CN112026771B - 一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，属于汽车紧急防抱死制动技术领域，采用轮毂电机和电子机械制动系统协同执行，不仅提高了舒适性减小噪声，还回收了部分再生制动能量。本发明包括以下步骤：车载传感器获取踏板开度、车速、轮速、车轮减速度、轮毂电机转速和轮毂电机输出转矩等信息；车载电脑根据传感器信息和车辆状态判断制动防抱死需求；车载电脑基于模糊逻辑控制轮毂电机再生制动力，和基于逻辑门限控制电子机械制动器制动力，二者复合形成总制动力控制车轮转动状态实现防抱死制动。本发明具有硬件结构简单、控制响应快精度高，并且ABS制动情况下也能回收制动能量等优点。

Description

一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法

技术领域

本发明属于汽车紧急防抱死制动技术领域，尤其涉及一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法。

背景技术

车辆制动防抱死系统是汽车安全最重要的电子控制装置，传统汽车在液压制动系统基础上集成制动防抱死系统组件，通过调节轮缸液压力控制车轮状态实现防抱死制动功能。随着汽车电动技术和线控技术的发展，这种集成在传统液压管路上的车辆防抱死制动系统在轻量化方面、结构紧凑性方面和控制方面都处于劣势，有逐渐被线控防抱死技术取代的趋势。线控液压制动系统具有更灵活的的调节液压力能力，可以分配前后轴制动力，还可以单独控制每个轮缸压力。而电子机械制动系统是全新的制动系统形式，取消了传统液压管路，而是由电机和减速、转换机构替代，同样可以单独控制每个车轮的制动力。目前配置线控制动系统的主流车型大多在线控液压制动系统的基础上集成传统制动防抱死系统组件的形式，这种保守的解决方案主要基于安全考虑，现有的ABS防抱死系统能最大程度保证制动安全性，另一方面降低了研发难度。但是传统ABS硬件复杂、控制噪声大，和线控液压制动系统集成显得十分冗余。

与此同时，在紧急制动控制策略方面，国内大多基于传统的ABS硬件采用逻辑门限的控制方式。现代电动汽车普遍具有制动能量回收功能，在普通制动时轮毂电机能提供部分甚至全部制动力，在紧急防抱死工况下，采取的策略是退出轮毂电机的再生制动，由集成ABS硬件的液压制动系统提供全部制动力，这种方式不能充分发挥线控系统的优点，同时也损失了再生制动部分的能量。

传统液压制动系统功能不能拓展，线控液压制动系统集成ABS硬件过分冗余，电子机械制动系统无法集成传统ABS硬件，加之传统防抱死策略制动舒适性差能耗高，迫切需要一种新的防抱死控制方法适应汽车电动化和线控化的发展趋势。

发明内容

本发明提供了一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，所述方法为具有制动能量回收功能的轮毂电机驱动电动车的防抱死控制方法，采用轮毂电机和电子机械制动系统协同执行，不仅提高了舒适性减小噪声，还回收了部分再生制动能量。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，包括以下步骤：

(1)车载传感器获取信息，判断是否为紧急制动工况；

(2)当判断为紧急制动工况时，电池状态允许进行能量回收，制动系统正常工作，触发复合制动系统防抱死程序，轮毂电机采用模糊控制方法提供再生制动力，电子机械制动系统采用逻辑门限方法提供制动力，两者复合形成总制动力控制车轮转动状态，直至车速降低为零或解除紧急制动状态，防抱死制动过程结束。

以上所述步骤中，步骤(1)中车载传感器获取的信息包括：踏板开度、车速、轮速、车轮减速度等、轮毂电机转速和轮毂电机输出转矩；

所述复合制动防抱死控制方法适用于高附和中附的路面，在附着系数低的路面上采用纯电机制动或纯制动系统制动。

步骤(2)中当道路附着条件良好时，触发复合制动系统防抱死程序：对于前轮，轮毂电机采用模糊控制方法提供再生制动力，电子机械制动器采用逻辑门限方法提供摩擦制动力，两者形成总制动力控制前轮转动状态；对于后轮，电子机械制动器采用模糊控制方法提供摩擦制动力，控制后轮转动状态；

当道路湿滑时，附着系数较低，触发单一制动防抱死程序：对于前轮，由于在湿滑路面上车轮很容易抱死，制动力矩需求很小，所以仅由轮毂电机制动，轮毂电机采用模糊控制方法提供再生制动力，电子机械制动器不工作；对于后轮，电子机械制动器采用模糊控制方法提供摩擦制动力，控制后轮转动状态；

所述轮毂电机采用的模糊控制器为二维模糊控制器，构建轮毂电机防抱死模糊控制方法具体包括以下步骤：

(a)确定输入变量为车轮滑移率s和车轮角加速度α，输出为轮毂电机力矩增量ΔT：

所述车轮滑移率的计算方法为：

其中u为车速，u_w为车轮速度，w为车轮滚动角速度，r为车轮半径；

(b)确定输入输出变量的基本论域、模糊集、隶属度函数、模糊推理方法和解模糊方法：

所述滑移率s的基本论域[0,1]，根据具体车型选取适当的车轮角加速度α和电机力矩增量ΔT的基本论域和模糊集；

所述隶属度函数采用三角隶属度函数；

所述模糊推理方法为Mamdani合成推理方法；

所述解模糊方法为重心法；

(c)构建模糊规则集：

对两个输入变量滑移率s的模糊集和轮加速度α模糊集进行“逻辑与”条件运算映射输出变量力矩增量ΔT的模糊集数。

所述电子机械制动系统采用的逻辑门限控制方法具体包括以下步骤：

(Ⅰ)确定输入变量为车轮滑移率s、车轮角加速度α和轮毂电机负荷系数e，输出变量为ΔT：

所述轮毂电机负荷系数e的计算方法为：

其中T_{m_real}为轮毂电机制动力矩，T_{m_n}为当前转速下轮毂电机能够提供的最大制动力矩，T_{m_n} 为负值，电机转矩外特性曲线关于转速轴对称，即在任意转速下所能提供的驱动力矩和制动力矩在数值上相等，所以e的取值范围为[0,2]，在[0，1)区间，轮毂电机提供制动力，越接近0制动力越大，在(1,2]区间，轮毂电机提供驱动力，越接近2驱动力越大；

(Ⅱ)构建逻辑门限规则：

根据所述输出变量ΔT和输入变量的关系可将每个制动系统控制循环分为增矩、减矩和保持三种状态，鉴于首次循环的特殊性把增矩状态又分为首次增矩和阶梯增矩，门限值参数的设置根据实车路试过程中总结得来的经验值，控制逻辑流程如图4所示：电子机械制动器收到制动命令后进入首次增矩状态，按照设定增矩速度增加制动力矩，当车轮滑移率达到门限值S₁时，或滑移率达到门限值S₁₁且车轮加速度达到门限值α₁时候，进入保持状态和循环增矩阶段，若检测到滑移率超过门限值下限S₂，进入增矩状态2，若检测到滑移率超过门限值上限S₁，进入减矩状态1，若滑移率没有超过门限值则检测轮毂电机负荷系数，若轮毂电机负荷系数超过门限值上限e₂，则进入减矩状态，若轮毂电机负荷系数超过门限值下限e₁，则进入增矩状态，若没有超过门限值，则进入保持状态。

有益效果：本发明提供了一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，采用轮毂电机和电子机械制动系统协同执行，一般防抱死制动策略由制动系统单独执行，本发明采用轮毂电机和电子机械制动系统协同执行，响应更快速，控制精度更高的轮毂电机微调制动力矩控制车轮滑移率，不仅提高了舒适性减小噪声，还回收了部分再生制动能量，电子机械制动系统仅仅提供基础制动力，降低了对电子机械制动系统响应性能的要求；本发明提出电机负荷系数e，通过控制该变量可以确定轮毂电机工作点，可以作为后续优化节能指标或舒适性指标的重要参数。本发明提出的防抱死制动方法适用于不同附着条件的路面，能够较好控制滑移率在理想范围，制动过程中充分结合汽车电子机械制动系统提供的较大制动力范围的特点和汽车驱动系统能够提供的较精确的再生制动力的特点，不仅能提高防抱死制动舒适性，还提高了能量回收效率。本发明还具有硬件结构简单、控制响应快精度高，并且ABS制动情况下也能回收制动能量等优点。

附图说明

图1为本发明前轮驱动和制动系统；

图2a为本发明高附着系数路面紧急制动车速变化情况图；

图2b为本发明高附着系数路面紧急制动车轮滑移率变化情况图；

图3a为本发明中附着系数路面紧急制动车速变化情况图；

图3b为本发明中附着系数路面紧急制动车轮滑移率变化情况图；

图3c为本发明中附着系数路面紧急制动e取不同范围值时再生制动力矩变化情况图；

图4为本发明控制逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

本实施例提供了一辆采用本发明紧急防抱死控制方法的前驱轮毂电机电动车，电动车两个前轮为装备了轮毂电机的电动轮，轮毂电机减速比为4，在正常行驶时轮毂电机提供驱动力，制动时轮毂电机也能提供制动力，轮毂电机接收来自车载电脑的控制信息，由车载电源提供驱动电能和回收制动电能，左右轮毂电机之间机械解耦。车辆制动系统为电子机械制动系统，每个车轮均安装电子机械制动器，电子机械制动器由直流电机、行星齿轮减速器、滚珠丝杠和制动钳组成，通过制动块夹紧车轮制动盘施加摩擦制动力。每个电子机械制动器均接收来自车载电脑的控制信号，车载电源为直流电机提供电能。执行复合制动控制时，执行机构由前轮轮毂电机驱动系统和前轮电子机械制动系统组成。

如图1所示，制动过程包括以下步骤：

(1)驾驶员踩踏制动踏板开始制动；

(2)传感器获取信息，有：

制动意图包括：踏板开度、和踏板踩踏速度；

车辆状态信息包括：车速，轮速，车轮角加速度、电机转速，电机当前转速下可输出的最大制动转矩、制动系统健康状况，电池状态如soc和温度；

道路信息包括：路面的附着条件；

(3)车载电脑根据传感器获取的信息判断是否触发防抱死制动程序，整个制动过程中，车身稳定系统监控左右车轮制动力矩的差值，防止偏离航向或车身失稳。

当电池状态不允许制动能量回收时，轮毂电机不制动，电子机械制动器采用模糊控制方法进行ABS制动；

当制动系统状态异常，采用备份制动，若某一个(或两个)后轮EMB执行机构异常，则两个前轮EMB制动；若某一个(或两个)前轮EMB执行机构异常，则两个后轮EMB制动；若车身同一侧的两个车轮EMB执行机构异常，则两轮毂电机制动，若同时电池状态不允许制动能量回收，则轮毂反接制动。

当判断制动意图为紧急制动，电池状态允许进行能量回收，制动系统正常工作，触发复合制动防抱死程序：

(a)当道路附着条件良好时，触发复合制动防抱死程序：

对于前轮，轮毂电机采用模糊控制方法提供再生制动力，电子机械制动器采用逻辑门限方法提供摩擦制动力，两者的总制动力控制前轮转动状态；对于后轮，电子机械制动器采用模糊控制方法提供摩擦制动力，控制后轮转动状态；

当车速降低为零或解除紧急制动状态，防抱死制动过程结束；

(b)当道路湿滑时，附着系数较低，触发单一制动防抱死程序：

对于前轮，由于在湿滑路面上车轮很容易抱死，制动力矩需求很小，所以仅由轮毂电机制动，轮毂电机采用模糊控制方法提供再生制动力，电子机械制动器不工作；对于后轮，电子机械制动器采用模糊控制方法提供摩擦制动力，控制后轮转动状态；

当车速降低为零或解除紧急制动状态，防抱死制动过程结束。

在复合制动过程中，轮毂电机采用的模糊控制器为二维模糊控制，构建轮毂电机防抱死模糊控制器的步骤为：

1)确定输入变量为车轮滑移率s和车轮角加速度α，输出为轮毂电机力矩增量ΔT：

所述车轮滑移率的计算方法为：

其中u为车速，u_w为车轮速度，w为车轮滚动角速度，r为车轮半径；

2)确定输入输出变量的基本论域、模糊集、隶属度函数、模糊推理方法和解模糊方法：

滑移率s的基本论域[0,1]，车轮角加速度α的基本论域为[-500,500]，电机力矩增量ΔT的基本论域为[-1000 1000]；

滑移率S的模糊集为{zero,small,middle,large,verylarge,blocked},其中zero代表滑移率为0，small代表滑移率较小，middle代表滑移率适中，large代表滑移率较大，verylarge代表滑移率很大，blocked代表车轮抱死；

车轮角加速度α模糊集为{N3,N2,N1,O,P1,P2,P3},其中N3代表车轮角加速度为负大，N2代表车轮角加速度为负中，N1代表车轮角加速度为负小，O代表车轮角加速度为0，P1代表车轮角加速度为正小，P2代表车轮角加速度为正中，P3代表车轮角加速度为正大；

电机力矩增量ΔT模糊集为{mf-4,mf-3,mf-2,mf-1,mf0,mf1,mf2,mf3,mf4},其中mf-4代表快速降矩，mf-3代表较快速降矩，mf-2代表中速降矩，mf-1代表慢速降矩，mf0代表保持力矩，mf1代表慢速增矩，mf2代表中速增矩，mf3代表较快速增矩，mf4代表快速增矩；

隶属度函数采用三角隶属度函数；

模糊推理方法为Mamdani合成推理方法；

解模糊方法为重心法；

3)构建模糊规则集：

对两个输入变量滑移率s的模糊集和轮加速度α模糊集进行逻辑与条件运算映射输出变量力矩增量ΔT的模糊集数，具体如表1所示：

表1逻辑与条件运算映射输出变量力矩增量ΔT的模糊集数表

在复合制动过程中，前轮电子机械制动器逻辑门限控制方法，构建逻辑门限控制器的具体步骤为：

1)确定输入变量为车轮滑移率s、车轮角加速度α和轮毂电机负荷系数e，输出变量为电子机械制动器制动力矩ΔT：

所述轮毂电机负荷系数e的计算方法为：

其中T_{m_real}为轮毂电机制动力矩，T_{m_n}为当前转速下轮毂电机能够提供的最大制动力矩，为负值，电机转矩外特性曲线关于转速轴对称，即在任意转速下所能提供的驱动力矩和制动力矩在数值上相等，所以e的取值范围为[0,2]；

2)构建逻辑门限规则

根据所述输出变量ΔT_brake和输入变量的关系可将每个制动系统控制循环分为增矩、减矩和保持三种状态，鉴于首次循环的特殊性把增矩状态又分为首次增矩和循环增矩。门限值参数的设置是在实车路试过程中总结得来的经验值，控制逻辑流程如图4所示，电子机械制动器收到制动命令后进入首次增矩状态，按照设定增矩速度增加制动力矩，当车轮滑移率达到门限值S₁时，或滑移率达到门限值S₁₁且车轮加速度达到门限值α₁时候，进入保持状态和循环增矩阶段，若检测到滑移率超过门限值下限S₂，进入增矩状态2，若检测到滑移率超过门限值上限S₁，进入减矩状态1，若滑移率没有超过门限值则检测轮毂电机负荷系数，若轮毂电机负荷系数超过门限值上限e₂，则进入减矩状态，若轮毂电机负荷系数超过门限值下限e₁，则进入增矩状态，若没有超过门限值，则进入保持状态，其中S₁、S₁₁、S₂、S₃表示不同控制阶段滑移率，α₁表示车轮角加速度，e₁、e₂表示轮毂电机负荷系数的门限值，S₁和S₁₁为进入首次保持的滑移率门限值，S₁值比S₁₁值大，S₂、S₃为循环阶段滑移率门限值，α₁为进入首次保持状态的的车轮角加速度门限值，e₁为进入增矩状态的轮毂电机负荷系数门限值，e₂为进入减矩状态的轮毂电机负荷系数门限值；本例S₁的取值为0.2，S₁₁取0.18，S₂的值取0.3，S₃的值取0.7，α₁的取值为-200，首次增加力矩的增加速率为2000，该值虽然可以尽可能取较大值，但会受到制动系统响应速度的约束。在高附路面上e₁取值0.6，e₂取值为0.75，循环力矩变化速率为150。

本发明的控制方法应用在典型高附路面仿真效果图如图2，汽车以80km/h的初速度开始紧急制动，5.1s左右完全停车。在制动前0.5s内前轮滑移率迅速升至0.38左右，车轮转速明显降低，随后滑移率保持在0.38附近，车速平稳且快速减小。滑移率在减速末期波动幅度略微增加，这是因为一方面，滑移率作为防抱死控制输入变量在低速时受非线性摩擦和环境干扰较大，另一方面模糊控制方法需要基于设计人员的经验设置参数和规则集，在低速滑移率扰动较大的情况下控制不够理想，可以通过进一步优化模糊控制器改善控制效果，通常可以在车速低于10km/h时控制策略切换至EMB单一制动模式，这种处理方式符合一般能量回收策略。

本发明的控制方法应用在中附路面仿真效果图如图3，同样汽车以80km/h的初速度开始紧急制动，9s左右完全停车。在制动前0.5s内前轮滑移率迅速升至0.4左右，车轮转速明显降低，随后滑移率保持稳定，车速平稳且快速减小。电机复合系数根据实际路面附着情况设计，图3c示意了不同电机复合系数门限值的控制效果，e门限值设计较小时，可以提高再生制动能量回收效率，调节e的门限值意义在于，若e的门限值固定，在某些临界路面，电子机械制动器制动力过小，频繁启动停止或者工作在静摩擦非线性区，都会使控制效果不理想。通过调节e的门限值，牺牲部分制动能量回收效率，避免临界路面控制效果不佳的情况。

可见本发明提出的防抱死制动方法适用于不同附着条件的路面，能够较好控制滑移率在理想范围，制动过程中充分结合汽车电子机械制动系统能够提供的较大制动力范围的特点，和汽车驱动系统能够提供的较精确的再生制动力的特点，不仅能提高防抱死制动舒适性，还提高了能量回收效率。

以上仅是本发明的优选实施例，熟悉本领域技术的人员显然可以容易的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经过创造性的劳动，因此本发明不限于上述实施例，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)

1.一种基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)车载传感器获取信息，判断是否为紧急制动工况；

(2)当判断为紧急制动工况，电池状态允许进行能量回收，制动系统正常工作，触发复合制动系统防抱死程序，轮毂电机采用模糊控制方法提供再生制动力，电子机械制动系统采用逻辑门限方法提供制动力，两者复合形成总制动力控制车轮转动状态，直至车速降低为零或解除紧急制动状态，防抱死制动过程结束；所述电子机械制动系统采用的逻辑门限控制方法具体包括以下步骤：

(Ⅰ)确定输入变量为车轮滑移率s、车轮角加速度α和轮毂电机负荷系数e，输出变量为ΔT：

所述轮毂电机负荷系数e的计算方法为：

其中T_{m_real}为轮毂电机制动力矩，T_{m_n}为当前转速下轮毂电机能够提供的最大制动力矩，T_{m_n}为负值，电机转矩外特性曲线关于转速轴对称，即在任意转速下所能提供的驱动力矩和制动力矩在数值上相等；

(Ⅱ)构建逻辑门限规则：

根据所述输出变量ΔT和输入变量的关系可将每个制动系统控制循环分为增矩、减矩和保持三种状态，鉴于首次循环的特殊性把增矩状态又分为首次增矩和循环增矩，门限值参数的设置根据实车路试过程中总结得来的经验值，控制逻辑流程为：电子机械制动器收到制动命令后进入首次增矩状态，按照设定增矩速度增加制动力矩，当车轮滑移率达到门限值S₁时，或滑移率达到门限值S₁₁且车轮加速度达到门限值α₁时，进入保持状态和循环增矩阶段，若检测到滑移率超过门限值下限S₂，进入增矩状态2，若检测到滑移率超过门限值上限S₁，进入减矩状态1，若滑移率没有超过门限值则检测轮毂电机负荷系数，若轮毂电机负荷系数超过门限值上限e₂，则进入减矩状态，若轮毂电机负荷系数超过门限值下限e₁，则进入增矩状态，若没有超过门限值，则进入保持状态。

2.根据权利要求1所述的基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，步骤(1)中车载传感器获取的信息包括：踏板开度、车速、轮速、轮毂电机转速和轮毂电机输出转矩。

3.根据权利要求1所述的基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，当道路附着条件良好时，触发复合制动系统防抱死程序。

4.根据权利要求1所述的基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，当道路湿滑时，附着系数较低，触发单一制动防抱死程序。

5.根据权利要求1、3或4所述的基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，所述轮毂电机采用的模糊控制器为二维模糊控制器，构建轮毂电机防抱死模糊控制方法具体包括以下步骤：

(a)确定输入变量为车轮滑移率s和车轮角加速度α，输出为轮毂电机力矩增量ΔT：

所述车轮滑移率的计算方法为：

其中u为车速，u_w为车轮速度，w为车轮滚动角速度，r为车轮半径；

(b)确定输入输出变量的基本论域、模糊集、隶属度函数、模糊推理方法和解模糊方法：

所述滑移率s的基本论域[0,1]，根据具体车型选取适当的车轮角加速度α和电机力矩增量ΔT的基本论域和模糊集；

所述隶属度函数采用三角隶属度函数；

所述模糊推理方法为Mamdani合成推理方法；

所述解模糊方法为重心法；

(c)构建模糊规则集：

对两个输入变量滑移率s的模糊集和轮加速度α模糊集进行“逻辑与”条件运算映射输出变量力矩增量ΔT的模糊集数。

6.根据权利要求1所述的基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中所述轮毂电机负荷系数e的取值范围为[0,2]，在[0，1)区间，轮毂电机提供制动力，越接近0制动力越大，在(1,2]区间轮毂电机提供驱动力，越接近2驱动力越大。

7.根据权利要求1所述的基于轮毂电机/电子机械制动器的复合防抱死控制方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中所述轮毂电机负荷系数的门限值e₂和e₁的取值决定稳态下轮毂电机的工作域，可根据不同制动目标优化其取值。

Images