CN110065479B - 一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统及控制方法，该系统可保证制动响应的准确性和可靠性，同时提高响应速度，当驾驶员踩下制动踏板时，电子控制单元采集踏板位移及踏板速度信号，并计算所需制动阻力矩的大小，通过发送控制信号到制动执行器控制器，实现对位移电机的位移控制以及力矩电机的力矩补偿控制，从而在可靠准确的位移制动响应的基础上，实现可靠准确的制动力矩响应；本发明能够使制动响应更加准确可靠，响应速度更快，从而提高制动性能。

Description

一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统及控制方法

技术领域

本发明属于电子机械制动系统技术领域，尤其是涉及一种可以保证制动响应的准确性和可靠性的位移和力矩耦合控制的电子机械制动系统及其控制方法。

背景技术

电子机械制动系统，目前被认为是制动系统的最终形式。电子机械制动系统舍弃了传统的液压动力源，采用电能作为动力源，各部件之间通过电子元件进行连接，通过传感器测量制动踏板位移，ECU识别驾驶员制动意图并控制制动执行机构，利用电机的高速响应特性，实现较好的制动性能。

现有的电子机械制动系统中，一般包括：电子踏板模块、电子控制单元、制动执行机构等三大部分。其中，制动执行机构中多采用单电机输出位移和力矩，并经由减速机构、运动转换装置将电机旋转运动转换为直线运动，进而输出制动阻力矩；但是，这种制动执行方式下，单电机同时控制位移和转矩两个参数，难免会出现输出转矩或输出位移不稳定、不可靠的现象。而制动系统对汽车的安全性能起着至关重要的作用，一旦其工作的稳定性和可靠性出现问题，将直接威胁到车载人员的安全。同时单电机的不稳定控制，也可能使得制动响应时间变长，这势必导致制动性能的降低。

发明内容

针对于现有电子机械制动系统的不足，本发明的目的在于提出一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统及控制方法，以解决现有电子机械制动系统单电机控制不稳定的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统，包括：电子踏板模块14、电子控制单元8、位移与力矩耦合控制模块、制动器12、车轮13、车速传感器6、轮速传感器7；

所述电子踏板模块14包括：制动踏板1、输入杆2、踏板位移传感器51、踏板速度传感器52、反馈电机32、反馈电机控制器31、反馈减速装置4；其中，制动踏板1与输入杆2连接，踏板位移传感器51和踏板速度传感器52均置于输入杆2上，并与电子控制单元8电气连接，驾驶员输入的踏板位移信号与踏板速度信号经制动踏板1传入输入杆2，踏板位移传感器51与踏板速度传感器52采集踏板位移信号与踏板速度信号，并将信号传递到电子控制单元8，电子控制单元8发送控制信号到反馈电机控制器31，控制反馈电机32输出转速和转矩，经过反馈减速装置4和输入杆2到达制动踏板1，形成相应踏板感；

所述电子控制单元8根据接收到的踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号、轮速信号，判断车轮13是否抱死，计算反馈电机32目标输出转速与目标输出转矩以及位移电机9和力矩电机10的目标输出转矩和目标输出转速，并生成相应的控制信号；

所述位移与力矩耦合控制模块包括：制动执行器控制器16、位移电机9、力矩电机10、制动减速装置11；其中，电子控制单元8向制动执行器控制器16发送控制信号，制动执行器控制器16控制位移电机9和力矩电机10输出目标转矩和目标转速，并经由制动减速装置11输出阻力矩到制动器12和车轮13，其中制动减速装置11优选用行星齿轮减速机构，该行星齿轮减速机构的输出端采用长螺栓与长螺母的配合，将旋转运动转化为直线运动，实现车辆制动。

本发明中，制动减速装置11优选行星齿轮减速机构，该机构为本领域常规技术，如温开元《一种改进型电子液压制动器传动机构》一文中所述的行星齿轮传动机构。

本发明同时提供了上述位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统的控制方法，其具体步骤如下：

1)驾驶员通过制动踏板1向输入杆2输入踏板位移和踏板速度，与输入杆2连接的踏板位移传感器51和踏板速度传感器52采集踏板位移和速度信号；车速传感器6采集车速信号，轮速传感器7采集轮速信号。

2)电子控制单元8接收踏板位移传感器51、踏板速度传感器52、车速传感器6及轮速传感器7的信号，计算制动踏板1所需反馈踏板力、制动减速装置11所需输入转速和转矩，以及制动器12所需制动阻力矩，进而计算反馈电机32、位移电机9及力矩电机10的目标输出转速和目标输出转矩，并生成相应的控制信号；

根据牛顿第二定律和电机的动力学微分方程，电机转矩的计算表达式为：

式中i＝0表示反馈电机32的参数，i＝1表示位移电机9的参数，i＝2表示力矩电机10的参数；T_i为电机转矩，J_i为电机的转动惯量，B_i为电机的阻尼系数，T_ai为电机负载转矩，f_i电机转子处库伦摩擦常数，ω_i为电机转速；

其中T_all＝T_need*η＝(T₁+T₂)*η，(2)

T_all表示制动器12所需制动阻力矩，T_need为制动减速装置11所需输入转矩，η为制动减速装置11的传动效率；

减速装置11所需输入转速ω_need和位移电机9目标输出转速ω₁满足：

ω_need＝ω₁ (3)

式中，X_final为长螺母位移，t为时间，i为制动减速装置11传动比，无量纲，P为长螺母螺距，ω_need为制动减速装置11所需输入转速；

3)电子控制单元8同时发送控制信号到反馈电机控制器31、制动执行器控制器16，反馈电机控制器31控制反馈电机32输出目标转速和目标转矩经由反馈减速装置4传递到制动踏板1，形成踏板感；制动执行器控制器16控制位移电机9和力矩电机10输出目标输出转速和目标输出转矩，经由制动减速装置11将位移和制动阻力矩传递到制动器2和车轮13，实现车辆制动。

进一步的，所述步骤3)中制动执行器控制器16控制位移电机9精确输出转速、力矩电机10稳定输出力矩的具体方法为：

3.1位移电机9采用转速闭环控制，速度传感器111采集制动减速装置11的输出速度v_final，并返回数据经过增益k₁，到位移电机9的输入端，与位移电机9的目标输出转速ω₁对比，计算制动减速装置11的输出速度与位移电机9的目标输出转速ω₁之间的差值：

e_ω(t)＝ω₁-v_final*k₁ (5)

将上式(5)所得误差值作为转速闭环控制的输入，转速闭环控制选用PID控制器，控制器的输出模型为：

式中，K_pω为比例系数，T_ω为微分常数，T_dω为积分常数，u_0ω为控制常量；

3.2力矩电机10采用转矩闭环控制，力传感器112采集制动减速装置11的输出力F_final，并返回数据经过增益k₂₀，与从位移电机9输出端所采集的力矩T₁′做差，得到力矩电机10输出的补偿力矩T_final′：

T_final′＝F_final*k₂₀-T₁′ (7)

T_final′经过增益k₂，到力矩电机10的输入端，与力矩电机10的目标输出转矩T2进行对比，计算力矩电机10输出的补偿力矩与力矩电机10的目标输出转矩之间的差值：

e_T(t)＝T₂-T_final*k₂ (8)

将上式(8)所的误差值作为转矩闭环控制的输入，转矩闭环控制选用PID控制器，PID控制器输出的模型为：

式(9)中，K_pT为比例系数，T_T为微分常数，T_dT为积分常数，u_0T为控制常量。

与现有机械制动相比，本发明的提供的位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统，在电子机械制动系统中实现了位移电机控制输出位移，力矩电机输出补偿力矩的耦合控制，从而获得准确可靠的制动响应，减少响应时间，并在制动系统再生制动模式时达到更好的能量回收效果。

本发明采用转速闭环控制及转矩闭环控制的方法，能使得位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统中制动减速装置的输出位移与力均达到精确控制的效果。提高制动响应的速度以及响应的精确度，提升制动系统的综合制动特性。

附图说明

图1为本发明位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统的结构图。

图2为本发明位移与力矩耦合控制的原理图。

图3为本发明位移与力矩精确控制的控制流程图。

图1中：1-制动踏板，2-输入杆，31-反馈电机控制器，32-反馈电机，4-反馈减速装置，51-踏板位移传感器,52-踏板速度传感器，6-车速传感器，7-轮速传感器，8-电子控制单元，9-位移电机，91-力矩传感器，10-力矩电机，11-制动减速装置，111-速度传感器，112-力传感器，12-制动器，13-车轮，14-电子踏板模块，15-位移与力矩耦合模块，16-制动执行器控制器。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

实施例1

参照图1所示，一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统，包括：电子踏板模块14、电子控制单元8、位移与力矩耦合控制模块、制动器12、车轮13、车速传感器6、轮速传感器7；

所述电子踏板模块14包括：制动踏板1、输入杆2、踏板位移传感器51、踏板速度传感器52、反馈电机32、反馈电机控制器31、反馈减速装置4；其中，制动踏板1与输入杆2连接，踏板位移传感器51和踏板速度传感器52均置于输入杆2上，并与电子控制单元8电气连接，驾驶员输入的踏板位移信号与踏板速度信号经制动踏板1传入输入杆2，踏板位移传感器51与踏板速度传感器52采集踏板位移信号与踏板速度信号，并将信号传递到电子控制单元8，电子控制单元8发送控制信号到反馈电机控制器31，控制反馈电机32输出转速和转矩，经过反馈减速装置4和输入杆2到达制动踏板1，形成相应踏板感；

所述电子控制单元8根据接收到的踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号、轮速信号，判断车轮13是否抱死，计算反馈电机32目标输出转速与目标输出转矩以及位移电机9和力矩电机10的目标输出转矩和目标输出转速，并生成相应的控制信号；

所述位移与力矩耦合控制模块包括：制动执行器控制器16、位移电机9、力矩电机10、制动减速装置11；其中，电子控制单元8向制动执行器控制器16发送控制信号，制动执行器控制器16控制位移电机9和力矩电机10输出目标转矩和目标转速，并经由制动减速装置11输出阻力矩到制动器12和车轮13，其中制动减速装置11选用行星齿轮减速机构，该行星齿轮减速机构的输出端采用长螺栓与长螺母的配合，将旋转运动转化为直线运动，实现车辆制动。

本实施例中，电子控制单元8核心为CPU，使用的为飞思卡尔单片机，型号为16位的MC9S12XEP100；电机控制器MCU选用NXP公司生产的16位电机控制器芯片MC9S12ZVMRM；电机驱动电路为由六个N沟道MOSFET组成的三相全桥驱动电路，MOSFET由MCU的GDU模块驱动，PWM模块控制通断，MOSFET采用Infineon公司的IRLR8743TR；制动减速装置11选用温开元《一种改进型电子液压制动器12传动机构》一文中所述的行星齿轮传动机构，该机构包含长螺栓、长螺母直线转换装置；上述配置均为本领域的常规技术，在具体实施中，也可以使用其他本领域常规的控制芯片和驱动电路。

本实施例同时提供了上述位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统的控制方法，其具体步骤如下：

1)驾驶员通过制动踏板1向输入杆2输入踏板位移和踏板速度，与输入杆2连接的踏板位移传感器51和踏板速度传感器52采集踏板位移和速度信号；车速传感器6采集车速信号，轮速传感器7采集轮速信号。

2)电子控制单元8接收踏板位移传感器51、踏板速度传感器52、车速传感器6及轮速传感器7的信号，计算制动踏板1所需反馈踏板力、制动减速装置11所需输入转速和转矩，以及制动器12所需制动阻力矩，进而计算反馈电机32、位移电机9及力矩电机10的目标输出转速和目标输出转矩，并生成相应的控制信号；

根据牛顿第二定律和电机的动力学微分方程，电机转矩的计算表达式如下：

式中i＝0表示反馈电机32的参数，i＝1表示位移电机9的参数，i＝2表示力矩电机10的参数；T_i为电机转矩，J_i为电机的转动惯量，B_i为电机的阻尼系数，T_ai为电机负载转矩，f_i电机转子处库伦摩擦常数，ω_i为电机转速；

其中T_all＝T_need*η＝(T₁+T₂)*η，(2)

T_all表示制动器12所需制动阻力矩，T_need为制动减速装置11所需输入转矩，η为制动减速装置11的传动效率；

制动减速装置11所需输入转速ω_need和位移电机9目标输出转速ω₁满足：

ω_need＝ω₁ (3)

式中，X_final为长螺母位移，t为时间，i为制动减速装置11传动比，无量纲，P为长螺母螺距，ω_need为制动减速装置11所需输入转速；

3)电子控制单元8同时发送控制信号到反馈电机控制器31、制动执行器控制器16，反馈电机控制器31控制反馈电机32输出目标转速和目标转矩经由反馈减速装置4传递到制动踏板1，形成踏板感；制动执行器控制器16控制位移电机9和力矩电机10输出目标输出转速和目标输出转矩，经由制动减速装置11将位移和制动阻力矩传递到制动器2和车轮13，实现车辆制动；

如图2、图3所示，上述制动执行器控制器16控制位移电机9精确输出转速、力矩电机10稳定输出力矩的具体方法为：

3.1位移电机9采用转速闭环控制，速度传感器111采集制动减速装置11的输出速度v_final，并返回数据经过增益k₁，到位移电机9的输入端，与位移电机9的目标输出转速ω₁对比，计算制动减速装置11的输出速度与位移电机9的目标输出转速ω₁之间的差值：

e_ω(t)＝ω₁-v_final*k₁ (5)

将上式(5)所得误差值作为转速闭环控制的输入，转速闭环控制选用PID控制器，控制器的输出模型为：

式中，K_pω为比例系数，T_ω为微分常数，T_dω为积分常数，u_0ω为控制常量；

3.2力矩电机10采用转矩闭环控制，力传感器112采集制动减速装置11的输出力F_final，并返回数据经过增益k₂₀，与从位移电机9输出端所采集的力矩T₁′做差，得到力矩电机10输出的补偿力矩T_final′：

T_final′＝F_final*k₂₀-T₁′ (7)

T_final′经过增益k₂，到力矩电机10的输入端，与力矩电机10的目标输出转矩T2进行对比，计算力矩电机10输出的补偿力矩与力矩电机10的目标输出转矩之间的差值：

e_T(t)＝T₂-T_final′*k₂ (8)

将上式(8)所的误差值作为转矩闭环控制的输入，转矩闭环控制选用PID控制器，PID控制器输出的模型为：

式(9)中，K_pT为比例系数，T_T为微分常数，T_dT为积分常数，u_0T为控制常量。

本实施例中，位移电机9、力矩电机10，电子控制单元8发出控制信号到制动执行器控制器16，制动执行器控制器16精确控制位移电机9输出转速，且精确控制输出相应的目标位移，即位移电机9转动相应的目标角度，并通过制动减速装置11中的运动转换装置将电机旋转运动转变为制动块的直线运动；同时，这一过程中制动执行器控制器16时刻精确控制力矩电机10的补偿力矩，以准确控制双电机系统下的输出位移和转矩，工作更为可靠，同时双电机的控制可以使执行机构更快速达到目标位移和转矩。

本发明所提供的系统具体应用途径很多，以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统，其特征在于，所述电子机械制动系统包括电子踏板模块、电子控制单元、位移与力矩耦合控制模块、制动器、车轮、车速传感器、轮速传感器；

所述电子踏板模块包括制动踏板、输入杆、踏板位移传感器、踏板速度传感器、反馈电机、反馈电机控制器、反馈减速装置；其中，制动踏板与输入杆相连，踏板位移传感器和踏板速度传感器均设置于输入杆上，踏板位移传感器和踏板速度传感器分别与电子控制单元相连接；反馈电机与电子控制单元、反馈减速装置、输入杆分别连接；

所述电子控制单元接收踏板位移传感器、踏板速度传感器、车速传感器、轮速传感器传递的信号，并向反馈电机控制器、制动执行器控制器传送控制信号；控制信号经由反馈减速装置和输入杆反馈到制动踏板形成踏板感；

所述位移与力矩耦合控制模块包括依次相连的制动执行器控制器、位移电机、力矩电机、制动减速装置；制动执行器控制器接收电子控制单元发送的控制信号，并控制位移电机和力矩电机输出转矩和转速，经由制动减速装置输出阻力矩，到到制动器和车轮；

电子控制单元向制动执行器控制器发送控制信号，制动执行器控制器控制位移电机和力矩电机输出目标转矩和目标转速，并经由制动减速装置输出阻力矩至制动器和车轮。

2.根据权利要求1所述的位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统，其特征在于，所述制动减速装置为行星齿轮减速机构。

3.如权利要求1或2所述位移与力矩耦合控制的电子机械制动系统的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)与输入杆连接的踏板位移传感器和踏板速度传感器采集踏板位移和速度信号；车速传感器采集车速信号，轮速传感器采集轮速信号；

2)电子控制单元接收踏板位移传感器、踏板速度传感器、车速传感器及轮速传感器传送的信号，计算制动踏板所需反馈踏板力、制动减速装置所需输入转速和转矩，以及制动器所需制动阻力矩，进而计算反馈电机、位移电机及力矩电机的目标输出转速和目标输出转矩，并生成相应的控制信号；

所述转矩的计算表达式如下：

式中i＝0表示反馈电机的参数，i＝1表示位移电机的参数，i＝2表示力矩电机的参数；T_i为电机转矩，J_i为电机的转动惯量，B_i为电机的阻尼系数，T_ai为电机负载转矩，f_i电机转子处库伦摩擦常数，ω_i为电机转速；

其中：T_all＝T_need*η＝(T₁+T₂)*η (2)

T_all表示制动器所需制动阻力矩，T_need为制动减速装置所需输入转矩，η为制动减速装置的传动效率；

制动减速装置所需输入转速ω_need和位移电机目标输出转速ω₁满足：

ω_need＝ω₁ (3)

式中，X_final为长螺母位移，t为时间，i为制动减速装置传动比，P为长螺母螺距，ω_need为制动减速装置所需输入转速；

3)电子控制单元同时发送控制信号到反馈电机控制器、制动执行器控制器，反馈电机控制器控制反馈电机输出目标转速和目标转矩经由反馈减速装置传递到制动踏板，形成踏板感；制动执行器控制器控制位移电机和力矩电机输出目标输出转速和目标输出转矩，经由制动减速装置将位移和制动阻力矩传递到制动器和车轮，实现车辆制动；

上述制动执行器控制器控制位移电机和力矩电机输出目标输出转速具体方法为：

3.1)位移电机采用转速闭环控制，速度传感器采集制动减速装置的输出速度v_final，并返回数据经过增益k₁，到位移电机的输入端，与位移电机的目标输出转速ω₁对比，计算制动减速装置的输出速度与位移电机的目标输出转速ω₁之间的差值：

e_ω(t)＝ω₁-v_final*k₁ (5)

将上式(5)所得误差值作为转速闭环控制的输入，控制器的输出模型为：

式中，K_pω为比例系数，T_ω为微分常数，T_dω为积分常数，u_0ω为控制常量；

3.2)力矩电机采用转矩闭环控制，力传感器采集制动减速装置的输出力F_final，并返回数据经过增益k₂₀，与从位移电机输出端所采集的力矩T₁′做差，得到力矩电机输出的补偿力矩T_final′：

T_final＝F_final*k₂₀-T₁ (7)

T_final′经过增益k₂，到力矩电机的输入端，与力矩电机的目标输出转矩T2进行对比，计算力矩电机输出的补偿力矩与力矩电机的目标输出转矩之间的差值：

e_T(t)＝T₂—T_final*k₂ (8)

将上式(8)所的误差值作为转矩闭环控制的输入，转矩闭环控制为PID控制器，PID控制器输出的模型为：

式(9)中，K_pT为比例系数，T_T为微分常数，T_dT为积分常数，u_0T为控制常量。

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