CN102658812B - 一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法，它基于相平面原理建立以轮胎纵向滑移率为控制目标的相平面关系式，依据制动力矩频率，将目标总制动力矩分为由摩擦制动提供的稳定成分和电机制动提供的波动成分；根据四个轮速传感器采集的车轮角速度，分别计算出车辆纵向速度，车速加速度和每个车轮的轮胎纵向滑移率，进而计算每个车轮所需的电机制动力矩和摩擦制动力矩，电机控制器根据所需电机制动力矩控制电机输出相应的力矩，制动阀根据所需摩擦制动力矩控制制动气室调节摩擦制动力矩，从而使轮胎纵向滑移率快速、准确地收敛到最优滑移率，实现路面附着系数的最大化利用。本发明可以广泛应用于各种电驱动汽车的制动防抱死控制。

Description

一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法

技术领域

本发明涉及一种电驱动汽车防抱死控制方法，特别是关于一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法。 

背景技术

作为一种技术成熟的主动安全制动系统，制动防抱死系统（ABS）已经在传统的乘用汽车和商用汽车上得到了广泛地应用。目前，对于电驱动汽车上的制动防抱死控制方案，大多数的汽车企业还是采用技术成熟的摩擦制动ABS控制策略实现防抱死控制，对于电机制动在防抱死控制中的作用则多采用完全撤出或削弱等方式进行处理。而高校和科研机构则更倾向于挖掘电机制动在防抱死控制中的应用潜力。因为与采用摩擦制动的传统汽车相比，引入了电机制动的电驱动汽车制动防抱死控制会更加灵活。如果能充分利用电机制动响应迅速和控制精准的特点，建立合理的电机制动与摩擦制动的耦合关系，可以有效改善电驱动车辆制动防抱死控制的效果，提高车辆制动安全性和稳定性。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够通过引入电机制动有效提高车辆制动安全性和稳定性，获得较高路面附着系数利用率的电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法，它包括以下步骤： 

1）设置一车辆制动防抱死控制系统，其包括分别安装在车辆四个车轮上的四个轮速传感器、安装在制动气路上的四个轮缸压力传感器、一制动控制器、一电机控制器、一电机、一个以上制动阀和四个制动气室，制动控制器包括一车速估计模块、一车速加速度计算模块、一滑移率计算模块、一电机转矩控制模块和一制动气压控制模块；四个轮速传感器分别通过数据总线连接制动控制器的车速估计模块和滑移率计算模块；制动控制器的电机转矩控制模块和制动气压控制模块分别连接电机控制器和制动阀；电机控制器控制电机输出电机制动力矩，制动阀控制制动气室调节摩擦制动力矩； 

2）根据四个轮速传感器采集到的车轮角速度ω，制动控制器中的车速估计模块估算车辆纵向速度V，车速加速度计算模块计算车速加速度

3）制动控制器的滑移率计算模块根每个车轮的车轮角速度ω，以及步骤2）获得的车辆纵向速度V分别计算每个车轮的轮胎纵向滑移率S： 

$S=\frac{V-\mathrm{\ω}\×r}{V},$

上式中，r是车轮的有效半径； 

4）制动控制器的制动气压控制模块根据步骤2）获得的车速加速度和步骤3）获得的每个车轮的轮胎纵向滑移率S，计算每个车轮目标总制动力矩中的稳定成分作为所需摩擦制动力矩提供给制动阀，制动阀根据所需摩擦制动力矩控制制动气室调节摩擦制动： 

$T_{\mathrm{steady}}^{*}=\frac{I\×\stackrel{\·}{V}\×(1-S)}{r}+r\×m_t\×\stackrel{\·}{V},$

上式中，I是车轮的转动惯量；m_t是平均到单个车轮上的负载质量； 

5）制动控制器的电机转矩控制模块根据步骤2）获得的车辆纵向速度V和步骤3）获得的每个车轮的轮胎纵向滑移率S，计算每个车轮目标总制动力矩中的波动成分作为所需电机制动力矩提供给电机控制器，电机控制器根据所需电机制动力矩控制电机输出相应的力矩： 

$T_{\mathrm{wave}}^{*}=\frac{I\×V\×(S^{*}-S)}{r\×k},$

上式中，S^*为最优滑移率，其值由轮胎特性确定；k为相平面关系式系数，其值通过试验调试确定。 

上述步骤2）中，车速估计模块通过自适应斜率法估算车辆纵向速度V。 

本发明由于采取上述技术方案，具有以下优点：1、本发明由于引入电机制动，并根据制动力矩频率设定摩擦制动力矩和电机制动力矩的耦合方式，实现电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制，因此与采用传统的摩擦制动实现的纯气压防抱死控制汽车相比，车辆在平均减速度和制动距离上有了明显的改进，特别是在附着系数极低的路面上，制动距离更短，可以很大程度避免车辆发生碰撞事故。2.本发明以车辆轮胎纵向滑移率为控制目标，根据相平面理论建立轮胎纵向滑移率相关的相平面关系式，通过在混合制动过程中设定摩擦制动力矩和电机制动力矩，使轮胎纵向滑移率尽可能快速、准确地收敛到最优滑移率，从而最大化地利用路面附着系数，保证了车辆的横向稳定性。本发明可以广泛应用于各种电驱动汽车的制动防抱死控制。 

附图说明

图1是本发明的制动防抱死控制系统结构示意图 

图2是本发明的工作流程图 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 

如图1、图2所示，本发明通过一车辆制动防抱死控制系统实现，该系统包括分别安装在车辆四个车轮1上的四个轮速传感器2，安装在制动气路（图中未示出）上的四个轮缸压力传感器3，一制动控制器4、一电机控制器5，一电机6、一个以上制动阀7和四个制动气室（图中未示出）。其中，制动控制器4包括一车速估计模块41、一车速加速度计算模块42、一滑移率计算模块43、一电机转矩控制模块44和一制动气压控制模块45。四个轮速传感器2将采集到的四个车轮角速度信号通过数据总线发送给制动控制器4的车速估计模块41和滑移率计算模块43。四个轮缸压力传感器3将采集到的四个轮缸压力信号通过数据总线发送给制动控制器4的制动气压控制模块45，用于气压摩擦的闭环控制。制动控制器4的电机转矩控制模块44和制动气压控制模块45基于四个车轮角速度信号，分别计算每个车轮所需的电机制动力矩和摩擦制动力矩，发送给电机控制器5和制动阀7。电机控制器5根据所需电机制动力矩控制电机6输出相应的力矩，制动阀7根据所需摩擦制动力矩控制制动气室调节摩擦制动，从而实现电驱动汽车电机制动与摩擦制动的混合制动。 

上述系统中，制动阀7的个数可以是一个，两个或者四个。当系统配置四个制动阀时，每个制动阀负责控制一个车轮制动气室。 

由防抱死控制原理可知，如果以轮胎纵向滑移率S为控制目标，在路面-轮胎附着条件不变的情况下，会有一个最优滑移率S^*，当轮胎的纵向滑移率保持为最优滑移率S^*时，纵向附着系数保持最大值，横向附着系数也为较大的理想值，那么，车辆的最大制动力和横向稳定性都能得到很好的保证。由相平面理论，以及车辆轮胎动力学模型可知，当纵向滑移率S及其一阶导数以及最优滑移率S^*满足一定的相平面条件（以下称为相平面关系式）时，可以使防抱死控制过程中轮胎纵向滑移率S以快速、准确的方式收敛到最优滑移率S^*，从而减小系统振荡过程，提高车辆在极端工况下的制动强度和稳定性。 

相平面关系式：（式1）。 

上式式1中，最优滑移率S^*的值由轮胎特性确定；k为相平面关系式系数，k过大则系统超调过大，k过小则系统响应缓慢，k的值通过试验调试确定。 

由现有技术可知，单轮纵向动力学模型具有两个自由度：车辆纵向速度V和 车轮角速度ω，它们分别满足以下公式： 

$\stackrel{\·}{V}=\frac{F_x}{m_t}$   （式2）； 

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{r\×F_x-T_b}{I}$ （式3）。 

上式式2和式3中，F_x是车轮与路面之间的实时纵向附着力；m_t是平均到单个车轮上的负载质量；是车速加速度；I是车轮的转动惯量；r是车轮的有效半径；T_b是实际总制动力矩；为车轮角加速度。 

在制动时，轮胎纵向滑移率S及其一阶导数分别为： 

$S=\frac{V-\mathrm{\ω}\×r}{V}$   （式4）； 

$\stackrel{\·}{S}=\frac{\stackrel{\·}{V}\×(1-S)-r\×\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}{V}$   （式5）。 

将式2、式3和式4带入式5中，可以得到轮胎纵向滑移率一阶导数的另一种表达式： 

$\stackrel{\·}{S}=-\frac{1}{V}\×\left[\stackrel{\·}{\stackrel{\·}{V}\×(1-S)+\frac{r^2\×m_t\×\stackrel{\·}{V}}{I}}\right]+\left(\frac{r}{V\×I}\right)\×T_b$   （式6）。 

设定使轮胎纵向滑移率S以快速、准确的方式收敛到最优滑移率S^*所需的总制动力矩为目标总制动力矩相应地有： 

$\stackrel{\·}{S}=-\frac{1}{V}\×\left[\stackrel{\·}{\stackrel{\·}{V}\×(1-S)+\frac{r^2\×m_t\×\stackrel{\·}{V}}{I}}\right]+\left(\frac{r}{V\×I}\right)\×T_b^{*}$   （式7）。 

将式7带入相平面关系式（式1）可以得到相平面防抱死控制所需的目标总制动力矩的表达式： 

$T_b^{\text{*}}=\frac{V\×I}{r}\×\{\frac{S^{*}-S}{k}+\frac{1}{V}\×[\stackrel{\·}{V}\×(1-S)+\frac{r^2\×m_t\×\stackrel{\·}{V}}{I}\left]\right\}$   （式8）。 

目标总制动力矩由摩擦制动力矩和电机力矩两部分组成，其中： 

①摩擦制动力矩用于摩擦制动，具有较大的制动强度，但不能满足高频率，高精度的控制要求。 

②电机制动力矩用于电机制动，能满足高频率，高精度的控制要求，但由于受电机外特性和电池充电状态的限制，在车辆需要大强度制动时，所能够提供的最大制动力矩较小，因此只能起辅助作用。 

由此，本发明根据制动力矩频率的需求来设定摩擦制动力矩和电机制动力矩的耦合方式，以实现电驱动汽车的混合制动相平面防抱死控制： 

目标总制动力矩中的稳定成分作为摩擦制动力矩。当轮胎纵向滑移率一阶导数为零，也即轮胎纵向滑移率S维持不变时，目标总制动力矩仅含稳定成分 

$T_{\mathrm{steady}}^{*}=\frac{I\×\stackrel{\·}{V}\×(1-S)}{r}+r\×m_t\×\stackrel{\·}{V}$   （式9）。 

经仿真验证，式9中的第一项远小于第二项，证明对轮胎纵向滑移率S的扰动不敏感，可以作为摩擦制动力矩，提供给响应迟缓的摩擦制动系统。 

目标总制动力矩中的波动成分作为电机制动力矩。当轮胎纵向滑移率S不等于最优滑移率S^*时，由电机提供电机制动力矩对摩擦制动力矩进行补充，以使实际总制动力矩趋近于目标总制动力矩，有： 

$T_b^{*}=T_{\mathrm{steady}}^{*}+T_{\mathrm{wave}}^{*}$   （式10）。 

上式中，为目标总制动力矩中的波动成分。 

将式8、式9代入式10即可获得

$T_{\mathrm{wave}}^{*}=\frac{I\×V\×(S^{*}-S)}{r\×k}$ （式11）。 

如图2所示，根据上述原理，本发明的工作流程包括以下步骤： 

1）设置一车辆制动防抱死控制系统，其包括分别安装在车辆四个车轮上的四个轮速传感器、安装在制动气路上的四个轮缸压力传感器、一制动控制器、一电机控制器、一电机、一个以上制动阀和四个制动气室，其中，制动控制器包括一车速估计模块、一车速加速度计算模块、一滑移率计算模块、一电机转矩控制模块和一制动气压控制模块；四个轮速传感器分别通过数据总线连接制动控制器的车速估计模块和滑移率计算模块；制动控制器的电机转矩控制模块和制动气压控制模块分别连接电机控制器和制动阀；电机控制器控制电机输出电机制动力矩，制动阀控制制动气室调节摩擦制动力矩。 

2）根据四个轮速传感器采集到的车轮角速度ω，制动控制器中的车速估计模块估算车辆纵向速度V，车速加速度计算模块计算车速加速度

3）制动控制器的滑移率计算模块根据每个车轮的车轮角速度ω，以及步骤2）获得的车辆纵向速度V分别计算每个车轮的轮胎纵向滑移率S： 

$S=\frac{V-\mathrm{\ω}\×r}{V}.$

4）制动控制器的制动气压控制模块根据步骤2）获得的车速加速度和步骤3）获得的每个车轮的轮胎纵向滑移率S，计算每个车轮目标总制动力矩中的稳定成分作为所需摩擦制动力矩提供给制动阀，制动阀根据所需摩擦制动力矩控制制动气室调节摩擦制动： 

$T_{\mathrm{steady}}^{*}=\frac{I\×\stackrel{\·}{V}\×(1-S)}{r}+r\×m_t\×\stackrel{\·}{V}.$

5）制动控制器的电机转矩控制模块根据步骤2）获得的车辆纵向速度V和步骤3）获得的每个车轮的轮胎纵向滑移率S，计算每个车轮目标总制动力矩中的波动成分作为所需电机制动力矩提供给电机控制器，电机控制器根据所需电机制动力矩控制电机输出相应的力矩： 

$T_{\mathrm{wave}}^{*}=\frac{I\×V\×(S^{*}-S)}{r\×k}.$

上述步骤2）中，车速估计模块可以通过自适应斜率法估算车辆纵向速度V，实际应用时也可以采用其它方法，不限于此。 

上述步骤2）中，车速加速度计算模块可以通过对车速估计模块计算的车辆纵向速度V直接微分，获取车速加速度

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。 

Claims (2)

1.一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法，它包括以下步骤： 

1）设置一车辆制动防抱死控制系统，其包括分别安装在车辆四个车轮上的四个轮速传感器、安装在制动气路上的四个轮缸压力传感器、一制动控制器、一电机控制器、一电机、一个以上制动阀和四个制动气室，所述制动控制器包括一车速估计模块、一车速加速度计算模块、一滑移率计算模块、一电机转矩控制模块和一制动气压控制模块；所述四个轮速传感器分别通过数据总线连接所述制动控制器的车速估计模块和滑移率计算模块；所述制动控制器的电机转矩控制模块和制动气压控制模块分别连接所述电机控制器和所述制动阀；所述电机控制器控制所述电机输出电机制动力矩，所述制动阀控制所述制动气室调节摩擦制动力矩； 

2）根据四个轮速传感器采集到的车轮角速度ω，制动控制器中的车速估计模块估算车辆纵向速度V，车速加速度计算模块计算车速加速度

3）制动控制器的滑移率计算模块根据每个车轮的车轮角速度ω，以及步骤2）获得的车辆纵向速度V分别计算每个车轮的轮胎纵向滑移率S： 

上式中，r是车轮的有效半径； 

4）制动控制器的制动气压控制模块根据步骤2）获得的车速加速度和步骤3）获得的每个车轮的轮胎纵向滑移率S，计算每个车轮目标总制动力矩中的稳定成分作为所需摩擦制动力矩提供给制动阀，制动阀根据所需摩擦制动力矩控制制动气室调节摩擦制动： 

上式中，I是车轮的转动惯量；m_t是平均到单个车轮上的负载质量； 

5）制动控制器的电机转矩控制模块根据步骤2）获得的车辆纵向速度V和步骤3）获得的每个车轮的轮胎纵向滑移率S，计算每个车轮目标总制动力矩中的波动成分作为所需电机制动力矩提供给电机控制器，电机控制器根据所需电机制动力矩控制电机输出相应的力矩： 

上式中，S^*为最优滑移率，其值由轮胎特性确定；k为相平面关系式系数，其值通过相平面关系式：确定，为纵向滑移率S的一阶导数。 

2.如权利要求1所述的一种电驱动汽车混合制动相平面防抱死控制方法，其特征在于：步骤2）中，车速估计模块通过自适应斜率法估算车辆纵向速度V。