CN104760580A - 一种基于位移反馈控制的控制方法及主动式踏板模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种基于位移反馈控制的主动式踏板模拟控制方法，采取位移反馈闭环控制：ECU通过踏板力传感器获取的力信号查表获得理想制动踏板位移值，与踏板位移传感器实际获得的位移信号比对后，计算并输出电机转矩控制信号，控制电机推动减速机构做直线运动，直至踏板运动至理想位置。本发明还提供了实现所述方法的主动式踏板模拟系统。本发明基于位移反馈闭环控制，对电机输出力矩进行调节，保证系统可以主动模拟驾驶员踏板感觉。本发明的结构及控制方法能保证驾驶员制动意图得到明确并主动提供优良的制动感觉，控制精确，响应速度快，具有良好的鲁棒性，可适用于多种电子液压制动系统。

Description

一种基于位移反馈控制的控制方法及主动式踏板模拟系统

技术领域

本发明属汽车制动系统领域，涉及一种基于位移反馈控制的主动式踏板模拟方法及主动式踏板模拟系统。

背景技术

在车辆制动过程中，驾驶员在人车闭环系统中起着主动控制的作用，驾驶员通过准确及时地接受车辆的反馈，对车辆运动情况进行控制及调整。对于制动过程来说，就是通过制动踏板把车辆的制动感觉反馈给驾驶员，这对于驾驶员的主观感受和车辆速度控制有着重要的意义，直接影响到车辆的主动安全性。

在线控制动系统中，制动踏板与助力装置分离，踏板位移通过传感器获得作为制动需求以电信号形式由控制单元获取，由控制单元控制助力装置(电机或者液压助力装置)推动液压缸进行车辆制动，因此需要额外的机构来产生反馈踏板力，即保证制动踏板感觉。

踏板感觉侧重于制动踏板机构给驾驶员右脚的反馈作用，通过踏板特性曲线即踏板位移-踏板力曲线来描述。对于制动踏板感觉各大公司及研究机构进行了各具特色的研究和分析，如德国Bosch公司的Temple研究了在不同的踩踏板速度条件下的踏板力变化率、制动减速度等之间的关系，Ebert和Kaatz通过建立制动感觉主观评价与踏板力、踏板位移、制动器响应时间等物理量的关系，提出了“制动感觉指数(BFI-Brake Feel Index)”等，这些研究都着眼于明确良好制动踏板感觉的构成要素，为线控系统踏板感觉模拟装置的设计提出了标准。

从踏板模拟器工作原理角度看总体有两类，一类为被动式踏板模拟器，另一类为主动式踏板模拟器。其中被动式踏板模拟器根据执行机构以及工作原理的差异分为液压式踏板模拟器、液压弹簧式、弹簧式、以及复合式被动踏板模拟器，在复合式被动踏板模拟器中，踏板行程被分为两级或者多级，可以实现在小强度制动时仅电机制动，因此被称为复合式被动踏板模拟器。

目前在线控制动领域中，设计开发的大多为被动式踏板模拟器。Delphi公司生产的弹簧式踏板行程模拟器与制动主缸集成在一起，结构紧凑，占用空间小，但是生产制造较复杂，加工中对精度的要求较高；第二代丰田prius液压制动系统中使用液压式踏板模拟器，较弹簧式结构复杂，但其模拟效果较好；一汽客车有限公司，为了在一款纯电动的客车上实现再生制动的功能，对再生制动系统的操纵机构进行了重新设计，把制动踏板改装成上下两级复合式踏板，虽然实现了再生制动的功能，但踏板感觉和安全性都不能完全保证。

相较于被动式踏板模拟器，主动式感觉模拟器可以根据制动踏板的运动状态，实时调节相关参数，以精确模拟传统的制动踏板特性。当踩下制动踏板时，传感器采集驾驶者施加给制动踏板的信号，结合EHB系统方案自身的结构，控制单元依据存储的控制算法和传感器采集的电信号，控制电机的运转，来精确的控制模拟器对踏板的反作用。这种形式的模拟器虽然可以精确模拟制动踏板特性，通用性强的优点，结合了两种不同的被动式踏板模拟器的各方面优点，但因其结构上较被动式踏板模拟器较为复杂、制造成本和设计要求较高，并未得到广泛的运用。

为了解决这一问题，有必要提出新的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位移控制的主动式踏板模拟器及其控制方法，以在明确驾驶员制动意图的同时主动反馈优良的制动感觉。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于位移反馈控制的主动式踏板模拟控制方法，采取位移反馈闭环控制：ECU通过踏板力传感器获取的力信号查表获得理想制动踏板位移值，与踏板位移传感器实际获得的位移信号比对后，计算并输出电机转矩控制信号，控制电机推动减速机构做直线运动，直至踏板运动至理想位置。

进一步，ECU输出的电机力矩信号为踏板力前馈控制力矩、PID反馈控制力矩、摩擦补偿力矩之和的信号。即当踏板力、踏板位移传感器传入的信号进入控制模型后，由踏板力信号查表得到的理想踏板位移与实际踏板力位移信号进行比较，对该差值进行PID调节后控制电机扭矩，同时根据系统稳定条件，加入了踏板力前馈信号。

考虑到所述减速机构存在一定的摩擦损耗，设置了摩擦补偿环节，利用电机扭矩补偿克服由于摩擦力踏板感觉造成的干扰。

该控制方法可以实现系统制动踏板感觉的独立主动控制。利用踏板力与理想制动踏板位移之间的关系曲线获得目标制动踏位移，依据实际制动踏板位移反馈做出实时调节，保证良好的制动踏板感觉，系统响应快、精度高。在实际工作中可以将不同的理想踏板力-踏板位移曲线导入用于查表，并通过本发明控制方法，保证驾驶员获得与导入曲线一致的踏板感觉，提供了个性化系统设计的可能。

一种实现上述方法的基于位移控制的主动式踏板模拟系统，包括：

制动踏板；

推杆，一端与制动踏板相连、一端与减速机构部件铰接；

电控直线运动模块，通过推杆与踏板机械连接；

踏板位移、踏板力传感器，用于获取驾驶员踩下制动踏板位移和踏板力；

电子控制单元(ECU)，用于接收传感器信号、计算并发出控制指令。

其中，电控直线运动模块由电机和减速机构组成，电机用于根据接收所述ECU提供信号输出转矩，减速机构用于将电机的旋转运动转化为直线运动，并实现减速增矩。

优选地，考虑到传动效率及系统噪声，所述电控直线运动模块中的减速机构结构为滚珠丝杠，或可选蜗轮蜗杆、齿轮齿条或丝杠-螺母机构。

电控直线运动模块电机控制逻辑采取位移反馈闭环控制：当驾驶员以某一大小的力踩下制动踏板后，系统通过制动踏板力-位移特性曲线获取踏板理想位移需求，与踏板位移传感器实际获得的位移信号比对后，计算并输出电机转矩控制信号，控制电机推动减速机构做理想的直线运动，直至踏板运动至理想位置。

所述发明用于主动模拟制动踏板感觉，以确保驾驶员制动意图得以明确，并且，能提供良好获得制动踏板感觉反馈。具体表现为可通过位移反馈闭环控制，保证系统电控直线运动模块做理想运动，实现制动踏板感觉主动模拟。

由于采用上述方案，与现有电子液压制动系统相比，本发明液压式双电机驱动的电子液压制动系统具有如下优点：

1.通过制动踏板感觉的独立主动控制，即利用踏板力与理想制动踏板位移之间的关系曲线获得目标制动踏位移，依据实际制动踏板位移反馈做出实时调节，形成闭环控制，保证良好的制动踏板感觉。

2.如图3所示，为两种踏板感觉曲线，实线为某传统车辆上测得的踏板力-踏板位移关系曲线，点划线表示某种理想的线性踏板感觉图线。以此为例，由于实际系统工作中可以导入不同的理想踏板力-踏板位移曲线用于查表，并通过本发明控制方法，保证驾驶员获得与导入曲线一致的踏板感觉，因此本发明提供了个性化系统设计的可能，可满足任何驾驶员不同的驾驶感受及操作习惯。

本发明所设计的控制方法在计算ECU输出电机力矩时，除了考虑PID反馈控制力矩，还根据系统稳定条件，加入了踏板力前馈信号，同时，设置了摩擦补偿环节，利用电机扭矩补偿克服因减速机构摩擦力对踏板感觉造成的干扰，保证系统能良好跟随理想踏板力-踏板感觉曲线，提供准确的制动踏板感觉。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的运用所提出的基于位移控制的主动式踏板模拟系统结构简图。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的基于位移控制的主动式踏板模拟系统控制框图。

图3示出了踏板力-踏板位移曲线图。

附图1中的标号表示：

1—制动踏板；2—推杆；3—电控直线运动模块；4—滚珠丝杠螺杆；5—滚珠丝杠螺母；6—电机；7—踏板力传感器；8—踏板位移传感器；9、10、12—控制线路；11—电控单元(ECU)；

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的一种基于位移控制的主动式踏板模拟系统。包括：

制动踏板1；

推杆2，一端与制动踏板1相连、一端与滚珠丝杠螺杆4铰接；

电控直线运动模块3，通过推杆2与踏板1机械连接；

踏板位移传感器7，用于获取制动踏板位移；

踏板力传感器8，用于获取制动踏板的踏板力，明确驾驶员的制动意图；

电子控制单元(ECU)11，用于接收传感器信号、计算并发出控制指令。

其中，电控直线运动模块3由电机6和减速机构，即滚珠丝杠副(滚珠丝杠螺杆4、滚珠丝杠螺母5)组成，电机6用于根据接收所述电控单元11提供的信号输出转矩，即滚珠丝杠副用于将电机6的旋转运动转化为直线运动，并实现减速增矩。

当系统正常工作时，如图2，电控直线运动模块电机控制逻辑采取位移反馈闭环控制。即当驾驶员以某一大小的力踩下制动踏板后，系统通过制动踏板力-位移特性曲线获取踏板理想位移需求，与踏板位移传感器实际获得的位移信号比对后，计算并输出电机转矩控制信号，控制电机推动减速机构做理想的直线运动，并再次将踏板力、踏板位移信号反馈进入控制单元，形成闭环控制，保证踏板运动至理想位置，驾驶员获得准确的踏板感觉。

由于本发明所采用的方案中，丝杠螺母的平动自由度及丝杠的转动自由度被锁止，滚珠丝杠运动学及受力模型可由下式表示：

$x=\frac{\mathrm{\θL}}{2\mathrm{\π}}---(4-1)$

$T=F\frac{d_m}{2}\tan (\mathrm{\λ}+\mathrm{\ρ})---(4-2)$

其中，L为导程，d_m为丝杠直径，F为作用在踏板推杆上的反力，λ,ρ为丝杠结构参数，T为电机输出力矩，并满足：

T＝T₁+T₂+T₃                (4-3)

其中，T₁为踏板力前馈控制力矩，T₂为PID反馈控制力矩，T₃为摩擦补偿力矩之和。

具体来说，即在本发明所设计的控制方法中，当踏板力、踏板位移传感器传入的信号进入控制模型后，由踏板力信号查表得到的理想踏板位移与实际踏板力位移信号进行比较，对该差值进行PID调节后控制电机扭矩。同时，根据系统稳定条件，加入了踏板力前馈信号。

此外，考虑到所述减速机构存在一定的摩擦损耗，建立了库伦摩擦模型，设置了摩擦补偿环节，利用电机扭矩补偿克服由于摩擦力踏板感觉造成的干扰。

本发明通过所用控制方法及系统，保证了制动踏板感觉的独立主动控制，即利用踏板力与理想制动踏板位移之间的关系曲线获得目标制动踏位移，依据实际制动踏板位移反馈做出实时调节，形成闭环控制，保证良好的制动踏板感觉，系统响应快、精度高。此外，在实际工作中可以将不同的理想踏板力-踏板位移曲线导入用于查表，并通过本发明控制方法，保证驾驶员获得与导入曲线一致的踏板感觉，提供了个性化系统设计的可能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于位移反馈控制的主动式踏板模拟控制方法，其特征在于：

采取位移反馈闭环控制：ECU通过踏板力传感器获取的力信号查表获得理想制动踏板位移值，与踏板位移传感器实际获得的位移信号比对后，计算并输出电机转矩控制信号，控制电机推动减速机构做直线运动，直至踏板运动至理想位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：ECU输出的电机力矩信号为踏板力前馈控制力矩、PID反馈控制力矩、摩擦补偿力矩之和的信号。即当踏板力、踏板位移传感器传入的信号进入控制模型后，由踏板力信号查表得到的理想踏板位移与实际踏板力位移信号进行比较，对该差值进行PID调节后控制电机扭矩，同时根据系统稳定条件，加入了踏板力前馈信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：考虑到所述减速机构存在一定的摩擦损耗，设置了摩擦补偿环节，利用电机扭矩补偿克服由于摩擦力踏板感觉造成的干扰。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用踏板力与理想制动踏板位移之间的关系曲线获得目标制动踏位移，依据实际制动踏板位移反馈做出实时调节。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将不同的理想踏板力-踏板位移曲线导入用于查表，向驾驶员提供与导入曲线一致的踏板感觉。

6.一种实现权利要求1至5中任一所述的方法的主动式踏板模拟系统，其特征在于：包括：制动踏板；推杆，其一端与制动踏板相连，另一端与减速机构部件铰接；电控直线运动模块，通过推杆与踏板机械连接；踏板位移、踏板力传感器，用于获取驾驶员踩下制动踏板位移和踏板力；电子控制单元，用于接收传感器信号、计算并发出控制指令；所述电控直线运动模块由采取位移反馈闭环控制逻辑的电控直线运动模块电机和减速机构组成，电机用于根据接收所述ECU提供信号输出转矩，减速机构用于将电机的旋转运动转化为直线运动，并实现减速增矩。

7.根据权利要求6所述的主动式踏板模拟系统，其特征在于：所述减速机构为滚珠丝杠结构、蜗轮蜗杆结构、齿轮齿条结构或丝杠-螺母结构。