本發(fā)明涉及汽車電子控制，尤其涉及線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、汽車電子控制，是指在汽車上應用電子技術來控制汽車的各種功能，如發(fā)動機管理、剎車控制、轉向控制、駕駛員輔助系統(tǒng)等。隨著科技的進步和對安全、舒適性的追求，電子控制在汽車上的應用越來越廣泛。電控制動系統(tǒng)是其中的一部分，主要利用電子技術來實現(xiàn)汽車的剎車功能，而不是傳統(tǒng)的液壓或氣壓方式。

2、其中，線控制動電控主缸的電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)是電子剎車系統(tǒng)的子系統(tǒng)，主要用于控制汽車剎車過程中電控主缸的電機的位置。電機提供動力，使得主缸可以產生足夠的剎車壓力，進而作用在車輪上，實現(xiàn)剎車功能。該系統(tǒng)的目的是確保在任何情況下，電機的位置都可以被準確地控制，以便為駕駛員提供穩(wěn)定、可靠且高效的剎車效果。

3、傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)將制動踏板的制動力用真空助力器放大，再通過制動液主缸將制動力傳遞到制動鉗。但是線控電液制動系統(tǒng)去除真空助力器，將制動踏板和主缸之間的連接分開。主缸上的制動力完全由電機驅動。盡管主缸設計細節(jié)可能各有不同，但基本的工作原理都是以伺服電機驅動旋轉平移傳動裝置以放大扭矩和驅動活塞在液壓缸內移動。整個機械結構令液壓與活塞位置(在缸中的深度)成正比，而活塞位置又與電機的位置(旋轉角度)成正比.因此從電機角度來看，液壓形成負載扭矩(負扭矩)，具體電機位置對應具體液壓。由于機械結構的限制，電機只會在特定的位置范圍內旋轉。

4、在實際操作中，盡管電機位置控制的基本原理相對簡單，但負載扭矩的特性使得傳統(tǒng)的三環(huán)(位置->速度->扭矩/電流)pid電機位置控制策略效果并不理想。具體問題體現(xiàn)在響應時間和準確性上。首先，這種負載扭矩的行為類似于彈簧，當我們嘗試增加壓力(正向旋轉)時，電機要提供正向的扭矩。但在減少壓力(反向旋轉)時，電機主要是減少扭矩，而不是真正提供負向扭矩。此外，當電機嘗試保持某個位置時，需要提供一個恒定的扭矩來平衡這種負載扭矩。不同于普通彈簧，該系統(tǒng)中的位置和扭矩之間的關系呈指數(shù)增長。再者，主缸機構中存在的靜摩擦力也對控制帶來挑戰(zhàn)。當電機的扭矩小于某位置的靜摩擦力時，電機會停滯不動。但一旦扭矩足以克服這種靜摩擦，摩擦力迅速轉變?yōu)檩^小的動摩擦力，這使得電機突然前沖，直至再次被靜摩擦力阻止，導致即使電機的扭矩變化是線性的，如圖11所示，其位置的變化卻表現(xiàn)得如同階梯式?？傊唵蔚木€性扭矩控制策略無法滿足電機位置的線性控制需求。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術中存在的缺點，而提出的線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明的線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要是由位置指令生成模塊、參數(shù)轉換器模塊、前饋控制增值器模塊、前饋控制器模塊、pid控制器模塊、pid限制器模塊、電流指令轉換器模塊、電壓指令生成模塊、電流傳感器模塊、控制系統(tǒng)模塊組成；

3、所述位置指令生成模塊通過輸入目標位置，生成電機位置指令；

4、所述參數(shù)轉換器模塊基于電機位置指令和位置指令速度，進行參數(shù)的轉換，生成pid控制器參數(shù)和前饋控制器參數(shù)；所述前饋控制增值器模塊基于電機位置指令、位置指令速度和第一前饋控制器參數(shù)，進行參數(shù)的增值，生成前饋控制增值參數(shù)；

5、所述前饋控制器模塊基于電機位置指令和前饋控制增值參數(shù)，根據電機位置和負載扭矩的靜態(tài)關系圖進行線性化，并確定前饋控制器扭矩指令，生成前饋輸出；

6、所述pid控制器模塊基于電機位置指令和實際位置反饋，依據pid控制器參數(shù)采用pid算法進行電機微調，生成pid控制器扭矩指令；

7、所述pid限制器模塊對所述pid控制器模塊輸出的pid控制器扭矩指令進行處理，將pid控制器扭矩指令限制在前饋控制增值參數(shù)的絕對值內并輸出；

8、所述電流指令轉換器模塊結合前饋控制器扭矩指令和pid控制器扭矩指令轉換并輸出q軸電流指令；

9、所述電壓指令生成模塊基于位置指令、pid輸出和轉換參數(shù)，加權求和得到電壓指令；

10、所述電流傳感器模塊通過電流傳感器實時監(jiān)測電機三相電流，獲取電流反饋；

11、所述控制系統(tǒng)模塊基于電壓指令和電流反饋，進行反park轉換，通過電壓逆變器生成電機的三相電壓輸出，實現(xiàn)電機的準確位置控制。

12、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述位置指令生成模塊包括目標輸入子模塊、位置編碼子模塊；所述前饋控制器模塊包括靜態(tài)關系圖子模塊、前饋計算子模塊；所述pid控制器模塊包括反饋獲取子模塊、pid算法子模塊、扭矩指令輸出子模塊；所述參數(shù)轉換器模塊包括數(shù)據接收子模塊、數(shù)據轉換子模塊、數(shù)據輸出子模塊；所述電壓指令生成模塊包括參數(shù)聚合子模塊、計算電壓子模塊、電壓輸出子模塊；所述電流傳感器模塊包括電流檢測子模塊、電流數(shù)據處理子模塊、電流反饋輸出子模塊；所述控制系統(tǒng)模塊包括數(shù)據整合子模塊、反park轉換子模塊、逆變器輸出子模塊。

13、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述目標輸入子模塊通過系統(tǒng)信號獲取目標位置，生成目標位置數(shù)據；所述位置編碼子模塊基于目標位置數(shù)據，對位置進行編碼以適應電機控制需求，生成編碼后的位置指令。

14、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述靜態(tài)關系圖子模塊根據電機和負載的特性曲線，生成靜態(tài)關系圖數(shù)據；所述前饋計算子模塊利用前饋控制增值參數(shù)和靜態(tài)關系圖數(shù)據，進行前饋計算，并確定前饋控制器扭矩指令，生成前饋參數(shù)輸出。

15、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述反饋獲取子模塊通過位置傳感器獲取電機實際位置，生成實際位置數(shù)據；

16、所述pid算法子模塊基于實際位置數(shù)據和編碼后的位置指令，運用pid算法進行計算，生成pid輸出參數(shù)；所述扭矩指令輸出子模塊基于pid輸出參數(shù)和前饋參數(shù)輸出，進行計算，生成扭矩指令輸出數(shù)據。

17、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述數(shù)據接收子模塊接收電機位置指令和位置指令速度，并轉送至數(shù)據轉換子模塊；所述數(shù)據轉換子模塊基于待轉換參數(shù)數(shù)據，進行扭矩比率轉換，生成轉換后的參數(shù)數(shù)據；所述數(shù)據輸出子模塊根據轉換后的參數(shù)數(shù)據，生成并輸出pid控制器參數(shù)和前饋控制器參數(shù)。

18、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述參數(shù)聚合子模塊收集編碼后的位置指令、微調輸出數(shù)據和格式化后的轉換參數(shù)，生成聚合數(shù)據；所述計算電壓子模塊基于聚合數(shù)據，計算所需的電壓指令，生成電壓指令數(shù)據；所述電壓輸出子模塊格式化電壓指令數(shù)據供電機控制使用，生成格式化的電壓指令；所述電流檢測子模塊利用傳感器實時監(jiān)測電機三相電流，生成原始電流數(shù)據；所述電流數(shù)據處理子模塊對原始電流數(shù)據進行濾波、放大處理，生成處理后的電流數(shù)據；所述電流反饋輸出子模塊基于處理后的電流數(shù)據，格式化輸出供控制系統(tǒng)模塊使用，生成格式化的電流反饋；所述數(shù)據整合子模塊整合格式化的電壓指令和格式化的電流反饋，生成整合數(shù)據；所述反park轉換子模塊基于整合數(shù)據，進行反park轉換，生成轉換后的電壓數(shù)據；所述逆變器輸出子模塊根據轉換后的電壓數(shù)據，通過電壓逆變器生成三相電壓輸出，實現(xiàn)電機的準確位置控制。

19、本發(fā)明還提供一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制方法，其可基于上述任一所述的線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行，主要包括以下步驟：

20、s1：獲得電機位置和負載扭矩的靜態(tài)關系圖，把電機位置分成若干分段，分段的數(shù)量根據關系圖的指數(shù)性確定，指數(shù)性越高分段數(shù)越多，令分段中電機位置和負載扭矩呈線性，將分段要再分成兩部分：

21、位置上升時的n個分段x1(覆蓋θstart到θx1)，x2(覆蓋θx1到θx2)，…到xn(覆蓋θx(n-1)到θmax)；

22、位置下降時的m個分段y1(覆蓋θstart到θy1),y2(覆蓋θy1到θy2)，…到y(tǒng)m(覆蓋θy(m-1)到θmax)；

23、其中，分段的數(shù)量n和m不相等，θstart為負載扭矩開始呈指數(shù)增長趨勢的位置，θmax為主缸機械結構容許最高位置；

24、xn和ym分段，參數(shù)計算如下：

25、

26、分段位置中位數(shù)θmid,segxn/ym計算如下：

27、

28、tsegxn/ym是關系圖中分段位置中位數(shù)θsegxn/ym的相應負載扭矩；由此完成kffc參數(shù)的確定；

29、s2：定義p為分段的參數(shù)組合：

30、p＝{kp,ki,kd,kffc}??????(3)

31、參數(shù)轉換器模塊按照如下方程式生成并輸出pid控制器參數(shù)和前饋控制器參數(shù)：

32、ifθ*<θstart,

33、pinuse＝psegz

34、if(θ*≥θstart)and(ω*>0),

35、

36、if(θ*≥θstart)and(ω*<0),????????????(4)

37、

38、s3：前饋控制增值器模塊，依據如下方程式對前饋控制器參數(shù)進行參數(shù)增值并輸出前饋控制增值參數(shù)：

39、

40、其中，和為低速閾值和低位置閾值，δkffc為前饋控制器參數(shù)增值；

41、s4：前饋控制器模塊通過以下計算方程式計算扭矩指令，生成前饋輸出：

42、

43、為前饋控制器的扭矩指令，kffc為前饋控制增值參數(shù)，θ*為電機位置指令；

44、s5:pid限制器模塊內的pid控制器扭矩指令限制器通過以下方程式，限制在的絕對值以內：

45、

46、s6：pid限制器模塊和前饋控制器模塊的扭矩指令通過以下方程式結合后輸入至電流指令轉換器模塊：

47、

48、扭矩指令t*經過電流指令轉換器模塊內的q軸電流指令轉換器，位置環(huán)直接輸出扭矩指令t*，t*到的轉換方程式如下：

49、

50、轉換系數(shù)的計算如下：

51、

52、其中，trated和irated分別為電機的額定扭矩和電流；

53、電流指令轉換器模塊輸出轉換后的電流指令

54、s7:基于電流指令和實時電流反饋，使用pi控制器生成電壓指令，通過反park轉換，將電壓指令從dq坐標系轉到abc坐標系，生成用于實際控制電機的電壓指令，傳回控制系統(tǒng),形成閉環(huán)控制。

55、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制方法，步驟s1中還包括調試分段參數(shù)步驟，根據電機位置和負載扭矩的動態(tài)關系，通過再調試以確認參數(shù)對動態(tài)關系的適應性，使用軌跡規(guī)劃方法進行測試，在軌跡以上升分段為位置目標，由θzero到θxn/ym，停留，再回到θzero，以正常至高速測試；先判斷軌跡停留時電機能有沒有過沖或下沖的情況，過沖表示該段的kffc太大，下沖則太少；重復調整kffc參數(shù)直到停留時沒有過沖或下沖的情況；再判斷上升或下降時有沒有卡住的情況，如有表示卡住位置所屬的分段pid參數(shù)太少，如過沖則表示pid參數(shù)太大，并依此調整pid參數(shù)。

56、作為本發(fā)明的一種線控制動電控主缸的永磁同步電機位置閉環(huán)控制方法，在步驟s1中，在主缸機械結構處于零位θzero到θstart的低位置時，只用一個分段z來覆蓋；在分段z中，關掉前饋控制器模塊，令kffc,segz＝0，且pid限制器模塊不對扭矩指令進行限制處理。

57、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于：

58、本發(fā)明中，通過前饋控制器提供基線扭矩，能夠將電機粗略地送至目標位置，然后再用pid控制器進行微調。這種結合避免了僅使用pid控制器時易于遭遇的過沖或下沖問題，尤其是在靜摩擦力影響顯著的條件下。由于位置和扭矩之間的關系呈指數(shù)增長，該方案通過使用分段前饋控制器參數(shù)來適應不同位置的需求。在低位置時使用小的前饋參數(shù)，在高位置時使用大的前饋參數(shù)。在低速和低位置區(qū)域，摩擦力成為主要影響因素。提高前饋控制器參數(shù)可以有效防止電機由于靜摩擦力而卡住。通過省略速度環(huán)，減少了速度濾波器可能引入的延遲，從而達成更快的響應速度。該方案在執(zhí)行期間所需的計算量相對較少，大部分復雜性都在參數(shù)調整的實驗階段解決，這使其非常適合用于計算能力有限的低端設備和需要高頻控制環(huán)的應用。