CN117533150B - 用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统及方法，通过实时监测车辆的速度、加速度等参数，测算车辆在不同制动模式下的实际制动需求，并根据实际制动需求确定车辆的制动分配阶段和各阶段采取的制动力大小，以适应不同的驾驶情况和路况；同时，利用伺服电机的高响应性能，可以根据车辆的制动分配阶段以及各阶段的制动力大小进行动态调节，实现对制动力的精准分配和最大程度的能量回收。

Description

用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统及方法

技术领域

本申请涉及车辆制动控制技术领域，特别涉及一种用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统及方法。

背景技术

新能源汽车的能量回收，是指在车辆制动过程中，通过将动能转化为电能并储存起来，以便后续使用。汽车制动时，电机通过反向工作，将动能转化为电能，并将其储存到电池或超级电容器中。这样一来，制动时产生的能量不会被浪费，而是可以再次利用，可以延长电池的续航里程，减少对外部电源的依赖，提高汽车的能源利用效率，减少对刹车系统的磨损，延长刹车系统的使用寿命。

伺服电机可以作为制动能量回收系统的关键组件之一。伺服电机的主要结构包括电机本体、编码器、控制器和驱动器。与普通电机相比，伺服电机通常配备有高精度的编码器，用于实时反馈电机的位置和速度信息，以便控制器进行闭环控制。伺服电机的控制器用于接收编码器反馈信号，并根据设定的控制算法来控制电机的运动。伺服电机的驱动器根据控制器的控制而驱动电机本体，该驱动器通常具有更高的功率和更精确的控制能力，以满足对电机速度、位置和力矩的精确控制要求。由于伺服电机具有编码器反馈和闭环控制，因此其控制精度通常更高，能够实现更精确的位置和速度控制。并且，伺服电机具有较快的动态响应能力，能够快速调整电机的运动状态，适用于对速度和位置要求较高的应用。总之，伺服电机具有高精度、高响应速度、高可靠性的优点，高精度即伺服电机具有高精度的位置和速度控制能力，可以实现精确的运动控制；高响应速度使伺服电机可以实现快速的加速和减速，适用于需要频繁变速的应用；伺服电机具有较高的可靠性和稳定性，可以长时间稳定运行。

从而，在新能源车辆制动中，可以利用伺服电机的优点来实现更高效、更精确的制动控制，包括：利用伺服电机的高精度和高响应速度，可以实现精确的制动力控制，提高制动效果；对于能量回收来说，伺服电机可以实现高效的能量转换，提高能量回收效率，能够显著提高整车的制动性能和稳定性。

然而，现有的新能源汽车伺服电机制动系统，在制动能量回收方面仍然存在一定的局限性，表现在制动力均衡分配和平滑过渡方面缺乏高效、精准的调控策略，影响了制动的精确控制和能量回收的高效性，表现在车辆制动过程中驾乘体验存在比较明显的顿挫感和阶梯性的突变感，能量回收效果未达到理想化。

发明内容

基于以上问题，本申请提出一种用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统及方法，旨在解决新能源汽车制动策略的精准性不足、能量回收不充分的问题。本申请通过实时监测车辆的速度、加速度等参数，测算车辆在不同制动模式下的实际制动需求，并根据实际制动需求确定车辆的制动分配阶段和各阶段采取的制动力大小，以适应不同的驾驶情况和路况。同时，利用伺服电机的高响应性能，可以根据车辆的制动分配阶段以及各阶段的制动力大小进行动态调节，实现对制动力的精准分配和最大程度的能量回收。

本发明提供了一种用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统，其特征在于，包括：

车辆监测单元，用于实时监测车辆行驶的实时参数，并根据车辆行驶的预期参数，确定各个制动模式下的实际制动需求；

制动配置单元，用于确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小；

伺服电机驱动单元，根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机；

伺服电机本体，用于根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收。

优选的是，所述车辆监测单元通过车载传感器，实时监测车辆行驶的速度，作为所述实时参数；并且，所述车辆监测单元对预定监测窗口内的车辆行驶工况特征进行采集和提取。

优选的是，所述车辆行驶工况特征包括：预定监测窗口上各时间区间对应的车辆行驶平均速度和平均制动减速度。

优选的是，所述车辆监测单元根据车辆行驶工况特征，计算与其相适配的预期减速度，作为车辆行驶的预期参数。

优选的是，所述车辆监测单元确定各个制动模式下的实际制动需求，所述实际制动需求为需要伺服电机本体实际产出的制动力大小，所述制动模式包括以下模式的任意一种：刹车制动、惯性制动、转向制动。

优选的是，针对每一类型的制动模式，车辆监测单元在所述预期减速度基础上乘以预设的转换系数，计算该制动模式下的预期减速度，再映射生成满足该制动模式下预期减速度的制动力大小，作为所述实际制动需求。

优选的是，所述制动配置单元对应每个阶段的制动模式，根据车辆监测单元所确定的该制动模式下的实际制动需求，确定本阶段需要伺服电机本体最终的制动力大小。

优选的是，所述制动配置单元参照以下公式（一），通过循环滚动优化对比例系数进行赋值，从而根据每个阶段的制动模式下的实际制动需求对应的制动力值/>，生成本阶段最终的制动力大小/>；公式（一）具体表示为：

公式（一）

其中，表示自一次制动全过程的第k个阶段起算的阶段数量，/>为在阶段数量/>条件下的第/>个阶段的最终制动力值，/>与/>为第k个、第/>个阶段根据各自制动模式下的实际制动需求所对应的制动力值，/>为第/>个阶段的实际的制动力值；/>为公式（一）的比例系数。

优选的是，所述伺服电机驱动单元参照以下公式（二），根据制动配置单元为各阶段最终的制动力大小和实际的制动力值/>，通过循环滚动优化驱动系数/>的赋值，生成能够达到所述最终的制动力大小/>的驱动控制参数/>，并将驱动控制参数提供给伺服电机本体；该公式（二）具体为：

公式（二）

其中，第k个阶段的驱动控制参数，/>为第k+1-i个阶段的驱动控制参数，/>为第k+1-i个阶段的实际的制动力值，/>为在阶段数量/>条件下的第/>个阶段的最终的制动力大小。以上驱动控制参数的具体类型涵盖了对伺服电机的速度、加速度、力矩施加控制的各类型控制参数的任意一种，例如对伺服电机的速度施加控制的控制参数可以是速度环的比例增益、积分增益和微分增益；对伺服电机的加速度施加控制的控制参数可以是加速度环的比例增益、积分增益和微分增益；对伺服电机的力矩施加控制的控制参数可以是力矩环的比例增益、积分增益和微分增益。

本申请进一步提供了用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动控制方法，包括以下步骤：

S1：实时监测车辆行驶的实时参数，并根据车辆行驶的预期参数，确定各个制动模式下的实际制动需求；

S2：确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小；

S3：根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机；

S4：根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收。

综上，本发明提高了新能源汽车制动策略的精准性，改善能量回收效率，并能够适应不同的驾驶情况和路况；本发明利用伺服电机的高响应性能进行动态调节，实现对制动力的精准分配和最大程度的能量回收，使得新能源车辆在刹车制动、惯性制动、转向制动等过程中能够更有效地回收能量，从而提高能源利用率，降低对环境的影响；由于伺服电机制动系统能够精确控制制动力，从而降低刹车片的磨损和更换频率，减少维修成本。同时，由于能源利用率提高，新能源汽车的整体运行成本也将降低。通过对制动力的精确分配和控制，伺服电机制动系统可以有效避免传统刹车系统的过热现象，通过对制动过程的优化，进一步提高驾驶安全性。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本申请，而不能理解为对本申请的保护范围的限制。

图1是本申请公开的一种伺服电机制动系统结构示意图。

图2是本申请公开的一种伺服电机制动方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

下面参考图1详细描述本申请的用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统结构示意图。具体来说，该伺服电机制动系统包括：

车辆监测单元101，用于实时监测车辆行驶的实时参数，并根据车辆行驶的预期参数，确定各个制动模式下的实际制动需求；

制动配置单元102，用于确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小；

伺服电机驱动单元103，根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机；

伺服电机本体104，用于根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收。

其中，所述车辆监测单元101通过车载传感器，实时监测车辆行驶的速度，作为所述实时参数。

并且，所述车辆监测单元101对预定监测窗口内的车辆行驶工况特征进行采集和提取。这里的预定监测窗口可以设置为从当前时间点前推预定时间长度所形成的时间窗口；例如当前时间点为早上9：00，前推预定时间长度为5分钟，则时间窗口8：55-9：00即预定监测窗口。所述车辆行驶工况特征包括：预定监测窗口上各时间区间对应的车辆行驶平均速度和平均制动减速度。具体来说，在所述预定监测窗口上建立X轴为时间、Y轴为车辆行驶速度和制动减速度的分布曲线，进而将X轴划分为[0,t1]、[t1,t2]......[tn-1,tn]的共计n个时间区间，统计每个时间区间上对应的车辆行驶平均速度v1、v2...vn以及平均制动减速度a1、a2...an，表示为特征数组{v1、v2...vn}和{a1、a2...an}的形式，作为所述车辆行驶工况特征。

所述车辆监测单元101根据车辆行驶工况特征，计算与其相适配预期减速度，作为车辆行驶的预期参数。具体来说，车辆监测单元101根据实时监测获得的车辆行驶的速度，对照所述车辆行驶工况特征的特征数组{v1、v2...vn}，获得该特征数组中与实时监测的车辆行驶速度最接近的车辆行驶平均速度，确定该最接近的车辆行驶平均速度对应的时间区间，进而对照特征数组{a1、a2...an}，取得该时间区间所对应的平均制动减速度，作为所述预期减速度。

车辆监测单元101并根据车辆行驶的预期参数，即所述预期减速度，确定各个制动模式下的实际制动需求。所述实际制动需求为需要伺服电机本体实际产出的制动力大小。这里的制动模式包括以下模式的任意一种：刹车制动、惯性制动、转向制动。针对每一类型的制动模式，车辆监测单元101在所述预期减速度基础上乘以预设的转换系数，计算该制动模式下的预期减速度，再映射生成满足该制动模式下预期减速度的制动力大小，作为所述实际制动需求。以上不同类型的制动模式下，实际制动需求对应的制动力大小显然不同，刹车制动模式下的制动力较大，惯性制动和转向制动对应较小的制动力，因此，在预期减速度的基础上，刹车制动、惯性制动、转向制动各自预设的转换系数不同。

制动配置单元102，用于确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小。车辆的一次制动全过程中包括不同类型的制动模式，例如，一次制动全过程的初期，优先使用刹车制动以快速降低车速；而在制动全过程的后期，选择优先使用惯性制动以减少制动力对轮胎和悬挂系统的冲击，因此，制动配置单元102首先确定一次制动全过程中分为几个阶段，以及每个阶段对应的制动模式。制动配置单元102对应每个阶段的制动模式，根据车辆监测单元101所确定的该制动模式下的实际制动需求，确定本阶段需要伺服电机本体最终的制动力大小。

具体来说，所述制动配置单元102参照以下公式（一），通过循环滚动优化对比例系数进行赋值，从而根据每个阶段的制动模式下的实际制动需求对应的制动力值/>，生成本阶段最终的制动力大小/>。该公式（一）具体表示为：

公式（一）

其中，表示阶段数量，即自一次制动全过程的第k个阶段起算的阶段数量，为在阶段数量/>条件下的第/>个阶段的最终制动力值，/>与为第k个、第/>个阶段根据各自制动模式下的实际制动需求所对应的制动力值，/>为第/>个阶段的实际的制动力值；/>为公式（一）的比例系数，通过计算/>可得/>、/>、/>在公式（一）中的比重，基于循环滚动优化后的这三个参数，计算最终的制动力大小/>。

下面对比例系数的循环滚动优化计算过程说明如下。首先，制动配置单元102建立比例系数循环滚动优化的预设赋值数列/>和/>，可以将以上2个预设赋值数列存储在映射表格式的存储单元中；进而，按照循环滚动优化方式对的值进行计算。

对于，首先执行如下初始化：

进而执行以下双循环滚动：

通过滚动求出各个。

对于，首先执行如下初始化：

进而执行以下双循环滚动：

通过滚动求出各个。

对于则随着滚动过程，通过下式累加而求出：

。

伺服电机驱动单元103，根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机。伺服电机根据接收到的所述驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩，以达到上述各阶段最终的制动力大小。

具体来说，伺服电机驱动单元103参照以下公式（二），根据制动配置单元102为各阶段最终的制动力大小和实际的制动力值/>，通过循环滚动优化驱动系数的赋值，生成能够达到所述最终的制动力大小/>的驱动控制参数/>，并将驱动控制参数/>提供给伺服电机本体104。该公式（二）具体为：

公式（二）

其中，第k个阶段的驱动控制参数，/>为第k+1-i个阶段的驱动控制参数，/>为第k+1-i个阶段的实际的制动力值，/>为在阶段数量/>条件下的第/>个阶段的最终的制动力大小。

下面对循环滚动优化驱动系数的计算过程说明如下。首先，制动配置单元102建立驱动系数循环滚动优化的预设赋值数列/>和/>，/>表示的个数，且/>表示/>的个数，可以将以上2个预设赋值数列存储在映射表格式的存储单元中；进而，按照循环滚动优化方式对/>的值进行计算。

对于，首先执行如下初始化：

进而执行以下双循环滚动：

通过滚动求出各个。

对于，首先执行如下初始化：

进而执行以下双循环滚动：

通过滚动求出各个。

对于则随着滚动过程，通过下式累加而求出：

伺服电机本体104，用于根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收。

本申请进一步提供了用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动控制方法，包括以下步骤：

S1：实时监测车辆行驶的实时参数，并根据车辆行驶的预期参数，确定各个制动模式下的实际制动需求；

S2：确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小；

S3：根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机；

S4：根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收。

综上，本发明提高了新能源汽车制动策略的精准性，改善能量回收效率，并能够适应不同的驾驶情况和路况；本发明利用伺服电机的高响应性能进行动态调节，实现对制动力的精准分配和最大程度的能量回收，使得新能源车辆在刹车制动、惯性制动、转向制动等过程中能够更有效地回收能量，从而提高能源利用率，降低对环境的影响；由于伺服电机制动系统能够精确控制制动力，从而降低刹车片的磨损和更换频率，减少维修成本。同时，由于能源利用率提高，新能源汽车的整体运行成本也将降低。通过对制动力的精确分配和控制，伺服电机制动系统可以有效避免传统刹车系统的过热现象，通过对制动过程的优化，进一步提高驾驶安全性。

本文中的模块、单元或组件的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，在实际实现时可以有其他的划分方式，例如多个模块和/或单元可以结合或集成于另一个装置中。作为分离部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的，也可以是不分开的。作为单元显示的部件可以是物理单元，也可以不是物理单元，即可以位于一个具体地方，也可以分布到网格单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动系统，其特征在于，包括：

车辆监测单元，用于实时监测车辆行驶的实时参数，并根据车辆行驶的预期参数，确定各个制动模式下的实际制动需求；

制动配置单元，用于确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小；

伺服电机驱动单元，根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机；

伺服电机本体，用于根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收；

其中，所述车辆监测单元通过车载传感器，实时监测车辆行驶的速度，作为所述实时参数；并且，所述车辆监测单元对预定监测窗口内的车辆行驶工况特征进行采集和提取；所述车辆行驶工况特征包括：预定监测窗口上各时间区间对应的车辆行驶平均速度和平均制动减速度；所述车辆监测单元根据车辆行驶工况特征，计算与其相适配的预期减速度，作为车辆行驶的预期参数；

所述车辆监测单元确定各个制动模式下的实际制动需求，所述实际制动需求为需要伺服电机本体实际产出的制动力大小，所述制动模式包括以下模式的任意一种：刹车制动、惯性制动、转向制动；其中，针对每一类型的制动模式，车辆监测单元在所述预期减速度基础上乘以预设的转换系数，计算该制动模式下的预期减速度，再映射生成满足该制动模式下预期减速度的制动力大小，作为所述实际制动需求；

所述制动配置单元对应每个阶段的制动模式，根据车辆监测单元所确定的该制动模式下的实际制动需求，确定本阶段需要伺服电机本体最终的制动力大小；所述制动配置单元参照以下公式（一），通过循环滚动优化对比例系数进行赋值，从而根据每个阶段的制动模式下的实际制动需求对应的制动力值/>，生成本阶段最终的制动力大小；公式（一）具体表示为：

公式（一）

其中，表示自一次制动全过程的第k个阶段起算的阶段数量，/>为在阶段数量/>条件下的第/>个阶段的最终制动力值，/>与/>为第k个、第个阶段根据各自制动模式下的实际制动需求所对应的制动力值，/>为第个阶段的实际的制动力值；/>为公式（一）的比例系数；

其中，所述通过循环滚动优化对比例系数进行赋值，具体包括：所述制动配置单元建立比例系数循环滚动优化的预设赋值数列/>和/>，将以上2个预设赋值数列存储在映射表格式的存储单元中；进而，利用所述预设赋值数列/>和/>按照循环滚动优化方式对/>的值进行计算；

并且，所述伺服电机驱动单元参照以下公式（二），根据制动配置单元为各阶段最终的制动力大小和实际的制动力值/>，通过循环滚动优化驱动系数/>的赋值，生成能够达到所述最终的制动力大小/>的驱动控制参数/>，并将驱动控制参数/>提供给伺服电机本体；该公式（二）具体为：

公式（二）

其中，第k个阶段的驱动控制参数，/>为第k+1-i个阶段的驱动控制参数，为第k+1-i个阶段的实际的制动力值，/>为在阶段数量/>条件下的第个阶段的最终的制动力大小；

其中，所述通过循环滚动优化驱动系数的赋值，具体包括：所述制动配置单元建立驱动系数循环滚动优化的预设赋值数列/>和/>，/>表示/>的个数，且/>表示/>的个数，将以上2个预设赋值数列存储在映射表格式的存储单元中；进而，按照循环滚动优化方式对/>的值进行计算。

2.一种用于新能源车辆精准能量回收的伺服电机制动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：实时监测车辆行驶的实时参数，并根据车辆行驶的预期参数，确定各个制动模式下的实际制动需求；

S2：确定车辆的制动分配阶段，以及各阶段根据实际制动需求确定采取的制动力大小；

S3：根据所述制动分配阶段和各阶段的制动力大小，转换为对伺服电机的驱动控制参数，并将驱动控制参数传递给伺服电机；

S4：根据接收到的驱动控制参数，动态调整自身的输出扭矩和转速，直至车辆达到预期的减速目标，并实现对制动能量的回收;

其中，通过车载传感器，实时监测车辆行驶的速度，作为所述实时参数；并且，对预定监测窗口内的车辆行驶工况特征进行采集和提取；所述车辆行驶工况特征包括：预定监测窗口上各时间区间对应的车辆行驶平均速度和平均制动减速度；根据车辆行驶工况特征，计算与其相适配的预期减速度，作为车辆行驶的预期参数；

确定各个制动模式下的实际制动需求，所述实际制动需求为需要伺服电机本体实际产出的制动力大小，所述制动模式包括以下模式的任意一种：刹车制动、惯性制动、转向制动；其中，针对每一类型的制动模式，在所述预期减速度基础上乘以预设的转换系数，计算该制动模式下的预期减速度，再映射生成满足该制动模式下预期减速度的制动力大小，作为所述实际制动需求；

对应每个阶段的制动模式，根据所确定的该制动模式下的实际制动需求，确定本阶段需要伺服电机本体最终的制动力大小；参照以下公式（一），通过循环滚动优化对比例系数进行赋值，从而根据每个阶段的制动模式下的实际制动需求对应的制动力值/>，生成本阶段最终的制动力大小/>；公式（一）具体表示为：

公式（一）

其中，表示自一次制动全过程的第k个阶段起算的阶段数量，/>为在阶段数量/>条件下的第/>个阶段的最终制动力值，/>与/>为第k个、第个阶段根据各自制动模式下的实际制动需求所对应的制动力值，/>为第个阶段的实际的制动力值；/>为公式（一）的比例系数；

其中，所述通过循环滚动优化对比例系数进行赋值，具体包括：所述制动配置单元建立比例系数循环滚动优化的预设赋值数列/>和/>，将以上2个预设赋值数列存储在映射表格式的存储单元中；进而，利用所述预设赋值数列/>和/>按照循环滚动优化方式对/>的值进行计算；

并且，参照以下公式（二），根据各阶段最终的制动力大小和实际的制动力值/>，通过循环滚动优化驱动系数/>的赋值，生成能够达到所述最终的制动力大小/>的驱动控制参数/>，并将驱动控制参数/>提供给伺服电机本体；该公式（二）具体为：

公式（二）

其中，第k个阶段的驱动控制参数，/>为第k+1-i个阶段的驱动控制参数，为第k+1-i个阶段的实际的制动力值，/>为在阶段数量/>条件下的第个阶段的最终的制动力大小；

其中，所述通过循环滚动优化驱动系数的赋值，具体包括：建立驱动系数循环滚动优化的预设赋值数列/>和/>，/>表示/>的个数，且/>表示/>的个数，将以上2个预设赋值数列存储在映射表格式的存储单元中；进而，按照循环滚动优化方式对/>的值进行计算。