CN111873958A - 一种具有时滞补偿功能的车辆电子机械制动装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有时滞补偿功能的车辆电子机械制动装置及方法,系统包括盘式制动器、信息采集系统和时滞控制系统，盘式制动器由步进电动机、行星齿轮机构、圆柱凸轮机构、推进制动机构组成；信息采集系统由压杆位移传感器、制动踏板角度传感器组成；时滞控制系统由制动器等效模型、时滞补偿器、经典控制模块组成；动力经电机输出后依次通过行星齿轮机构和圆柱凸轮机构传导至推杆，推杆推动刹车片向前运动，实现制动；本发明提出了适用于该制动系统结构形式的时滞等效模型并设计了基于时滞补偿器的控制方法，本发明设计了一种快速准确响应的电子机械制动装置并设计了时滞补偿控制算法，降低了制动响应时间，确保控制精度,提高汽车的主动安全性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车安全控制领域,更具体地,涉及一种具有时滞补偿功能的车辆电子机械制动装置及控制方法。
背景技术
随着汽车行业的迅速发展，人们对汽车的安全性，尤其是制动性能要求也越来越高。因为传统液压式制动系统液压管路较多，系统响应迟缓，导致制动迟滞，容易酿成安全事故，同时复杂的管路导致汽车布置电控功能的难度增大。在智能车辆主动制动控制中，由于信号的采集与处理、控制算法的计算、作动器的执行都需要时间，由此导致控制系统普遍存在时滞现象。时滞的存在不仅影响转向制动稳定性，甚至导致制动系统失效，存在交通安全隐患。
目前，线控液压制动系统和线控电子机械制动装置具有较好的集成度，但是线控液压制动系统在布置上仍需要较多的液压管路，例如申请号为CN201780066907.X的专利中所公开的“车辆液压制动系统”,该制动系统虽然有部分电气元件，但主要的制动力仍由液压结构提供，其制动系统布置复杂，响应速度较慢，控制不精准，无法解决制动系统当中存在的时滞问题。例如申请号为CN201910331828.8的专利中所公开的“线控液压制动系统”，制动系统仍采用一定的液压结构，布置较为复杂，增加了整车重量，控制不精准，且同样没有考虑时滞对车辆制动稳定性的影响。
常用解决时滞的方法有提高传感器和执行机构等元件的响应速度，采用智能材料等方法；直接通过时滞微分方程设计控制律来减少时滞；运用时滞补偿技术，如预估补偿控制法和移相法等。由于直接积分法公式复杂，对计算要求较高，而高传感器和执行机构等元件的响应速度难以控制制造成本，并且直接积分法准确性较低。本发明采用一种新型电子机械制动装置及一种特殊的史密斯预估补偿控制法，可大大削弱制动系统中的时滞影响，该制动系统具有大扭矩、精准控制、延迟小等优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有时滞补偿功能、快速响应、制动力精准控制的车辆电子机械制动装置及方法，解决现有技术中存在的难以精准控制、制动力矩不足、响应滞后等问题。本发明提出了一种硬件结构与软件控制方法相结合的电子机械制动装置解决方案，设计了制动系统机械结构，削弱了智能汽车主动制动系统及控制方法中存在的时滞问题，大大提高了智能车辆行驶安全性。
本发明设计的整体技术系统包括盘式制动器、信息采集系统和时滞控制系统三个子系统。其中盘式制动器由步进电动机、行星齿轮机构、圆柱凸轮机构、推进制动机构组成；信息采集系统由压杆位移传感器、制动踏板角度传感器组成；时滞控制系统由制动器等效模型、时滞补偿计算器、经典控制模块组成。
盘式制动器由制动器壳体、步进电动机、太阳轮、行星轮、行星架、齿圈、传动沟槽、垂向推杆、从动压杆、制动钳块、制动盘、复位弹簧组成。其中步进电动机作为驱动执行单元与太阳轮通过键连接，步进电动机接受电力驱动后执行旋转操作；太阳轮、行星轮、行星架，齿圈组成行星齿轮减速机构，起到减速增扭的作用，其中行星架是固定的，不做运动；齿圈内表面为轮齿结构与行星轮啮合，外表面加工有传动沟槽，垂向推杆装配于内，传动沟槽与垂向推杆二者形成圆柱凸轮机构，可将旋转运动化为直线运动。垂向推杆与水平推杆为一体式结构；当制动开始时，制动器执行机构的技术方案是步进电机输出轴输出动力后通过行星轮系做回转运动，行星轮系的齿圈同时作为下一级的动力输出端，当具有凹槽的圆柱凸轮回转时，其凹槽侧面通过嵌于凹槽的推进杆迫使水平压杆进行往复运动从而压迫制动盘向前运动，实现制动；当制动结束时，复位弹簧提供复位回正力，实现制动解除。
此外，为了削弱系统在力量及信号传递过程中的时滞性，本发明提出基于机械结构的史密斯时滞补偿控制算法。其中信息采集系统由压杆位移传感器、制动踏板角度传感器组成；时滞控制系统由制动器等效模型、时滞补偿计算器、经典控制模块组成。制动踏板角度传感器将采集到的驾驶员制动信号实时传送至中央控制单元，一旦制动指令发出由中央控制单元将制动信号传递至驱动电机控制器中的经典控制模块，其与制动器等效模型与时滞补偿计算器联合工作，其中时滞辨识模块实时辨识车辆制动系统内存在的控制系统时滞，通过制动执行器实现车辆的制动。本发明采用一种响应速度较快的电子机械制动装置，时滞等效控制系统可补偿车辆电子机械制动装置的时滞，大大降低了制动响应时间，同时能确保控制精度,提高汽车的主动安全。
由于本电子机械制动装置的特殊性，带有时滞效果的制动器等效模型的传递函数Gp(s)如公式(3)所示，考，再根据数据逼近和拟合系统的参数。
其中，τ为系统的时滞因子；K为系统的开环增益；T1、T2为系统的时间常数。
以控制Gc(s)表示前向控制系统函数。设计预估补偿器如式(4)
Gk(s)＝Gp(s)(1-e-τs)(4)
新的系统传递函数为：
和原系统相比，引入预估补偿器后，系统特征方程为1+Gc(s)Gp(s)，不包含时滞因子τ，故而消除了其对控制系统的影响，间接地减小了系统的调节时间和超调量，从而提高了系统的稳定性，实现更高精度的控制。
本发明涉及的Smith预估补偿的原理是在制动控制器处并联接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分。本发明的控制系统中并联了Smith预估补偿器，Smith预估补偿模块利用反馈环节消除闭环传递函数中的时滞因子τ，将被控量超前反馈补偿到控制器的输入端，减少控制系统响应所需时间。
本发明的有益效果在于：
1.一种电子机械制动装置，去除了复杂的液压管路，简化了整车结构并且能够传输大力矩，便于实施精准控制。
2.一种消除时滞的电子制动控制系统。该电子机械结构的传递函数稳定，整体控制方案综合了驾驶员制动信号及系统自身特点，便于开展多种控制方法的实施。
3.本发明设采用一种特殊的时滞补偿方法，可有效补偿车辆制动系统中存在的时滞。引入预估补偿器，消除了其对控制系统的影响，间接地减小了系统的调节时间和超调量，从而提高了系统的稳定性，实现更高精度的控制。
附图说明
图1制动器与轮毂安装结构图；
图2制动系统执行机构结构图；
图3行星齿轮结构侧视图；
图4行星架结构图；
图5齿圈结构图；
图6时滞补偿控制模块原理图；
图7整车机械电子机械制动装置原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图(1)制动器与轮毂安装结构图所示，该图描述了制动器与转向节(12)、轮毂(15)等的连接装配关系，其中制动器外壳(13)通过螺栓与与转向节(12)连接固定，轮毂(15)通过螺栓与制动盘(10)相连。轮辐(14)，轮毂(15)二者可以进行旋转，转向节是不可以进行旋转的。定位销(16)对压盘(9)进行了定位，使得压盘只能左右移动。
图(2)是制动器结构图，其由步进电动机(1)、太阳轮(2)、行星轮(3)、行星架(4)、齿圈(5)、传动沟槽(6)、垂向推杆(7)、从动压杆(8)、制动压盘(9)、制动盘(10)、复位弹簧(11)组成，所述步进电动机(1)输出轴与太阳轮(2)轴同轴相连并固定在制动器壳体(13)上，行星架(4)与行星轮(3)轴相连并固定在制动器壳体(13)上，行星架(4)是固定的无法运动，行星轮(3)可进行自转，无法公转。垂向推杆(7)、从动杆(8)相连并固定在制动器壳体(13)，其中步进电动机(1)与太阳轮(2)相连，三个行星轮(3)沿太阳轮(2)外齿圆周均匀分布，行星架(4)将三个行星轮(3)固定，齿圈(5)与三个行星轮(3)外齿啮合。动力经步进电机(1)传出，经过行星齿轮机构，实现减速增矩作用。其中步进电动机(1)作为驱动执行单元与太阳轮(2)通过键连接，步进电动机接受电力驱动后执行旋转操作。齿圈(5)内表面为轮齿结构与行星轮啮合，外表面加工有传动沟槽(6)，垂向推杆(7)装配于内，传动沟槽(6)与垂向推杆(7)二者形成圆柱凸轮机构，可将旋转运动化为直线运动。垂向推杆(6)与水平推杆(7)为一体式结构。
图(3)是行星齿轮机构侧视图，由太阳轮(2)及三个行星轮(3)及行星架(4)、齿圈(5)组成。起到减速增扭的作用。
当制动开始时步进电机(1)旋转运动输出源动力，输出轴与太阳轮(2)相连接并带动太阳轮(2)运动，太阳轮(2)将动力传递至行星轮(3)，因行星轮(3)被行星架固定(4)，行星轮(3)做自转运动，将动力传递至齿圈(5)，行星轮系(3)的齿圈(5)同时作为下一级的动力输出端，当具有凹槽的齿圈(5)回转时，通过传动沟槽(6)侧面带动垂向推杆(7)，迫使水平从动压杆垂向推杆(8)进行往复运动从而压迫制动压盘(9)往左移动，压盘上的钳块与制动盘(10)产生摩擦力，实现制动，在制动过程中，步进电动机(1)根据控制信号旋转一定的角度，该角度对应水平推进从动压杆(8)的行程，同时传动沟槽(6)的行程也起到了限位作用。
当步进电机(1)不再收到制动信号，即制动执行结束时，复位弹簧(11)提供复位回正力，带动从动压杆(8)往右移动，实现制动力的解除。另一方面垂向推杆(8)带动齿圈(5)做反向运动，传动机构将回正力传递至步进电机(1)带动电机回正至零度角度位置，等待下一次制动行为的发生。
如图(6)所示，本发明提出了基于该机械结构的时滞消除控制系统，具体实施方式如图(7)所示信息采集系统，由压杆位移传感器(21)、制动踏板角度传感器(22)组成，时滞控制系统由制动器等效模型(23)、时滞补偿器(24)、经典控制模块(25)组成。图中还有制动踏板(26)，中央控制单元(27)。
具体实施方式如下，首先是驾驶员踩下制动踏板(26)，此时踏板角度传感器(22)将信号传递至中央控制单元(27)，中央控制单元(27)发出制动指令，传递至电动机经典控制模块(25)。该模块集成了压杆位移传感器(21)信号与制动器等效模型(23)、时滞补偿器(24)共同对制动器步进电动机(1)进行控制。如图6所示，中央控制单元(27)发出制动指令可以定义为R阶跃信号，也就是控制中的调控目标。为了消除时滞，本发明的控制系统中并联了制动器等效模型(23)、时滞补偿器(24)，利用反馈环节消除闭环传递函数中的时滞因子τ，将被控量超前反馈补偿到控制器的输入端，减少控制系统响应所需时间，即消除系统中的时滞。该系统包括如下步骤：
步骤一、建立车辆系统的PID控制模型：
步骤二、根据计算仿真及实验数据逼近和拟合系统的参数，采用经验公式
其中，τ为系统的时滞因子；K为系统的开环增益；T1、T2为系统的时间常数；该式中常数的获得需基于本发明机械结构的特点，Gp(s)表示被动对象含纯时滞环节的传递函数。
步骤三、搭建史密斯预测补偿控制系统，引入一个和被控对象并联的补偿器(24)对纯滞后进行削弱和消除；其中，Gc(s)表示前向控制系统函数，引入预估补偿器(24)：Gk(s)＝Gp(s)(1-e-τs)后，新的系统传递函数为：
引入预估补偿器(24)消除了时滞τ对控制系统的影响，间接地减小了系统的调节时间和超调量，从而提高了系统的稳定性，实现更高精度的控制。本发明控制系统中，压杆行程传感器(21)测量压杆行程起到观测和反馈作用，由于控制系统接收信号具有一定的滞后且存在信号滞后、机械传递滞后等多种时滞现象，本发明在经典控制器(25)和执行器之间并联一个等效系统模块，来使无法测量的无时滞执行器反馈信号可以被等效测量出来，即借助于过程模型推算出来，实现了没有纯滞后的反馈控制。
Claims (4)
1.一种具有时滞补偿功能的车辆电子机械制动装置，包括盘式制动器、信息采集系统和时滞控制系统；
其中盘式制动器由步进电动机(1)、太阳轮(2)、行星轮(3)、行星架(4)、齿圈(5)、传动沟槽(6)、垂向推杆(7)、从动压杆(8)、制动压盘(9)、制动盘(10)、复位弹簧(11)组成，其特征在于：所述步进电动机(1)输出轴与太阳轮(2)轴同轴相连并固定在制动器壳体(13)上，行星架(4)与行星轮(3)轴相连并固定在制动器壳体(13)上，行星架(4)是固定的无法运动，行星轮(3)可进行自转，无法公转；垂向推杆(7)、从动杆(8)相连并固定在制动器壳体(13)，其中步进电动机(1)与太阳轮(2)相连，三个行星轮(3)沿太阳轮(2)外齿圆周均匀分布，行星架(4)将三个行星轮(3)固定，齿圈(5)与三个行星轮(3)外齿啮合；动力经步进电机(1)传出，经过行星齿轮机构，实现减速增矩；其中步进电动机(1)作为驱动执行单元与太阳轮(2)通过键连接，步进电动机接受电力驱动后执行旋转操作，齿圈(5)内表面为轮齿结构与行星轮啮合，外表面加工有传动沟槽(6)，垂向推杆(7)装配于内，传动沟槽(6)与垂向推杆(7)二者形成圆柱凸轮机构，垂向推杆(6)与水平推杆(7)为一体式结构；动力经步进电机(1)传出，经过行星齿轮机构，实现减速增矩，而后经垂向推杆(7)、从动压杆(8)将制动力传递至制动压盘(9)，从而与制动盘(10)产生摩擦制动力；
其中信息采集系统由压杆位移传感器(21)、制动踏板角度传感器(22)组成；
其中时滞控制系统由制动器等效模型(23)、时滞补偿器(24)、经典控制模块(25)和中央控制单元(27)组成。
2.如权利要求1所述的一种行星齿轮传动机构与圆柱凸轮机构，其特征在于行星齿轮机构齿圈同时是圆柱凸轮机构的凸轮部分，具体特征是齿圈(5)外圆柱表面布置有传动沟槽(6)，垂向推杆(7)伸入传动滑槽(6)内，垂向推杆(7)与从动压杆(8)相连，从动压杆只能横向移动，最终将步进电动机(1)的圆周运动转化为直线运动，便于进行传感器检测与消除时滞的快速响应控制。
3.权利要求1所述的一种时滞补偿器为史密斯时滞补偿器，其特征在于引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除，Gc(s)表示前向控制系统函数，设置时滞补偿器(24)：Gk(s)＝Gp(s)(1-e-τs)后，新的系统传递函数为：
较之于原控制系统分母上无时滞环节，间接地减小了系统的调节时间和超调量，结合经典控制理论的经典控制模块(25)对制动系统进行控制，从而提高了系统的稳定性，实现高精度的控制。
4.一种消除时滞的控制系统，其特征在于以驾驶员制动信号为输入控制目标，以制动器压杆位移传感器(21)为反馈信号，以制动器为控制对象，以制动器等效模型(23)、时滞补偿器(24)、经典控制模块(25)作为控制器，以上各部分组成闭环控制系统，通过建立基于本发明机械结构的制动器等效模型(23)及史密斯预估补偿算法消除系统时滞；其中时滞控制系统设置有基于执行机构的时滞等效模块，该电子机械结构的传递函数，即制动器等效模型(23)可化为
其中，Gp(s)表示被动对象含纯时滞环节的函数，τ为系统的时滞因子；K为系统的比例函数；T1s、T2s为系统的时间常数。
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Cited By (2)
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| CN113353038A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-09-07 | 长春工程学院 | 基于大数据的智能无人驾驶汽车动力补偿系统 |
| CN113581152A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-02 | 浙江万安科技股份有限公司 | 一种线控制动系统及一种主缸液压力时滞补偿控制方法 |
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| CN113353038B (zh) * | 2021-06-22 | 2022-06-14 | 长春工程学院 | 基于大数据的智能无人驾驶汽车动力补偿系统 |
| CN113581152A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-02 | 浙江万安科技股份有限公司 | 一种线控制动系统及一种主缸液压力时滞补偿控制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201103 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |