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關于基于滑移率的汽車電子機械制動系統的模糊控制的論文
0.前言
電子機械制動(Electro-mechanicalbraking，EMB)系統是用電動機來驅動制動器執行機構實現車輛制動的新型制動器。與傳統的電子液壓制動器系統相比，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，都是通過對電動機的控制來實現的，這是整個EMB制動控制的核心部分。
夾緊力、轉速、電流控制的三環控制方法，但是在控制中需要安裝夾緊力、電流、電動機轉速等傳感器，傳感器的增加使系統變得復雜，系統的故障風險增加，也增加了EMB系統的成本；文獻[1]利用夾緊力和轉動角度的關系來估算夾緊力，但是夾緊力和轉動角度的關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據的測定和擬合，實施起來較為復雜。
為解決以上不足，根據車輛制動時的重要控制目標之一一一實現汽車最佳滑移率，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，產生脈沖寬度調制(Pulsewidthmodulation，PWM)信號，控制電動機電磁轉矩，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行機構夾緊力的精確控制，將控制器、電動機、執行器組成一個閉環系統。
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制動系統電動機堵轉前后的工作狀態進行仿真，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車輛質量；J為車輪的轉動慣量；o為車輪旋轉的角速度；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；Tb為作用于車輪的制動力矩；g為重力加速度；S為滑移率。
根據式(2)、（3)，汽車的制動減速度
根據式(5)，車輛要得到較大的減速度，就要增大地面的附著系數。地面附著系數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，地面附著系數與滑移率存在圖1所示關系[5]，當滑移率在0.2附近時，地面附著系數達到峰值。本研究中，EMB控制器設計的最終目的是使滑移率始終處在最佳滑移率。根據式(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，然后通過閉環回路精確控制&+1時刻的電磁轉矩，實現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，系統僅得到+時刻的滑移率S，然后通過閉環回路精確控制jr+1時刻的電磁轉矩。若釆用常規的比例積分微分(Proportional-integral-differential,PID)及其他控制器，當滑移率S在峰值左右出現偏差時，控制器做出的是相同的控制決策，但是根據圖1可知，在未達到最佳滑移率之前，地面附著系數對滑移率的變化(|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，由于地面附著系數與滑移率的關系模型是根據實際試驗得到的近似模型，兩者之間乃至整個系統本身是非線性的，常規的PID及其他控制器很難實現良好的控制性能，因此在制動過程中擬釆用模糊控制器。整個EMB控制系統結構如圖2所示。
在仿真過程時，釆用前向仿真的方法，根據式(1)?(3)得到車輪轉速，控制器根據式(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，改變電磁轉矩的大小，再通過傳動機構改變制動力矩大小，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計
在電子機械制動系統中，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，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，電動機轉速迅速下降，要求對輸入電動機的電壓或電流快速控制，產生合適的制動力，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驗的基礎上的，它不需要了解被控對象的精確數學模型，而是憑借豐富的實踐經驗，釆取適當的對策來巧妙地控制一個復雜的過程。無論被控對象是線性的還是非線性的，模糊控制系統都能執行有效的控制，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。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。隸屬函數釆用控制工程中用的較多的三角形隸屬函數，它具有較好的靈敏度以及穩定性和魯棒性。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的發生，以系統的穩定性為主要出發點。
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.表示規則i所產生的蘊涵模糊集合中心，(X)表示隸屬函數%(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、控制執行器模塊、無刷電動機模塊、傳動機構模塊和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兩個工作狀態，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計替換，去掉1/4車輛模型模塊和傳動機構模塊，可以得到電動機堵轉模型，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設計方便地替換。
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，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，無刷直流電動機具有體積小、質量小、功率大、慣性小、動態特性好等特性，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動時需要的電能。
無刷直流電動機主要有由電動機轉子和定子、轉子位置傳感器、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，轉子位置傳感器檢測轉子的位置，產生位置信號，位置信號驅動電子換相電路，使定子繞組產生旋轉的磁場，旋轉的磁場繼而驅動嵌有永磁體的轉子旋轉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。該模型假設轉子和定子鐵心是無飽和線性磁路，三相線路星形聯結，三個梯形反電動勢波由永磁鐵確定的繞組分布和變化產生，相自感系數U不隨轉子位置變化而變化。
在EMB工作過程中有消除制動間隙和電動機堵轉兩個工作狀態，PMSM模塊有轉矩輸入(7m)和轉速輸入如)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。在消除制動間隙的過程中，選擇Tm輸入方式，電動機的轉速受轉動慣量J和負載轉矩Tm影響，此狀態可以觀察電動機的起動特性；制動間隙消除后，電動機堵轉，選擇輸入方式，電動機的轉矩大小受加載電壓的控制，此狀態可以觀察電動機的轉矩控制特性。如圖5所示。
在對無刷直流電動機電壓的控制上，釆用脈沖寬度調制法，利用它改變脈沖的占空比來調節電壓，實現對電壓的控制。PWM波形用20?50kHz頻率的鋸齒波與PWM斬波電壓控制信號U合成產生[11]，PWM控制技術控制簡單，靈活和動態響應好，能夠滿足EMB制動力快速變化的需求。
在BLDC的工作方式中，三相六狀態工作方式最常見。在建立的模型中，假設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輸出的是三路轉子位置信號，根據邏輯關系，外加一個控制模塊將位置傳感器的信號轉變為三相逆變橋的控制信號。一般釆用半橋斬波的方法對三相橋式電路進行驅動[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，通過設定不同的路面附著系數和初始速度，可以在不同的工況下實現對制動控制算法試驗和研究。根據式(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.仿真結果
EMB整體模型屬于混合系統模型，其中PMSM為離散系統模型，1/4車輛模型為連續系統模型，混合系統的仿真要考慮連續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，假設負載力矩T為突然增大的階躍值(負載力矩T值也可根據經驗釆用時變函數等)，圖7a是堵轉前后轉速變化圖。在仿真試驗中發現，堵轉發生的瞬間，電流隨時間變化的二次導數有較大的尖脈沖，如圖7b所示，這可以作為判斷電動機堵轉的依據，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，初始轉速⑴0根據實際情況選取，制動間隙消除后，輸入轉速⑴為理想的突然減小的階躍值(輸入轉速⑴值也可根據經驗釆用時變函數等)，電動機的轉矩大小受加載電壓的控制，圖8顯示的是模糊控制對堵轉之后的電動機進行控制的結果，在仿真過程中未考慮傳動損耗，假設電動機通風散熱良好，短時間的堵轉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，系統響應較快。
5結論
(1)釆用基于滑移率的EMB模糊控制策略，實現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生的電磁轉矩的大小，以滑移率作為控制目標，間接控制電動機的電磁轉矩，簡化了系統的設計，為今后進一步的研究打下了基礎。
(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定性控制等技術，這些技術如何與滑移率關聯，實現車輛的平穩制動是今后在研究中需要解決的問題。
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