 图3、图4为电磁制动主缸的两个剖视图。从图3、图4可以看出，电磁制动主缸包括线圈、衔铁、推杆、密封圈、第一活塞、第一活塞回位弹簧、第二活塞、第二活塞回位弹簧、第一腔进油口、第一腔出油口、第二腔进油口、第二腔出油口。主缸缸体内轴向安装依次有推杆、第一活塞、第一活塞回位弹簧、第二活塞、第二活塞回位弹簧。电磁线圈与衔铁布置在主缸轴向外侧。第一活塞回位弹簧固定在第一活塞端面与第二活塞端面之间，第二活塞回位弹簧固定在第二活塞端面与缸体之间。第二活塞将主缸缸体分割成两个不连通的密闭腔室，每个密闭腔室均开有进油口与出油口，进油口与制动油杯相连接，出油口与制动管路相连接。制动液从油杯经过第一腔进油口和第二腔进油口进入制动主缸的两个腔室。第一活塞所连接推杆在缸体轴向外侧与衔铁相连接电磁线圈包裹在衔铁外围。衔铁与主缸推杆连接处有密封，避免制动液流入电磁驱动元件中。
[0052] 行驶过程中，当车辆需要进行制动时，给线圈通入合适大小的电流，电磁线圈产生的电磁力推动衔铁和推杆做直线移动。推杆带动第一活塞和第二活塞同时压缩第一腔室和第二腔室的制动液，产生高压制动液，经第一腔出油口和第二腔出油口流出至制动轮缸，制动轮缸的液压力作用在制动盘上产生制动力完成车辆的制动。制动完成后，线圈断电，两个腔室的活塞以及衔铁依靠第一活塞回位弹簧和第二活塞回位弹簧进行复位。
[0053] 在一种实施方式中，电流强度通过下述步骤确定：
[0054] 根据车辆的车速与前轮转角，计算车辆当前状态的横摆角速度理想值与质心侧偏角理想值；
[0055] 获取车辆实际的横摆角速度、车辆实际的质心侧偏角；
[0056] 根据横摆角速度理想值与实际横摆角速度计算第一差值，根据质心侧偏角理想值与实际质心侧偏角计算第二差值；
[0057] 基于第一差值和第二差值计算当前车况下为使车辆稳定所需的附加横摆力矩；
[0058] 将所需的附加横摆力矩分配至四个车轮，计算得到单一车轮的最大制动力矩，进而获得制动主缸的目标制动压力；
[0059] 基于目标制动压力和实际制动压力的差值计算电磁制动主缸中电磁发生装置线圈的电流强度。
[0060] 在一种实施方式中，电磁驱动力采用下述公式计算：
[0061] FM＝Fmmax+Sp
[0062]
[0063] Sp＝S′p+cxmax
[0064] 式中：FM为电磁驱动力；Fmmax为主缸所需的最大制动力；Sp为回位弹簧力；pmax为主缸最大制动压力，d为主缸活塞直径，ηm为主缸机械效率；c为回位弹簧刚度，xmax为主缸最大行程，S′p为回位弹簧预紧力。
[0065] 在确定电磁驱动力和电流强度的情况下，可以确定电磁发生装置的线圈缠绕匝数。
[0066] 从图3和图4可以看出，双腔制动液缸和电磁力发生装置的接触面有通孔，在电磁力发生装置的通孔上有相同直径的限位套筒，限位套筒的两头与衔铁的限位凸起配合，限定衔铁移动的距离，限位套筒中间用于固定线圈；当第一活塞回位后，推杆的一端位于通孔处；当第一活塞被推动时，衔铁通过通孔伸入到双腔制动液缸内。
[0067] 通过确定衔铁的面积来确定通孔的大小。在一种实施方式中，衔铁采用下述公式计算横截面积S：
[0068]
[0069] 式中：F为稳态工作时电磁驱动力；Kf为漏磁系数，具体取值由磁路组成决定，取值范围是1.2‑5.0；N为线圈匝数；I为电流强度；δ为气隙长度；μ0为真空磁导率。
[0070] 对于基于自动驾驶线控制动系统的电磁制动主缸，可以采用图5示意的方法流程获得优化的控制参数。在这种方法中，采用遗传算法获得电磁制动主缸中线圈需要通入的电流强度。包括下述步骤：
[0071] 由相关传感器感知车辆当前车速u与前轮转角δf，并将车速u和前轮转角δf反馈至车辆参考模型；
[0072] 车辆参考模型根据当前车辆的车速u与前轮转角δf计算得到车辆当前状态的横摆角速度理想值γref与质心侧偏角理想值βref；
[0073] 由车辆横摆角速度传感器测得车辆实际横摆角速度γ，由质心侧偏角计算模块计算车辆实际质心侧偏角β；
[0074] 基于横摆角速度理想值γref与实际横摆角速度γ的第一差值以及质心侧偏角理想值βref与实际质心侧偏角β的第二差值，采用模糊算法，计算得出当前车况下为使车辆稳定所需的附加横摆力矩ΔM；
[0075] 基于横摆力矩ΔM，制动力矩分配模块将其合理分配至四个车轮，计算得到单一车轮的最大制动力矩Tmax。
[0076] 基于最大制动力矩Tmax，力矩‑制动压力转换模块计算输出为制动主缸的目标压力P目标；
[0077] 当前制动主缸的实际压力P实际由制动主缸的压力传感器测得；
[0078] 将制动主缸的目标制动压力P目标与实际制动压力P实际做差后的第三差值输入至PID控制器模块；
[0079] 利用遗传算法对PID算法的kp、ki、kd三个控制参数进行优化；
[0080] 基于第三差值，PID控制器模块利用优化后的控制参数计算，得到电磁制动主缸中电磁发生装置线圈的电流大小I。
[0081] 在获得电流大小I后，电源输出电流I至线圈，线圈通电后产生能够满足制动主缸驱动大小的电磁力。工作时，电磁力推动衔铁并推杆移动，压缩主缸中的制动液，产生高压制动液。高压制动液经制动管路流入制动轮缸，制动轮缸压紧制动盘产生制动力，从而使车辆达到制动的目的。整个控制系统形成闭环，控制过程不断根据当前车辆状态的反馈信号进行调节。
[0082] 综上，本发明实现了一种将电磁力作为制动主缸的驱动力的电磁驱动主缸，该电磁驱动主缸现有的电机加传动机构驱动主缸，使制动主缸的结构更加简单且体积更小、成本更低，进而提升线控制动系统的轻量化和高效化。通过其控制方法，可以获知具体的电磁力大小、电流大小，从而确定线圈匝数；通过确定衔铁面积，确定电磁力发生装置与主缸的通孔大小。
[0083] 尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
