Ağır hizmet araçları için elektromekanik disk fren denetleyicisi geliştirilmesi

Yıl 2023, Cilt: 38 Sayı: 2, 835 - 850, 07.10.2022

İbrahim Can Güleryüz , Özgün Başer

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1004406

Öz

Günümüzde ağır hizmet araçlarına antiblokaj fren sistemi (ABS), elektronik stabilite kontrolü (ESC) ve çekiş kontrol sistemi (TCS) gibi frenlemeye yardımcı elektronik güvenlik fonksiyonları havalı fren sistemlerine entegre edilmiştir. İleride elektrikli ağır hizmet araç sayısının artacak olması, fren sistemi mimarisinin havalı tahrikten elektromekanik tahrike geçişini kaçınılmaz kılmaktadır. Bu çalışmanın ana amacı, ağır hizmet aracı elektromekanik disk fren denetleyicisi geliştirme çalışmalarına katkı sağlamaktır. Elektromekanik frenleme sistemi dinamiklerinin araştırılması için, ölçeklendirilmiş bir deney düzeneği oluşturulmuştur. Ayrıca elektromekanik fren sistemi değişkenlerinin (motor akımı, motor açısal pozisyonu ve sıkıştırma kuvveti) toplanması için ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Deney düzeneğine ait sistem dinamiği modeli lineer ve nonlineer sürtünme modelleri dikkate alınarak, Matlab Simulink ortamında oluşturulmuştur. Sistem değişkenlerinin belirlenmesi için deneysel ölçümler alınmıştır. Lineer ve nonlineer sistem dinamiği modelleri kullanılarak simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları deneysel ölçümlerle karşılaştırılarak, sistem dinamiği modeli doğrulanmıştır. Ağır hizmet aracı fren performansı gereksinimleri göz önünde bulundurularak, PI/PID ve kaskad PI/PID kuvvet denetleyicileri ve PID pozisyon denetleyicisi Matlab Simulink ortamında geliştirilmiştir. Sanal ortamda belirlenen denetleyici değişkenleri fiziki kontrol donanımına tanımlanarak, deneysel ölçümler alınmıştır. Kuvvet ve pozisyon denetleyicilerinin performansı, sayısal ve deneysel ölçüm sonuçları göz önünde bulundurularak değerlendirilmiştir. Kuvvet – pozisyon denetleyicisi değişim senaryosu uygulanarak, fiziksel sistem üzerinde fonksiyon testleri gerçekleştirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

elektromekanik disk fren, ölçeklendirilmiş deney düzeneği, sistem dinamiği moeli, kaskad PID kuvvet denetleyicisi, ağır hizmet aracı

Teşekkür

Yazarlar katkılarından ve desteklerinden dolayı Ege Fren Arge Test ve Doğrulama Mühendisi Özgün Cem Yılmaz’a ve desteklerinden dolayı Ege Fren San. ve Tic. A.Ş.’ye teşekkürlerini sunar.

Kaynakça

• 1. Line, C., Manzie, C., & Good, M. Control of an electromechanical brake for automotive brake-by-wire systems with an adapted motion control architecture. SAE transactions, 1047-1056, 2004.
• 2. Line, C. L. J. Modelling and control of an automotive electromechanical brake, PhD Thesis, The University of Melbourne, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Melbourne, 2007.
• 3. Line, C.; Manzie, C.; Malcolm, G.C. Electromechanical Brake Modeling and Control: From PI to MPC. IEEE Trans. Control Syst. Technol., 16, 446–457, 2008.
• 4. Ki, Y. H., Lee, K. J., Cheon, J. S., & Ahn, H. S.Design and implementation of a new clamping force estimator in electromechanical brake systems. International Journal of Automotive Technology, 14.5: 739-745, 2013.
• 5. Baek, S.K.; Oh, H.K.; Park, J.H.; Shin, Y.J.; Kin, S.W. Evaluation of Efficient Operation for Electromechanical Brake Using Maximum Torque per Ampere Control. Energies, 12, 1869, 2019.
• 6. Lee, C.F.; Manzie, C. Near-time-optimal tracking controller design for an automotive electromechanical brake. Proc. Inst. Mech. Eng. Part I J. Syst. Control Eng., 226, 537–549, 2011.
• 7. Han, K.; Kim, M.; Huh, K. Modeling and control of an electronic wedge brake. Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci., 226, 2440–2455, 2012.
• 8. Han, K.; Huh, K.; Hwang,W. EWB Control Based on the Estimated Clamping Force. In Proceedings of the SAE 2012 Brake Colloquium & Exhibition, SAE International: Warrendale, PA, USA, p. 2012-01-1797, 23–26 September 2012.
• 9. Lindvai-Soos, D.; Horn, M. Modelling, control & implementation of an electro-mechanic braking force actuator for HEV and EV. IFAC Proc. Vol., 46, 620–625, 2013.
• 10. Castro, R.D.; Todeschini, F.; Araújo, R.E.; Savaresi, S.M.; Corno, M.; Freitas, D. Adaptive-robust friction compensation in a hybrid brake-by-wire actuator. Proc. Inst. Mech. Eng. Part I J. Syst. Control Eng., 228, 769–786, 2014.
• 11. Atia, M.R.A.; Haggag, S.A.; Kamal, A.M.M. Enhanced Electromechanical Brake-by-Wire System Using Sliding Mode Controller. J. Dyn. Syst. Meas. Control, 138, 2016.
• 12. Li, X.; Chang, S.; Gong, X. Modeling of a new brake by wire system based on the direct-drive electro-hydraulic brake unit. In Proceedings of the 2015 IEEE Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), Chongqing, China, 19–20 December 2015.
• 13. Peng, X.; He, L.; Lv, Y. Fuzzy sliding mode control based on vehicle slip ratio for electro-mechanical braking systems. J. Cent. South Univ. Sci. Technol., 49, 360–370, 2018.
• 14. Hong, D.; Hwang, I.; Yoon, P.; Huh, K. Development of aVehicle Stability Control System Using Brake-by-Wire Actuators. J. Dyn. Syst. Meas. Control, 130, 011008, 2008.
• 15. Xiang,W.; Richardson, P.C.; Zhao, C.; Mohammad, S. Automobile Brake-by-Wire Control System Design and Analysis. IEEE Trans. Veh. Technol., 57, 138–145, 2008.
• 16. Yang, K.; Li, J.; Li, Y.; Tan, S.; Wei, Q.; Tang, L. Study of EBD/ABS Based on Electromechanical Brake System. J. Syst. Simul., 21, 1785–1788, 2009.
• 17. Li, B.; Tian, H.S.;Wang, R.; Dong, X.; Zhang, X. Design of torque motor controller in EMB based on FPGA. Mach. Des. Manuf., 6, 9–11, 2010.
• 18. Kim, K.; Li, Q.; Park, C.; Hwang, K. A Design of Intelligent Actuator Logic using Fuzzy Control for EMB System. In Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists, Hong Kong, China, 16–18 March 2011.
• 19. Li, D.; Zhang, L.; He, B. Fuzzy Control Based on Vehicle Slip-ratio for Electro-mechanical Braking Systems. J. Mech. Eng., 48, 124–129, 2012.
• 20. Balogh, L. Control design of an Electro-mechanic Wedge Brake (EWB) for commercial vehicles. 2011.
• 21. Lee, C.F.; Manzie, C. Active Brake Torque Variation Compensation with Speed Scheduling of an Electromechanical Brake. In Proceedings of the FISITA World Automotive Congress, Volume 5, Beijing, China, 27–30 November 2012.
• 22. Cheon, J.S.; Kim, J.; Jeon, J. New Brake ByWire Concept with Mechanical Backup. SAE Int. J. Passeng. Cars Mech. Syst., 5, 1194–1198, 2012.
• 23. Kim, J.; Jo, C.; Kwon, Y.; Cheon, J.S.; Park, S.J.; Jeon, G.B.; Shim, J. Electro-Mechanical Brake for Front Wheel with Back-up Braking. SAE Int. J. Passeng. Cars Mech. Syst., 7, 1369–1373, 2014.
• 24. Lee, C.F.; Manzie, C. Active Brake Judder Attenuation Using an Electromechanical Brake-by-Wire System. IEEE/ASME Trans. Mechatron., 21, 2964–2976, 2016.
• 25. Tuegel, R. O. Truck and Bus Brake System Performance Requirement (SAE J 992). 1968.