一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法

本发明属于汽车，具体的说是一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法。

背景技术：

1、汽车电动化与智能化的迅速发展对底盘制动系统提出了制动能量回收、主动制动等新的功能，传统液压制动系统无法长时间地主动调节制动力，难以达到大强度的制动能量回收效果。与之相比，电子机械制动系统取消了全部液压管路，使用伺服电机配合传动机构直接带动卡钳夹紧车轮实现制动，具有结构简单紧凑、响应迅速、独立解耦等优势，被认为是汽车未来制动系统的主要发展方向之一。考虑到电子机械制动系统强耦合、多变量等非线性特点，在实际工程中需要通过安装压力传感器进行压力反馈实现夹紧力的精确控制。但是，压力传感器价格较高，且在电子机械制动执行器高强度集成结构下，其布置和标定十分困难。因此，目前各企业及学者倾向于采用刚度特性曲线法和状态观测器法对电子机械制动系统的夹紧力进行估计，从而彻底摒弃压力传感器，有效解决成本和可靠性的问题。刚度特性曲线法是基于夹紧力与电机角位移的关系对夹紧力进行估计，但其无法克服系统固有的迟滞问题，且其估计精度随制动垫片与制动盘之间的磨损现象而出现下滑；状态观测器法是基于电子机械制动系统的力矩平衡方程，根据系统的输入和输出对夹紧力进行估计，但其抗干扰能力较弱，同时，为了提高夹紧力的估计精度，往往需要准确辨识系统的摩擦模型。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法，精确地估计了电子机械制动系统夹紧力，为未来智能汽车制动压力控制算法的设计提供基础依据。

2、本发明技术方案结合附图说明如下：

3、一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法，包括以下步骤：

4、步骤一、建立电子机械制动系统模型，包括驱动电机模型、摩擦模型和传动机构模型；

5、步骤二、采用直接测试法、最小二乘法和线性回归法对系统摩擦模型内部参数静摩擦转矩ts、粘性摩擦系数d、无负载时的库伦摩擦转矩c和库伦摩擦系数g进行精确辨识；

6、步骤三、根据上述建立的精确的电子机械制动系统模型，设计一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法对夹紧力实现精确估计。

7、进一步的，所述步骤一的具体方法如下：

8、11)假设电子机械制动系统的驱动电机采用理想的永磁同步电机，不考虑涡流和磁滞损耗，在励磁轴-转矩轴上建立定子电压方程为：

9、

10、式中，ud为电机励磁轴电压；uq为电机转矩轴电压；r为电机定子电阻；id为电机励磁轴电流；iq为电机励转矩轴电流；ld为电机励磁轴电感；lq为电机转矩轴电感；ψf为电机转子磁链；ωe为电机电角速度；

11、表贴式永磁同步电机电磁转矩方程为：

12、tm＝ktiq (2)

13、kt＝1.5pnψf (3)

14、式中，tm为电机转矩；kt为电机力矩系数；pn为电机磁极对数；iq为实际电机励转矩轴电流；ψf为电机转子磁链；

15、根据驱动电机输出轴平衡关系，建立驱动电机运动学方程为：

16、

17、式中，j为折合到电机轴的等效转动惯量；ωm为电机机械角速度；tm为电机转矩；tf为摩擦转矩；tl为负载转矩；

18、12)建立电子机械制动系统摩擦模型为：

19、

20、式中，tf为摩擦转矩；d为粘性摩擦系数；ωm为电机机械角速度；c为无负载时的库伦摩擦转矩；g为库伦摩擦系数；fcl为夹紧力；ε为临界速度，其值为一个接近于0的值；tm为驱动电机转矩；tl为负载转矩；ts为静摩擦转矩；

21、13)电子机械制动系统的传动机构由行星齿轮减速器和滚珠丝杠副构成，行星齿轮减速器将电机扭矩放大，滚珠丝杠副将扭矩转换成轴向推力，从而推动制动卡钳夹紧制动盘，产生夹紧力fcl，同时所产生的夹紧力也会通过传动机构反作用于电机上形成负载转矩tl为：

22、tl＝nfcl (6)

23、

24、式中，tl为负载转矩；n为力矩放大系数；fcl为夹紧力；l为滚珠丝杠导程；ηs为滚珠丝杠副的传动效率；i为行星齿轮减速器的传动比；ηp为行星齿轮减速器的传动效率。

25、进一步的，所述步骤二的具体方法如下：

26、21)对于静摩擦转矩ts，根据电机转矩平衡方程(4)可知，在无负载且电机机械角加速度为零的条件下，摩擦转矩等于电机转矩，即tf＝tm；保持电子机械制动系统中的活塞处于间隙阶段，即无负载状态，控制电机电流逐渐增加，直到滚珠丝杠位移发生变化，记录此时对应的电机转矩；多次测量在制动间隙范围内的不同位置对应的电机转矩，取平均值即为系统的静摩擦转矩ts；

27、22)对于粘性摩擦系数d和无负载时的库伦摩擦转矩c，根据摩擦模型(5)，当电机机械角速度ωm大于临界速度ε时，摩擦转矩的公式为：

28、tf＝dωm+c (8)

29、式中，tf为摩擦转矩；d为粘性摩擦系数；ωm为电机机械角速度；c为无负载时的库伦摩擦转矩；

30、控制驱动电机在电子机械制动系统消除间隙过程中匀速转动，记录不同电机机械角速度下所对应的电机转矩，通过最小二乘法拟合摩擦转矩和电机机械角速度之间的关系曲线，曲线的斜率即为粘性摩擦系数d，偏移量即为无负载时的库伦摩擦转矩c；

31、23)对于库伦摩擦系数g，当电机机械角速度ωm大于临界速度ε时，将摩擦模型(5)改写成矩阵形式：

32、

33、式中，tf为摩擦转矩；d为粘性摩擦系数；ω为电机机械角速度；c为无负载时的库伦摩擦转矩；g为库伦摩擦系数；fcl为夹紧力；

34、令x＝[ωsign(ω)fclsign(ω)]，y＝tf，则

35、y＝xz (11)

36、于是，通过线性回归法得到：

37、z＝(xtx)-1xty (12)

38、由电机转矩平衡方程(4)得摩擦转矩为：

39、

40、式中，j为折合到电机轴的等效转动惯量；ωm为电机机械角速度；tm为电机转矩；tf为摩擦转矩；tl为负载转矩；

41、给定电子机械制动系统的驱动电机阶跃电流，采集动态过程中的电机机械角速度、电机转矩和负载转矩，根据式(13)计算不同负载下对应的摩擦转矩，再应用线性回归方程(11)即得到库伦摩擦系数g；

42、24)判断辨识后的摩擦模型仿真曲线是否与实际摩擦转矩曲线吻合；如果满足要求，则输出准确的摩擦模型tf；如果不满足要求，则重新进行摩擦模型参数辨识直至满足要求。

43、进一步的，所述步骤三的具体方法如下：

44、31)电子机械制动系统中，选取状态变量为电机机械角速度ωm，将传动机构模型(6)代入电机转矩平衡方程(4)，得到状态方程为：

45、

46、式中，ωm为电机机械角速度；j为折合到电机轴的等效转动惯量；tm为电机电磁转矩；tf为摩擦转矩；n为放大系数；fcl为夹紧力；

47、32)在传统超螺旋滑模观测器的基础上增加两项观测误差的线性项，基本结构如下：

48、

49、式中，为电机机械角速度估计值；为电机机械角速度误差值；j为折合到电机轴的等效转动惯量；k1，k2，k3和k4为观测器增益参数；为扰动项；tm为电机转矩；tf为摩擦转矩；

50、33)要观测器参数k1，k2，k3和k4选择范围满足如下：

51、

52、式中，k1，k2，k3和k4为观测器增益参数；δ1，δ2，δ3和δ4为大于0的常数；

53、且扰动项满足其上界为：

54、

55、式中，为扰动项；ωm为电机机械角速度；δ1和δ2为大于0的常数，就能保证系统的稳定性且在有限时间内收敛至滑模面；

56、当系统稳定在滑模面时，估计夹紧力由下式求出：

57、

58、式中，为估计夹紧力；k1，k2，k3和k4为观测器增益参数；为电机机械角速度误差值。

59、本发明有益效果为：

60、1)本发明建立包括驱动电机、传动机构和机械摩擦在内的电子机械制动系统模型，充分反应了电子机械制动系统工作过程中所表现的关键行为特征；

61、2)本发明设计典型实验辨识摩擦模型流程方法，根据直接测试法、最小二乘法和线性回归法对摩擦模型内部参数进行辨识，以获取准确的摩擦模型；

62、3)采用基于超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计策略，实现夹紧力的精确估计；

63、4)本发明通过在传统观测器的基础上增加两项观测误差线性项对夹紧力估计效果进行改进，其不仅能够抑制观测器的抖振现象，还能增强系统的动态性能和抗干扰能力。

技术特征：

1.一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法，所述步骤一的具体方法如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法，所述步骤二的具体方法如下：

4.根据权利要求2所述的一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法，所述步骤三的具体方法如下：

技术总结
本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法。步骤一、建立电子机械制动系统模型，包括驱动电机模型、摩擦模型和传动机构模型；步骤二、采用直接测试法、最小二乘法和线性回归法对系统摩擦模型内部参数静摩擦转矩、粘性摩擦系数、无负载时的库伦摩擦转矩和库伦摩擦系数进行精确辨识；步骤三、根据上述建立的精确的电子机械制动系统模型，设计一种基于改进超螺旋滑模观测器的电子机械制动系统夹紧力估计方法对夹紧力实现精确估计。本发明精确地估计了电子机械制动系统夹紧力，为未来智能汽车制动压力控制算法的设计提供基础依据。

技术研发人员：吴坚,金鑫,陈志成
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23