陳超 CHEN Chao；張新星 ZHANG Xin-xing；李雨健 LI Yu-jian

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衢州 324000）

0 引言

純電動汽車具有零排放、噪音小、行駛平順、使用成本低、易于智能化控制等優(yōu)點，目前在市面上銷售的大部分純電動車的續(xù)駛里程在500公里及以上，因此純電動車非常適合在城市內(nèi)代步。由于純電動車沒有變速器，因此相對于傳統(tǒng)燃油車和混合動力汽車其結(jié)構(gòu)較為簡單，智造成本低。在行駛過程中由電機(jī)直接驅(qū)動車輪，起步、加速、減速平順，沒有換檔的頓挫，具有更好的駕乘體驗。傳統(tǒng)燃油車排放的汽車尾氣對生態(tài)環(huán)境具有一定的負(fù)面影響，不利于我國目前的碳中和，同時汽車尾氣對人的健康也有影響。我國是全球第一大油氣進(jìn)口國，石油對外依存度高。汽車工業(yè)相對發(fā)達(dá)的各個國家相繼提出了禁止銷售燃油車的時刻表，各國及各大汽車企業(yè)逐漸加大對純電動車的投入，我國對于純電動車的發(fā)展同樣非常重視，《中國制造2025》、《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》等政策文件的發(fā)布推動著我國汽車行業(yè)的發(fā)展。截至2021年，我國汽車人均保有量相對于發(fā)達(dá)國家有較大的差距。綜合考慮我國的市場因素、政策因素、能源結(jié)構(gòu)、對環(huán)境的影響及純電動車自身優(yōu)勢，對純電動車的研究具有重要的意義。

制動系統(tǒng)是車輛的重要組成系統(tǒng)之一，這關(guān)系到車輛行駛的安全性。目前應(yīng)用最多得是真空助力制動系統(tǒng)，其真空助力源由發(fā)動機(jī)提供。隨著汽車電動化、智能化的發(fā)展，動力源由電機(jī)替代原有的發(fā)動機(jī)對汽車進(jìn)行驅(qū)動，電機(jī)無法提供真空源，原有的真空助力器不再滿足未來汽車的制動要求，能夠應(yīng)用在純電動車上的電子機(jī)械制動系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。電子機(jī)械制動系統(tǒng)最主要由電子機(jī)械助力器組成，電子機(jī)械助力器代替真空助力器實現(xiàn)制動助力，其具有可調(diào)踏板制動感覺、主動制動、實現(xiàn)制動能量回收等優(yōu)點。以博世的iBooster為代表，電子機(jī)械制動系統(tǒng)可以耦合人工制動力和電機(jī)助力，也可以由電機(jī)力單獨實現(xiàn)制動功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)純電動車的主動制動。電子機(jī)械制動系統(tǒng)主要由永磁同步電機(jī)提供制動助力，根據(jù)制動意圖，控制永磁同步電機(jī)的輸出以實現(xiàn)制動助力，從而滿足制動要求。

1 電子機(jī)械助力制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子機(jī)械助力制動系統(tǒng)是電子機(jī)械制動系統(tǒng)的重要組成部分，其主要根據(jù)制動踏板信號及整車ECU信號，進(jìn)行助力控制，提供制動助力作用于制動主缸，從而實現(xiàn)車輛的制動。電子機(jī)械制動系統(tǒng)主要由電子機(jī)械助力器、制動主缸、液壓管路、制動輪缸等組成。其工作過程是當(dāng)制動踏板踩下時，電子機(jī)械助力器接收到制動踏板的信號，電子機(jī)械助力器開始助力，推動主缸推桿。主缸產(chǎn)生液壓力后，制動液通過液壓管路流入制動輪缸，從而在車輪處產(chǎn)生制動力，實現(xiàn)車輛的減速。電子機(jī)械助力器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由永磁同步電機(jī)實現(xiàn)助力，由齒輪副、滾珠絲杠、助力閥體實現(xiàn)力的傳遞。永磁同步電機(jī)根據(jù)踏板推桿的行程，輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和力矩。人工制動力與電機(jī)助力在反饋盤上耦合，共同作用于主缸推桿，從而推動主缸，實現(xiàn)制動。當(dāng)實現(xiàn)主動制動時，踏板推桿無作用力，永磁同步電機(jī)單獨助力實現(xiàn)制動，其工作過程是車輛ECU接受到傳感器或攝像頭信號，通過CAN總線發(fā)出減速控制信號給助力電機(jī)控制器，由電機(jī)控制器控制助力電機(jī)的輸出位移及扭矩，使得電機(jī)助力單獨作用于制動主缸上，從而在車輪處產(chǎn)生制動力。為了防止電路等故障影響助力電機(jī)工作，從而造成助力失效，車輛無法實現(xiàn)制動功能。電子機(jī)械助力器進(jìn)行了冗余設(shè)計，當(dāng)永磁同步電機(jī)失效時，踏板推桿在人工力的作用下踏板推桿直接推動主缸推桿從而產(chǎn)生主缸制動壓力實現(xiàn)制動，從而保證在電路等故障下的制動系統(tǒng)安全。由于助力扭矩由電機(jī)進(jìn)行控制，對電機(jī)的輸出扭矩大小易于控制。因此，當(dāng)踏板推桿輸入不變，助力電機(jī)的負(fù)載不變時，調(diào)節(jié)助力電機(jī)的輸出扭矩大小，可以實現(xiàn)不同的制動踏板感覺及助力特性。相較于傳統(tǒng)的真空助力器，電子機(jī)械助力器可以通過控制助力電機(jī)不斷調(diào)節(jié)其助力特性，從而能夠滿足不同駕駛者對于不同踏板感覺的需求，在車輛動態(tài)駕駛過程中，也可以根據(jù)不同行駛工裝，動態(tài)調(diào)節(jié)制動助力特性，滿足駕駛者的需求，從而使駕駛者具有更好的駕駛體驗，也能提高車輛的制動安全性。

圖1 電子機(jī)械助力制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 仿真建模

2.1 永磁同步電機(jī)模型

本文采用永磁同步電機(jī)具有復(fù)雜的非線性，由三相定子繞組和安裝在轉(zhuǎn)子表面的永磁體組成。假設(shè)三相永磁同步電機(jī)是理想的電機(jī)，做出以下假設(shè)：

①不考慮磁滯以及鐵芯飽和的影響；

②定子三相繞組在空間上呈120度完全對稱；

③忽視永磁鐵的阻尼影響；

④氣隙磁場正弦分布，不考慮高次諧波。

為了方便控制，通過clark變化和park變化把電機(jī)ABC三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為dq軸坐標(biāo)系，永磁同步電機(jī)電流方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程如下所示：

式中，id、iq為d、q軸上的電流；R為定子電阻；Ld、Lq為軸上d、q的電感，為了簡化模型，兩電感可以設(shè)為一樣；pn為極對數(shù)；ud、uq為d、q軸上的電壓；ωm為電機(jī)電角速度；ψf為磁鏈。在simulink中建立永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真模型。

2.2 滾珠絲杠模型

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)降速增扭，速比為g，通過滾珠絲杠把減速機(jī)構(gòu)輸出的旋轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平移運動。

3 基于制動意圖的電機(jī)控制

根據(jù)制動踏板推桿的位移確定出助力電機(jī)的目標(biāo)輸出位移。對于電機(jī)控制主要是根據(jù)電機(jī)的負(fù)載控制電機(jī)的位移及轉(zhuǎn)速輸出，主要包括位移環(huán)控制及速度環(huán)控制。其控制過程如圖2所示。參考位移與電機(jī)輸出的實際位移差值作為位移環(huán)的輸入，通過PI控制輸出參考轉(zhuǎn)速，再與電機(jī)實際轉(zhuǎn)速的差值作為速度環(huán)的輸入，再通過PI控制輸出d、q軸上的參考電流。

圖2 永磁同步電機(jī)控制流程

式中，kp表示比例系數(shù)；ki表示積分系數(shù)。

由于永磁同步電機(jī)采用矢量控制法，需要對三相電進(jìn)行轉(zhuǎn)化。利用坐標(biāo)系變換把dq坐標(biāo)系變換到ABC坐標(biāo)系中。電流環(huán)控制輸出的電壓經(jīng)過Park逆變換、Clark逆變換后轉(zhuǎn)變成三項電壓。首先，采用Park逆變換將dq靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)的αβ坐標(biāo)系中。其次，采用Clark逆變換將αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到ABC靜止坐標(biāo)系中，最后得到永磁同步電機(jī)在ABC軸上的電壓電流，通過SVPWM調(diào)制后輸出門信號到電橋?qū)τ来磐诫姍C(jī)進(jìn)行控制。SVPWM是一種比較成熟的控制方法，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制。

4 仿真結(jié)果與分析

上文對電子機(jī)械助力器進(jìn)行了建模，確定了控制方法及控制流程。本節(jié)輸入轉(zhuǎn)速、扭矩、位移等信號對永磁同步電機(jī)的模型及控制方法進(jìn)行仿真驗證，主要驗證模型的正確性和控制方法的響應(yīng)快慢。本文給定800rpm的參考轉(zhuǎn)速及負(fù)載扭矩階躍信號，其仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，紅色虛線代表參考值，藍(lán)色實現(xiàn)代表輸出值。

圖3 永磁同步電機(jī)速度跟隨

圖4 永磁同步電機(jī)輸出扭矩

在初始負(fù)載扭矩不變的情況下，電機(jī)在0.1秒內(nèi)速度達(dá)到參考轉(zhuǎn)速，并保持穩(wěn)定。在0.5秒扭矩發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)輕微波動后趨于穩(wěn)定。電機(jī)輸出扭矩同樣在0.1秒內(nèi)達(dá)到負(fù)載扭矩，并趨于平穩(wěn)，在0.5秒時，短時間內(nèi)發(fā)生波動后趨于平穩(wěn)。轉(zhuǎn)速和扭矩在初始時波動較大，但持續(xù)時間極短。

輸入電機(jī)參考位移，通過位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制，電機(jī)輸出位移如圖5所示，紅細(xì)線為參考位移，藍(lán)粗線為輸出位移，其控制效果較好。

圖5 永磁同步電機(jī)位移跟隨

5 總結(jié)

本文首先分析了研究電子機(jī)械制動系統(tǒng)的重要性及意義，純電動車是汽車智能化、共享化的主要載體。其次對電子機(jī)械制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，建立了對電子機(jī)械助力器模型，主要建立了永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)進(jìn)行了分環(huán)控制，分別對位移環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)進(jìn)行PI控制。對電流環(huán)PI控制輸出的電壓進(jìn)行Park逆變換、Clark逆變換，轉(zhuǎn)變成三項電壓后再采用SVPWM控制方法對電機(jī)進(jìn)行控制。建立滾珠絲杠模型，把助力電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為軸向位移推動主缸移動，建立主缸壓力。最后，對建立的模型及控制方法進(jìn)行驗證，通過輸入轉(zhuǎn)速、負(fù)載和參考位移對電機(jī)控制模型進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示在本文建立的模型及控制方法下，永磁同步電機(jī)的速度、扭矩和位移跟隨情況較好，響應(yīng)較快，波動時間短。因此，本文對純電動車電子機(jī)械助力系統(tǒng)的建模及控制具有較好的效果，對之后后續(xù)的研究具有一定的借鑒意義。