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關(guān)于基于滑移率的汽車電子機械制動系統(tǒng)的模糊控制的論文
0.前言
電子機械制動(Electro-mechanicalbraking，EMB)系統(tǒng)是用電動機來驅(qū)動制動器執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)車輛制動的新型制動器。與傳統(tǒng)的電子液壓制動器系統(tǒng)相比，EMB的動力性能好，制動反應快，制動更加精確⑴。EMB—系列良好性能的實現(xiàn)，都是通過對電動機的控制來實現(xiàn)的，這是整個EMB制動控制的核心部分。
夾緊力、轉(zhuǎn)速、電流控制的三環(huán)控制方法，但是在控制中需要安裝夾緊力、電流、電動機轉(zhuǎn)速等傳感器，傳感器的增加使系統(tǒng)變得復雜，系統(tǒng)的故障風險增加，也增加了EMB系統(tǒng)的成本；文獻[1]利用夾緊力和轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系來估算夾緊力，但是夾緊力和轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系會隨著硬件條件的不同而改變。文獻[3-4]考慮了外加其他傳感器來估算夾緊力，但是這會增加系統(tǒng)硬件故障的風險，并且精確的求解算法需要大量的試驗來進行數(shù)據(jù)的測定和擬合，實施起來較為復雜。
為解決以上不足，根據(jù)車輛制動時的重要控制目標之一一一實現(xiàn)汽車最佳滑移率，提出了基于滑移率的EMB模糊控制策略。車輛不需要安裝制動夾緊力傳感器，在制動時將得到的滑移率送入模糊控制器，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(Pulsewidthmodulation，PWM)信號，控制電動機電磁轉(zhuǎn)矩，得到最佳滑移率，使地面與車輪之間的附著力維持在最大值附近。整個制動過程中不再考慮對制動器執(zhí)行機構(gòu)夾緊力的精確控制，將控制器、電動機、執(zhí)行器組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。
為驗證這種控制策略的制動效果，在Simulink中建立了EMB仿真平臺，該平臺的子模塊可以方便的組合，對EMB制動系統(tǒng)電動機堵轉(zhuǎn)前后的工作狀態(tài)進行仿真，驗證施加在EMB上的控制策略的合理性。用搭建的平臺對基于滑移率的電子機械制動系統(tǒng)的模糊控制策略進行了仿真，表明該策略有良好的控制效果。
1.車輛EMB制動過程分析
在車輛EMB制動過程中，車輪主要受到電動機帶動傳動機構(gòu)加載給制動器的制動力矩Tb以及地面對車輪的附著力Ff，以1/4車輛為研究對象，忽略空氣阻力與滾動阻力，在平直路面上，對于單輪模型可以列出微分方程為
式中，m為1/4車輛質(zhì)量；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；o為車輪旋轉(zhuǎn)的角速度；v為1/4車輛行駛速度；Ff為地面的附著力；為車輪半徑;為地面附著系數(shù)；Tb為作用于車輪的制動力矩；g為重力加速度；S為滑移率。
根據(jù)式(2)、（3)，汽車的制動減速度
根據(jù)式(5)，車輛要得到較大的減速度，就要增大地面的附著系數(shù)。地面附著系數(shù)處于峰值時對應的滑移率稱為最佳滑移率。以普通干燥路面為研究對象，地面附著系數(shù)與滑移率存在圖1所示關(guān)系[5]，當滑移率在0.2附近時，地面附著系數(shù)達到峰值。本研究中，EMB控制器設(shè)計的最終目的是使滑移率始終處在最佳滑移率。根據(jù)式(1)、（4)，在同一車輛的制動過程中，滑移率S受到地面的附著力Ff和作用于車輪的制動力矩Tb的影響。在有制動夾緊力傳感器的EMB中，傘時刻的力矩Tb可以精確測得，然后通過閉環(huán)回路精確控制&+1時刻的電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對滑移率的精確控制。在無制動夾緊力傳感器的EMB制動器中，系統(tǒng)僅得到+時刻的滑移率S，然后通過閉環(huán)回路精確控制jr+1時刻的電磁轉(zhuǎn)矩。若釆用常規(guī)的比例積分微分(Proportional-integral-differential,PID)及其他控制器，當滑移率S在峰值左右出現(xiàn)偏差時，控制器做出的是相同的控制決策，但是根據(jù)圖1可知，在未達到最佳滑移率之前，地面附著系數(shù)對滑移率的變化(|d^b/dS|)比較敏感，越過最佳滑移率之后，地面附著系數(shù)對滑移率的變化(dMs/dS|)相對來說不太敏感，即|d外/dS|>dMs/dS|。
EMB制動器比常規(guī)制動器響應速度快，釆用相同的控制決策，很難在滑移率偏大和偏小時取得一致的良好控制效果。同時，由于地面附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系模型是根據(jù)實際試驗得到的近似模型，兩者之間乃至整個系統(tǒng)本身是非線性的，常規(guī)的PID及其他控制器很難實現(xiàn)良好的控制性能，因此在制動過程中擬釆用模糊控制器。整個EMB控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在仿真過程時，釆用前向仿真的方法，根據(jù)式(1)?(3)得到車輪轉(zhuǎn)速，控制器根據(jù)式(5)將計算出的車輪滑移率輸入模糊控制器，模糊控制器控制無刷電動機的輸入電壓，改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小，再通過傳動機構(gòu)改變制動力矩大小，保證滑移率始終處在最佳滑移率附近，達到最佳的制動效能。
2.車輛EMB制動模糊控制器的設(shè)計
在電子機械制動系統(tǒng)中，電動機的控制是一個復雜的控制過程。制動鉗和制動盤之間有一定的制動間隙，在制動開始后，電動機要快速空轉(zhuǎn)，消除制動鉗和制動盤之間的制動間隙；制動鉗和制動盤接觸后，電動機轉(zhuǎn)速迅速下降，要求對輸入電動機的電壓或電流快速控制，產(chǎn)生合適的制動力，保持車輪的滑移率在最佳滑移率。
模糊控制是建立在人工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的，它不需要了解被控對象的精確數(shù)學模型，而是憑借豐富的實踐經(jīng)驗，釆取適當?shù)膶Σ邅砬擅畹乜刂埔粋�復雜的過程。無論被控對象是線性的還是非線性的，模糊控制系統(tǒng)都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應性。在對EMB電動機的控制過程中，釆取了模糊控制技術(shù)。EMB模糊控制中輸入量為滑移率S，它的參考輸入為最佳滑移率Smax，輸出為電壓控制信號U。規(guī)定滑移率的偏差模糊控制器釆用單輸入，單輸出控制器，輸入和輸出值均用負大(NB)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)五個狀態(tài)來描述。對于輸入：NB表示滑移率小于最佳滑移率，且偏小很多；NS表示滑移率小于最佳滑移率，并且不是偏小很多，不能將它量化成NB，同時它又不是接近于最佳滑移率，不能把它量化成ZO;ZO表示滑移率接近于最佳滑移率，且不屬于NB和NS;PS表示滑移率大于最佳滑移率，并且不是偏大很多，不能將它量化成PB，同時它又不是接近于最佳滑移率，不能把它量化成ZO；PB表示滑移率大于最佳滑移率，且偏大很多。輸出類似。隸屬函數(shù)釆用控制工程中用的較多的三角形隸屬函數(shù)，它具有較好的靈敏度以及穩(wěn)定性和魯棒性。模糊推理機制制定原則如下：當誤差較大時，以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時則要注意超調(diào)的發(fā)生，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。
模糊推理的形式為如果五=4，則U=Q，其中A+為滑移率偏差模糊子集，Q為電壓控制信號模糊子集。通過推理機得到的推理結(jié)果是一個模糊量，不能直接作為控制量，釆用重心法進行反模糊化處理
式中，X.表示規(guī)則i所產(chǎn)生的蘊涵模糊集合中心，(X)表示隸屬函數(shù)%(X)下的面積，表示電壓控制信號U。
EMB模糊控制器控制流程如圖3所示。
3.控制模型的建立與仿真
3.1EMB整體仿真平臺
EMB整體仿真平臺由控制策略模塊、控制執(zhí)行器模塊、無刷電動機模塊、傳動機構(gòu)模塊和1/4車輛模型組成。在EMB工作過程中有消除制動間隙和電動機堵轉(zhuǎn)兩個工作狀態(tài)，因此需要搭建兩組控制模型，圖4a為EMB消除制動間隙模型，其中控制策略模塊可以隨著控制策略的不同再單獨設(shè)計替換，去掉1/4車輛模型模塊和傳動機構(gòu)模塊，可以得到電動機堵轉(zhuǎn)模型，如圖4b所示，該模型可以對消除制動間隙過程進行仿真，此時的控制策略也可以根據(jù)設(shè)計方便地替換。
3.2無刷直流電動機模型
EMB制動器安裝在一個狹小的空間內(nèi)，要求電動機制動時能夠提供足夠大的力矩且響應速度較快，安全可靠，能夠承受較長時間堵轉(zhuǎn)，無刷直流電動機具有體積小、質(zhì)量小、功率大、慣性小、動態(tài)特性好等特性，可以滿足EMB的動力要求[7]。未來車輛將釆取42V的電壓提供能量，也可以滿足無刷直流電動機驅(qū)動時需要的電能。
無刷直流電動機主要有由電動機轉(zhuǎn)子和定子、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子換相線路組成。位置傳感器和電子換相電路相配合，起到類似機械換相的作用。無刷直流電動機工作的時候，轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，產(chǎn)生位置信號，位置信號驅(qū)動電子換相電路，使定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，旋轉(zhuǎn)的磁場繼而驅(qū)動嵌有永磁體的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了永磁同步電動機模塊（Permanentmagnetsynchronousmachine，PMSM)模塊，該模塊提供了正弦波反電動勢模型和梯形波反電動勢模型，可以選用梯形波反電動勢模型來建立BLDC模型。該模型假設(shè)轉(zhuǎn)子和定子鐵心是無飽和線性磁路，三相線路星形聯(lián)結(jié)，三個梯形反電動勢波由永磁鐵確定的繞組分布和變化產(chǎn)生，相自感系數(shù)U不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化。
在EMB工作過程中有消除制動間隙和電動機堵轉(zhuǎn)兩個工作狀態(tài)，PMSM模塊有轉(zhuǎn)矩輸入(7m)和轉(zhuǎn)速輸入如)兩種輸入方式，可以滿足對EMB整個制動過程的仿真分析。釆用檢測電流突變的方法判斷電動機是否堵轉(zhuǎn)。在消除制動間隙的過程中，選擇Tm輸入方式，電動機的轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)動慣量J和負載轉(zhuǎn)矩Tm影響，此狀態(tài)可以觀察電動機的起動特性；制動間隙消除后，電動機堵轉(zhuǎn)，選擇輸入方式，電動機的轉(zhuǎn)矩大小受加載電壓的控制，此狀態(tài)可以觀察電動機的轉(zhuǎn)矩控制特性。如圖5所示。
在對無刷直流電動機電壓的控制上，釆用脈沖寬度調(diào)制法，利用它改變脈沖的占空比來調(diào)節(jié)電壓，實現(xiàn)對電壓的控制。PWM波形用20?50kHz頻率的鋸齒波與PWM斬波電壓控制信號U合成產(chǎn)生[11]，PWM控制技術(shù)控制簡單，靈活和動態(tài)響應好，能夠滿足EMB制動力快速變化的需求。
在BLDC的工作方式中，三相六狀態(tài)工作方式最常見。在建立的模型中，假設(shè)反電勢波形為平頂寬度為120°電角度的梯形波。電子換相電路釆用SimPowerSystem模塊庫里自帶的IGBT三相全橋式逆變器模塊，IGBT三相全橋式逆變器有六個控制端口，而PMSM輸出的是三路轉(zhuǎn)子位置信號，根據(jù)邏輯關(guān)系，外加一個控制模塊將位置傳感器的信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗄孀儤虻目刂菩盘�。一般釆用半橋斬波的方法對三相橋式電路進行驅(qū)動[12]。在本模型中，IGBT的上三路信號釆用PWM波信號，下三路釆用通常的高低電平信號，如圖6所示，模型建立后將其封裝為Controller子模塊。
3.3車輛模型的建立
車輛模型有整車車輛模型，1/2車輛模型，1/4車輛模型，此EMB建模研究的主要目的是探究控制策略的有效性和科學性，釆用了在制動控制算法的研究中常用的1/4車輛模型，通過設(shè)定不同的路面附著系數(shù)和初始速度，可以在不同的工況下實現(xiàn)對制動控制算法試驗和研究。根據(jù)式(1)?(4)，在Simulink中建立了1/4車輛模型，模型建立后將其封裝為1/4車輛模型子模塊。
4.仿真結(jié)果
EMB整體模型屬于混合系統(tǒng)模型，其中PMSM為離散系統(tǒng)模型，1/4車輛模型為連續(xù)系統(tǒng)模型，混合系統(tǒng)的仿真要考慮連續(xù)信號和離散信號釆樣時間之間的匹配問題，釆用Simulink中的變步長連續(xù)求解器可解決該問題，試驗中釆用ode23求解方法，仿真中無刷直流電動機和車輛模型釆用的參數(shù)如下表所示。
首先對消除制動間隙過程進行了仿真，仿真最大步長為0.001s，假設(shè)消除制動間隙的過程為0.09s，選擇TorqueTm輸入方式，如圖5a所示，初始加載力矩％=0，制動間隙消除后，假設(shè)負載力矩T為突然增大的階躍值(負載力矩T值也可根據(jù)經(jīng)驗釆用時變函數(shù)等)，圖7a是堵轉(zhuǎn)前后轉(zhuǎn)速變化圖。在仿真試驗中發(fā)現(xiàn)，堵轉(zhuǎn)發(fā)生的瞬間，電流隨時間變化的二次導數(shù)有較大的尖脈沖，如圖7b所示，這可以作為判斷電動機堵轉(zhuǎn)的依據(jù)，實際制動過程中電流值是離散點的釆樣值，釆用差分的方法求得電流繼而對消除制動間隙的過程進行了仿真，選擇Speed⑴輸入方式，如圖5b所示，初始轉(zhuǎn)速⑴0根據(jù)實際情況選取，制動間隙消除后，輸入轉(zhuǎn)速⑴為理想的突然減小的階躍值(輸入轉(zhuǎn)速⑴值也可根據(jù)經(jīng)驗釆用時變函數(shù)等)，電動機的轉(zhuǎn)矩大小受加載電壓的控制，圖8顯示的是模糊控制對堵轉(zhuǎn)之后的電動機進行控制的結(jié)果，在仿真過程中未考慮傳動損耗，假設(shè)電動機通風散熱良好，短時間的堵轉(zhuǎn)不會造成電動機損壞。從圖8中可以看出，從0.4s左右開始，滑移率維持在最佳滑移率0.2附近，系統(tǒng)響應較快。
5結(jié)論
(1)釆用基于滑移率的EMB模糊控制策略，實現(xiàn)了將滑移率控制在最佳滑移率附近的預期目標，控制中不考慮電動機直接產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的大小，以滑移率作為控制目標，間接控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，為今后進一步的研究打下了基礎(chǔ)。
(2)對Matlab7.11的中的無刷直流電動機模型的探究，為今后控制策略的研究平臺搭建探索了新的途徑，使EMB模型的建立簡單化，研究人員可更專注于控制策略的研究。
(3)在制動控制時還需要考慮車輛的穩(wěn)定性控制等技術(shù)，這些技術(shù)如何與滑移率關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)車輛的平穩(wěn)制動是今后在研究中需要解決的問題。
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