CN114291051B - 电机伺服式液压线控制动系统内部摩擦力建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法及装置，其特征在于包括：针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型；基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量。本发明在广泛应用于橡胶形变描述的对称刷子模型的基础上，提出了带有非对称特性的摩擦模型，为全新的描述电机伺服式线控制动系统内部摩擦力的模型，能够准确描述电机伺服式液压制动系统内部摩擦力随速度、负载压力的变化关系，同时确保了摩擦力的连续变化，能够抑制系统液压力控制过程中由于摩擦模型不连续突变引发的非自然扰动，可以广泛应用于压力控制中。

Description

电机伺服式液压线控制动系统内部摩擦力建模方法及装置

技术领域

本发明是关于一种电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法及装置，涉及汽车线控制动技术领域。

背景技术

线控能力作为智能车辆的必要属性，在当前汽车电动化、智能化过程中发挥着基础作用。线控技术主要包含线控转向及线控制动两大方面。线控制动系统响应驾驶员或者自动驾驶系统的制动信号，独立产生制动能力，从而具备主动制动的线控能力。

电机伺服式线控制动系统作为线控制动系统的一种具有实现车辆主动制动的功能。与此同时，电机伺服的结构相比于前一代的高压蓄能器结构，由于采用伺服电机替代高压蓄能器，系统的可控性更高，易于部署基于系统动力学模型的制动压力控制方法。基于以上优点，电机伺服式线控制动系统正逐步取代高压蓄能器式线控制动系统，成为未来乘用车辆制动系统发展的主流方案。对于伺服式液压系统来说，摩擦力始终是影响系统控制效果的关键因素，对于电机伺服式液压线控制动系统而言，实验结果表明，摩擦力对控制效果的影响更为明显，其摩擦力表现为与负载压力强相关，同时受到运动速度的大小及方向影响的特性。

当前现有的描述液压系统摩擦力的模型有多种，然而它们都具有不连续或者对称特性。实验结果表明，电机伺服式线控制动系统电机伺服增压过程中的摩擦力大于同速度下伺服减压的摩擦力，因此对称的摩擦模型无法准确描述电机伺服式液压系统的真实摩擦特性。除此之外，连续的非连续摩擦模型，在速度方向改变的瞬间，摩擦力剧烈突变，由此会给系统液压力的控制带来过度的扰动，同时也不符合实际系统的静摩擦换向机理。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法及装置，通过建立非对称连续压力依赖摩擦模型精准描述电机伺服式线控液压制动系统的摩擦力，同时抑制液压力控制过程中的非自然扰动。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法，包括：

针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型；

基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量。

进一步地，针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型，包括：

建立增压过程的摩擦力模型；

建立减压过程的摩擦力模型；

综合增减压摩擦力模型，得到连续摩擦模型。

进一步地，建立增压过程的摩擦力模型为：

T_finc＝(k_incP_c+b_inc)*(l_inc1[tanh(c_inc1ω)-tanh(c_inc2ω)]+l_inc2tanh(c_inc3ω)+l_inc3ω)

式中，k_inc,b_inc分别为线性关系中的斜率和截距，l_inc1,l_inc2,l_inc3为幅值形状系数，c_inc1,c_inc2,c_inc3为位置形状系数，ω代表伺服电机的转速。

进一步地，减压过程的摩擦力模型为：

T_fdec＝(k_decP_c+b_dec)*(l_dec1[tanh(c_dec1ω)-tanh(c_dec2ω)]+l_dec2tanh(c_dec3ω)+l_dec3ω)

式中，k_dec,b_dec分别为线性关系中的斜率和截距，l_dec1,l_dec2,l_dec3为幅值形状系数，c_dec1,c_dec2,c_dec3为位置形状系数，ω代表伺服电机的转速。

进一步地，连续摩擦模型为：

进一步地，基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量，包括：

建立面向摩擦力矩测量的系统动力学模型，获取摩擦力计算模型；

基于实际电机电流、压力以及电机的角加速度，基于摩擦力计算模型计算出当前压力、速度下的摩擦力矩。

进一步地，摩擦力计算模型为：

式中，J_eq包括电机及传动机构在内的系统等效转动惯量，i为伺服电机的输入电流，A_c为主缸推杆与液体的接触面积，G为电机转动角度到推杆位移的传动系数，

为电机的角加速度，P_c为实际压力。

第二方面，本发明提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模装置，包括：

摩擦模型建立单元，被配置为针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型；

摩擦力矩计算单元，被配置为基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量。

第三方面，本发明提供的一种电子设备，所述电子设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述的方法。

第四方面，本发明提供的一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现所述的方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在广泛应用于橡胶形变描述的对称刷子模型的基础上，提出了带有非对称特性的摩擦模型，为全新的描述电机伺服式线控制动系统内部摩擦力的模型，能够准确描述电机伺服式液压制动系统内部摩擦力随速度、负载压力的变化关系，同时确保了摩擦力的连续变化，能够抑制系统液压力控制过程中由于摩擦模型不连续突变引发的非自然扰动；

2、为了准确描述该系统的摩擦特性，本发明基于实验结果创新提出连续负载依赖的摩擦模型，首先通过在摩擦模型的幅值中引入线性压力项，从而更好描述摩擦力与压力的关系，其次对增压和减压过程设计不同的摩擦参数，从而在保证对增压和减压过程，摩擦力的准确描述，再次基于刷子模型，消除运动换向过程的摩擦力不连续突变；

综上，本发明建立依赖于速度方向以及负载压力的连续摩擦力模型，可以广泛应用于压力控制中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的电机伺服式液压制动系统的物理模型；

图2为本发明实施例的实验摩擦数据及所提模型的拟合示意图；

图3为本发明实施例的电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

实施例一：本实施例提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法，包括：

S1、针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型，建立过程包括：

S11、建立增压过程的摩擦力模型

如图1所示的电机伺服式线控制动系统，在增压过程中，伺服电机产生输入力矩，经过传动机构传导，推动主缸推杆向右移动，主缸推杆推动活塞压缩制动液体，制动液体压力增加。在这个过程中，摩擦力存在于传动机构内以及活塞与主缸壁面之间，摩擦力描述为：

T_f＝K(P_c)*T₀(ω)(1.1)

其中，P_c代表系统内的液压力，单位为MPa，ω代表伺服电机的转速，单位为rad/s，增压过程就对应ω＞0，减压过程就对应ω＜0，T_f代表等效摩擦力矩，单位为Nm；K(P_c)为幅值系数，无单位，是系统压力P_c的函数，用来描述在同样的速度下，摩擦力随着系统液压力的变化情况；T₀(ω)为标称摩擦力矩，单位为Nm，是伺服电机转速的函数，用来描述同等压力下，摩擦力随着电机转速的变化情况。

根据实验结果，在增压过程和减压过程中，对应的幅值系数K(P)均与液压力呈线性关系，并且在增压过程中幅值系数大于减压过程，针对增压过程对应的幅值系数：

K(P_c)＝k_incP_c+b_inc(1.2)

其中，k_inc,b_inc分别为线性关系中的斜率和截距，单位分别是1/MPa和无单位。

为了保证摩擦力的连续性，在本实施例中，标称摩擦力矩描述为：

T_inc0(ω)＝l_inc1[tanh(c_inc1ω)-tanh(c_inc2ω)]+l_inc2 tanh(c_inc3ω)+l_inc3ω(1.3)

其中，T_inc0代表增减压过程的标称摩擦力，l_inc1,l_inc2,l_inc3为幅值形状系数，单位均为Nms；c_inc1,c_inc2,c_inc3为位置形状系数，无单位。

根据公式(1.2)和(1.3)，增压过程摩擦力模型表示为：

T_finc＝(k_incP_c+b_inc)*(l_inc1[tanh(c_inc1ω)-tanh(c_inc2ω)]+l_inc2 tanh(c_inc3ω)+l_inc3ω)(1.4)

S12、建立减压过程的摩擦力模型：

减压过程中，伺服电机产生回退力矩，经过传动机构传导，拉动主缸推杆向左移动，主缸推杆减少对制动液体的压缩，制动液体压力降低，针对减压过程对应的幅值系数：

K(P_c)＝k_decP_c+b_dec(1.5)

其中，k_dec,b_dec分别为线性关系中的斜率和截距，单位分别是1/MPa和无单位。为了保证摩擦力的连续性，在本实施例中，标称摩擦力矩描述为：

T_dec0(ω)＝l_dec1[tanh(c_dec1ω)-tanh(c_dec2ω)]+l_dec2 tanh(c_dec3ω)+l_dec3ω(1.6)

其中，T_dec0代表增减压过程的标称摩擦力，l_dec1,l_dec2,l_dec3为幅值形状系数，单位均为Nms；c_dec1,c_dec2,c_dec3为位置形状系数，无单位。

根据公式(1.5)和(1.6)，减压过程的摩擦力最终可以表示为

T_fdec＝(k_decP_c+b_dec)*(l_dec1[tanh(c_dec1ω)-tanh(c_dec2ω)]+l_dec2 tanh(c_dec3ω)+l_dec3ω)(1.7)

S13、综合式(1.4)和(1.7)，可得连续摩擦模型为：

S2、基于连续摩擦模型，测量摩擦力矩。

S21、建立面向摩擦力矩测量的系统动力学模型，获取摩擦力计算模型

对于待测电机伺服式线控液压制动系统，系统的动力学方程可以表示为：

其中，k_m代表电流增益，单位为Nm/A，J_eq包括电机及传动机构在内的系统等效转动惯量，单位为kgm²；i为伺服电机的输入电流，单位为A；A_c为主缸推杆与液体的接触面积，单位为m²；G为电机转动角度到推杆位移的传动系数，单位为rad/m。

根据公式(1.9)，摩擦力计算模型为：

S22、摩擦力矩测量

为了测量到不同速度与压力下的摩擦力力矩，采用如下的等幅变频正弦伺服电机电流输入命令：

i＝I_m sin(kt²-pi/2)(1.11)

其中，k为频率系数，无单位。

测量并记录实际电机电流i_r，单位为A，实际压力P_c，以及电机的角加速度ω，根据式(1.10)，可以计算出当前压力、速度下的摩擦力。

如图2所示，黑色圆圈点代表依据上述方法实际测量的摩擦力，黑色线条代表基于测量的数据，依据摩擦模型(1.8)拟合的实际摩擦模型。拟合过程即为采用通用非线性拟合方式，采用工具包括但不限于MATLAB，python等数据拟合工具，得到摩擦模型(1.8)中的各项系数的值。

本发明的一些实施例中，拟合幅值系数K(P_c)，根据速度的符号(正向增压就是正的，反向就是负的)将采集到的数据分为正向增压数据以及反向减压数据，针对正向增压数据和反向减压数据，分别对压力与计算的摩擦力进行线性拟合，从而得到式(1.2)和式(1.5)。

本发明的一些实施例中，拟合标称摩擦力矩T₀，根据速度的符号将采集到的数据分为正向增压数据以及反向减压数据，针对正向增压数据和反向减压数据，将前面拟合得到的幅值系数K(P_c)分别带入到式(1.4)和(1.7)，对速度与计算的摩擦力进行形如(1.4)和(1.7)的非线性拟合，拟合得方法为通用非线性拟合方法。

实施例二：上述实施例一提供了电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法，与之相对应地，本实施例提供一种电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模装置。本实施例提供的系统可以实施实施例一的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法，该装置可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。为了描述的方便，描述本实施例时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。例如，该装置可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例一各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例一的部分说明即可，本发明提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模装置的实施例仅仅是示意性的。

本实施例提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模装置，包括：

摩擦模型建立单元，被配置为针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型；

摩擦力矩计算单元，被配置为基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量。

实施例三：本实施例提供一种与本实施例一所提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法对应的电子设备，电子设备可以是用于客户端的电子设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例一的方法。

如图3所示，电子设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(ISA，IndustryStandard Architecture)总线，外部设备互连(PCI，Peripheral Component)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry Standard Component)总线等等。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行本实施例一所提供的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模的方法。本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一些实现中，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。

实施例四：本实施例一的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模的方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例一所述的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实现”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法，其特征在于包括：

针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型，包括：

建立增压过程的摩擦力模型，具体为：

式中，

分别为线性关系中的斜率和截距，

为幅值形状系数，

为位置形状系数，

代表伺服电机的转速，

代表系统内的液压力；

建立减压过程的摩擦力模型，具体为：

式中，

分别为线性关系中的斜率和截距，

为幅值形状系数，

为位置形状系数；

在增压过程和减压过程中，对应的幅值系数

均与液压力呈线性关系，并且在增压过程中幅值系数大于减压过程，针对增压过程对应的幅值系数：

针对减压过程对应的幅值系数：

；

综合增减压摩擦力模型，得到连续摩擦模型，具体为：

；

基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量，包括：

建立面向摩擦力矩测量的系统动力学模型，获取摩擦力计算模型；

基于实际电机电流、压力以及电机的角加速度，基于摩擦力计算模型计算出当前压力、速度下的摩擦力矩，基于测量的数据依据连续摩擦模型拟合实际摩擦模型，拟合过程采用通用非线性拟合方式，采用数据拟合工具得到连续摩擦模型中的各项系数的值。

2.根据权利要求1所述的电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模方法，其特征在于，摩擦力计算模型为：

式中，

代表电流增益，

包括电机及传动机构在内的系统等效转动惯量，

为伺服电机的输入电流，

为主缸推杆与液体的接触面积，

为电机转动角度到推杆位移的传动系数，

为电机的角加速度，

代表系统内的液压力。

3.一种电机伺服式线控制动系统内部摩擦力建模装置，其特征在于包括：

摩擦模型建立单元，被配置为针对电机伺服式线控制动系统，建立连续摩擦模型，包括：

建立增压过程的摩擦力模型，具体为：

式中，

分别为线性关系中的斜率和截距，

为幅值形状系数，

为位置形状系数，

代表伺服电机的转速，

代表系统内的液压力；

建立减压过程的摩擦力模型，具体为：

减压过程的摩擦力模型为：

式中，

分别为线性关系中的斜率和截距，

为幅值形状系数，

为位置形状系数；

在增压过程和减压过程中，对应的幅值系数

均与液压力呈线性关系，并且在增压过程中幅值系数大于减压过程，针对增压过程对应的幅值系数：

针对减压过程对应的幅值系数：

综合增减压摩擦力模型，得到连续摩擦模型，具体为：

；

摩擦力矩计算单元，被配置为基于连续摩擦模型建立摩擦力计算模型，实现动态摩擦力矩测量，包括：

建立面向摩擦力矩测量的系统动力学模型，获取摩擦力计算模型；

基于实际电机电流、压力以及电机的角加速度，基于摩擦力计算模型计算出当前压力、速度下的摩擦力矩，基于测量的数据依据连续摩擦模型拟合实际摩擦模型，拟合过程采用通用非线性拟合方式，采用数据拟合工具得到连续摩擦模型中的各项系数的值。

4.一种电子设备，所述电子设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现权利要求1到2任一项所述的方法。

5.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现权利要求1到2任一项所述的方法。

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