一种用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置与流程

1.本发明涉及电驱动车辆电机制动技术领域，尤其涉及一种用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置。


背景技术：

2.在以电驱动为动力的车辆中，通常都是利用机械制动与电制动共同作用的复合制动方式，即在车辆需要制动时，先切入电制动，当转速低于一定转速时，电制动力逐渐减小，机械制动逐渐增加，最终到零转速时，电制动力为0，全部由机械制动维持车轮不转动。但是上述电制动与机械制动的复合制动方式，必须依赖机械制动，而机械制动存在能力失效较快的情况，从而导致机械制动降低或者失效时，电制动无法完成车辆实现制动到零的功能，尤其是对于需要经常行驶于复杂路面的特种车辆，机械制动极易失效，而极易导致制动失效。
3.如上述，车辆在电制动过程中，是以力矩模式来进行控制，力矩模式的控制对象即是力矩，若考虑直接全部按照传统电制动控制模式执行制动，当转速接近零速时，由于需要仍然保持力矩，则可能会发生车轮反转的问题。且利用变频器控制电时，电机处于转动过程中，控制的电流波形为交流，当电机转速为零时，电流则变为直流，因而在固定的一段时间内，电流会从分别由三个igbt桥臂平均分担(转动时)，变为大部分由一个igbt桥臂分担(堵转时)且三相电流和为零，则会导致该桥臂igbt承受了较大的发热压力，甚至可能会超出散热系统的极限负担能力，致使该igbt损坏。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、成本低、能够实现纯电控制动，且可防车轮反转、控制效果好以及安全可靠的用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种用于电驱动车辆的电机电制动控制方法，步骤包括：
7.s1.车辆进入制动工况时，按照以力矩作为跟随控制目标的力矩模式控制调节电机的制动力矩，以降低电机的转速；
8.s2.当电机的速度降低到指定切换阈值时，控制切换为以转速作为跟随控制目标的转速模式，按照所述转速模式控制电机的转速降为零速；
9.s3.当电机的转速为零速持续指定时间后，转入以位置作为跟随控制目标的位置模式，按照所述位置模式控制电机转子的位置状态。
10.进一步的，所述步骤s1中，根据电机的实时加速度按照所述力矩模式控制调节电机的制动力矩；所述根据电机的实时加速度按照所述力矩模式控制调节电机的制动力矩包括：当电机的实时加速度超过电机轴侧加速度阈值a
电机
时，以所述电机轴侧加速度阈值a
电机
为目标控制调节电机的制动力矩，以使得按照最大允许加速度控制调节电机的制动力矩。
11.进一步的，所述控制调节电机的制动力矩时具体采用pid调节。
12.进一步的，所述电机轴侧加速度阈值a
电机
为根据负载仅为目标车轮时不同制动力矩下的角加速度α
轮
、车辆正常行驶时不同制动力矩下分配到目标车轮上的期望角加速度α
车
配置得到；所述电机轴侧加速度阈值a
电机
具体配置满足：a
车/轴
≤a
电机
<a
轮/轴
，其中a
轮/轴
为由负载仅为目标车轮时不同制动力矩下的角加速度α
轮
换算得到的电机轴侧的加速度，a
车/轴
为由车辆正常行驶时不同制动力矩下分配到目标车轮上期望角加速度α
车
换算得到的电机轴侧的加速度。
13.进一步的，所述步骤s2中，当电机的速度v≤k1*v
切换
时，控制切换为所述转速模式，其中k1为预设切入转速模式的参数，v
切换
为切换阈值，且v
切换
＝a*t
响应
，a为电机的实时加速度，t
响应
为上层控制系统的响应时间。
14.进一步的，所述步骤s2中按照转速模式控制电机的转速降为零速包括：将转速给定值设定为0，以及将转速闭环的内环力矩环或电流环的最大值设定为电机当前制动力t
制动
或电机当前制动力t
制动
所对应的电流值。
15.进一步的，所述步骤s3中按照所述位置模式控制电机转子的位置状态包括：根据电子转子的当前位置控制电机转子按照预设位置取值切换顺序依次切换至指定的位置。
16.进一步的，所述控制电机转子按照预设位置取值切换顺序依次切换至指定的位置具体包括：预先由多个位置取值角度按照预设切换顺序形成位置取值切换顺序表，切换时根据电机转子的当前位置值从所述位置取值切换顺序表中选择距离最近的取值角度值并作为电机转子的初始位置角度值，以所述初始位置角度值为起点按照所述位置取值顺序切换表中各位置取值角度进行顺序切换。
17.进一步的，所述位置取值顺序切换表中按照优先级依次排列的各位置取值角度为：30
°
、90
°
、150
°
、210
°
、270
°
、330
°
。
18.进一步的，当电机的速度v超过预设切换阈值时或车辆处于非制动工况时，还包括控制切换为所述力矩模式，按照所述力矩模式控制电机运行。
19.一种用于电驱动车辆的电机电制动控制装置，包括处理器，所述处理器中存储有可执行的计算机程序，所述处理器被配置以执行上述的电机电制动控制方法。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.1、本发明用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置，通过在车辆制动工况时，先按照力矩模式控制电机制动，利用力矩模式下制动快速降低转速，在低速时再利用转速模式使得转速精准降为零速，在无机械制动情况下，电制动可具备独立完成车辆制动到零的能力，实现纯电控方式的电机制动，且低速时转入转速模式后，可以有效防止车轮发生反转，同时通过在零速状态持续一段时间后，转入位置模式以控制跟踪调整电机转子的位置状态，可以减少由于转速信号波动导致的0速下转速模式波动情况，有效消除长时间零转速情况下对于电机的影响。
22.2、本发明用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置，电制动可具备独立完成车辆制动到零的能力，使得机械制动可以从必备功能变为安全辅助功能，尤其适用于需要经常行驶于复杂路面的车辆，可有效改善极端工况下机械制动磨损较快的情况，能够在不增加设备的情况下提高整车的制动能力。
23.3、本发明用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置，进一步通过判断当前加
速度大小的方式限制制动力，可以使得制动时加速度不超过合理范围，保证电机转速的变化速度不超过控制系统的响应速度，使得车辆不会因为制动力过大而导致车轮打滑，同时通过按照最大加速度控制调节电机的制动力矩，可以快速降低转速，从而降低转向和制动能力。
24.4、本发明用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置，进一步根据电机的实时加速度来计算控制切换为转速模式的切换点，使得在低速时能够及时切换进入转速模式，防止车轮反转，同时可使切换模式时顿挫感大大降低。
25.5、本发明用于电驱动车辆的电机电制动控制方法、装置，进一步通过使得电机转子按照指定的位置来回切换运行，通过位置信号的循环来跟踪小范围转动电机，避免在部分位置出现某个igbt长时间处于工作状态的情况，从而确保电机和控制器堵转时三相负载均衡，降低igbt因大量发热产生的损坏风险，且对使用体验基本无影响。
附图说明
26.图1是本实施例用于电驱动车辆的电机电制动控制方法的实现流程示意图。
27.图2是本实施例实现电机电制动控制的详细流程示意图。
28.图3是本实施例用于电驱动车辆的电机电制动控制装置的结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
30.如图1所示，本实施例用于电驱动车辆的电机电制动控制方法的步骤包括：
31.s1.车辆进入制动工况时，根据电机的实时加速度按照以力矩作为跟随控制目标的力矩模式控制调节电机的制动力矩，以降低电机的转速；
32.s2.当电机的速度降低到指定切换阈值时，控制切换为以转速作为跟随控制目标的转速模式，按照转速模式控制电机的转速降为零速；
33.s3.当电机的转速为零速持续指定时间后，转入以位置作为跟随控制目标的位置模式(也即为定位模式)，按照位置模式控制电机转子的位置状态。
34.本实施例通过在车辆制动工况时，先按照力矩模式控制电机制动，可以利用力矩模式下制动快速降低转速，同时当速度降低到指定切换阈值时，再切换以转速模式来控制电机转速降为零，以在低速时利用转速模式使得转速精准降为零速，可以在无机械制动情况下，实现纯电控方式的电机制动，且由于低速时是以转速为目标进行控制，可以有效防止车轮发生反转；同时由于零速下转速信号波动可能会造成电机中igbt等器件承受较大的发热压力而对电机造成影响，通过在零速状态持续一段时间后，转入位置模式以控制跟踪调整电机转子的位置状态，可以减少由于转速信号波动导致的0速下转速模式波动情况，有效消除长时间零转速(电机堵转)情况下对于电机的影响。
35.本实施例上述电机电制动控制方法，电制动可具备独立完成车辆制动到零的能力，机械制动则可以从必备功能变为安全辅助功能，尤其适用于需要经常行驶于复杂路面的车辆，可有效改善极端工况下机械制动磨损较快的情况，能够在不增加设备的情况下提高整车的制动能力。
36.本实施例步骤s1中，具体根据电机的实时加速度按照力矩模式控制调节电机的制动力矩，通过判断当前加速度大小的方式限制制动力，即通过调节制动力使得制动时加速度不超过合理范围，保证电机转速的变化速度不超过控制系统的响应速度，使得车辆不会因为制动力过大而导致车轮打滑，从而降低转向和制动能力。
37.本实施例中，上述根据电机的实时加速度按照力矩模式控制调节电机的制动力矩具体包括：当电机的实时加速度超过电机轴侧加速度阈值a
电机
时，以电机轴侧加速度a
电机
为目标控制调节电机的制动力矩，以使得按照最大加速度控制调节电机的制动力矩，从而可以快速降低转速。电机轴侧加速度阈值a
电机
具体可根据经验、试验数据等进行设定，电机的实时加速度小于电机轴侧加速度阈值a
电机
的其他情况时，则可保持上位机需求的制动力不变。
38.本实施例中，上述控制调节电机的制动力矩时具体采用pid调节，即以电机轴侧加速度阈值a
电机
为目标，进行pid调节制动力t
制动
，使得电机的加速度a<a
电机
，经过pid调节可以精确控制调节制动力以达到控制目标，确保加速度不会超过合理范围。
39.本实施例中，上述电机轴侧加速度a
电机
为根据负载仅为目标车轮时不同制动力矩下的角加速度α
轮
、车辆正常行驶时不同制动力矩下分配到目标车轮上的期望角加速度α
车
进行设定，电机轴侧加速度阈值a
电机
具体配置满足：a
车/轴
≤a
电机
<a
轮/轴
，其中a
轮/轴
为由负载仅为目标车轮时不同制动力矩下的角加速度α
轮
换算得到的电机轴侧的加速度，a
车/轴
为由车辆正常行驶时不同制动力矩下分配到目标车轮上期望角加速度α
车
换算得到的电机轴侧的加速度，即在换算得到a
轮/轴
、a
车/轴
后，基于经验、试验数据等配置a
电机
，同时使得满足a
车/轴
≤a
电机
<a
轮/轴
，再以a
电机
为目标，调节电机的制动力t
制动
，进行调节后的电机输出制动力矩，a>a
电机
时，t
制动
为调节后的力矩，该值小于给定制动力矩，其他情况tt
制动
等于给定的制动力矩。
40.本实施例步骤s1中，具体是先从制动踏板对应的制动力、预设最大制动力矩中取较小值进行制动，确保按照最大制动力进行制动，再按照力矩模式控制调节电机的制动力矩，从而确保加速度不会超过合理范围，同时电机转速的变化速度不会超过控制系统的响应速度。
41.在具体应用实施例中，步骤s1的详细步骤为：
42.s11.预先设定最大制动力矩；
43.s12.当司机踩下制动踏板时，按照踏板对应制动力和最大制动力取较小值进行制动；
44.s13.通过车轮的转动惯量得出负载仅为车轮时的不同制动力矩下的角加速度α
轮
，同时获得换算到电机轴侧的加速度a
轮/轴
，获取车辆正常行驶时不同制动力矩下分配到该轮上期望角加速度α
车
，同时获得换算到电机轴侧的加速度a
车/轴
；
45.s14.实时获取当前对应电动机轴侧的实时加速度a，当a≥a
电机
时，以a
电机
为目标进行pid调节制动力；当a<a
电机
保持上位机需求的制动力不变。
46.本实施例步骤s2中，具体根据电机的实时加速度判断是否达到预设切换阈值，即预设切换阈值为根据电机的实时加速度计算得到，根据电机的实时加速度来计算控制切换为转速模式的切换点，使得在低速时能够及时切换进入转速模式，防止车轮反转，同时可使切换模式时顿挫感大大降低。本实施例当电机的速度v≤k1*v
切换
时，控制切换为转速模式，其中k1为预设切入转速模式的参数，v
切换
为切换阈值，且v
切换
＝a*t
响应
，a为电机的实时加速
度，t
响应
为上层控制系统(整车控制器或者人)的响应时间，具体可根据实际需求设定，以根据当前制动加速度a以及上层控制系统的响应时间t
响应
计算出速度切换点v
切换
，当转速低于切换点v
切换
且仍然在制动时，则切换为转速模式，使得控制跟踪对象为转速，可以精准的控制车轮保持相应转速，该模式下将转速给定为0，该模式也即为零转速模式，即可达到车轮制动到静止的功能。
47.本实施例步骤s2中按照转速模式控制电机的转速降为零速包括：将转速给定值设定为0，以及将转速闭环的内环力矩环或电流环的最大值设定为电机当前制动力t
制动
或电机当前制动力t
制动
所对应的电流值，可以控制使车辆制动到零速，同时确保保持最大制动力。
48.在具体应用实施例中，步骤s2的详细步骤为：
49.s21.根据当前制动加速度a以及上层控制系统的响应时间
t响应
计算出速度切换点
v切换
。以及设定经验参数k1、k2，其中k2为切除转速模式转速闭环的参数，具体可取1≤k1≤1.2，k1＜k2≤1.3；
50.s22.实时观测电机的当前转速值v，当v≤k1*v
切换
时，将转矩闭环切换为转速闭环，即将力矩模式切换为转速模式，并且将转速给定设定为0，转速闭环的内环转矩环或电流环的最大值，为当前制动力t
制动
或对应的电流值；
51.s23.当进入到零转速后累积超过一定时间t
延迟
后(例如100ms)，转入执行步骤s3以将模式切换为位置模式。
52.通过上述步骤，可以使得在零速时依然可以保持最大制动力，且电机承受的堵转电流可以维持在理论最小，从而可确保电机和控制器能够更长时间堵转。
53.上述过程中，当电机的速度v超过预设切换阈值时或车辆处于非制动工况时，还包括控制切换为力矩模式，按照力矩模式控制电机运行，即从转速模式或位置模式切换回力矩模式，使得车辆制动完成后或者由于最大制动力小于车辆外部的牵引力(如极陡坡或其他异常情况)时，车辆能够及时退出零速锁定状态，将控制权释放给整车控制器或司机。具体可取当v>k2*v
切换
时或非制动工况时，将控制模式从转速闭环或位置闭环切换为转矩闭环。
54.本实施例在零速状态持续一段时间后，转入位置模式(也即为定位模式)以控制跟踪调整电机转子的位置状态，切换到位置模式后，车辆已经处于静止状态，转入位置模式时，设定定位电流最大值不超过电机当前制动力t
制动
所对应的电流值。在具体应用实施例中，先设定从零转速状态切换为定位模式的延迟值t
延迟
，以及根据电机承受能力设定堵转换相时间t
堵转
，简单处理情况下，可以使t
堵转
＝t
延迟
，当电机进入到零转速后，且累积超过t
延迟
后，将控制模式从转速模式切换为位置模式，以按照预设位置取值范围小范围的转动电机，确保电机和控制器堵转时三相负载均衡。
55.本实施例中，步骤s3中按照位置模式控制电机转子的位置状态包括：根据电子转子的当前位置控制电机转子按照预设位置取值切换顺序依次切换至指定的位置，使得电机转子按照指定的位置来回切换运行，通过位置信号的循环来跟踪小范围转动电机，避免在部分位置出现某个igbt长时间处于工作状态的情况，从而确保电机和控制器堵转时三相负载均衡，降低igbt因大量发热产生的损坏风险，且对使用体验基本无影响。
56.上述控制电机转子按照预设位置取值切换顺序依次切换至指定的位置具体包括：预先由多个位置取值角度按照预设切换顺序形成位置取值切换顺序表，切换时根据电机转
子的当前位置值从位置取值切换顺序表中选择距离最近的取值角度值并作为电机转子的初始位置角度值，以初始位置角度值为起点按照位置取值切换顺序表中各位置取值角度进行顺序切换。
57.本实施例中，位置取值切换顺序表中包括多个位置取值角度，且各位置取值角度按照优先级依次排列。在位置模式时，电流不再是交流值，在某些位置点会导致某相电流很大，如持续保持峰值电流，本实施例通过设定特殊的位置点，位置取值角度以及切换顺序依次为30
°
、90
°
、150
°
、210
°
、270
°
、330
°
，按照该位置角度顺序切换，可以确保电机各相电流平均，同时减少发热量和避免igbt损伤。
58.在具体应用实施例中，步骤s3的详细步骤为：
59.s31.预先设定30
°
、90
°
、150
°
、210
°
、270
°
、330
°
的位置取值表，位置越靠前，优先级越高，如取值表顺序设定为：30
°→
90
°→
150
°→
210
°→
270
°→
330
°→
270
°→
210
°→
150
°→
90
°→
30
°
；
60.s32.当进入到零转速后且累积超过一定时间t
延迟
后，将模式切换为位置模式，配置定位电流最大值不超过当前制动力t
制动
的电流值，并根据当前位置值从位置取值表中选择最近的值设定为当前定位值。
61.s33.当t＝t堵转时进行位置表顺序切换，以上述设定的取值表顺序为例，如第一次进入循环时取值90
°
，那么从取值表中第一次出现90
°
后下一个为150
°
，则下一时刻取值为150
°
。
62.如图2所示，在具体应用实施例中，采用上述方法实现电驱动车辆电机电制动的详细步骤为：
63.步骤1：初始化设定a
电机
、k1、k2、t
延迟
、t
堵转
，设定位置取值表为30
°
、90
°
、150
°
、210
°
、270
°
、330
°
，位置取值表顺序配置为：30
°→
90
°→
150
°→
210
°→
270
°→
330
°→
270
°→
210
°→
150
°→
90
°→
30
°
；
64.步骤2：接收上位机指令，判断是否为制动工况，如果是，转入执行步骤3，否则结束控制；
65.步骤3：判断电机当前实际的转速是否为0且持续时间t>t
堵转
，如果为否转入执行步骤4，如果为是转入执行步骤7；
66.步骤4：判断电机当前速度v是否满足v≤k1*v
切换
，如果为否转入执行步骤5，如果为是转入步骤6；
67.步骤5：判断电机实时加速度是否满足a≥a
电机
，如果是，调节制动力使得a<a
电机
，如果a<a
电机
则设定制动力大小为上位机需求的制动力大小，返回执行步骤4；
68.步骤6：切换为转速模式，按转速闭环控制电机的转速，设定转速值为0，并实时接收上位机指令，设定转速闭环的力矩最大值为上位机给定的制动力，如果v>k2*v
切换
，则将控制模式从转速闭环(转速模式)切换为转矩闭环(力矩模式)，返回执行步骤3；
69.步骤7：切换为位置模式，按位置闭环控制电机转子的位置状态，且内环为力矩环，力矩环最大值为力矩给定值，并判断当前位置是否为位置取值表中的值，如果是则设定为下一个位置值，否则设定位置给定为位置取值表中最接近当前实际位置的值，如果v>k2*v
切换
，则将控制模式从位置闭环(位置模式)切换为转矩闭环(力矩模式)。
70.如图3所示，本实施例用于电驱动车辆的电机电制动控制装置包括：
71.力矩模式控制模块，用于车辆进入制动工况时，按照以力矩作为跟随控制目标的力矩模式控制调节电机的制动力矩，以降低电机的转速；
72.转速模式控制模块，用于当电机的速度降低到指定切换阈值时，控制切换为以转速作为跟随控制目标的转速模式，按照转速模式控制电机的转速降为零速；
73.位置模式控制模块，用于当电机的转速为零速持续指定时间后，转入以位置作为跟随控制目标的位置模式，按照位置模式控制电机转子的位置状态。
74.本实施例用于电驱动车辆的电机电制动控制装置与上述用于电驱动车辆的电机电制动控制方法为一一对应，在此不再一一赘述。
75.在另一个实施例中，用于电驱动车辆的电机电制动控制装置还可以为：包括处理器，处理器中存储有可执行的计算机程序，处理器被配置以执行上述电机电制动方法。
76.上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。