CN112937533B - 一种采用电机制动的电液线控制动***及液压力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用电机制动的电液线控制动***及液压力控制方法,该电液线控制动***是通过永磁同步电机进行电动助力,制动踏板进行机械助力,将电动助力和机械助力分开,以实现制动踏板和制动主缸之间的解耦;然后驾驶员踩制动踏板,将位移传感器的位移信号传递给制动控制单元,以确定制动信号,并根据制动信号确定实际滑移率和目标滑移率,为制动轮缸分配目标液压力;最后建立压力跟随控制器,通过调节目标液压力和实际液压力,使得永磁同步电机能获得目标转矩,并转化成丝杠的推力,推动制动主缸建立液压力,同时将实际液压力信号反馈给压力跟随控制器,以实时输出目标转矩来控制永磁同步电机正、反和堵转,达到增压、减压和保压的目的。
Description
技术领域
本发明属于无人驾驶汽车或智能汽车上的线控制动***的技术领域,具体涉及到一种采用电机制动的电液线控制动***及液压力控制方法。
背景技术
传统制动***均采用真空助力器进行助力,显而易见,传统制动***的制动踏板和制动主缸之间存在耦合关系,会导致踏板感觉变差,同时也不具备主动制动功能,无法使用在现有的无人驾驶汽车或智能汽车上,因此电液线控制动***运用而生。但目前电液线控制动***大多采用高压蓄能器和电磁阀相配合来取代传统的真空助力器进行助力,显然,当汽车制动时,高压蓄能器具有较高的液压力,不仅存在较大的安全隐患,同时这种***结构复杂,难以准确的控制制动***的液压力。
为了解决现有电液线控制动***的问题,国内外人提出了各种采用电机制动的电液线控制动***结构,大多数结构都采用齿轮和滚珠丝杠或齿轮齿条和滚珠丝杠进行助力,这些增力机构虽然能达到制动效果,但在液压力控制方面,目前大都采用PI控制、逻辑控制和自适应控制等,这些方法对液压力控制还存在不精确、稳定性差等缺点,严重影响到制动***的动态响应性能和驾驶员舒适的踏板感觉。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足之处,提出了一种采用电机制动的电液线控制动***及液压力控制方法,以期能实现制动踏板和制动主缸之间的解耦和主动制动功能,同时具有较好的液压力动态响应和控制精度。
为了实现上述的目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明一种采用电机制动的电液线控制动***的特点包括:电控机械子***、液压子***、制动踏板单元和电子控制单元;
所述电控机械子***包括:永磁同步电机、大齿轮和小齿轮所组成的齿轮组、同步带和滚珠丝杠;
所述永磁同步电机为电液线控制动***的动力源,并为电液线控制动***提供负载转矩;
所述齿轮组作为第一级传动机构,并与所述同步带相连,所述小齿轮与永磁同步电机相连;
所述滚珠丝杠作为第二级传动机构,其中螺母与大齿轮相连,丝杠的轴端直接与制动主缸相连;
所述液压子***包括:制动主缸,制动轮缸,液压制动管路,液压控制单元和储液罐;
所述制动主缸与所述储液罐相连,用于将丝杠的推力转化成液压力;
所述制动轮缸与车轮相连;
所述液压制动管路分别连接所述储液罐和制动主缸,以及制动主缸和制动轮缸,从而形成封闭的液压回路并传输所述储液罐中的制动液;
所述液压控制单元通过所述液压制动管路将制动主缸的液压力均匀分配到四个制动轮缸,使四个制动轮缸的液压力转化为车轮的制动力偶矩,从而使汽车制动停车;
所述制动踏板单元包括:制动踏板和位移传感器;
当所述制动踏板提供制动信号,且所述位移传感器达到一定的位移时,所述永磁同步电机实施制动功能;
所述电子控制单元包括:制动控制单元、压力传感器、轮速传感器和电池;
所述电池为所述制动控制单元提供电源;
所述制动控制单元通过收集所述压力传感器的液压力信号,所述位移传感器的位移信号和所述轮速传感器的轮速信号并进行计算,输出目标转矩给永磁同步电机以实施制动控制。
本发明一种基于所述的电液线控制动***的液压力控制方法的特点是按如下步骤进行:
步骤一、驾驶员脚踩制动踏板达到一定的位移后,所述位移传感器将位移信号传递给制动控制单元以确定制动信号;
步骤二、所述制动控制单元收集来自车辆的制动信号,包括:车速v,轮速ω,垂直载荷Fz;
步骤三、建立滑移率控制器,根据车辆的制动信号确定实际滑移率和目标滑移率,从而为各个制动轮缸分配目标液压力;
步骤四、建立电液线控制动***的动力学模型,并根据所述制动主缸反馈的实际液压力和分配的目标液压力,再建立压力跟随控制器,从而为永磁同步电机输入目标转矩;
步骤五、所述永磁同步电机获取目标转矩后,通过同步带和齿轮组将目标转矩放大,以降速增扭,再通过滚珠丝杠将放大后的目标转矩转化成其水平运动的推力;
步骤六、所述丝杠的推力直接推动制动主缸建立液压力,同时压力传感器实时反馈液压力信号给所述压力跟随控制器,从而通过所述压力跟随控制器实时输出更新的目标转矩,以控制永磁同步电机的正转、反转和堵转,从而实现增压、减压和保压的功能。
利用式(1)建立所述电液线控制动***的动力学模型:
式(1)中:Jeq为等效到永磁同步电机轴端的转动惯量;θm为永磁同步电机的转角;Bm为永磁同步电机的阻尼系数;Ps为滚珠丝杠的导程;ib为齿轮组的传动比;ηs为电控机械子***的传递效率;Tf为等效到永磁同步电机轴端的等效摩擦转矩;Ac为制动主缸活塞的有效面积;pc为制动主缸的液压力;Te为永磁同步电机的电磁转矩;a,b为有界的设计参数;θm为永磁同步电机的转角。
所述步骤四中的压力跟随控制器是按如下步骤建立:
利用式(2)将式(1)转化成状态空间方程:
式(2)中:Tpd为制动主缸的压力需求转矩,Td为电液线控制动***的目标转矩,ΔT为估计的摩擦转矩,且Td=Te,ΔT=Tf,Tpd=Td-ΔT;
步骤4.2、利用式(3)得到制动主缸的液压力的跟踪误差Δp:
Δp=x2-x2d (3)
式(3)中:x2d为制动主缸的目标液压力,且x2d=pd;
步骤4.4、对式(4)进行求导得到式(5):
步骤4.6、将式(6)和式(7)代入到式(5)中得到式(8):
式(9)中:η0为上界;
步骤4.8、利用式(10)表示常速趋近律:
步骤4.11、结合式(8)和式(10),得到如式(11)所示的压力跟随控制器:
步骤4.12、利用式(12)得到电液线控制动***的目标转矩Td:
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
1、本发明所设计的电液线控制动***使用制动踏板进行机械助力,永磁同步电机、同步带、齿轮组和滚珠丝杠进行电动助力,将机械助力和电动助力分开,实现了制动踏板和主缸之间的解耦和主动制动功能。
2、本发明在液压力控制方面,从电液线控制动***的模型出发,建立了电控机械子***动力学模型和液压子***动力学模型,通过动力学模型设计了压力跟随控制器,建立了目标液压力和目标转矩之间的关系。与传统的PI控制相比,不需要繁琐的参数调节,即可使电液线控制动***能够更好、更快地达到目标液压力,同时输出的目标转矩能够使永磁同步电机精确、稳定地控制目标液压力。
附图说明
图1是本发明电液线控制动***的结构原理图;
图2是本发明电液线控制动***的仿真架构图;
图3a是本发明电液线控制动***在良好路面(附着系数为0.85),不同目标滑移率(λs=0.06、λs=0.16),汽车初始速度为100km/h下,汽车制动时,车速和轮速的动态响应曲线图;
图3b是本发明电液线控制动***在良好路面(附着系数为0.85),不同目标滑移率(λs=0.06、λs=0.16),汽车初始速度为100km/h下,汽车制动时,目标滑移率跟随实际滑移率的动态响应曲线图;
图3c是本发明电液线控制动***在良好路面(附着系数为0.85),不同目标滑移率(λs=0.06、λs=0.16),汽车初始速度为100km/h下,汽车制动时,目标液压力跟随实际液压力的动态响应曲线图;
图3d是本发明电液线控制动***在良好路面(附着系数为0.85),不同目标滑移率(λs=0.06、λs=0.16),汽车初始速度为100km/h下,汽车制动时,目标液压力和实际液压力的跟踪误差曲线图;
图4是本发明电液线控制动***的压力跟随控制器的设计流程图。
具体实施方式
本实施例中,如图1所示,一种采用电机制动的电液线控制动***包括:电控机械子***、液压子***、制动踏板单元和电子控制单元;
电控机械子***包括:永磁同步电机3、大齿轮17和小齿轮2所组成的齿轮组、同步带1和滚珠丝杠;
永磁同步电机3为电液线控制动***的动力源,并为电液线控制动***提供负载转矩;
齿轮组作为第一级传动机构,并与同步带1相连,小齿轮2与永磁同步电机3相连;
滚珠丝杠作为第二级传动机构,其中螺母15与大齿轮17相连,丝杠的轴端直接与制动主缸相连;
液压子***包括:制动主缸7,制动轮缸10,液压制动管路12,液压控制单元9和储液罐6;
制动主缸7与储液罐6相连,用于将丝杠的推力转化成液压力;
制动轮缸10与车轮相连;
液压制动管路12分别连接储液罐6和制动主缸7,以及制动主缸7和制动轮缸10,从而形成封闭的液压回路并传输储液罐6中的制动液;
液压控制单元9通过液压制动管路12将制动主缸7的液压力均匀分配到四个制动轮缸,使四个制动轮缸的液压力转化为车轮的制动力偶矩,从而使汽车制动停车;
制动踏板单元包括:制动踏板20和位移传感器21;
当制动踏板20提供制动信号,且位移传感器21达到一定的位移时,永磁同步电机3实施制动功能;
电子控制单元包括:制动控制单元4、压力传感器8、轮速传感器11和电池;
电池为制动控制单元4提供电源;
制动控制单元4通过收集压力传感器8的液压力信号,位移传感器21的位移信号和轮速传感器11的轮速信号并进行计算,输出目标转矩给永磁同步电机3以实施制动控制。
本实施例中,如图2所示,一种基于电液线控***的液压力控制方法具体步骤如下:
步骤一、驾驶员脚踩制动踏板达到一定的位移后,位移传感器21将位移信号传递给制动控制单元4以确定制动信号;
步骤二、制动控制单元4收集来自车辆的制动信号,包括:车速v,轮速ω,垂直载荷Fz;
步骤三、建立滑移率控制器,根据车辆的制动信号确定实际滑移率和目标滑移率,从而为各个制动轮缸分配目标液压力;
步骤3.1、建立式(1)的汽车车轮模型:
式(1)中:m为汽车的整车质量,单位kg;v为汽车的行驶速度;Fxi为地面制动力;Iωi表示轮胎的转动惯量,单位为kg·m2;r表示为车轮的滚动半径,单位为m;Tvbi表示车轮的制动力矩;下标i表示车辆的前后左右车轮,i=fl表示前轴左轮,i=fr表示前轴右轮,i=rl表示后轴左轮,i=rr表示后轴右轮,以下的指示与此相同;
步骤3.2、定义式(2)为车轮的目标滑移率:
式(2)中:λi表示为车轮的滑移率;vωi表示为车轮的轮速度;
步骤3.3、式(3)车轮车速和轮速的关系:
vωi=rωi (3)
式(3)中:ωi为车轮的角速度;
步骤3.4、将式(2)求导,同时将式(3)代入其中,则可以得到式(4):
步骤3.5、定义式(5)为基于滑移率推导的滑模控制律的滑模面:
ss=λs-λi (5)
式(5)中:λs为最佳滑移率;
步骤3.6、将式(5)求导,同时将式(4)代入其中,则可以得到式(6):
步骤3.7、定义式(7)为地面法向反作用力与地面制动力之间的关系为:
Fxi=μλiFzi (7)
式(7)中:μλi是地面附着系数;Fzi为地面法向反作用力;
步骤3.8、选择式(8)来估计路面的附着系数:
式(8)中:μmax表示最大路面附着系数;
步骤3.9、将式(1)、式(7)和式(8)代入到式(6)中,则式(9)可以表示为:
步骤3.10、为了提高***动态响应,减小***的抖振,选择滑移率控制器的指数趋近律,并用饱和sat()代替符号函数sgn(),则式(10)的指数趋近律为:
步骤3.11、结合式(10)和式(9),则利用式(11)表示滑移率控制器:
在式(11)中,Tvbi为车轮的制动力矩,是由制动***的制动压力产生的。因此,式(12)为制动压力和制动力矩之间的关系:
式(12)中:μb为摩擦片的摩擦系数;rw为制动轮缸的半径;rb为制动盘的有效制动半径;pd为目标液压力;
因此,根据式(11)建立目标滑移率和实际滑移率之间的关系,并分配车轮的制动转矩;根据式(12)建立分配的目标液压力。
步骤四、建立电液线控制动***的动力学模型,并根据制动主缸7反馈的实际液压力和分配的目标液压力,再建立压力跟随控制器,从而为永磁同步电机3输入目标转矩;如图4所示;
步骤4.1、为了精确的控制电液线控制动***的液压力,从电液线控制动***的动力学模型出发,利用式(13)建立电液线控制动***的动力学模型:
式(1)中:Jeq为等效到永磁同步电机3轴端的转动惯量;θm为永磁同步电机3的转角;Bm为永磁同步电机3的阻尼系数;Ps为滚珠丝杠的导程;ib为齿轮组的传动比;ηs为电控机械子***的传递效率;Tf为等效到永磁同步电机3轴端的等效摩擦转矩;Ac为制动主缸7活塞的有效面积;pc为制动主缸7的液压力;Te为永磁同步电机3的电磁转矩;a,b为有界的设计参数,与电液线控制动***的结构有关;θm为永磁同步电机3的转角;与制动主缸活塞位置有关,且δ1,δ2,θmax为范围参数,|a|≤δ1,|b|≤δ2,0≤θm≤θmax。
式(14)中:Tpd为制动主缸7的压力需求转矩,Td为电液线控制动***的目标转矩,ΔT为估计的摩擦转矩,且Td=Te,ΔT=Tf,Tpd=Td-ΔT;
步骤4.3、利用式(15)得到制动主缸7的液压力的跟踪误差Δp:
Δp(t)=x2-x2d (15)
式(15)中:x2d为制动主缸7的目标液压力,且x2d=pd;
步骤4.5、对式(16)进行求导得到式(17):
步骤4.7、将式(14)、式(18)、式(19)代入到式(17)中得到式(20):
式(21)中:η0为上界。
步骤4.9、为了减少电液线控制动***的固有抖振,且确保压力跟随控制器在切换过程中的连续性,选择饱和函数代替符号函数,利用式(22)表示常速趋近律:
步骤4.9.1、定义式(23)为饱和函数:
步骤4.9.2、式(23)中的符号函数可以用式(24)表示:
步骤4.10、结合式(20)和式(22),得到如式(25)所示的压力跟随控制器:
步骤4.11、考虑到制动液的压缩特性,且b与制动液的弹性模量有关。当控制律表达式被推导时,从式(25)可以看出,和前面的系数非常小,对和影响比较大,因此对滑模控制律影响比较小,可以被忽略,利用式(26)得到电液线控制动***的目标转矩Td:
步骤五、永磁同步电机3获取目标转矩后,通过同步带1和齿轮组将目标转矩放大,以降速增扭,再通过滚珠丝杠将放大后的目标转矩转化成其水平运动的推力;
步骤六、丝杠的推力直接推动制动主缸7建立液压力,同时压力传感器8实时反馈液压力信号给压力跟随控制器,从而通过压力跟随控制器实时输出更新的目标转矩,以控制永磁同步电机3的正转、反转和堵转,从而实现增压、减压和保压的功能。
图3a-图3d是本发明电液线控制动***在良好路面(附着系数为0.85),不同滑移率(λs=0.06、λs=0.16),汽车初始速度为100km/h下,压力跟随控制器的动态响应曲线。
从图3a可以看出,车速和轮速都具有良好的动态响应,并在4s左右汽车制动停车,可以看出本发明的电液线控制动***满足汽车制动的需求。
从图3b可以看出,在不同的目标滑移率下,即前2s内设置的目标滑移率为0.06,后3s内设置的目标滑移率为0.16,在本发明的压力跟随控制器下,滑移率具有良好的跟踪效果。
从图3c和图3d可以看出,汽车在制动过程中,液压力具有良好的控制效果,且最大误差不超过1MPa,可以看出本发明的压力跟随控制器具有良好的液压力跟踪效果,控制精度高,稳定性好。
Claims (1)
1.一种基于电液线控制动***的液压力控制方法,所述电液线控制动***包括:电控机械子***、液压子***、制动踏板单元和电子控制单元;
所述电控机械子***包括:永磁同步电机(3)、大齿轮(17)和小齿轮(2)所组成的齿轮组、同步带(1)和滚珠丝杠;
所述永磁同步电机(3)为电液线控制动***的动力源,并为电液线控制动***提供负载转矩;
所述齿轮组作为第一级传动机构,并与所述同步带(1)相连,所述小齿轮(2)与永磁同步电机(3)相连;
所述滚珠丝杠作为第二级传动机构,其中螺母(15)与大齿轮(17)相连,丝杠的轴端直接与制动主缸相连;
所述液压子***包括:制动主缸(7),制动轮缸(10),液压制动管路(12),液压控制单元(9)和储液罐(6);
所述制动主缸(7)与所述储液罐(6)相连,用于将丝杠的推力转化成液压力;
所述制动轮缸(10)与车轮相连;
所述液压制动管路(12)分别连接所述储液罐(6)和制动主缸(7),以及制动主缸(7)和制动轮缸(10),从而形成封闭的液压回路并传输所述储液罐(6)中的制动液;
所述液压控制单元(9)通过所述液压制动管路(12)将制动主缸(7)的液压力均匀分配到四个制动轮缸,使四个制动轮缸的液压力转化为车轮的制动力偶矩,从而使汽车制动停车;
所述制动踏板单元包括:制动踏板(20)和位移传感器(21);
当所述制动踏板(20)提供制动信号,且所述位移传感器(21)达到一定的位移时,所述永磁同步电机(3)实施制动功能;
所述电子控制单元包括:制动控制单元(4)、压力传感器(8)、轮速传感器(11)和电池;
所述电池为所述制动控制单元(4)提供电源;
所述制动控制单元(4)通过收集所述压力传感器(8)的液压力信号,所述位移传感器(21)的位移信号和所述轮速传感器(11)的轮速信号并进行计算,输出目标转矩给永磁同步电机(3)以实施制动控制;其特征在于,所述液压力控制方法是按如下步骤进行:
步骤一、驾驶员脚踩制动踏板达到一定的位移后,所述位移传感器(21)将位移信号传递给制动控制单元(4)以确定制动信号;
步骤二、所述制动控制单元(4)收集来自车辆的制动信号,包括:车速v,轮速ω,垂直载荷Fz;
步骤三、建立滑移率控制器,根据车辆的制动信号确定实际滑移率和目标滑移率,从而为各个制动轮缸分配目标液压力;
步骤四、建立电液线控制动***的动力学模型,并根据所述制动主缸(7)反馈的实际液压力和分配的目标液压力,再建立压力跟随控制器,从而为永磁同步电机(3)输入目标转矩;
利用式(1)建立所述电液线控制动***的动力学模型:
式(1)中:Jeq为等效到永磁同步电机(3)轴端的转动惯量;θm为永磁同步电机(3)的转角;Bm为永磁同步电机(3)的阻尼系数;Ps为滚珠丝杠的导程;ib为齿轮组的传动比;ηs为电控机械子***的传递效率;Tf为等效到永磁同步电机(3)轴端的等效摩擦转矩;Ac为制动主缸(7)活塞的有效面积;pc为制动主缸(7)的液压力;Te为永磁同步电机(3)的电磁转矩;a,b为有界的设计参数;
所述压力跟随控制器是按如下步骤建立:
利用式(2)将式(1)转化成状态空间方程:
式(2)中:Tpd为制动主缸(7)的压力需求转矩,Td为电液线控制动***的目标转矩,ΔT为估计的摩擦转矩,且Td=Te,ΔT=Tf,Tpd=Td-ΔT;
步骤4.2、利用式(3)得到制动主缸(7)的液压力的跟踪误差Δp:
Δp=x2-x2d (3)
式(3)中:x2d为制动主缸(7)的目标液压力,且x2d=pd;
步骤4.4、对式(4)进行求导得到式(5):
步骤4.6、将式(6)和式(7)代入到式(5)中得到式(8):
式(9)中:η0为上界;
步骤4.8、利用式(10)表示常速趋近律:
步骤4.11、结合式(8)和式(10),得到如式(11)所示的压力跟随控制器:
步骤4.12、利用式(12)得到电液线控制动***的目标转矩Td:
步骤五、所述永磁同步电机(3)获取目标转矩后,通过同步带(1)和齿轮组将目标转矩放大,以降速增扭,再通过滚珠丝杠将放大后的目标转矩转化成其水平运动的推力;
步骤六、所述丝杠的推力直接推动制动主缸(7)建立液压力,同时压力传感器(8)实时反馈液压力信号给所述压力跟随控制器,从而通过所述压力跟随控制器实时输出更新的目标转矩,以控制永磁同步电机(3)的正转、反转和堵转,从而实现增压、减压和保压的功能。
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CN202110389882.5A Active CN112937533B (zh) | 2021-04-12 | 2021-04-12 | 一种采用电机制动的电液线控制动***及液压力控制方法 |
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007191133A (ja) * | 2005-06-30 | 2007-08-02 | Hitachi Ltd | 電動倍力装置 |
CN101875353A (zh) * | 2009-04-30 | 2010-11-03 | 日立汽车***株式会社 | 制动*** |
CN104816716A (zh) * | 2014-01-31 | 2015-08-05 | 日立汽车***株式会社 | 制动控制装置 |
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-
2021
- 2021-04-12 CN CN202110389882.5A patent/CN112937533B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
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CN112937533A (zh) | 2021-06-11 |
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