CN102490704A - 一种制动力实时调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制动力实时调节方法，包括如下步骤：实时采集电子制动踏板的行程以及车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的实际电流；将所述电子制动踏板的行程转化为位移信号，根据所述位移信号分别推算出车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的堵转电流，所述堵转电流即为目标电流；根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流，从而实时调节该电机所在的电子机械制动器实际输出的制动力。本发明的制动力实时调节方法可避免现有技术中的制动力实时调节技术产生的积分饱和现象，降低制动力的调节时间，制动响应速度快，制动效果好。

Description

一种制动力实时调节方法

技术领域

本发明属于线控制动(Brake by wire)技术领域，具体涉及一种制动力实时调节方法。

背景技术

随着汽车技术的发展，人们对汽车的动力性、经济性、安全性、操纵性以及舒适性提出了更高的要求，汽车中的机械系统正在逐渐向电子机械系统转换。

在线控制动系统中，一般通过电子制动踏板和电子机械制动器(EMB)进行制动操作。其中，电子制动踏板可输出踏板位移信号，电子机械制动器内的电机可驱动制动盘等进行制动。显然，随着驾驶者踩下电子制动踏板的行程不同(即踏板位移信号不同)，电子机械制动器输出的制动力也应不同。其中，电子机械制动器输出的制动力以其电机输出的扭矩有关；而电机输出的扭矩T_b与其实际电流I间成正比关系，即T_b＝CΦ×I，其中CΦ为与电机特性有关的定值。由此可知，通过对电机的实际电流进行实时调节即可实现对其输出扭矩的调节，也就是对电子机械制动器输出的制动力进行实时调节。

当电子制动踏板被踩到一个特定位置时，可以推算出此时各电子机械制动器中的电机的堵转电流，该堵转电流即为目标电流I^*，但通常电机的实际电流I与该目标电流I^*之间会存在偏差，为实时消除这种偏差，需要实时调节实际电流使之接近目标电流。现有技术中，为了更加精确地控制与调节电子机械制动器输出的制动力，一般采用经典PID(比例-积分-微分)算法对电子机械制动器中的电机的实际电流进行实时调节。

经典PID算法是一种采样控制算法，其可根据采样时刻的误差E(k)来计算输出值P(k)，该误差E(k)为所需调节的变量的目标值与实际值(采样值)之差，该输出值P(k)即为控制量(即需要调节的变量的值或增量)，其用于调节实际值而使之接近目标值，从而减小偏差。在采样时刻t＝iT(T为采样周期，i为正整数)，经典PID算法的调节公式如下：

$P\left(t\right)=K_P[E\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}E\left(t\right)\mathrm{dt}+\frac{T_D\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

将式(1)离散化后得到如下公式：

$P\left(k\right)=K_{p}E\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}E\left(j\right)+K_D[E\left(k\right)-E(k-1)]---\left(2\right)$

式(2)中：k为采样序号，k＝0，1，2，...；P(k)为第k次采样时刻PID调节器的输出值；E(k)为第k次采样时刻的偏差值；E(k-1)为第k-1次采样时刻的偏差值；K_P为比例系数；K_I为积分系数，K_I＝K_PT/T_i；K_D为微分系数，K_D＝K_PT_D/T。其中，比例项的作用是加快系统的响应速度，使系统对信号的偏差迅速做出反应，比例系数K_P越大，系统的响应速度越快，但比例系数K_P过大会导致系统出现振荡，破坏系统的稳定性。积分项的作用是消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小积分系数K_I可以降低系统超调量，但会减慢系统的响应过程。微分项的作用是降低偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性(Robust)。

发明人发现，现有技术至少存在如下问题：采用经典PID算法对制动力进行实时调节时，易产生积分饱和现象，导致调节时间变长，制动器的响应速度变慢，影响制动效果。例如，如果电机的目标电流I^*突然增大并保持一定时间(如驾驶者急踩电子制动踏板)，会导致目标电流与实际电流之间的偏差E(k)产生阶跃(即突然急剧变大)，经典PID算法的输出值P(k)也将急剧增加，以至于P(k)超过设备所能达到的实际最大控制量Pmax(例如超过电机所能达到的最大电流)；此时，PID调节器“希望”电机的电流继续上升，但由于受到设备实际能力的限制，电机的实际电流不再增加；故相对于正常状况，偏差将在更长的时间内保持较大值，而输出值P(k)中的积分项也在此期间内不断累积变大(因为偏差E(k)一直为较大正值，不断在积分项中累计)；这时，若电机的目标电流减少使偏差值变为负值(如驾驶者松动电子制动踏板)，则本应尽快减小电机的实际电流，但由于经典PID算法的输出值P(k)中此前积分项的累积值过大，故输出值P(k)在一段时间内仍超过上述实际最大控制量，电机的实际电流在这段时间内仍会保持在最大值，要经历相当长的时间之后才开始减小而消除偏差，此即为“正向积分饱和”现象。反之，则为“反向积分饱和”现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种制动力实时调节方法，可避免现有技术中对制动力实时调节时产生的积分饱和现象，降低制动力的调节时间，制动响应速度快，制动效果好。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种制动力实时调节方法，其包括如下步骤：

1)实时采集电子制动踏板的行程以及车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的实际电流；

2)将所述电子制动踏板的行程转化为位移信号，根据所述位移信号分别推算出车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的堵转电流，所述堵转电流即为目标电流；

3)根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流，从而实时调节该电机所在的电子机械制动器实际输出的制动力。

优选的是，所述电子制动踏板的行程是通过内置于电子制动踏板处的踏板单元传感器采集的。

更优选的是，对于电子制动踏板的每个行程位置，所述踏板单元传感器能给出一个对应的位移电压值作为所述位移信号。

优选的是，所述电机的实际电流是通过车辆ECU实时采集的。

优选的是，在步骤2)中，所述根据所述位移信号分别推算出车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的堵转电流包括：

将所述位移信号换算成车辆前、后轮电子机械制动器应输出的制动力；

根据所述制动器的机械结构的传动系数、制动器的摩擦系数将所述制动力换算成该制动器中的电机应输出的扭矩；

根据所述扭矩推算出该电机的堵转电流。

优选的是，在步骤3)中，所述根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流包括：

根据所述目标电流与实际电流之间的偏差，进行变速积分PID调节，获得所述电机的驱动电路的控制电压，所述驱动电路为脉冲宽度调制变换器电路；

根据所述控制电压得到该变换器电路的脉冲宽度调制值；

根据所述脉冲宽度调制值得到作用在所述电机的电枢端的电压值，从而实时调节所述电机的实际电流。

优选的是，在步骤3)中，所述根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流具体为：根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过非线性变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流。

优选的是，所述电机采用直流无刷电机。

其中，所述变速积分PID算法是一种已知的算法，其基本思想是改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相关，当偏差较大时，积分累加速度减慢，积分项作用减弱，而在偏差较小时，积分累加速度加快，积分项作用增强。为此，可为积分项设置系数f[E(k)]，该系数f[E(k)]是偏差E(k)的函数，当偏差的绝对值|E(k)|增大时系数f[E(k)]减小，偏差的绝对值|E(k)|减小时系数f[E(k)]增大。由此，变速积分PID算法的公式为：

$P\left(k\right)=K_{P}E\left(k\right)+K_I\left\{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}f\right[E\left(j\right)\left]E\left(j\right)\right\}+K_D[E\left(k\right)-E(k-1)]---\left(3\right)$

与式(2)类似，式(3)中k为采样序号，k＝0，1，2，...；P(k)为第k次采样时刻变速积分PID调节器的输出值；E(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；E(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值；K_P为比例系数；K_I为积分系数；K_D为微分系数。可见，与经典PID算法的公式不同，变速积分PID算法的公式中的积分项P_I为：

$P_I=K_I\left\{\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}f\right[E\left(j\right)\left]E\left(j\right)\right\}$ $\left(4\right)$

若其中若积分区间为A、B，则系数f[E(k)]的一种公式可为：

$f\left[E\left(k\right)\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|E\left(k\right)\right|\&le;B\\ \frac{A\left|E\left(k\right)\right|+B}{A}& B<\left|E\left(k\right)\right|\&le;A+B\\ 0& \left|E\left(k\right)\right|>A+B\end{array}\right.---\left(5\right)$

由式(5)可知，f[E(k)]的值在0至1间变化，当偏差的绝对值|E(k)|大于A+B时，证明此时已进入饱和区，则令f[E(k)]取零，从而输出值P(k)中的积分项P_I也为0，即不再累加当前偏差值E(k)；而当偏差的绝对值|E(k)|小于B时，令f[E(k)]取1，累加全部的当前偏差值，此时其积分项与经典PID算法中的积分项相同，积分项的累加速度达到最高；当偏差的绝对值|E(k)|在B与A+B之间时，部分累加当前偏差值E(k)，累加部分的值在0～|E(k)|之间，并随着|E(k)|的增大而减小，使得积分项累加速度降低。实际应用中，A与B的值可做一次性整定，A、B的区间选得越大，变速积分对积分饱和的抑制作用就越弱，反之越强。

当然，系数f[E(k)]的具体公式还有其它多种类型，其与偏差的绝对值|E(k)|的关系可以是线性的，也可以是非线性的，只要保证其随着偏差绝对值的增大而减小，随着偏差绝对值的减小而增大即可；对该系数f[E(k)]的其它具体计算公式在此就不再详细描述。

总之，变速积分PID算法中，随着偏差的绝对值|E(k)|的增大，其输出值P(k)中积分项P_I累积所造成的影响逐渐减小，从而可以减少经典PID算法中因积分项累计而造成积分饱和的问题。

进一步的，变速积分PID算法中还包括非线性变速积分PID算法，其基本思想时将变速积分PID算法的输出限定在有效范围内，当其输出值P(k)超出设备的能力范围时，就不再进行常规的变速积分PID调节，而是使输出值P(k)直接取实际最大控制量Pmax或实际最小控制量Pmin，以进一步减少积分饱和现象。也就是说，非线性变速积分PID算法中，如果上一时刻的输出值P(k-1)大于实际最大控制量Pmax，且本次输入的偏差E(k)大于0，那么其就以实际最大控制量Pmax作为本次的输出值P(k)，因为其如果继续进行常规的变速积分PID调节，则输出值P(k)仍会继续增大(因本次新增的E(k)是大于0的)，但增大后的输出值P(k)仍是超出最大控制量Pmax而不能被实现的；同理，如果上一时刻的输出值P(k-1)小于实际最小控制量Pmin，且本次输入的偏差E(k)小于0，则其以实际最小控制量Pmin作为本次的输出值P(k)；而在其它情况下，仍进行常规的变速积分PID调节。

有益效果：

本发明通过电流闭环变速积分PID算法调节车辆的电子机械制动器内电机的堵转电流从而实时调节制动力，由于变速积分PID算法用比例作用消除了大偏差(因为此时积分项的系数小，故积分项作用小)，用积分作用消除小偏差(因为此时积分项前的系数大，故积分项作用大)，因而减少了现有技术中采用经典PID算法对制动力进行实时调节出现的积分饱和现象，大大减小了系统超调量，改善了调节品质，使电机控制更加稳定，且快速跟随性，降低了制动力的调节时间，制动响应速度快，制动效果好，同时也提高了制动力控制的准确性，提高了线控制动系统的稳定性，抑制了现有技术中制动力控制过程中的波动性和不稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的制动力实时调节方法的流程图；

图2为本发明实施例采用变速积分PID算法对车辆前、后轮电子机械制动器的电机电流进行实时调节的原理示意图；

图3为采用非线性变速积分PID算法对车辆前、后轮电子机械制动器的电机电流进行实时调节的流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明制动力实时调节方法作进一步详细描述。

本发明提供一种制动力实时调节方法，其包括如下步骤：

1)实时采集电子制动踏板的行程以及车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的实际电流；

2)将所述电子制动踏板的行程转化为位移信号，根据所述位移信号分别推算出车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的堵转电流，所述堵转电流即为目标电流；

3)根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流，从而实时调节该电机所在的电子机械制动器实际输出的制动力。

实施例

优选的，本实施例中，电子机械制动器内的电机采用直流无刷电机。

如图1所示，本实施例的制动力实时调节方法包括如下步骤：

s101.实时采集电子制动踏板的行程以及车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的实际电流；

s102.将电子制动踏板的行程转化为位移信号；

s103.将位移信号分别换算成车辆前、后轮电子机械制动器应输出的制动力；

s104.根据制动器的机械结构的传动系数、制动器的摩擦系数将制动力换算成该制动器中的电机应输出的扭矩；

s105.根据所述扭矩推算出该电机的堵转电流，也就是目标电流I^*；

s106.根据最新采集的目标电流I^*与实际电流I之间的偏差进行变速积分PID调节；也就是以I^*与I之间的差距作为偏差E(k)，根据上述的式(3)、式(5)计算控制量P(k)；显然，该变速积分PID调节中选用的各种具体参数，例如采样周期，K_P、K_I、K_D的具体值，系数f[E(k)]的具体计算公式，区间A、B的具体值等都有多种选择，因为变速积分PID算法是已知的，故在此就不再对这些具体参数的选择进行详细说明；

s107.根据变速积分PID调节的结果，由变速积分PID调节器输出电机的驱动电路的控制电压，该驱动电路为脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)变换器电路，根据控制电压得到该变换器电路的脉冲宽度调制值；

s108.根据脉冲宽度调制值得到作用在电机电枢端的电压值以实时调节电机的实际电流，从而实时调节该电机所在的电子机械制动器的制动力；如图2所示，本发明中，采用变速积分PID算法实时调节电机电流时，变速积分PID调节器的输出值P(k)为电机驱动电路的控制电压Uct，由于输出值P(k)的选取可由电机本身的参数决定的，其大小不应超出该电机的参数范围，因此控制电压Uct取值范围优选只能处于实际最大控制量Pmax与实际最小控制量Pmin之间；电机驱动电路为脉冲宽度调制变换器电路，根据控制电压Uct得到该变换器电路的脉冲宽度调制值，进而得到作用在电机电枢端的电压值Udo并驱动电机，从而实时调节电机的实际电流，即实现对该电机所在制动器输出的制动力的实时调节。

在上述实时调节的过程中，s106、s107、s108步骤即为：“根据目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节电机的实际电流使之接近目标电流，从而实时调节该电机所在的电子机械制动器实际输出的制动力”的步骤。公知的，根据PID算法的基本原理，这种调节属于闭环调节，即其会根据调节后最新的目标电流(目标电流也可是实时变化的)和实际电流不断实时循环进行；也就是说，s106、s107、s108步骤可能循环进行多次。当目标电流I^*与实际电流I相等时，可以终止调节，也可以认为调节过程进入了稳定状态(即P(k)的值保持稳定)。

优选的，电子制动踏板的行程通过内置于电子制动踏板的踏板单元传感器实时采集，踏板单元传感器能够获取电子制动踏板的行程，并将其转化为对应的位移电压值(即位移信号)，每个行程位置均对应一个位移电压值。

优选的，电机的实际电流是通过车辆ECU(Electronic ControlUnit，电子控制单元)实时采集的。

优选的，上述实施例中采用的变速积分PID算法具体为非线性变速积分PID算法。如前所述，非线性变速积分PID算法的基本思想时将变速积分PID算法的输出限定在有效范围内，当其输出值P(k)超出设备的能力范围时，就不再进行常规的变速积分PID调节，而是使输出值P(k)直接保持在实际最大控制量Pmax或实际最小控制量Pmin，其具体流程可如图3所示，包括：

s201.将电机的目标电流I^*与实际电流I之差E(k)输入变速积分PID调节器；

s202.判断变速积分PID调节器上一时刻的输出值P(k-1)是否超出实际最大控制量Pmax，如是，执行s203；如否，执行s204；

s203.判断电机目标电流I^*是否大于此刻采集的电机实际电流，即E(k)是否大于零，如是，执行s208；如否，执行s206；

s204.判断变速积分PID调节器上一时刻的输出值P(k-1)是否小于其实际最小控制量Pmin，如是，执行s205；如否，执行s206；

s205.判断电机目标电流I^*是否小于此刻采集的电机实际电流，即E(k)是否小于零，如是，执行s209；如否，执行s206；

s206.用变速积分PID算法对电机实际电流I进行实时调节，得到控制量P(k)；

s207.变速积分PID调节器输出控制量P(k)；

s208.变速积分PID调节器输出实际最大控制量Pmax，并以其作为控制量P(k)；

s209.变速积分PID调节器输出实际最小控制量Pmin，并以其作为控制量P(k)。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种制动力实时调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)实时采集电子制动踏板的行程以及车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的实际电流；

2)将所述电子制动踏板的行程转化为位移信号，根据所述位移信号分别推算出车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的堵转电流，所述堵转电流即为目标电流；

3)根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流，从而实时调节该电机所在的电子机械制动器实际输出的制动力。

2.根据权利要求1所述的制动力实时调节方法，其特征在于，所述电子制动踏板的行程是通过内置于电子制动踏板处的踏板单元传感器采集的。

3.根据权利要求2所述的制动力实时调节方法，其特征在于，对于电子制动踏板的每个行程位置，所述踏板单元传感器能给出一个对应的位移电压值作为所述位移信号。

4.根据权利要求1所述的制动力实时调节方法，其特征在于，所述电机的实际电流是通过车辆ECU实时采集的。

5.根据权利要求1所述的制动力实时调节方法，其特征在于，在步骤2)中，所述根据所述位移信号分别推算出车辆前、后轮电子机械制动器中的电机的堵转电流包括：

将所述位移信号换算成车辆前、后轮电子机械制动器应输出的制动力；

根据所述制动器的机械结构的传动系数、制动器的摩擦系数将所述制动力换算成该制动器中的电机应输出的扭矩；

根据所述扭矩推算出该电机的堵转电流。

6.根据权利要求1所述的制动力实时调节方法，其特征在于，在步骤3)中，所述根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流包括：

根据所述目标电流与实际电流之间的偏差，进行变速积分PID调节，获得所述电机的驱动电路的控制电压，所述驱动电路为脉冲宽度调制变换器电路；

根据所述控制电压得到该变换器电路的脉冲宽度调制值；

根据所述脉冲宽度调制值得到作用在所述电机的电枢端的电压值，从而实时调节所述电机的实际电流。

7.根据权利要求1所述的制动力实时调节方法，其特征在于，在步骤3)中，所述根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流具体为：

根据所述目标电流与实际电流间的偏差，通过非线性变速积分PID算法，实时调节所述电机的实际电流使之接近所述目标电流。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的制动力实时调节方法，其特征在于，所述电机采用直流无刷电机。

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