基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法

本发明属于线控制动，具体涉及一种基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法。

背景技术：

1、随着车辆电动化、智能化和线控化技术发展，具备快速响应、精确控制和独立调节能力的电子机械制动系统在新能源汽车、智能驾驶车辆及特种车辆等领域需求迫切。然而，电子机械制动系统在实际制动过程中面临制动间隙、摩擦扰动、传动非线性、电机转速波动和夹紧力稳态振荡等挑战，对夹紧力快速、准确和平稳控制提出严峻要求，亟需一种兼顾响应速度、跟踪精度和抗振稳定性的夹紧力控制方法。

2、传统方法主要包括基于夹紧力传感器的直接反馈控制、基于电机电流和位移信息的无传感器估计控制，以及传统pid闭环控制等，通过直接测量或间接估计夹紧力实现制动控制，但存在明显局限：一是夹紧力传感器成本较高，且易受轮边高温、振动、泥水和粉尘等恶劣环境影响；二是无传感器估计方法容易受到接触点误差、摩擦、磨损和齿隙影响，导致反馈夹紧力存在滞后或偏差。

3、为了解决上述问题，近年来有人研究采用多信号融合、位移补偿、动态刚度模型和最小方差融合等方法，分析如何估计夹紧力，解决了传统方法控制精度低的问题，但未充分解决夹紧力控制过程中的前馈补偿平滑退出、响应速度提升和速度振动抑制问题，难以在目标夹紧力快速变化时实现快速稳定跟踪，且受限于机械传动振动和电机转速波动。

4、此外，现有夹紧力控制方法缺少面向夹紧力保持阶段的自适应前馈机制，难以同时支持快速建压、低超调和稳态抗振，制约电子机械制动系统制动性能和控制稳定性的进一步提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法，其技术目的是解决现有电子机械制动系统夹紧力控制过程中响应速度不足、前馈补偿易引起超调、夹紧力保持阶段稳态波动较大以及抗机械振动能力不足的问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法，包括如下步骤：

3、步骤（1）：对电子机械制动系统进行建模，建立驱动电机、减速机构、滚珠丝杠副、制动衬片及制动负载之间的动力学关系和运动转换关系；

4、步骤（2）：获取电子机械制动系统的目标夹紧力、实际夹紧力、电机转速、电机位置及电机电流信号，并对信号进行滤波、限幅和预处理；

5、步骤（3）：根据目标夹紧力、实际夹紧力和预设阈值判断电子机械制动执行器的工作状态，并确定夹紧力复合控制的使能条件；

6、步骤（4）：对实际夹紧力进行低通滤波，计算正向夹紧力误差，根据正向夹紧力误差构建软门控函数并生成软门控前馈控制量，根据正向夹紧力误差生成瞬态增强控制量，根据电机转速生成速度阻尼控制量，根据夹紧力反馈控制量、软门控前馈控制量、瞬态增强控制量和速度阻尼控制量生成驱动电机q轴电流指令；

7、步骤（5）：将驱动电机q轴电流指令传递至永磁同步电机磁场定向控制模块，通过电流环调节驱动电机输出转矩，并经减速机构和滚珠丝杠副转换为制动衬片对制动盘的夹紧力。

8、进一步的，步骤（1）中电子机械制动系统包括驱动电机、减速机构、滚珠丝杠副、制动钳体、制动衬片和制动盘；驱动电机采用的控制方式，电磁转矩表示如下：

9、 (1)

10、其中，为电机极对数，为永磁体磁链，为电机q轴电流；

11、驱动电机动力学关系表示如下：

12、 (2)

13、其中，为电机及传动系统等效转动惯量；为电机机械角速度；为负载转矩；为摩擦转矩；

14、减速机构和滚珠丝杠副的运动转换关系表示如下式：

15、 （3）

16、其中，为丝杠螺母轴向位移；为滚珠丝杠导程；为电机转角；为减速机构总传动比。

17、进一步的，步骤（2）中目标夹紧力由控制系统制动控制器、制动踏板信号、自动紧急制动系统或防抱死制动系统给出；实际夹紧力由夹紧力传感器、夹紧力估计器或夹紧力-位移刚度特性模型得到；对实际夹紧力进行一阶低通滤波，表示如下式：

18、 (4)

19、其中，为当前时刻滤波后的实际夹紧力，为滤波系数，为上一时刻滤波后的实际夹紧力，为当前时刻实际夹紧力。

20、进一步的，步骤（3）中电子机械制动执行器的工作状态包括间隙消除阶段、夹紧力保持阶段和间隙形成阶段；

21、确定夹紧力复合控制的使能条件具体为：

22、当目标夹紧力大于0且实际夹紧力小于夹紧力判断阈值时，判定执行器处于间隙消除阶段，使能输出y=1，对应转速电流环模块进行控制；

23、当目标夹紧力大于0且实际夹紧力不小于夹紧力判断阈值时，判定执行器处于夹紧力保持阶段，使能输出y=2，对应夹紧力电流环模块进行控制；并满足夹紧力复合控制的使能条件；

24、当目标夹紧力等于0且实际夹紧力小于夹紧力判断阈值时，判定执行器处于间隙形成阶段，判断模块使能输出y=3，对应位置电流环模块进行控制。

25、进一步的，步骤（4）具体包括：

26、步骤（41）通过下式计算夹紧力误差和正向夹紧力误差：

27、 (5)

28、 (6)

29、其中，为当前时刻夹紧力误差，为当前时刻正向夹紧力误差；

30、定义饱和函数：

31、 (7)

32、其中，为下限，为上限；

33、步骤（42）计算软门控系数：

34、 (8)

35、其中，为软门控系数，为软门控斜率控制系数，为门控中心误差

36、计算前馈控制量：

37、 (9)

38、其中，为前馈控制量，为目标夹紧力前馈增益，为前馈输出上限；

39、步骤（43）对正向夹紧力误差进行限幅：

40、 (10)

41、其中，为限幅后的误差，瞬态增强允许参与计算的最大误差；、

42、步骤（44）计算瞬态增强控制量：

43、 (11)

44、其中，为瞬态增强控制量，为瞬态增强增益；

45、步骤（45）计算速度阻尼控制量：

46、 (12)

47、其中，为速度阻尼控制量，为速度阻尼增益，为电机实际转速，为设定的限幅上下限；

48、步骤（46）计算夹紧力电流环输出作为驱动电机q轴电流指令：

49、 (13)

50、其中，为夹紧力电流环输出用作电机q轴电流指令，为pid控制模块输出。

51、进一步的，驱动电机为三相永磁同步电机，步骤（5）具体包括：

52、将驱动电机q轴电流指令输入电流环控制器，将d轴电流指令设定为0或根据弱磁控制需要设定，经坐标变换、电流调节、电压调制和逆变器驱动后控制永磁同步电机输出电磁转矩，电磁转矩经减速机构减速增矩后传递至滚珠丝杠副，由滚珠丝杠副转换为轴向推力，从而推动制动衬片夹紧制动盘并调节制动夹紧力。

53、一种电子设备，包括至少一个处理器和存储有程序指令的存储器；当程序指令被处理器读取并执行时，使得电子设备执行上述的基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法。

54、一种存储有程序指令的计算机可读存储介质，当程序指令被计算机读取并执行时，使得计算机执行上述的基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法。

55、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

56、本技术为提高电子机械制动系统夹紧力控制的响应速度、跟踪精度和稳态稳定性，创新性地提出了基于自适应前馈的电子机械制动夹紧力控制方法。在机械建模阶段，建立电机q轴电流、输出转矩、执行器位移和制动夹紧力之间的关系，为控制策略提供模型依据；在信号获取阶段，对实际夹紧力和电机状态信号进行滤波、限幅和预处理，提高控制输入的可靠性；在工作状态判断阶段，将夹紧力保持阶段作为复合控制主要使能阶段，避免常规阶段切换掩盖核心控制创新；针对夹紧力快速跟踪问题，引入软门控前馈控制，使前馈补偿在误差较大时增强、在接近目标时平滑退出，从而兼顾响应速度和超调抑制；针对目标突变工况，引入瞬态增强控制量，提高夹紧力建立速度；针对机械振动和电机转速波动，引入速度阻尼负反馈，抑制夹紧力稳态波动；最终通过q轴电流指令融合，实现emb系统夹紧力的快速、精准和平稳控制。