CN113954796A - 一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统及方法,包括:制动踏板、制动踏板位移传感器、压力传感器、轮速传感器、纵向加速度传感器、轮毂电机、整车控制单元、制动力分配控制单元、液压制动控制单元、补偿控制单元及摩擦制动器;本发明消除了电液复合制动造成的转矩波动问题,不仅可以保证汽车制动平顺性、稳定性,还可以有效增加驾驶员的制动感觉,增强驾驶员在不同制动工况下对制动性能的判断,极大地提高汽车制动安全性。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车电液复合制动技术领域,具体涉及一种基于EHB系统的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统及方法。
背景技术
随着汽车技术的发展,“智能化、网联化、电动化”是未来汽车的发展方向,线控制动系统是实现汽车智能化的关键技术,电子液压制动(EHB)作为线控制动的一种形式,能够实现与制动踏板的解耦,受到国内外学者的高度关注。
考虑到液压制动系统存在如P-V特性等非线性环节,导致液压制动具有惯性和迟滞特性,电机制动是一种电磁制动,其响应速度相比于液压制动较快,因此两者在电液复合制动过程中会存在较大的力矩冲击,影响制动安全性和舒适性。当前,国内外学者对于电液集成制动系统的研究主要集中于电液制动力的分配以及提高电机的再生制动能量回收率上,对于在电液复合制动过程中可能存在的制动冲击研究的较少,然而过大的转矩波动容易影响驾驶员对制动性能的判断,影响制动安全性与平顺性,目前,基于EHB系统的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法的报道尚未公开,因此,对基于EHB系统的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制进行研究具有极大的科研价值和实际意义。
发明内容
针对于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统及方法,以解决现有电液复合制动技术中存在的液压摩擦制动力矩和电机制动力矩响应时间不一致,电液复合制动过程中存在力矩冲击,影响制动安全性和舒适性的问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明的一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统,包括:制动踏板、制动踏板位移传感器、压力传感器、轮速传感器、纵向加速度传感器、轮毂电机、整车控制单元、制动力分配控制单元、液压制动控制单元、补偿控制单元及摩擦制动器;其中,
所述制动踏板位移传感器和压力传感器均安装在制动踏板上,用于分别获取制动踏板的位移信息和压力信息,并与整车控制单元电气连接,将获得的制动踏板的位移信息和压力信息传送给整车控制单元;
所述轮速传感器安装于车轮中,用于获取车轮的转速信号,并与整车控制单元电气连接,将获得的转速信号传送给整车控制单元;
所述纵向加速度传感器安装于车身底板上,用于检测车辆的纵向加速度,其与整车控制单元电气连接,将获得的纵向加速度信号传送给整车控制单元;
所述整车控制单元,接收踏板位移传感器、压力传感器、轮速传感器及纵向加速度传感器的信号,判断实时车辆信息,来确定需求制动强度和需求制动力矩;
所述制动力分配控制单元与整车控制单元电气连接,根据所述需求制动力矩输出需求液压摩擦制动力矩和需求电机再生制动力矩;
所述液压制动控制单元与制动力分配控制单元电气连接,根据需求液压摩擦制动力矩计算实际液压摩擦制动力矩,以输出高压制动油液;
所述摩擦制动器安装于车轮内,产生液压摩擦制动力矩,其与液压制动控制单元连接,对车轮进行摩擦制动;
所述补偿控制单元分别与制动力分配控制单元、轮毂电机电气连接,根据需求液压摩擦制动力矩与实际液压摩擦制动力矩的差值、需求电机再生制动力矩与最终电机再生制动力矩,经过H∞控制,输出最终的电机再生制动电流给轮毂电机;
所述轮毂电机安装于车轮内,用于输出最终电机再生制动力矩以制动车轮。
进一步地,所述驾驶员的需求制动强度由下式计算得到:
z=kzs
其中,s为踏板位移,kz为常数。
进一步地,所述需求制动力矩为:
Ttotal=F×R
式中,F为需求制动力,R为车轮有效半径;
所述需求制动力F的大小为:
F=M×g×z=M×g×kz×s
式中,M表示整车质量;g为重力加速度;z为制动强度;
由上述得到需求制动力矩为:
Ttotal=F×R=M×g×R×kz×s。
本发明还公开一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法,步骤如下:
1)建立基于电动汽车EHB系统的数学模型及制动力分配模型,所述数学模型包括:轮毂电机模型、制动主缸模型、制动轮缸模型、摩擦制动器模型、制动踏板模型;
2)分别获取制动踏板的位移信号和压力信号整车控制单元,经过计算后得到驾驶员的需求制动强度z,并根据需求制动强度z,计算需求制动力矩Ttotal;
5)根据需求液压摩擦制动力矩实际液压摩擦制动力矩Tfri,计算两者的差值ΔTfri,同时把轮毂电机输出的最终电机再生制动力矩Tregfri进行负反馈,将需求电机再生制动力矩差值ΔTfri与最终电机再生制动力矩Tregfri之差叠加后到补偿控制单元中,经过补偿控制单元进行H∞控制,控制最终电机再生制动力矩跟随补偿再生制动力矩,利用最终电机再生制动力矩Tregfri来补偿实际液压摩擦制动力矩Tfri由于滞后产生的差值ΔTfri,减少电液复合制动时的转矩波动。
进一步地,所述步骤5)中的采用H∞混合灵敏度控制算法控制最终电机再生制动力矩Tregfri来补偿实际液压摩擦制动力矩Tfri由于滞后产生的差值ΔTfri,具体包括:
51)根据电液复合制动系统工作原理及特性建立动力学模型;
52)根据上述建立的电液复合制动系统动力学模型确定H∞混合灵敏度控制算法所需要的状态方程、状态向量及系统扰动量;根据电液复合制动系统工作的时变性和非线性,将H∞混合灵敏度控制算法应用到电液复合制动系统中;
53)在H∞混合灵敏度控制算法中加入积分器α-1(s),(为了解决最终电机再生制动力矩跟踪补偿再生制动力矩过程中可能受到的液压摩擦力、电池电压等干扰)添加灵敏度函数S和补偿灵敏度函数T;
54)根据电液复合制动系统特征,选择加权函数W1、W2,确定H∞混合灵敏度控制系统稳定条件,根据稳定条件,求解广义控制对象和控制器输出Km(s)。
进一步地,所述步骤51)中建立的动力学模型包括:制动踏板模型、主缸模型、轮缸模型、轮毂电机模型、制动器模型和DC-DC变换器模型。
进一步地,所述步骤52)具体包括:
取电机再生制动系统的状态变量为x=[x1,x2]T=[im,uc]T,系统的输入变量为u=[δ],系统的扰动输入为w=[um,ub]T,系统的输出变量为y=[im],电机再生制动系统跟踪控制的状态方程为:
其中,
式中,im是轮毂电机电枢电流;uc是电容电压,δ为占空比,Ub为蓄电池端电压,λm为电源内阻,λc为电容线路电阻,C0为电容器电容,um为轮毂电机电枢电压,L为轮毂电机电感。
进一步地,所述步骤53)具体为:
灵敏度函数和补偿灵敏度函数分别可写成如下表达式:
S=(I+KG)-1
T=KG(I+KG)-1
式中,G是系统被控对象,K是H∞控制器。
进一步地,所述步骤54)具体为:
考虑最终电机再生制动力矩Tregfri跟随补偿再生制动力矩Tgens效果,选择加权函数W1、W2,则H∞混合灵敏度控制系统的稳定条件为:
求解H∞混合灵敏度控制系统的广义控制对象:
式中,W1,W2,W3为三个加权函数,G1(s)为逆变器占空比到电枢电流的传递函数,ω为系统的扰动输入,im *为理想电枢电流,z1,z2,z3为系统的三个受控输出,其中,z1代表目标跟踪性能和干扰抑制性能,z2代表系统的鲁棒稳定性和噪声抑制性能,z3代表控制器输出的大小;
电机再生制动系统控制问题可描述成如下式构成的闭环系统:
本发明的有益效果:
1、本发明利用电机响应速度快的特点,补偿由于液压制动系统存在非线性环节而造成液压制动具有惯性和迟滞特性,避免了电动汽车在进行电液复合制动时造成的需求制动力和实际制动力不一致。
2、本发明消除了电液复合制动造成的转矩波动问题,不仅可以保证汽车制动平顺性、稳定性,还可以有效增加驾驶员的制动感觉,增强驾驶员在不同制动工况下对制动性能的判断,极大地提高汽车制动安全性。
3、本发明的控制方法合理可行,具有较强的典型性和通用性。
附图说明
图1为本发明系统的原理框图。
图2为本发明方法的原理流程图。
图3为本发明H∞混合灵敏度控制算法流程图。
图4为本发明中H∞混合灵敏度控制器结构原理图。
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。
参照图1所示,本发明的一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统,包括:制动踏板1、制动踏板位移传感器2、压力传感器3、轮速传感器4、纵向加速度传感器5、轮毂电机10、整车控制单元6、制动力分配控制单元7、液压制动控制单元8、补偿控制单元11及摩擦制动器9;其中,
所述制动踏板位移传感器2和压力传感器3均安装在制动踏板1上,用于分别获取制动踏板1的位移信息和压力信息,并与整车控制单元6电气连接,将获得的制动踏板1的位移信息和压力信息传送给整车控制单元6;
所述轮速传感器4安装于车轮中,用于获取车轮的转速信号,并与整车控制单元6电气连接,将获得的转速信号传送给整车控制单元6;
所述纵向加速度传感器5安装于车身底板上(靠近液压制动控制单元8),用于检测车辆的纵向加速度,其与整车控制单元6电气连接,将获得的纵向加速度信号传送给整车控制单元6;
所述整车控制单元6,接收踏板位移传感器2、压力传感器3、轮速传感器4及纵向加速度传感器5的信号,判断实时车辆信息,来确定需求制动强度和需求制动力矩;
其中,所述驾驶员的需求制动强度由下式计算得到:
z=kzs
式中,s为踏板位移,kz为常数;
所述需求制动力矩为:
Ttotal=F×R
式中,F为需求制动力,R为车轮有效半径;
所述需求制动力F的大小为:
F=M×g×z=M×g×kz×s
式中,M表示整车质量;g为重力加速度;z为制动强度;
由上述得到需求制动力矩为:
Ttotal=F×R=M×g×R×kz×s;
所述制动力分配控制单元7与整车控制单元6电气连接,根据所述需求制动力矩输出需求液压摩擦制动力矩和需求电机再生制动力矩;
所述液压制动控制单元8与制动力分配控制单元7电气连接,根据需求液压摩擦制动力矩计算实际液压摩擦制动力矩,以输出高压制动油液;
所述摩擦制动器9安装于车轮内,产生液压摩擦制动力矩,其与液压制动控制单元8连接,对车轮12进行摩擦制动;
所述补偿控制单元11分别与制动力分配控制单元7、轮毂电机10电气连接,根据需求液压摩擦制动力矩与实际液压摩擦制动力矩的差值、需求电机再生制动力矩与最终电机再生制动力矩,经过H∞控制,输出最终的电机再生制动电流给轮毂电机10;
所述轮毂电机10安装于车轮内,用于输出最终电机再生制动力矩以制动车轮。
本发明中,踩下制动踏板1,踏板位移传感器2和压力传感器3分别采集踏板位移信号s和压力信号p,轮速传感器4和纵向加速度传感器5采集车辆的转速信号w、车速信号vx以及纵向加速度信号ax,并且将信号传送给整车控制单元6,经整车控制单元6计算后得到需求制动强度z和需求制动力矩Ttotal;制动力分配控制单元7根据需求制动强度z和需求制动力矩Ttotal,确定需求液压摩擦制动力矩Tfri *和需求电机再生制动力矩Treg *,液压制动控制单元8通过需求液压摩擦制动力矩Tfri *计算出制动油压pfri,制动油压pfri作用摩擦制动器9,产生实际摩擦制动力矩Tfri;补偿控制单元11根据需求液压摩擦制动力矩Tfri *和实际液压摩擦制动力矩Tfri的差值ΔTfri、需求电机再生制动力矩Treg *与最终电机再生制动力矩Tregfin,经过H∞控制,计算输出补偿后的最终电机再生制动电流iregfin输入对应轮毂电机10,产生最终电机再生制动力矩Tregfin作用于车轮12,产生复合制动力矩,减少由于液压摩擦制动力矩的滞后造成电液复合制动时的转矩波动。
参照图2所示,本发明还公开一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法,步骤如下:
1)建立基于电动汽车EHB系统的数学模型及制动力分配模型,所述数学模型包括:轮毂电机模型、制动主缸模型、制动轮缸模型、摩擦制动器模型、制动踏板模型;
2)分别获取制动踏板的位移信号和压力信号整车控制单元,经过计算后得到驾驶员的需求制动强度z,并根据需求制动强度z,计算需求制动力矩Ttotal;
5)根据需求液压摩擦制动力矩实际液压摩擦制动力矩Tfri,计算两者的差值ΔTfri,同时把轮毂电机输出的最终电机再生制动力矩Tregfri进行负反馈,将需求电机再生制动力矩差值ΔTfri与最终电机再生制动力矩Tregfri之差(即)叠加后到补偿控制单元中,经过补偿控制单元进行H∞控制,控制最终电机再生制动力矩跟随补偿再生制动力矩,利用最终电机再生制动力矩Tregfri来补偿实际液压摩擦制动力矩Tfri由于滞后产生的差值ΔTfri,减少电液复合制动时的转矩波动。
示例中,所述步骤5)中的采用H∞混合灵敏度控制算法控制最终电机再生制动力矩Tregfri来补偿实际液压摩擦制动力矩Tfri由于滞后产生的差值ΔTfri,具体包括:
51)根据电液复合制动系统工作原理及特性建立动力学模型;
52)根据上述建立的电液复合制动系统动力学模型确定H∞混合灵敏度控制算法所需要的状态方程、状态向量及系统扰动量;根据电液复合制动系统工作的时变性和非线性,将H∞混合灵敏度控制算法应用到电液复合制动系统中;
53)在H∞混合灵敏度控制算法中加入积分器α-1(s),(为了解决最终电机再生制动力矩跟踪补偿再生制动力矩过程中可能受到的液压摩擦力、电池电压等干扰)添加灵敏度函数S和补偿灵敏度函数T;
54)根据电液复合制动系统特征,选择加权函数W1、W2,确定H∞混合灵敏度控制系统稳定条件,根据稳定条件,求解广义控制对象和控制器输出Km(s)。
具体地,所述步骤51)中建立的动力学模型包括:制动踏板模型、主缸模型、轮缸模型、轮毂电机模型、制动器模型和DC-DC变换器模型。
参照图3所示,具体地,所述步骤52)具体包括:
取电机再生制动系统的状态变量为x=[x1,x2]T=[im,uc]T,系统的输入变量为u=[δ],系统的扰动输入为w=[um,ub]T,系统的输出变量为y=[im],电机再生制动系统跟踪控制的状态方程为:
其中,
式中,im是轮毂电机电枢电流;uc是电容电压,δ为占空比,Ub为蓄电池端电压,λm为电源内阻,λc为电容线路电阻,C0为电容器电容,um为轮毂电机电枢电压,L为轮毂电机电感。
具体地,所述步骤53)具体为:
灵敏度函数和补偿灵敏度函数分别可写成如下表达式:
S=(I+KG)-1
T=KG(I+KG)-1
式中,G是系统被控对象,K是H∞控制器。
具体地,所述步骤54)具体为:
考虑最终电机再生制动力矩Tregfri跟随补偿再生制动力矩Tgens效果,选择加权函数W1、W2,则H∞混合灵敏度控制系统的稳定条件为:
根据图4所示,求解H∞混合灵敏度控制系统的广义控制对象:
式中,W1,W2,W3为三个加权函数,G1(s)为逆变器占空比到电枢电流的传递函数,ω为系统的扰动输入,im *为理想电枢电流,z1,z2,z3为系统的三个受控输出,其中,z1代表目标跟踪性能和干扰抑制性能,z2代表系统的鲁棒稳定性和噪声抑制性能,z3代表控制器输出的大小;
电机再生制动系统控制问题可描述成如下式构成的闭环系统:
本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,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 (10)
1.一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统,其特征在于,包括:制动踏板、制动踏板位移传感器、压力传感器、轮速传感器、纵向加速度传感器、轮毂电机、整车控制单元、制动力分配控制单元、液压制动控制单元、补偿控制单元及摩擦制动器;其中,
所述制动踏板位移传感器和压力传感器均安装在制动踏板上,用于分别获取制动踏板的位移信息和压力信息,并与整车控制单元电气连接,将获得的制动踏板的位移信息和压力信息传送给整车控制单元;
所述轮速传感器安装于车轮中,用于获取车轮的转速信号,并与整车控制单元电气连接,将获得的转速信号传送给整车控制单元;
所述纵向加速度传感器安装于车身底板上,用于检测车辆的纵向加速度,其与整车控制单元电气连接,将获得的纵向加速度信号传送给整车控制单元;
所述整车控制单元,接收踏板位移传感器、压力传感器、轮速传感器及纵向加速度传感器的信号,判断实时车辆信息,来确定需求制动强度和需求制动力矩;
所述制动力分配控制单元与整车控制单元电气连接,根据所述需求制动力矩输出需求液压摩擦制动力矩和需求电机再生制动力矩;
所述液压制动控制单元与制动力分配控制单元电气连接,根据需求液压摩擦制动力矩计算实际液压摩擦制动力矩,以输出高压制动油液;
所述摩擦制动器安装于车轮内,产生液压摩擦制动力矩,其与液压制动控制单元连接,对车轮进行摩擦制动;
所述补偿控制单元分别与制动力分配控制单元、轮毂电机电气连接,根据需求液压摩擦制动力矩与实际液压摩擦制动力矩的差值、需求电机再生制动力矩与最终电机再生制动力矩,经过H∞控制,输出最终的电机再生制动电流给轮毂电机;
所述轮毂电机安装于车轮内,用于输出最终电机再生制动力矩以制动车轮。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统,其特征在于,所述驾驶员的需求制动强度由下式计算得到:
z=kzs
其中,s为踏板位移,kz为常数。
3.根据权利要求2所述的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制系统,其特征在于,所述需求制动力矩为:
Ttotal=F×R
式中,F为需求制动力,R为车轮有效半径;
所述需求制动力F的大小为:
F=M×g×z=M×g×kz×s
式中,M表示整车质量;g为重力加速度;z为制动强度;
由上述得到需求制动力矩最终为:
Ttotal=F×R=M×g×R×kz×s。
4.一种电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法,其特征在于,步骤如下:
1)建立基于电动汽车EHB系统的数学模型及制动力分配模型,所述数学模型包括:轮毂电机模型、制动主缸模型、制动轮缸模型、摩擦制动器模型、制动踏板模型;
2)分别获取制动踏板的位移信号和压力信号整车控制单元,经过计算后得到驾驶员的需求制动强度z,并根据需求制动强度z,计算需求制动力矩Ttotal;
6.根据权利要求5所述的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法,其特征在于,所述步骤5)中的采用H∞混合灵敏度控制算法控制最终电机再生制动力矩Tregfri来补偿实际液压摩擦制动力矩Tfri由于滞后产生的差值ΔTfri,具体包括:
51)根据电液复合制动系统工作原理及特性建立动力学模型;
52)根据上述建立的电液复合制动系统动力学模型确定H∞混合灵敏度控制算法所需要的状态方程、状态向量及系统扰动量;根据电液复合制动系统工作的时变性和非线性,将H∞混合灵敏度控制算法应用到电液复合制动系统中;
53)在H∞混合灵敏度控制算法中加入积分器α-1(s),添加灵敏度函数S和补偿灵敏度函数T;
54)根据电液复合制动系统特征,选择加权函数W1、W2,确定H∞混合灵敏度控制系统稳定条件,根据稳定条件,求解广义控制对象和控制器输出Km(s)。
7.根据权利要求6所述的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法,其特征在于,所述步骤51)中建立的动力学模型包括:制动踏板模型、主缸模型、轮缸模型、轮毂电机模型、制动器模型和DC-DC变换器模型。
10.根据权利要求9所述的电动汽车电液复合制动转矩波动协调控制方法,其特征在于,所述步骤54)具体为:
考虑最终电机再生制动力矩Tregfri跟随补偿再生制动力矩Tgens效果,选择加权函数W1、W2,则H∞混合灵敏度控制系统的稳定条件为:
求解H∞混合灵敏度控制系统的广义控制对象:
式中,W1,W2,W3为三个加权函数,G1(s)为逆变器占空比到电枢电流的传递函数,ω为系统的扰动输入,im *为理想电枢电流,z1,z2,z3为系统的三个受控输出,其中,z1代表目标跟踪性能和干扰抑制性能,z2代表系统的鲁棒稳定性和噪声抑制性能,z3代表控制器输出的大小;
电机再生制动系统控制问题可描述成如下式构成的闭环系统:
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