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本文是同济大学熊路老师团队发表于2023年3月，英文版发表于Sustainability期刊，DOI:10.3390/su15054514。
本文由小明师兄翻译，如由不妥之处欢迎随时沟通
1. 引言
在汽车电气化和智能化的发展趋势下，制动系统迎来了革命性的变革。为了最大限度地提高制动能量回收率并实现主动制动控制，有必要将制动力与制动踏板解耦，以便能够通过电信号精确控制摩擦制动力 [1]。线控制动（BBW）系统正是为满足上述要求而被提出的，它可分为两类：电液制动（EHB）和机电制动（EMB）。尽管电液制动（EHB）凭借其兼容性好、易于实施等优势已成为当前市场的主流方案，但它仍然保留了大部分液压部件，并采用电液控制方式。这就导致了制动响应迟缓、管路布置复杂以及制动液泄漏等问题 。
相比之下，机电制动（EMB）完全摒弃了液压回路。执行器由电机直接驱动来产生夹紧力，它具有以下优势 ：
・减小了系统体积和重量，便于安装和维护；
・不存在制动液泄漏问题，对环境污染更小；
・零残余拖曳扭矩，能耗更低，制动使用寿命更长；
・易于与驻车制动器集成；
・制动响应更快，控制精度更高；
・易于与复合制动系统以及主动安全控制系统相匹配。
作为线控制动系统的一种完备形式，机电制动（EMB）在未来将逐步取代电液制动（EHB），这已成为行业共识。然而，机电制动（EMB）的设计、控制和应用仍面临诸多挑战。而且，机电制动（EMB）的控制和应用是基于执行器的结构的。目前，存在多种结构和功能各异的执行器方案，但尚无成熟产品。如何设计出紧凑的结构以实现行车制动、驻车制动、制动间隙补偿等功能，是需要解决的首要问题。
如表 1 所示，已有数篇关于机电制动（EMB）的综述性论文发表。例如，施拉德等人 对与安全概念相关的机电制动（EMB）执行器、控制拓扑、能量供应以及通信架构进行了综述。在与我们的研究最为相关的论文中，龚等人对线控制动执行器的发展、控制方法以及应用前景进行了综述。但据我们所知，任何论文都未曾详细分析执行器的结构方案。执行器的集成结构会对控制算法的有效性以及车辆应用产生根本性影响。因此，我们提供了一种研究方法来总结现有的结构方案。在广泛查阅专利和文献的基础上，我们分析了机电制动（EMB）执行器的基本配置，并将其分解为五个模块。
本文其余部的结构安排如下：第 2 节回顾了机电制动（EMB）执行器的发展现状；第 3 节分析了其基本配置，并介绍了各个模块的功能及方案；第 4 节总结了用于间接夹紧力控制的估计算法以及直接控制算法；第 5 节根据功能安全要求分析了机电制动（EMB）系统的架构，并简要总结了关于机电制动（EMB）系统在智能驾驶中应用的研究情况；第 6 节给出了关键的结论性意见。
表 1. 现有关于机电制动（EMB）的综述性论文对比情况
2. 机电制动（EMB）执行器的发展现状
为了概述机电制动（EMB）执行器的发展情况，基于行业背景以及各企业对机电制动（EMB）研究的参与程度，共选取了 21 家相关汽车零部件制造商，如表 2 所示。
在这 21 家相关制造商中，依据专利分布情况选取了 6 家具有代表性的制造商，包括博世、西门子、大陆特维斯、德尔福、现代和万都。此外，对这些制造商的总共 169 项相关专利进行了调研。专利的总体分布情况在表 3 以及图 1 - 3 中给出。这些专利依据基本结构被分为两类：采用减速机构的方案和采用自增力机构的方案。而且，与驻车制动器集成的专利被单独列出，以展示驻车制动方案的总体分布情况。
表 2. EMB相关制造商
表3.专利权的总体分布情况
此外，这些制造商随时间推移所提出的机电制动（EMB）执行器基本方案如图 4 所示（具体结构将在下一节介绍）。自 20 世纪 90 年代以来，随着制动辅助（BA）和电子稳定控制系统（ESC）的应用，机电制动（EMB）的优势吸引了众多制造商的关注，其中大陆特维斯、博世、西门子和德尔福率先开始对机电制动（EMB）执行器的基本配置进行研究。到 21 世纪初，随着自适应巡航控制（ACC）和自动紧急制动（AEB）等先进驾驶辅助系统的发展，对主动制动控制提出了更高的要求。现代和万都等制造商开始投入对机电制动（EMB）执行器的结构及控制策略的研究，以实现量产和实际应用。
图1.具有减少机制的专利的总体分布情况
图2. 自激励机制专利总体分布
图3.集成停车制动器的专利总体分布
对于行车制动机构，大陆特维斯首先提出了 “滚珠丝杠 + 行星齿轮系” 的集成结构。从 1994 年到 1997 年，先后对电机结构、快速回位机构、传感器形式以及控制方法进行了研究。自 2002 年起，大陆特维斯开始采用滚珠丝杠作为运动转换机构，形成了 “滚珠丝杠 + 直齿轮 / 行星齿轮系” 的典型结构，并设计了相应的制动间隙补偿机构、密封装置以及轴承结构。
从 1996 年到 1998 年，博世提出了 “滚珠丝杠 + 不同减速机构” 的方案，先后采用直齿轮、蜗轮、锥齿轮以及行星齿轮系作为减速机构。基于上述配置，针对制动失效的情况，设计了双电机主动释放方案以及带电磁离合器的被动释放方案，并且进一步改进了电磁离合器的结构与功能。从 1999 年到 2001 年，博世最终采用了 “滚珠丝杠 + 行星齿轮系” 的典型方案，并对电机结构和制动回位限位装置进行了优化。
自 2002 年起，博世一直在研发楔形自增力方案。从 2002 年到 2004 年，提出了 “丝杠 / 齿轮齿条 + 单 / 双 / 多楔形面” 的各类方案，并对楔角、制动力控制方法以及制动间隙补偿机制进行了研究。从 2005 年到 2006 年，“齿轮齿条 + 双楔形面” 的自增力方案得到进一步完善并最终被采用。
同样，其他制造商经过多轮迭代设计后也形成了典型的结构方案，如表 4 所示。
图 4. 6 家制造商的机电制动（EMB）执行器发展情况
行车制动方案（时间线之上）以 “运动转换机构 + 力放大机构” 的形式表示，专利的创新点在括号内注明。驻车制动方案（时间线之下）以 “驱动部件 + 锁定部件” 的形式表示。此外，6 家制造商提出的典型结构方案用相应颜色进行了标注。
在商用车和乘用车制动系统变革需求的驱动下，制造商们开始关注机电制动（EMB）的产业化。2020 年，美国卡车运输协会技术与维修委员会（TMC）与 PIT 集团合作，对商用车的机电制动（EMB）进行了市场调研 [9]。共向 16 家相关制造商发放了调查问卷，有 5 家制造商给出了有效回复，其中 3 家正在研发机电制动（EMB）。调研结果如表 5 所示。
表 4. 6 家制造商提出的机电制动（EMB）执行器典型结构方案表5、TMC和PIT组的调查结果
尽管这些制造商已经为机电制动技术工作了大约15年或更长的时间，但都没有一个目前已经上市的产品。主要的障碍包括成本限制、监管标准和安全要求。为了确保安全，欧盟和美国已经对服务制动系统实施了严格的规定。中国和印度也实施了相关的规范，尽管的性能水平较低。有关EMB系统容错能力的性能和设计要求的规定见表6。
表6。与EMB系统[8]的性能和设计要求相关的标准文件的章节。要求下右栏所列出的数字是指立法文件的段落。如果字母“A”前于数字，可以在附件中找到相关要求。
对于商用车来说，EMB系统是否会取代现有的气压制动系统仍存在争议。Bendix声称，一个足够安全、冗余和健壮的系统的成本太昂贵，无法与目前的气动制动系统竞争。为了证明EMB技术的市场可接受性和发展潜力，Haldex目前在中国非常活跃，中国的立法对EMB施加的限制较少。2020年5月，Haldex和VIE在中国联合成立了Haldex VIE EMB，致力于开发和大规模生产商用车电子。对于乘用车，用EMB系统取代EHB系统的过程正在进行中。在2015年勒芒24小时比赛中，奥迪展示了新一代R8 e-Tron，它在后桥上使用了两个emb，标志着emb在面向客户的乘用车上的首次应用。2021年6月，长城汽车发布了智能线驱动底盘和自行开发的EMB系统，并声称在2023年实现大规模生产。Haldex和其他相关制造商的EMB原型如图5所示。
图 5. 瀚德（Haldex）、维也纳工程（Vienna Engineering）和长城汽车的机电制动（EMB）样机
3. 机电制动（EMB）执行器的基本配置
现有的机电制动（EMB）执行器是基于传统制动器（包括盘式制动器和鼓式制动器）的结构进行设计的。由于盘式制动技术本身具备的优势，以及将鼓式机电制动（EMB）集成到标准轮端存在困难，盘式机电制动（EMB）将成为未来的主要形式。
以万都（Mando）提出的一种盘式机电制动（EMB）执行器为例，如图 6 所示。该执行器被分解为多个模块，其中行车制动模块用于实现基本的制动操作。行车模块由电机、力放大机构、运动转换机构以及施压部件组成。制动时，电机 1041 通过斜齿轮系 1050（力放大机构）驱动主轴 1032 旋转。主轴 1032 的旋转运动随后通过滚珠丝杠 1030（运动转换机构）转换为螺母 1031 的平移运动，进而驱动带有制动片 1013 的活塞 1020（施压部件）去挤压制动盘 1011。在输入斜齿轮的轴端，执行器上增设了驻车制动模块。驻车制动模块由驱动部件、移动部件和锁定部件组成。当需要驻车时，首先通过行车制动模块获得驻车制动力，然后给螺线管 2080（驱动部件）通电，使挺杆 2081（移动部件）移动一定距离以锁定棘轮（锁定部件），这样在车辆断电时也能保持足够的制动力。此外，在输出斜齿轮的轴端，执行器还配备了一个快速回位模块，即扭簧 2090。扭簧的一端固定在外壳上，另一端固定在输出斜齿轮上。扭簧通过扭转变形储存弹性能量，可用于制动器的快速释放。
图6. 提出的一种圆盘式EMB致动器的结构。快速返回模块和驻车制动模块如图所示，已圈出
除了上述三个模块之外，EMB致动器还可以包括用于补偿制动衬里磨损的制动间隙补偿模块和传感器模块，以及用于检测诸如用于精确制动力控制的夹紧力等信号的传感器模块。EMB执行器的基本配置如图7所示，包括五个失调模块：行车制动模块、停车制动模块、制动间隙补偿模块、快速返回模块和传感器模块。以下章节将介绍各模块的功能和六大厂家提出的典型方案。
图7. EMB执行器的基本配置（圆盘式）
3.1. 按组件
压力部件布置在制动片和运动转换机构的主轴或螺母之间，以传递压力。
3.1.1.基本形式
大多数执行机构采用带表面的单一压制部件的基本形式接触连接。主轴或螺母固定在制动片上，或在中间增加一个活塞，以间接推动制动片。
3.1.2.双按组件
如图8所示，在箭头所示的旋转方向上，前缘的压力会大于后缘的压力，导致刹车片磨损不均匀，制动力减少。为了解决上述问题，德尔福设计了一种双活塞结构，以调整压力的分布，产生均匀可靠的制动力[18]。随后，现代汽车也提出了一个类似的结构。Mando在两个活塞之间增加了一个浮动组件，以实现相对浮动的[19]，如图9所示。
图8：制动片各面的锥形磨损模式（用虚线表示）
图9. Mando的浮动双活塞结构
3.1.3.点接触点连接
在制动过程中，由反作用力和摩擦力引起的变形，会影响运动转换机构的传动效率，甚至造成干扰。为了减少这些力的影响，大陆网使用了制动片和主轴之间点接触连接的形式。制动片由两端有球座的压力杆支撑。博世和现代使用滚珠轴承，球顶或弧顶实现点接触。图10显示了几种主要形式。
图 10. 点接触连接的主要形式
3.2. 运动转换机构
运动转换机构将电机的旋转运动转换为主轴或螺母的平移运动。运动转换机构主要有四种形式，包括丝杠、凸轮、滚珠坡道以及齿轮齿条驱动机构。
丝杠驱动机构通过由主轴和螺母组成的丝杠副来实现运动转换，它包含滑动丝杠、滚珠丝杠和滚珠丝杠副（滚子丝杠）这三种类型。滑动丝杠结构简单，但传动效率和精度较低，容易自锁且磨损严重。滚珠丝杠和滚珠丝杠副（滚子丝杠）通过滚珠或滚子将滑动摩擦转变为滚动摩擦，它们具有更高的传动效率和精度，运动平稳且可靠性良好，这两种形式在机电制动（EMB）执行器中较为常用。此外，凸轮驱动机构也用于驱动施压部件，它结构简单且传力可靠，然而其高副接触容易磨损，无法传递较大的夹紧力。
滚珠坡道驱动机构利用滚珠在坡道上的滚动运动来实现轴向平移。博世、现代和万都先后针对滚珠坡道提出了不同的结构方案。一种典型结构 [23] 如图 11 所示。滚珠坡道驱动机构结构紧凑，轴向尺寸较小，但设计较为复杂。
图 11. 万都的滚珠坡道驱动机构
3.3. 力放大机构
为了增大电机的驱动力，通常采用两种方案：（1）诸如直齿轮系、斜齿轮系、锥齿轮系、蜗轮蜗杆齿轮系、行星齿轮系、带轮等减速机构；（2）诸如楔形机构、杠杆机构等自增力机构。
3.3.1. 减速机构
在选择减速机构时，主要考虑结构布局、传动比以及效率等因素。直齿轮系用于平行轴之间的传动，其结构简单但传动比小。锥齿轮系用于相交轴之间的传动，锥齿轮的制造复杂且成本高。蜗轮蜗杆齿轮系用于交错轴之间的传动，蜗轮蜗杆传动比大且承载能力高，但传动效率低且容易磨损。行星齿轮系是一种应用广泛的方案，它可以通过不同的输入和输出部件组合来实现不同的传动比，其结构紧凑且承载能力高，但装配复杂。
3.3.2. 自增力机构
一种典型的自增力方案是电子楔式制动器（EWB），它通过楔形机构将制动盘的切向摩擦力转换为压力。博世、西门子、现代和大陆特维斯都提出过不同的楔形自增力方案。如图 12 所示，依据楔面数量，可分为三种类型：单楔面机构、双楔面机构和多楔面机构。单楔面只能实现单向自增力效果，而双楔面和多楔面能实现双向自增力效果。多楔面机构产生的压力分布更均匀，但结构更复杂。由于自增力效果与位移并非线性相关，且受加工误差、磨损等诸多因素影响，楔形自增力方案产生的制动力较难控制。
图12. 三种形式的楔形自能机构
3.4. 电机类型及布置图
3.4.1. 电机类型
作为EMB执行器的功率输入，电机必须能够在锁定转子条件下长时间以大扭矩工作。此外，它还应具有小尺寸、低成本和良好的热稳定性。EMB执行器中常用的电机类型如表7所示。
表7.EMB执行器[3,27,28]中常用的各种类型的电机
电机结构分为两种类型：整体设计和空心设计
整体设计，即固体转子嵌套在定子内，转子端部轴向连接到其他部件以输出功率。如图13所示，该结构比较简单，但轴向或径向布局尺寸较大；
空心设计，即空心转子嵌套在转子中，转子与其他组件同轴连接到输出功率。该结构具有高度的集成性，轴向尺寸较小，但设计也比较复杂，适应性相对较差。
图13. 两种形式的电机结构设计
3.4.2. 电机布置
在车轮内部有限的空间内，存在沿径向方向的轮辋限制和沿轴向的悬挂杆限制。电机的布置是一个关键问题。根据电机和压制部件的相对位置，布置可分为同轴、平行和角度布置三种类型，如图14-16所示。
图14. 同轴布置图
图15. 平行布置
图16. 角度布置
电机排列的差异与减速机构的形式有关，减速机构决定了EMB执行器的轴向和径向尺寸。各种电机布置的特性如下表8所示。
表8. 各种电机布置的特点
3.4.3. 双电机设计
双电机设计，即在EMB执行器中采用两个电机。这确保了冗余的安全，因为当单个电机发生故障时，执行器仍然可以产生部分制动力。常见的双电机设计如图17所示（辅助电机的功能标记在图的底部）。
图17. 双电动机设计
在双电机设计中，主电机通常用于行车制动，而副电机配合实现以下功能：
・制动间隙调整：可通过输出轴处的角位移传感器控制松开电机 34，以调整制动间隙，确保制动间隙保持恒定。
・制动失效松开：副电机 60 驱动梯形螺母 48 旋转，使得带有整个支撑驱动装置的空心轴 46 轴向移动，从而在发生故障时松开制动器。
・快速消除制动间隙：副电机 50 驱动齿轮系 52 和主轴 56 旋转，使螺母 60 产生轴向位移，从而快速消除制动间隙。然后，副电机 50 停止运行，主电机 22 通电以产生压力。
・驻车制动：驻车制动电机 30 驱动梯形丝杠 34 旋转，带动梯形螺母 36 移动，使得杠杆 40 压在摩擦盘 20 上，进而阻止电机轴 15 旋转，实现制动锁定；
・增强制动稳定性：两个电机 41 直接驱动楔块 36 挤压制动盘，在保持稳定压力的同时产生自增力效果。
3.5. 驻车制动模块
驻车制动模块用于在车辆断电时保持制动力。现有的驻车制动模块从结构上可分解为驱动部件、移动部件和锁定部件。根据常用的驱动部件，驻车制动模块可分为三种类型：手动式、电机驱动式和螺线管驱动式。
3.5.1. 手动驻车制动
手动驻车制动通常依靠驾驶员拉动手刹来实现驻车。除了基本的驻车制动功能外，在电源故障或电气系统故障的情况下，它还可用于手动控制制动器。
西门子在传统机电制动（EMB）结构的基础上设计了一种辅助制动器，如图 18 所示。通过拉索 S 驱动鼓轮 H 旋转，鼓轮内的滚子 K1、K2 和 K3 与转子轴 RW 相啮合，从而锁定电机。
图 18. 西门子的手动驻车制动
Delphi在卡尺后侧设计了一种紧急控制装置，如图19所示，通过手动操作控制臂24来控制加速机构21控制电机轴14a的旋转。
图19.德尔菲的手动停车制动器
3.5.2. 电机驱动的驻车制动器
电机驱动的停车制动器通常需要一个额外的电机。如图20所示，德尔菲使用电机30驱动螺母36穿过螺钉34，杠杆40被压在摩擦盘20上，从而阻止电机轴15的旋转，实现停车制动。
图20.德尔的电机驱动驻车制动器
驻车电机接收来自控制单元的制动信号，然后精确控制移动部件的进给距离。与螺线管驱动方案相比，它能够减少因移动部件进给过量或不足而导致的部件磨损。
3.5.3. 螺线管驱动式驻车制动器
螺线管驱动式驻车制动器中使用电磁线圈来改变磁场分布，进而驱动相关部件实现制动锁定。螺线管部件应具备双稳态特性，也就是说，在断电时它能够保持锁定和松开这两种稳定状态。
图 21 - 24 展示了一些由螺线管部件驱动的典型驻车制动方案（图的底部标注了驱动部件、移动部件和锁定部件）。
博世采用了带有电枢盘和摩擦部件（离合器）的螺线管驱动式驻车制动方案，如图 21 所示。螺线管部件 10 通电产生反向磁场，使电枢盘 28 松开。借助螺旋弹簧 26 的弹力，电枢盘 28 被压向连接盘 36，从而锁定电机轴 38 并保持驻车制动力。
图 21. 博世的螺线管驱动式驻车制动器
德尔福采用了带有棘爪 - 棘轮锁定机构的螺线管驱动式驻车制动方案，如图 22 所示。螺线管部件 68 通电，克服磁铁 66 的吸引力使驻车制动杆 64 下落，并与棘轮 60 相啮合。然后，棘轮 60 被制动杆 64 锁定，以保持驻车所需的制动力。
图 22. 德尔福的螺线管驱动式驻车制动器
大陆集团采用了带有滚子 - 坡道锁定机构的螺线管驱动式驻车制动方案，如图 23 所示。螺线管部件 44 通电使挺杆 45 向下移动，将滚子 38 压向旋转部件 37 的坡道 41，从而锁定旋转部件 37 以保持制动力。
万都采用了带有锁销 - 齿轮机构的螺线管驱动式驻车制动方案，如图 24 所示。螺线管部件 152 通电驱动锁销 152a 伸出并插入齿轮 151 的限位槽 151b 中，从而锁定轴 141 的旋转并保持制动力。
图23. 大陆虎[46]电磁驱动驻车制动器
图24. Mando[47]的电磁阀驱动的驻车制动器
3.5.4. 总结
表9总结了典型的驻车制动方案。
表9 典型的停车制动器方案
在这些方案中，螺线管驱动式驻车制动器因其结构简单紧凑已成为一种主要趋势。各种螺线管驱动式方案的优缺点如下 ：
・使用摩擦部件的螺线管驱动式方案能够实现灵活的锁定和制动力控制，制动过程稳定，没有较大冲击，但摩擦的特性会导致热稳定性和耐久性差的问题。
・使用棘爪和棘轮的螺线管驱动式方案可以保持相对较大的制动力，但棘爪可能会过度前进，对棘轮造成持续冲击，进而可能出现磨损和变形等问题，降低驻车制动器的耐久性和可靠性。
・使用滚子和坡道的螺线管驱动式方案锁定过程平稳，并且能够产生一定的力放大效果。然而，坡道角度和锁定位置很难设计以确保锁定效果。・使用销和齿轮的螺线管驱动式方案设计简单，但当锁销与轮齿分离时，齿轮可能会卡住，这会降低驻车制动器的响应速度和稳定性。
3.6. 制动间隙补偿模块
制动片在反复制动操作过程中会逐渐磨损。为了保持车辆的制动性能，有必要对制动片的磨损进行补偿。根据所使用部件的材料特性，制动间隙补偿模块可分为三种类型：柔性型、刚性型、柔性与刚性结合型。
3.6.1. 柔性补偿机构
与传统液压制动器相同，利用柔性体的弹性变形来实现补偿机构的自动定位。通常在机电制动（EMB）执行器的移动部件周围安装密封环和弹簧等柔性部件。由于弹性变形受温度等多种因素的影响，制动间隙变化很大，甚至可能出现制动回位不完全的现象。图 25 展示了一种典型的柔性补偿机构方案，其中环形密封环 76 环绕活塞 62 放置。
图 25. 博世的柔性补偿机构（图中圈出部分）
3.6.2. 刚性补偿机制
这种补偿机制是在基本结构中添加刚性部件。通过电机的主动驱动，补偿部件越过初始位置形成新的刚性定位，并保持制动片与制动盘之间的间隙。与柔性补偿机制相比，这种方案对制动间隙的控制更加精确。
博世提议使用一个额外的电机来调整制动间隙。当主电机 40 驱动主轴 18 推动制动片 14 完成正常制动后，副电机 34 继续驱动主轴 18 轴向移动，以此来调整制动间隙，如图 26 所示。
图 26. 博世的刚性补偿机制
现代为楔式制动器提出了一种闩锁装置，如图 27 所示，通过移动块 56 来补偿制动磨损。
图 27. 现代的刚性补偿机制
万都在丝杠外侧的法兰和螺母上设计了凸起，如图 28 所示。螺母和活塞通过螺纹连接。首先由主轴 121 驱动法兰 136 旋转，然后法兰上的凸起 137 与螺母上的凸起 130 接触，螺母 125 和活塞 110 之间发生相对旋转，从而推动活塞移动以调整制动间隙。
图 28. 万都的刚性补偿机制
3.6.3. 柔性与刚性补偿机制
此方案同时使用了柔性和刚性部件。因此，补偿过程比仅使用柔性部件更可靠，并且比仅使用刚性部件更平稳，噪音和摩擦更小。
如图 29 所示，德尔福提出了一种结合密封环和棘爪机构的制动间隙补偿方案。当制动间隙增大时，密封环 152 相应地滑动，棘爪 131 沿着凹槽 138 后退到下一个齿适配的新位置，实现制动间隙的自动补偿。西门子也提出了类似的方案，利用弹簧 9 和 10 中储存的弹性势能推动滑块 12 和棘爪 11 来实现制动间隙的自动补偿。万都在执行器旋转盘的外侧设计了弹性臂 20 和 24。弹性臂通过齿轮 19 驱动丝杠 18 旋转，从而推动销 6 和制动片向制动盘靠近。
图 29. 柔性与刚性补偿机制（图中圈出部分）
3.7. 快速回位模块
快速回位模块用于通过弹性部件中储存的弹性能量快速松开制动器。这种快速松开可以提高制动响应的动态性能。此外，它有助于在执行器出现故障时松开制动器，从而进一步提高安全性。根据模块中使用的弹性部件，现有的快速回位模块可分为以下三种类型。
3.7.1. 扭簧
扭簧通过扭转或旋转来储存弹性能量，它具有吸收振动和大变形的能力。在快速回位模块中，扭簧的一端通常固定在外壳上，另一端固定在执行器的一个旋转部件上。德尔福、现代和万都先后提出了不同的方案，将扭簧的端部固定在电机转子轴、主轴或减速齿轮上，如图 30 所示。制动时，扭簧被旋转部件扭转并储存弹性能量。当电机反转松开制动器时，扭簧为与其相连的旋转部件提供弹性恢复力，从而实现快速松开制动器。
图 30. 扭簧式快速回位模块（图中圈出部分）
3.7.2. 压缩弹簧
压缩弹簧在制动过程中通过轴向压缩或拉伸来储存弹性能量。在快速回位模块中，压缩弹簧的一端通常固定在支撑部件上，另一端固定在执行器的一个移动部件上。万都提议将压缩弹簧的端部固定在活塞上，它通过活塞的轴向运动来储存弹性能量，如图 31 所示。当松开制动器时，压缩弹簧借助弹性恢复力驱动活塞远离制动盘，从而实现制动器的快速松开。
图 31. 压缩弹簧式快速回位模块（图中圈出部分）
3.7.3. 其他弹性部件
除了扭簧和压缩弹簧外，执行器中还会使用其他异形弹性部件来实现制动器的快速松开。万都提议在丝杠端部安装一个离合器单元，如图 32 所示。外侧离合器单元 110 在制动时储存弹性能量，当松开制动器时，通过滚珠 133 向内侧离合器单元 120 施加弹性恢复力。
图 32. 使用其他弹性部件的快速回位模块（图中圈出部分）
3.8. 传感器类型及布置
机电制动（EMB）执行器中常用的传感器包括以下几种类型：用于夹紧力控制的压力、扭矩、角位移和轴向位移传感器；用于检测制动盘磨损情况的制动片磨损及接触传感器；用于检测执行器工作温度的温度传感器。6 家制造商常用的传感器情况如表 10 所示。
压力传感器通常安装在传递压力的两个部件之间，比如主轴与外壳、螺母与外壳、主轴与制动片以及活塞与制动片之间，也有一些安装在导向支架上。角位移传感器通常安装在旋转部件的端部，例如主轴、螺母以及电机输出轴的端部。制动片磨损及接触传感器通常安装在靠近外侧制动衬片的位置。
大多数传感器会受到外界高温的极大影响。因此，传感器应布置在远离制动盘的位置，或者在传感器与制动盘之间添加隔热层。
表 10. 传感器类型
机电制动（EMB）执行器控制研究
机电制动（EMB）执行器是一个高度集成的机电系统。如何控制电机以实现对目标制动力的快速、精确且可靠的跟踪，是当前研究的重点。机电制动（EMB）执行器的控制包含两种方法：间接夹紧力控制（夹紧力估算）和直接夹紧力控制。
4.1. 间接夹紧力控制的估算方法
为了实现夹紧力的闭环控制，通常会在执行器中使用压力传感器来实时获取夹紧力的值。然而，压力传感器的测量精度容易受到热量和磁场的干扰。一旦压力传感器出现故障，执行器必须有备用的控制方法。而且，压力传感器价格昂贵、体积较大，很难集成到执行器有限的空间内。为了省去压力传感器，需要利用估算的力值来对夹紧力进行间接控制。现有的夹紧力估算方法总结于表 11 中。
表 11. 夹紧力估算方法
基于角位移的估算方法利用夹紧力与电机角位移之间的关系，也就是刚度特性（图 33）来估算夹紧力。这是最常用的估算方法，简单且易于实施。为了确定初始位置并避免制动片磨损对估算结果的影响，有必要识别制动片与摩擦盘的接触点。施瓦茨等人通过设置电机电流随角位移变化的阈值差值来识别接触点。基于简化的制动模型，确定一个比例系数来修正平均刚度特性，从而精确估算夹紧力。由于刚度特性会受到温度、摩擦等因素的干扰，所以需要对其进行修正以确保夹紧力估算的准确性。萨里奇等人 提议使用两个温度传感器来研究制动片的热分布特性，并建立不同热工况下的刚度特性估算模型，这提高了夹紧力估算的准确性。针对由摩擦以及制动盘弹性特性所导致的夹紧力滞后效应，帕克等人 提出了一种基于滞后模型的夹紧力估算方法，该方法保障了在运动方向发生瞬态变化时估算夹紧力的准确性。此外，还采用定期更新刚度特性的方法来提高估算方法的鲁棒性。
图 33. 刚度特性曲线
基于电机电流的估算方法通过建立电机输出轴处的转矩平衡方程来估算夹紧力，如下所示：
其中Fcl为夹紧力，g为总减速比，Im、θm为电机的电流和角位移，Km，Jm为电机力矩常数和电机输出处的等效惯性矩，Tf为摩擦力矩。由于力矩平衡方程中涉及到摩擦环节和惯性环节，因此有必要确定库仑摩擦系数等这些参数。为了避免建立复杂的摩擦模型，浙江大学[61]的Wang利用制动盘夹紧和释放过程的力矩平衡方程来抵消摩擦力矩，实现了电机失速状态下夹紧力的简化估计。在现代汽车提出的一项专利中，增加了一个带有弹簧部件的机械装置来监测电机的角位移和电流之间的关系。相应地修正了电机的扭矩特性，以准确地估计夹紧力。为了反映真实的非线性特性，Weiet al. 通过台式试验得到了夹紧力与电机转矩之间的特征曲线。根据特征曲线，对理想的力矩平衡方程进行了拟合和修正，以获得更好的夹紧力跟踪效果。
融合角位移和电流的信号可以提高夹紧力估计方法的精度和鲁棒性。Saric等人。基于动态刚度特性和力矩平衡方程设计了两种夹紧力估计模型。采用在职自适应技术来适应两种模型的磨损相关参数。此外，利用最大似然估计器对这两个独立模型的输出进行融合，给出了夹紧力的优化估计，具有良好的跟踪性能高度动态的情况。Bae等人结合遗传算法和卡尔曼滤波方法，将基于动态刚度特性和力矩平衡方程的估计结果融合，准确估计夹紧力。采用实编码遗传算法对噪声矩阵进行了优化，提高了卡尔曼滤波器的性能。实验结果表明，该估计算法在动态制动时的灵敏度较低。
4.2. 直接夹力控制
直接控制算法通过获取压力传感器、角位移传感器和电流传感器的反馈信号，实现了对夹紧力的闭环控制。表12总结了现有的夹紧力的直接控制算法。
表12.直接夹紧力控制算法
PID控制是直接夹紧力控制最常用的算法，具有结构简单、应用方便、适应性好等优点。在制动过程中，EMB执行器需要经历三个阶段：消除制动间隙，产生夹紧力和释放制动器。级联PID控制体系结构非常适合这三个阶段。在第一和第三阶段，采用中间速度回路来调整电机转速，提高执行器的响应速度。当制动间隙消除，驱动电机进入停滞状态时，利用夹紧力的外环精确跟踪目标夹紧力。
此外，利用电流回路作为内环来调节电机的电流，充分发挥电机的过载能力，并提高电机电流控制系统的动态响应。由于三个闭环之间的耦合，需要进行迭代调整才能获得最佳的整体性能，而且参数调优的工作量很大。Li等人。采用基于Bode图的频域方法对PID参数进行调整，使控制器具有良好的跟踪性能，并能将超调控制在所需的范围内。然而，具有固定增益的PID控制不能有效地处理时变非线性问题，如负载相关的摩擦和刚度。Jo 等人.提出了一种自适应的PID控制算法，结合制动间隙控制算法来估计夹紧力，并根据夹紧力的变化在线调整比例增益系数，以获得更好的控制效果。为了解决高负荷下摩擦等非线性干扰问题，Line等在级联PI控制框架中增加了前馈摩擦补偿，提高了夹紧力控制的精度和跟踪性能。
图 34. “力 — 速度 — 电流” 串级 PID 控制架构
为了实现对夹紧力的精确控制并提高不同阶段的响应速度，KI和LEE等人 [75] 提出了一种复合 PID 控制算法，该算法会根据目标夹紧力在力环和位置环之间进行切换。吉林大学的张等人依据目标功率、实际制动力以及电机转角位置的变化，将机电制动（EMB）执行过程划分为四个阶段，并根据各阶段的控制品质和特点设计了相应的 PID 控制策略。为提高不同阶段接触点识别的准确性，湖南大学的张等人[77] 设计了一个二阶卡尔曼滤波器来处理电流，并根据制动过程中夹紧力与电流之间的关系识别接触点。在此基础上，提出了一种针对不同阶段有特定控制目标的模糊 PID 控制算法，以实现更好的动态性能。
增强控制算法对外部干扰的鲁棒性是实现夹紧力精确控制的关键。莱恩等人设计了一种鲁棒 H∞最优控制器，该控制器考虑了温度、制动片磨损以及未建模动态等不确定参数的影响。仿真结果表明，与标准串级 PI 控制相比，该控制器对外界干扰的敏感度更低，能够保证控制性能的稳定性。克里希那穆尔蒂（Krishnamurthy）等人针对开关磁阻电机（SRM）机电制动系统提出了一种非线性鲁棒控制算法，假定负载是位置的未知非线性函数，并通过鲁棒反推程序设计了一个转矩级控制律。提出了两种获取控制律的方案，一种基于额外的鲁棒反推步骤，另一种基于转矩纹波最小化。严（Eum）等人提出了一种基于力 — 位置串级控制结构的鲁棒夹紧力控制方法，并采用干扰观测器（DOB）来增强针对模型变化的控制鲁棒性。尽管鲁棒算法降低了干扰的影响，但也导致了控制保守的问题。而且，设计一种同时兼顾鲁棒性和响应性能的鲁棒算法颇具挑战性。
模型预测控制（MPC）可预测系统未来的动态特性，在线求解优化问题，并将最优解应用于系统以实现闭环控制。它能够明确处理约束问题，且具有良好的动态控制性能。莱恩等人 首先利用增益调度、摩擦补偿以及反馈线性化技术对串级 PI 控制的结构进行改进，然后进一步引入模型预测控制，以便更好地利用可用电机转矩。为便于实际应用，采用一种事后施加动态约束的无约束模型预测控制，以此降低计算需求。为避免对象线性化并简化控制器，李等人设计了一种显式非线性模型预测控制，通过最小化二次型性能指标来获得显式控制律。仿真结果表明，与现有的线性模型预测控制相比，显式模型预测控制的计算时间减少了 24%，并且在复杂制动操作方面性能略优。该算法的优化是离线进行的，通过使用查找表来减少计算开销。由于模型预测控制的连续动态优化过程需要大量计算，因此在实际应用中通常采用简化模型或离线计算的方法。
滑模控制（SMC）通过设计滑模面和趋近律使控制变量快速收敛。它不仅响应速度快、调节参数少，而且对不确定参数和外部干扰具有很强的鲁棒性。林德瓦伊 - 索斯（Lindvai - Soos）和霍恩（Horn）基于车辆制动系统的动态模型为执行器设计了滑模控制律，在滑模控制中把摩擦作为不确定因素加以考虑。实验结果表明，在不同输入信号下，滑模控制器与串级 PI 控制器相比具有更高的跟踪精度。韩等人 [84] 基于电子楔式制动器（EWB）的动态模型设计了滑模控制器。夹紧力是基于带有接触点检测的简化电子楔式制动器模型进行估算的。实验表明，该算法对参数变化和非线性因素具有鲁棒性。朴（Park）和崔（Choi）设计了一种自适应滑模控制器，它通过自适应调整摩擦模型的参数，并将摩擦补偿的前馈环节融入滑模控制器，以此降低估算误差，提高控制算法的鲁棒性。然而，当系统状态达到滑模面时，滑模控制会存在抖振问题，这将影响控制精度。因此，有必要采用滤波、添加观测器、模糊控制以及遗传算法等方法来优化控制过程。
为进一步提高控制精度，还提出了其他智能控制算法。李和曼齐（Manzie）[86] 设计了一种状态受限、鲁棒的近实时最优夹紧力跟踪控制器。他们首先针对具有状态约束的一般二阶非线性系统设计控制器，然后将其扩展到具有有界但可能随时间变化的干扰的受扰系统。样机测试证明，该控制器具有鲁棒稳定性，跟踪误差渐近收敛到一个包含原点的一致最终界内。金等人将一种基于边缘脑系统的仿生控制策略应用于机电制动（EMB）执行器，并通过遗传算法对控制参数进行优化。仿真结果表明，该控制方法在控制速度、参考跟踪以及对干扰的鲁棒性方面优于传统的 PID 控制。
5. 机电制动（EMB）系统架构与智能驾驶应用
智能驾驶的进一步发展对制动系统提出了更高的要求。根据当前行业内技术水平和需求的调研结果，从 L0 到 L5 级自动驾驶对制动响应时间、控制精度、集成控制以及功能安全的基本要求如图 35 所示。作为未来制动系统的最终方案，机电制动（EMB）系统应满足高级别自动驾驶的要求
快速响应与精确控制：L4 级及以上自动驾驶在车辆动力学控制方面对主动制动的响应速度和控制精度提出了更高要求。对于机电制动（EMB）系统而言，制动响应时间应在 100 毫秒以内，稳态控制精度应达到 0.1 兆帕；
・高度集成控制：驱动、制动和转向的协同控制要求各子系统的控制集中于底盘域控制器。在底盘域控制器的框架下，机电制动（EMB）系统需要具备高度的控制自由度以实现集成控制；
・良好的冗余安全性：从辅助驾驶（L1 和 L2 级）到自动驾驶（L3 级及以上），智能驾驶系统的功能安全是一个关键问题，有必要确保系统在出现单一故障时仍能接管控制。制动冗余是功能安全的重要组成部分。对于机电制动（EMB）系统，必须通过执行器（双电机设计）、控制算法（基于夹紧力估算的间接控制）以及系统架构的冗余设计来满足汽车安全完整性等级（ASIL）中 D 级的功能安全要求。此外，还需满足预期功能安全和信息安全方面的要求。
图 35. L0 - L5 级自动驾驶对制动系统的基本要求
接下来将首先根据功能安全要求分析机电制动（EMB）系统的架构，并总结基于机电制动（EMB）系统的传统车辆稳定性控制（包括防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配系统（EBD）、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定控制系统（ESC）等）方面的研究。在此基础上，介绍机电制动（EMB）系统在智能驾驶中的初步应用，即先进驾驶辅助（包括自动紧急制动（AEB）、自适应巡航控制（ACC）等）方面的研究
5.1. 系统架构
一个典型的机电制动（EMB）系统由四个执行器、若干控制电子控制单元（包括一个主电子控制单元和四个执行器电子控制单元）、一个供电系统、一个电子踏板（包括制动踏板、踏板力感模拟器、踏板位移传感器和踏板力传感器）、一个驻车开关以及其他部件组成。当驾驶员踩下制动踏板时，踏板模拟器会给驾驶员提供合适的踏板感觉，踏板传感器检测踏板信号以获取驾驶员的制动意图。主电子控制单元接收驾驶员的制动意图，并结合轮速等传感器反馈的车辆状态信号，依据控制目标制定制动力分配策略。然后，将所需制动力发送至执行器电子控制单元，以控制轮端的执行器来实现制动操作。
机电制动（EMB）系统的具体架构与功能要求、车辆控制要求以及冗余要求相关。以下基于 ISO 26262 功能安全所要求的系统架构设计流程 进行简要分析：
危害分析：首先通过基于严重程度、暴露概率和可控性这三个因素，对车辆和子系统层面的危害进行系统评估，来确定汽车安全完整性等级（ASIL）。如图 36 所示，以分析各种驾驶场景下 “无制动” 失效模式为例 [88]，制动系统应满足最高安全等级，即 ASIL - D 级。
安全功能要求：基于危害分析，将总体安全目标设定为降低丧失制动能力的可能性。具体而言，它包括三种不同模式：（1）全功能模式：系统能够容忍至少一个任意故障，并保证完全的制动能力；（2）部分功能模式：由单一故障导致的部分制动能力丧失不应影响车辆的稳定性；（3）紧急模式：系统必须确保在出现第二个任意故障后车辆能够完全停止。
系统架构设计原则：基于安全功能要求，主要设计原则设定如下：（1）避免单点故障；（2）尽量减少系统对任何可能突然失效的条件的依赖；（3）采用依赖最少且具备足够容错能力的保守设计。
图 36. “无制动” 失效模式的汽车安全完整性等级（ASIL）
为了满足 ASIL - D 级的功能安全要求，首先必须避免系统出现单点故障。因此，对于控制电子控制单元、供电系统、通信线路等需要进行冗余备份设计。在电子控制单元布局方面，少数系统会舍弃机电制动（EMB）执行器自身的控制器，将控制集成到一个集中式的双模块中，更为常见的是采用四个执行器电子控制单元的系统。文中给出了三种具有不同电子控制单元布局的典型机电制动（EMB）系统架构方案。方案 1 使用一个主电子控制单元通过两个车桥电子控制单元分别控制前桥和后桥的执行器电子控制单元。该方案有呈 H 形布置的两个电源以及四条通信线路作为冗余备份。当主电子控制单元或车桥电子控制单元出现故障时，分别能保证 100% 和 50% 的制动能力。方案 2 使用单个主电子控制单元控制四个执行器电子控制单元，并有两个全冗余的电源以及两条通信线路。当主电子控制单元出现故障时，电子踏板可直接控制两个或四个执行器，以确保 50% 或 100% 的制动能力。方案 3 使用主电子控制单元接收并分析制动需求、监测电机状态并发出制动指令，而辅助电子控制单元直接接收制动踏板信号和轮速信号来控制执行器电子控制单元。在此方案中，设有呈 X 形布置的两个电源以及两条通信线路。当主电子控制单元或辅助电子控制单元出现故障时，仍能保证 50% 的制动能力。除了上述三种方案外，一些方案可能还会采用 “2/3 个主电子控制单元 + 4 个执行器电子控制单元” 的电子控制单元布局形式。对于供电系统，采用呈 X 形或 H 形布置的两个电源以及一个全冗余的备用电源来实现三重冗余。各方案的对比情况如表 13 所示。
方案1 主ECU+2轴ECU+4执行器ECU
方案2 主ECU+4执行器ECU
方案3 主ECU +辅助ECU + 4执行器ECU
表13.各类系统架构方案的比较
5.2. 基于EMB系统的车辆稳定性控制
车辆稳定控制是指车辆在突然转向、道路激励突变等紧急情况下，在驾驶或制动过程中保持稳定运行的能力。基于EMB系统的优点，如高精度和快速响应，以及电子控制，更容易结合先进的复合辅助驾驶控制算法，更好地保持车辆的稳定性，实时监控和跟踪车辆的运行状态，并进行反馈调整。一般来说，稳定控制可以分为纵向稳定控制和横向稳定控制。现有的基于EMB系统的车辆稳定控制方法见表14。
表14. 基于EMB系统的车辆稳定性控制方法
(1) 在纵向稳定性控制方面，燕山大学的徐采用逻辑阈值控制方法实现了防抱死制动系统（ABS）的应用。逻辑阈值控制方法是依据车轮加速度和滑移率的阈值来控制制动压力的增减及维持，从而使车轮滑移率能维持在最佳滑移率附近，以获取最佳地面制动力。仿真结果表明，基于机电制动（EMB）系统的防抱死制动系统（ABS）控制更为精确、高效且能耗更低。重庆大学的夏和李 基于夹紧力反馈信号能够实现制动转矩连续闭环控制这一特性，提出了一种优化的逻辑阈值控制方法。在防抱死制动系统（ABS）控制过程中，依据车辆滑移率和制动减速度，直接给出制动转矩增减的梯度，以实现制动转矩的调整，将滑移率控制在稳定区间内。逻辑阈值控制方法不涉及数学模型，具有响应速度快、成本低的优点。然而，其设计与调试较为复杂，且控制过程不稳定。此外，由于其开关特性，它无法始终保持在最佳滑移率状态。
韩国科学技术院的李等人 通过纵向加速度控制器（PI）计算预期电机转速，以此动态控制夹紧力，并运用轨迹更新算法解决控制器与目标之间的相位滞后问题，使其趋近预设的预期加速度曲线。这样一来，在低风险制动条件下，能够实现在停车前减少制动输入，从而提高乘坐舒适性。江苏大学的董、田]；华中科技大学的张；湖南大学的张 ；吉林大学的韩 、杨和李等人提出了一种模糊 PID 复合控制方法来实现防抱死制动系统（ABS）/ 电子制动力分配系统（EBD）（如图 37 所示）。将预期最佳滑移率与实际滑移率之间差值的微分输入到模糊控制器中，依据模糊规则生成 PID 控制的比例、积分和微分参数，进而能够对制动力进行反馈控制。这种控制方法不仅具备 PID 控制精度高的优点，还拥有模糊控制鲁棒性强的优势。吉林大学的唐、饶，江苏理工学院的王以及南通大学的沈等人通过将 BP（反向传播）或 CNN（卷积神经网络）神经网络与 PID 控制相结合，实现了防抱死制动系统（ABS）/ 牵引力控制系统（TCS）的控制。将车辆纵向速度、车轮速度、预期最佳滑移率与实际滑移率的差值及其变化率输入到 BP 或 CNN 神经网络后，也可通过神经网络学习获得 PID 控制器的三个参数，进而进行反馈控制，这使得控制更加精确，且具有良好的跟踪适应性。
图 37. 采用模糊 PID 控制方法的防抱死制动系统（ABS）控制框架
西华大学的黄 和长安大学的张通过模糊滑模控制方法实现了防抱死制动系统（ABS）的控制。首先，通过滑模控制器将滑移率作为控制对象，使运动点始终位于基于最佳滑移率生成的滑模面上，然后进一步设置模糊控制校正器，对滑模控制器的输出进行模糊化处理，以便依据模糊控制规则对控制值进行优化。经过这些过程后，利用去模糊化输出控制制动力。因此，有效抑制了常规滑模控制的抖振现象，同时保持了滑模控制的鲁棒性。西北工业大学的梁等人 基于滑模控制提出了一种自适应非奇异快速终端滑模（NFTSM）控制方案，该方案利用径向基函数（RBF）神经网络方法解决了估计系统中复杂干扰上界的难题，降低了滑模切换增益设计的保守性，并有效消除了抖振。
波尔多大学的贝宁 - 内托（Benine - Neto）等人设计了一种具备防抱死制动系统（ABS）功能的新型非整数阶鲁棒控制器（CRONE）。其基于频域控制的线性化模型使其能够跟踪车轮的参考角速度，并在车辆质量、路况等不确定参数存在的情况下，显著降低由测量噪声引起的控制输入波动。
伊希克大学的丁奇曼（Dinçmen）等人提出了一种防抱死制动系统（ABS）控制器的极值搜索方案。通过开发一种自优化算法和观测器设计，在无需估计路况的情况下，能够使道路车辆在紧急制动条件下的制动力达到最大。
(2) 在横向稳定性控制方面，密歇根大学的向等人分析了线控制动系统的系统架构和容错设计，研究了利用差动制动转矩控制横向和横摆稳定性的有效性。因此，提出了一种模糊逻辑控制方案，该方案根据车辆状态和路况将最优制动转矩施加到不同车轮上，从而实现横向和横摆稳定性控制，并且通过车辆制动模型的仿真验证了该控制方案的有效性。
吉林大学的张、杨 和王研究了基于机电制动（EMB）系统的横摆控制算法。他们都通过 PID 控制实现了电子稳定控制系统（ESC）功能的应用。针对线性二自由度汽车模型，采用质心侧偏角的 PID 控制器和横摆角速度的 PID 控制器进行联合控制。当质心侧偏角较小时，采用质心侧偏角的 PID 控制器；否则，使用横摆角速度的 PID 控制器。系统通过收集方向盘和制动踏板信息来判断驾驶员的意图，并通过计算将监测到的实际值与理论值进行比较，从而计算出每个车轮达到预期状态所需的目标制动力。通过执行这种反馈调整来确保车辆的横向稳定性。武汉理工大学的周 运用模糊 PID 控制方法对质心侧偏角的 PID 控制器和横摆角速度的 PID 控制器进行描述，该方法对输入的精确信号进行模糊化处理，并依据模糊规则为控制对象获取相应的模糊控制输出。它通过非数学模型将质心侧偏角和横摆角速度的控制量关联起来，降低了模型的复杂性，便于控制调试。吉林大学的尹等人研究了基于机电制动（EMB）的车辆稳定性控制系统（ESC）中的横摆力矩控制算法（如图 38 所示）。以质心侧偏角和横摆角速度作为控制参数，利用结合 PID 算法和阈值的横摆力矩决策算法实现车辆稳定性控制，并通过仿真实验验证了横摆控制算法的有效性。
图 38. 采用 PID 控制方法的电子稳定控制系统（ESC）控制框架
费尔加尼（Fergani）等人 提出了一种基于横向稳定性监测系统的线性变参数（LPV）控制方法，该方法能够以一种简单的方式在性能目标之间实现平滑过渡并处理非线性问题，同时保持足够的鲁棒性，以更好地维持车辆稳定性。
综上所述，机电制动系统（EMB）的应用使得高阶控制辅助算法的耦合成为可能。因其线控制动系统的特性，它不仅确保了通用性和高稳定性，还具备集成度高、能耗低、响应快等优势。这保障了整车的稳定性控制，为车辆的电动化和智能化发展奠定了基础。
5.3. 基于机电制动系统（EMB）的先进驾驶辅助
先进驾驶辅助是指通过感知技术获取周边环境信息，然后经过数据处理与分析向驾驶员发出警报或主动介入协助驾驶员进行应急处理，以此提高车辆行驶过程中的安全性和可靠性。基于机电制动（EMB）主动制动能力的车辆动力学控制是当前研究的重点，旨在实现诸如自适应巡航控制（ACC）、自动紧急制动（AEB）等先进辅助驾驶功能。
吉林大学的杨等人 [109] 搭建了一个带有虚拟现实功能的机电制动（EMB）与自适应巡航控制（ACC）离线仿真平台，对节气门位置采用 PI 控制，对制动控制采用模糊 PID 控制。在两种典型跟车工况的虚拟仿真下，他们初步探究了基于机电制动（EMB）的自适应巡航控制（ACC）功能。吉林大学的牟 [3] 基于机电制动（EMB）的多级闭环控制算法建立了纵向动力学分层控制框架，包含自适应巡航控制（ACC）和自动紧急制动（AEB）系统（如图 39 所示）。下层控制部分依据车辆纵向动力学方程设计目标制动压力、目标驱动转矩以及驱动与制动之间的切换控制策略，而上层控制部分则设计了定速巡航 PID 控制器、自主跟车线性二次型调节器（LQR）控制器，以及自动紧急制动（AEB）安全距离模型和分层制动控制策略。此外，通过仿真验证了纵向动力学控制策略的有效性。山东交通学院的徐 [110] 基于三闭环控制策略精确控制机电制动（EMB）的夹紧力，建立了基于滑移率的防抱死制动系统（ABS）模糊 PID 控制器，并采用基于碰撞时间的碰撞时间（TTC）碰撞策略作为自动紧急制动（AEB）控制算法，对集成机电制动（EMB）的自动紧急制动（AEB）功能进行了仿真验证。
图 39. 基于机电制动（EMB）的自适应巡航控制（ACC）/ 自动紧急制动（AEB）系统控制框架
江苏大学的苗 [111] 设计了一种基于楔式机电制动（EMB）的防抱死制动系统（ABS）与自动紧急制动（AEB）联合作用的控制方法。执行系统采用逻辑阈值控制方法，将滑移率作为自动紧急制动（AEB）控制的第二个逻辑阈值，结合防抱死制动系统（ABS）对输出制动转矩进行调整，以增强制动稳定性。最后，在四种不同类型的路面上，通过联合仿真验证了制动系统的性能。
6. 结论
作为线控制动系统的一种完备形式，机电制动（EMB）系统具有诸多优势，例如响应迅速、制动力控制精确以及易于集成控制等。同时，它也仍然存在一些问题，比如冗余性差、成本高以及热干扰严重等。通过总结各制造商提出的现有结构方案，可得出以下结论：
对于行车制动模块，运动转换通常以丝杠传动（尤其是滚珠丝杠和滚珠丝杠副）的形式实现。此外，主要采用减速机构（以行星齿轮系为代表）或增力机构（以楔形自增力机构为代表）来解决电机驱动力不足的问题。
对于驻车制动模块，根据常用的不同驱动部件，可分为三种类型：手动式、电机驱动式和螺线管驱动式。其中，螺线管驱动式方案因其结构简单紧凑已成为主流方案。
对于制动间隙补偿模块，根据所使用部件的材料特性，可分为三种类型：柔性型、刚性型、柔性与刚性结合型。其中，柔性与刚性结合的补偿机制结合了前两种方案的特点，使得制动间隙的控制更加精准可靠，补偿过程也更加平稳。
对于快速回位模块，通常采用扭簧、压缩弹簧或其他弹性元件来储存弹性能量，实现制动力的快速释放。
关于机电制动（EMB）执行器的夹紧力估算与控制算法，以及机电制动（EMB）系统在智能驾驶中的应用研究，当前的研究进展和未来的研究前景如下：
在夹紧力估算方面，分别有基于电机角位移、电机电流以及角位移与电流融合的三种方法。它们大多仍采用近似模型进行拟合，在温度、摩擦等干扰因素方面鲁棒性不强。还需进一步开发强鲁棒性的状态估计算法。
在夹紧力控制方面，目前主要采用串级 PID 控制算法，也包括鲁棒控制、模型预测控制、滑模控制等其他算法。鉴于机电制动（EMB）系统具有非线性时变特性，运用自适应智能控制算法来实现制动力的精确调整是当前研究的一大趋势。
目前，机电制动（EMB）系统在智能驾驶中的应用研究主要集中在车辆稳定性控制方面，关于其在先进驾驶辅助方面的应用研究较少。机电制动（EMB）系统在 L3 - L5 级自动驾驶车辆的横向和纵向动力学控制中的应用将是未来研究的重点。
