基于无刷直流电机的电子机械制动执行器非线性动力学建模与仿真研究（Simulink仿真实现）-拓冰建站

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💥第一部分——内容介绍

基于无刷直流电机的电子机械制动执行器建模与仿真研究

摘要

传统液压制动系统存在管路渗漏、制动响应滞后、系统维护成本高等固有缺陷，难以适配线控底盘、自动驾驶车辆对制动系统快速响应、轻量化、集成化的性能需求。电子机械制动执行器依托电机直驱机械传动机构实现制动夹紧力输出，彻底取消液压油液、制动管路等液压核心部件，是下一代车辆制动系统的主流发展方向。本文以无刷直流电机为动力源构建电子机械制动执行器整机模型，综合考虑电机摩擦非线性特性、传动机构动力学行为、制动盘负载约束与闭环控制逻辑，搭建完整执行器仿真模型，分析不同工况下制动夹紧力响应特性、电机运行状态及系统非线性扰动影响规律，为电子机械制动执行器结构优化、控制策略设计提供理论支撑与仿真研究基础。研究结果表明，引入精准摩擦模型能够有效还原执行器低速启停阶段力矩波动现象，整机耦合模型可真实复现制动建压、保压、释压全流程动态特性，具备工程化仿真分析与控制算法验证的应用价值。

关键词：电子机械制动；无刷直流电机；执行器；Stribeck 摩擦模型；动力学建模；线控底盘

1 绪论

1.1 研究背景与意义

汽车智能化、电动化转型推动底盘线控技术快速迭代，自动驾驶、自动紧急制动、车身稳定控制系统等功能对制动系统的响应速度、控制精度、布置灵活性提出更高标准。传统液压制动系统依赖真空助力器、液压管路、制动液储液罐等零部件，结构复杂且存在液体压缩、管路阻尼带来的制动延迟，同时液压介质长期使用易出现渗漏、汽化失效等安全隐患，难以匹配纯电动平台集成化设计需求。

电子机械制动执行器采用电机驱动机械传动结构直接输出制动力，无液压介质参与，系统零部件数量大幅缩减，整机重量显著降低；电机力矩可实现毫秒级精准调控，制动夹紧力调节线性度更好，便于与整车域控制器、自动驾驶感知系统协同控制。无刷直流电机凭借结构可靠、调速范围宽、力矩密度高、维护简单等优势，成为电子机械制动执行器的主流驱动元件。但执行器内部齿轮、丝杠等传动副存在显著非线性摩擦，低速阶段摩擦扰动会造成制动压力抖动、控制精度下降，单纯线性动力学模型无法复现真实工况下的系统动态行为，制约控制算法的仿真验证效果。

针对上述问题，本文构建包含无刷直流电机本体、非线性摩擦环节、传动机构、制动负载与闭环控制体系的一体化电子机械制动执行器仿真模型，采用 Stribeck 摩擦模型刻画传动副全速度区间摩擦特性，完整还原制动夹紧、稳压、释放全过程动态响应，可为执行器结构参数匹配、摩擦补偿控制、制动逻辑标定提供可靠仿真平台，对推进线控制动系统国产化研发具有实际工程意义。

1.2 国内外研究现状

国外针对电子机械制动执行器的研究起步较早，整车企业与零部件厂商已完成多代样机开发与实车匹配。现有研究多聚焦于执行器机械结构设计与电机控制算法优化，在系统建模层面，多数文献简化摩擦特性，仅采用库伦摩擦或粘性摩擦线性模型，难以体现低速静摩擦、Stribeck 负斜率摩擦衰减现象，仿真结果与台架试验数据偏差较大。部分研究单独建立无刷直流电机模型或单一传动机构动力学模型，缺少电机、传动、制动负载、控制器多环节耦合的完整整机模型，无法实现制动全流程联合仿真。

国内相关研究近年来围绕新能源汽车线控底盘快速发展，多数成果集中于制动控制策略开发，对执行器整机多物理场耦合建模、非线性摩擦精准表征的系统性研究相对不足。现有仿真模型常割裂电机驱动与机械传动环节，忽略摩擦非线性对夹紧力稳态精度与动态响应的干扰，导致基于仿真模型设计的控制算法移植至实物样机后出现明显性能衰减。因此，搭建融合无刷直流电机动力学、非线性摩擦、机械传动与制动负载的一体化执行器模型，完善全工况仿真分析体系，具备重要的补充研究价值。

1.3 主要研究内容与章节安排

本文核心研究对象为无刷直流电机驱动型电子机械制动执行器整机系统，主要研究内容分为四部分：第一，分析电子机械制动执行器整体工作原理，拆解电机驱动、机械传动、制动负载三大核心结构，梳理系统能量传递与力矩转换逻辑；第二，基于 Stribeck 摩擦理论分析执行器内部传动副摩擦非线性机理，明确静摩擦、库伦摩擦、粘性摩擦及低速摩擦衰减效应的影响规律；第三，完成无刷直流电机、传动机构、制动负载、闭环控制系统多子模块耦合建模，搭建完整执行器仿真模型；第四，依托整机模型开展制动全工况仿真分析，探究摩擦非线性、电机输出力矩、传动结构参数对制动夹紧力响应特性的影响，验证模型的有效性与工程实用性。

全文章节安排如下：第一章为绪论，阐述研究背景、国内外研究现状与研究内容；第二章分析电子机械制动执行器整体结构与工作机理，拆解各子系统功能；第三章开展执行器各环节动力学建模分析，重点阐述 Stribeck 摩擦模型对传动非线性的表征逻辑；第四章基于一体化整机模型开展制动工况仿真分析，解读不同工况下系统动态响应规律；第五章总结全文研究成果，展望模型后续优化与拓展应用方向。

2 电子机械制动执行器整体结构与工作机理

2.1 电子机械制动系统总体架构

电子机械制动系统完全摒弃传统液压制动回路，整套制动执行机构由驱动电机、减速传动机构、制动夹紧机构、制动盘摩擦副及位置 / 压力传感单元组成，单轮独立配置一套执行器，便于实现四轮制动力独立分配，适配自动驾驶车身稳定控制、再生制动能量回收等整车功能。

系统工作流程分为制动建压、压力保持、制动释放三个阶段。制动需求信号由整车控制器下发至执行器控制器，控制器根据目标夹紧力输出驱动指令控制无刷直流电机运转；电机输出旋转力矩经减速、丝杠转换为直线推力，推动制动衬块压紧制动盘生成制动力；压力传感器实时采集衬块夹紧力反馈至控制器，形成闭环调节实现夹紧力精准稳压；当制动需求撤销时，电机反向运转，传动机构带动衬块脱离制动盘，完成制动释放。整套能量传递路径为电能 — 电机旋转机械能 — 传动机构直线推力 — 制动盘摩擦制动力，全过程无液压介质力矩传递环节。

2.2 无刷直流电机驱动单元功能特性

无刷直流电机作为执行器唯一动力源，承担力矩输出与转速调节功能。相较于有刷电机，无刷结构消除电刷磨损带来的寿命衰减问题，能够长期承受制动工况下频繁正反转、短时峰值力矩输出的工作条件。电机通过电子换相实现连续旋转，控制器可实时调节输出力矩大小与转向，满足制动缓慢夹紧、快速释压、稳态保压等差异化力矩需求。

制动执行器工作区间覆盖低速启停、恒定转速稳压、高速反向释放多种工况，低速区间电机输出力矩易受传动机构摩擦干扰，出现力矩输出波动，直接反映在制动夹紧力抖动上，是建模过程中需要重点刻画的非线性环节。

2.3 机械传动与制动负载单元工作机理

电机输出高速低力矩旋转运动，无法直接推动制动衬块产生足够夹紧力，因此系统配置减速齿轮副与滚珠丝杠传动机构，将高速旋转运动转化为低速大推力直线运动，同时匹配力矩放大系数。传动机构内部齿轮啮合面、丝杠螺母接触面存在接触摩擦，不同相对运动速度下摩擦阻力呈现显著非线性变化，是系统主要扰动来源。

制动负载由制动盘与衬块摩擦副构成，衬块压紧制动盘后产生反向负载阻力，负载大小与衬块夹紧力呈正相关；制动释放阶段负载阻力随衬块间隙增大逐步降低。制动负载动态变化直接改变电机输出力矩需求，形成电机 — 传动机构 — 制动负载之间的动态耦合关系。

2.4 闭环控制系统组成逻辑

执行器控制系统以目标夹紧力为控制输入，通过压力传感器采集实际夹紧力形成反馈信号，对比目标值与实际值的偏差生成电机驱动控制指令，构成完整闭环调节体系。控制器根据制动工况切换控制逻辑：紧急制动阶段提升电机响应速度，快速建立夹紧力；常规制动阶段平缓调节力矩，保证制动平顺性；保压阶段小幅修正电机输出，抵消摩擦扰动带来的夹紧力漂移。完整控制模块与电机、机械传动、制动负载模型耦合，能够真实复现实车制动控制逻辑。

3 电子机械制动执行器多环节耦合建模分析

3.1 无刷直流电机本体建模思路

无刷直流电机模型聚焦机电能量转换过程，完整还原电机电磁力矩输出、转速动态变化特性。建模过程不局限于电机单独运行工况，重点考虑电机输出端与传动机构摩擦阻力矩、制动负载反力矩的力矩耦合关系。电机运行过程中，电磁输出力矩一部分用于克服传动机构摩擦阻力，另一部分转化为推动制动衬块的有效驱动力矩，力矩平衡关系贯穿制动全流程。

模型充分匹配制动执行器电机工作特点，兼顾短时峰值力矩输出、频繁正反转启停、低速稳态运行等工况特性，能够精准表征不同驱动指令下电机转速、输出力矩动态变化趋势，为后续整机耦合仿真提供可靠动力源子模型。

3.2 基于 Stribeck 理论的传动机构摩擦建模

传动机构内部各运动副接触摩擦是系统核心非线性扰动，传统单一摩擦模型无法覆盖全速度区间摩擦特性，本文采用 Stribeck 摩擦模型完整刻画传动副摩擦行为。该模型能够区分静摩擦、库伦摩擦、粘性摩擦三种基础摩擦形态，同时还原低速区间 Stribeck 效应 —— 即物体由静止开始运动时，摩擦阻力随相对速度提升呈现先下降后上升的变化规律。

制动执行器低速夹紧、缓慢保压调节阶段恰好处于 Stribeck 效应显著的速度区间，此时摩擦阻力剧烈波动会造成夹紧力震荡、控制稳态误差增大。引入 Stribeck 摩擦模型后，传动机构子模型可真实复现低速工况下的摩擦扰动，弥补线性摩擦模型仿真精度不足的缺陷，提升整机模型与实物台架试验的匹配度。

摩擦模型与传动机构动力学模型深度耦合，将计算得到的实时摩擦阻力矩作为负载力矩输入无刷直流电机模型，实现摩擦非线性对电机输出特性的动态影响传递，完整还原力矩扰动在系统内部的传递路径。

3.3 传动机构动力学建模逻辑

传动机构包含减速齿轮组与滚珠丝杠两大核心部件，建模核心是实现旋转运动与直线运动的转换，同时引入转动惯量、传动间隙、摩擦阻力等动力学参数。模型根据齿轮减速比、丝杠导程建立电机转速与衬块直线运动速度、电机输出力矩与衬块推力之间的转换关系，同时计入传动部件自身惯性带来的动态延迟，还原力矩传递过程中的滞后特性。

传动间隙作为机械结构固有特性，会在电机换向、制动启停阶段产生力矩空程，加剧夹紧力波动，建模过程同步纳入间隙特性，进一步提升模型仿真真实性。传动机构输出端直接对接制动负载模型，推力变化实时改变制动负载阻力，形成多环节动态联动。

3.4 制动负载模型构建方法

制动负载模型表征衬块与制动盘之间的相互作用力关系，分为接触间隙阶段与压紧制动阶段。衬块未接触制动盘时，负载阻力近似为零；衬块压紧制动盘后，负载阻力随衬块位移线性增大，同时引入制动盘摩擦副刚度、阻尼特性，还原夹紧力建立过程中的弹性形变与阻尼震荡现象。

制动释放阶段，负载阻力随衬块与制动盘间隙增大逐步衰减，模型同步刻画衬块回弹位移对应的负载变化规律。负载模型输出的反向阻力转化为等效力矩反馈至传动机构输入端，形成完整的机械闭环动力学耦合。

3.5 整机一体化耦合建模体系

将无刷直流电机模型、Stribeck 摩擦子模型、传动机构动力学模型、制动负载模型与闭环控制模型进行信号与力矩双向耦合，搭建完整电子机械制动执行器整机仿真模型。各子模块之间实现数据实时交互：控制器输出驱动信号输入电机模型，电机输出力矩传递至传动机构，传动机构摩擦阻力由 Stribeck 模型实时计算，传动机构输出推力驱动制动负载，负载反向阻力逐层回传至电机端，夹紧力反馈信号传回控制器完成闭环调节。

整套模型覆盖制动建压、稳压、释压全工作流程，同时兼顾电机电磁特性、机械非线性摩擦、传动惯性间隙、制动负载刚度阻尼、闭环控制调节多重影响因素，具备多工况联合仿真能力。

4 执行器整机模型仿真特性分析

4.1 典型制动工况仿真设置

依托一体化整机模型设置三类典型车辆制动工况：常规平稳制动、紧急高强度制动、持续稳压制动，分别对应城市道路常规减速、突发障碍物紧急制动、长下坡恒力制动场景。仿真过程同步采集电机输出力矩、电机转速、传动机构摩擦阻力矩、制动衬块夹紧力等关键状态量，对比不同工况下系统动态响应差异，分析摩擦非线性对制动性能的干扰程度。

4.2 常规制动工况动态响应分析

常规制动需求夹紧力平缓上升，电机长期处于低速运转区间，Stribeck 摩擦效应表现明显。仿真结果显示，在未引入精准摩擦模型的简化模型中，夹紧力曲线平滑无波动，与台架试验数据偏差较大；搭载 Stribeck 摩擦模型的整机模型能够复现低速阶段夹紧力小幅震荡现象，贴合实物执行器实际工作特性。制动稳压阶段，摩擦阻力小幅漂移会造成夹紧力缓慢偏移，闭环控制器通过微调电机输出力矩实现压力修正，模型可完整还原控制器补偿调节过程。

整个常规制动流程中，电机力矩输出随摩擦阻力、制动负载动态调整，模型能够清晰体现摩擦非线性作为外部扰动对控制调节量的影响，可为低速摩擦补偿控制策略设计提供仿真依据。

4.3 紧急制动工况动态响应分析

紧急制动工况下目标夹紧力快速跃升，电机短时间输出峰值力矩并高速运转，系统快速跨越低速 Stribeck 摩擦区间，摩擦扰动对夹紧力动态响应的影响显著减弱。仿真曲线显示，制动夹紧力上升速率主要由电机峰值力矩、传动机构减速比决定，摩擦仅在制动启动瞬间产生小幅力矩冲击，不会大幅影响紧急制动响应速度。

该工况仿真结果可用于执行器电机峰值力矩参数、传动减速机构结构参数匹配优化，在保证紧急制动响应速度的前提下，平衡电机体积、重量与输出力矩性能。

4.4 持续稳压制动工况稳态特性分析

长时稳压制动时电机维持极低转速微小调节，持续处于 Stribeck 摩擦敏感区间，静摩擦与低速摩擦衰减效应交替作用，极易造成夹紧力稳态误差。通过整机模型仿真可观测到，无摩擦补偿控制时夹紧力持续小幅漂移，引入摩擦前馈补偿逻辑后，控制器可根据 Stribeck 摩擦模型实时预估摩擦阻力，提前修正电机输出力矩，显著降低夹紧力稳态偏差。

对比仿真结果直观体现精准摩擦建模对制动稳态控制精度的提升作用，验证本文搭建的一体化模型具备控制算法验证、摩擦补偿策略仿真的实用价值。

4.5 模型有效性综合验证

通过多工况仿真结果与现有电子机械制动执行器台架试验规律对比分析，整机模型能够完整复现电机力矩变化、夹紧力动态波动、低速摩擦扰动、换向间隙冲击等各类实物系统典型特征，简化线性摩擦模型无法复现的低速非线性现象在本模型中均可清晰体现。模型各子模块参数可根据不同规格无刷直流电机、不同传动结构执行器灵活调整，通用性较强，能够满足不同型号电子机械制动执行器的仿真分析需求，可作为执行器结构设计、控制算法开发的标准化仿真研究平台。

5 总结与展望

5.1 全文研究总结

本文以无刷直流电机驱动型电子机械制动执行器为研究对象，完整分析系统整体架构与制动全流程工作机理，针对传统仿真模型摩擦特性简化、多环节解耦建模导致仿真失真的问题，构建融合多子模块的一体化整机仿真模型。研究引入 Stribeck 摩擦模型精准表征传动机构全速度区间非线性摩擦特性，实现无刷直流电机、传动机构、制动负载、闭环控制系统之间力矩、信号双向耦合，完整覆盖制动建压、稳压、释压全工况。

多场景仿真分析结果表明，低速制动区间 Stribeck 摩擦效应是造成夹紧力波动、稳态控制误差的核心因素，一体化耦合模型可真实还原各类非线性扰动对系统动态性能的影响，相较于传统简化模型仿真精度显著提升。该模型可用于执行器结构参数匹配、制动控制策略开发、摩擦补偿算法仿真验证，为电子机械制动执行器前期研发提供低成本、高效率的仿真研究手段。配套完整模型说明文档可清晰梳理各子模块逻辑、参数定义与仿真操作流程，便于相关研究人员学习复用模型开展拓展研究。

5.2 后续研究展望

当前整机模型仅聚焦单轮电子机械制动执行器独立仿真，后续可将该执行器模型集成至整车动力学模型，开展四轮独立制动协同控制、自动驾驶工况下制动力分配联合仿真研究；模型内部摩擦参数可结合实物台架试验数据完成参数辨识，进一步缩小仿真与实物的误差区间；同时可基于现有模型拓展再生制动耦合仿真功能，分析电机制动与能量回收协同工作时的系统动态特性，适配新能源汽车线控制动系统一体化研发需求。

📚第二部分——运行结果

[Simulink仿真]基于无刷直流电机的电子机械制动执行器MATLAB模型

2.1 基于PI调节器的PMSM矢量控制

矢量控制方案依托直流电机电枢电流与励磁电流正交无耦合、可独立调节的固有特性发展而来，该技术以坐标变换理论为核心支撑。其通过在同步旋转坐标系内调控交流电机定子电流的幅值与相位，让交流电机获得近似直流电机的调速控制特性。在逆变器控制架构中，电流闭环控制可划分两类实现形式：一类是基于静止 α-β 坐标系的电流调控，另一类则为同步旋转 d-q 坐标系下的电流控制。现阶段工程常用的传统矢量控制策略主要包含零直轴电流控制与最大转矩电流比控制两种，本文所搭建模型选用零直轴电流控制方案完成设计。

2.2 基于车速分辨的双模式外环控制

本文将车速归零作为制动流程结束的判定依据，以此区分电机正向制动与反向复位两种运行工况。该判定方式仅为理想化设定，实际工况下制动任务的完成需综合多项评判条件，相关内容另行展开分析。

2.3 仿真搭建

模型以10000N目标制动压力阶跃信号作为输入，对设计的EMB两阶段三环控制系统进行模拟仿真，仿真结果如下：

2.4夹紧力

2.5 行星丝杠螺母轴向位移

2.6 电机转速

2.7 车速与轮速

结合仿真曲线结果能够看出：制动指令下发后的初始阶段系统未输出有效制动力，该阶段用于消除制动器内部间隙。间隙消除耗时不足 0.1s，满足系统设计规范；完成间隙消除后电机转速快速下降至零，系统进入制动力跟踪调节阶段。当运行至 5.8s 时刻，车辆车速归零，系统转入间隙释放阶段，电机反向运转并生成 0.3mm 制动间隙，随后电机停机，单次自动制动流程全部结束。

不同工况下系统所需制动力存在明显差异，为便于对比分析，本文选取 5000N、10000N、15000N、20000N 四档制动力工况开展仿真测试，验证各类工况下系统制动间隙响应时长是否达标。