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一种电子机械制动系统卡钳夹紧估计方法

申请号 CN202410199172.X 申请日 2024-02-22 公开(公告)号 CN117906821A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 同济大学; 发明人 吴光强; 刘凯; 刘思宇; 谭小强;
摘要 本 发明 公开一种 电子 机械 制动 系统 卡钳夹紧 力 估计方法,通过高斯 滤波器 对 电机 传感器 信号 进行降噪,并通过电机信号进行卡钳状态估计从而判断系统 摩擦力 的方向,最后将卡钳夹紧力视为干扰量,设计卡钳夹紧力观测器进行夹紧力观测。本发明的优点是提出卡钳工况有限状态机,通过设置边界减少卡钳夹紧力的估计 波动 ,提高了卡钳夹紧力的估计 精度 。
权利要求

1.一种电子机械制动系统卡钳夹紧估计方法,其特征在于:包括如下的步骤:
步骤S1:对电机和转角速度信号进行高斯滤波;
步骤S2:对滤波后的电机转角和转角速度信号进行分析,根据电机转角的变化幅度和转角速度的符号,将卡钳划分为正向夹紧、逆向分离和保持状态三种工况;
步骤S3:根据卡钳所处的状态,对电子机械制动系统力矩平衡方程系数进行调整,经卡尔曼滤波观测器对卡钳夹紧力的实时估计,实现电子机械制动系统的精准控制。
2.根据权利要求1所述的电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法,其特征在于:所述步骤S1包括如下的步骤:
步骤S11:所述的电机信号高斯滤波过程如下:
电机转角和转角速度传感器测得电机转角θ和电机转角速度ω,记录下序列[θ(k‑n+1) θ(k‑n+2) ... θ(k)]和[ω(k‑n+1)  ω(k‑n+2) …  ω(k)],则高斯降噪的结果如下:
其中,σ1、σ2分别为转角滤波器和转角速度滤波器的高斯函数标准差;r1、r2分别为转角滤波器和转角速度滤波器的高斯长度,其大小如下:
其中,m1、m2分别为转角滤波器和转角速度滤波器的高斯模板长度。
3.根据权利要求1所述的电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法,其特征在于:所述步骤S2:定义Flag=1代表正向夹紧过程,Flag=0代表保持状态过程,Flag=‑1代表逆向分离过程,定义电机正向转动转角变化量阈值Δθ1和转角速度阈值ω1,电机逆向转动转角变化量阈值Δθ2和转角速度阈值ω2;
①输入电机转角Δθ2≤Δθg(k)≤Δθ1和电机转角速度ωg(k);
②判断降噪后电机转角与正向转动转角阈值:若Δθg(k)>Δθ1,则卡钳处于正向夹紧工况,Flag=1;若Δθg(k)≤Δθ1,执行下步判断;
③判断降噪后电机转角与逆向转动转角阈值:若Δθg(k)<Δθ2,则卡钳处于逆向分离工况,Flag=‑1;若Δθ2≤Δθg(k)≤Δθ1,执行下步判断;
④判断降噪后电机转角速度与正向转动转角速度阈值:若ωg(k)>ω1,则卡钳处于正向夹紧工况,Flag=1;若ωg(k)≤ω1,执行下步判断;
⑤判断降噪后电机转角速度与逆向转动转角速度阈值:若ωg(k)<ω2,则卡钳处于逆向分离工况,Flag=‑1;若ω2≤ωg(k)≤ω1,则卡钳处于保持状态工况,Flag=0;
⑥输出Flag。
4.根据权利要求1所述的电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法,其特征在于:所述电子机械制动系统电机转矩平衡方程为:
Tm=Fγ+Tf+Ti
其中,Tm为电机转矩,F为卡钳夹紧力,γ为传动比,Tf为阻力矩,其值为Tf=Flag·bω,Ti为电机惯性转矩,其值为
T
选取状态量x=[θ  ω] ,控制量u=Tm,干扰量为Fγ,所建立的状态空间方程如下:
其中,
使用欧拉法获得离散状态空间方程:
x(k+1)=Akx(k)+Bku(k)+Mk
其中,Ak=AT+I,Bk=BT,Mk=MT。
所述卡尔曼滤波夹紧力观测如下:
①计算状态估计协方差矩阵:
T
P(k|k‑1)=AkP(k‑1|k‑1)Ak+Q
其中,Q为过程噪声协方差矩阵;
②计算滤波增益矩阵:
其中,R为测量噪声协方差矩阵;
③计算状态观测量:
x(k|k)=x(k|k‑1)+K(k)[z(k)‑x(k|k‑1)]
其中,z(k)为测量状态值;
④计算卡钳夹紧力:
F(k‑1)=[x(k|k)‑Akx(k‑1|k‑1)‑Bku(k‑1)]/γ
⑤计算下一次迭代所需状态及矩阵:
x(k+1|k)=Akx(k|k)+Bku(k)+Mk
P(k|k)=(1‑K(k))P(k|k‑1)
⑥循环上述步骤进行迭代求解。
5.一种计算机系统,包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序,其特征在于:所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
7.一种计算机程序产品,包括计算机程序,其特征在于:该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。

说明书全文

一种电子机械制动系统卡钳夹紧估计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及汽车智能和线控底盘技术领域,特别涉及一种电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法。

背景技术

[0002] 随着智能化和电动化的发展,汽车底盘系统必须配合实现控制功能,从而提高汽车的舒适性和安全性。因此,电子机械制动系统应运而生。
[0003] 电子机械制动系统摒弃了传统液压助力系统的真空助力器,取消了液压管路,大大简化了制动系统的结构,其通过电子踏板产生模拟信号传递给控制系统,实现四轮制动力的精准调控,具有响应快、效率高等优点。
[0004] 但目前电子系统制动技术还不够成熟,由于刹车片处的温度变化复杂、系统磨损等因素,传感器无法实现夹紧力的精准测量,进而影响制动系统的控制精度。这是本申请需要着重改善的地方。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是要提供一种电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法,基于电子机械制动系统电机和转角速度传感器信号,检测卡钳的运动状态,提高了卡钳夹紧力的估计精度。
[0006] 为了解决以上的技术问题,本发明提供了一种电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法,通过高斯滤波器对电机传感器信号进行降噪,并通过电机信号进行卡钳状态估计从而判断系统摩擦力的方向,最后将卡钳夹紧力视为干扰量,设计卡钳夹紧力观测器进行夹紧力观测,包括如下的步骤:
[0007] 步骤S1:对电机转角和转角速度信号进行高斯滤波;
[0008] 步骤S2:对滤波后的电机转角和转角速度信号进行分析,根据电机转角的变化幅度和转角速度的符号,将卡钳划分为正向夹紧、逆向分离和保持状态三种工况;
[0009] 步骤S3:根据卡钳所处的状态,对电子机械制动系统力矩平衡方程系数进行调整,经卡尔曼滤波观测器对卡钳夹紧力的实时估计,实现电子机械制动系统的精准控制。
[0010] 本发明的优越功效在于:
[0011] 1)高斯滤波器对电机传感器信号进行降噪,提高卡钳夹紧力的估计精度;
[0012] 2)本方法发明提出一种卡钳工况有限状态机,通过设置边界,减少卡钳夹紧力的估计波动,同时将卡钳夹紧力视为干扰量,避免了对夹紧力的非线性特性进行建模分析,从而提高了卡钳夹紧力的估计精度。附图说明
[0013] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0014] 图1本发明具体实施例的夹紧力估计系统结构示意图;
[0015] 图2本发明具体实施例的转角传感器信号滤波图;
[0016] 图3本发明具体实施例的卡钳工况有限状态机图;
[0017] 图4本发明具体实施例的卡钳夹紧力估计图。

具体实施方式

[0018] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0019] 图1示出了本发明具体实施例的夹紧力估计系统结构示意图。本发明提供了一种电子机械制动系统卡钳夹紧力估计方法,电机转角和转角速度传感器测得当前电机转角和转角速度,并通过高斯滤波器进行信号噪声滤波,之后卡钳状态估计器根据降噪后的转角和转角速度信号判断卡钳处于正向夹紧、逆向分离或保持状态工况,最后经卡尔曼滤波观测器实现卡钳夹紧力的实时估计,以实现电子机械制动系统的精准控制;具体步骤如下:
[0020] 步骤S1:对电机转角和转角速度信号进行高斯滤波;
[0021] 步骤S11:所述的电机信号高斯滤波过程如下:
[0022] 电机转角和转角速度传感器测得电机转角θ和电机转角速度ω,记录下序列[θ(k‑n+1) θ(k‑n+2) … θ(k)]和[ω(k‑n+1)  ω(k‑n+2) …  ω(k)],则高斯降噪的结果如下:
[0023]
[0024]
[0025] 其中,σ1、σ2分别为转角滤波器和转角速度滤波器的高斯函数标准差;r1、r2分别为转角滤波器和转角速度滤波器的高斯长度,其大小如下:
[0026]
[0027]
[0028] 其中,m1、m2分别为转角滤波器和转角速度滤波器的高斯模板长度,如图2所示;
[0029] 步骤S2:对滤波后的电机转角和转角速度信号进行分析,根据电机转角的变化幅度和转角速度的符号,将卡钳划分为正向夹紧、逆向分离和保持状态三种工况;
[0030] 定义Flag=1代表正向夹紧过程,Flag=0代表保持状态过程,Flag=‑1代表逆向分离过程,定义电机正向转动转角变化量阈值Δθ1和转角速度阈值ω1,电机逆向转动转角变化量阈值Δθ2和转角速度阈值ω2;所述的卡钳状态估计流程如图3所示:
[0031] ①输入电机转角Δθ2≤Δθg(k)≤Δθ1和电机转角速度ωg(k);
[0032] ②判断降噪后电机转角与正向转动转角阈值:若Δθg(k)>Δθ1,则卡钳处于正向夹紧工况,Flag=1;若Δθg(k)≤Δθ1,执行下步判断;
[0033] ③判断降噪后电机转角与逆向转动转角阈值:若Δθg(k)<Δθ2,则卡钳处于逆向分离工况,Flag=‑1;若Δθ2≤Δθg(k)≤Δθ1,执行下步判断;
[0034] ④判断降噪后电机转角速度与正向转动转角速度阈值:若ωg(k)>ω1,则卡钳处于正向夹紧工况,Flag=1;若ωg(k)≤ω1,执行下步判断;
[0035] ⑤判断降噪后电机转角速度与逆向转动转角速度阈值:若ωg(k)<ω2,则卡钳处于逆向分离工况,Flag=‑1;若ω2≤ωg(k)≤ω1,则卡钳处于保持状态工况,Flag=0;
[0036] ⑥输出Flag;
[0037] 步骤S3:根据卡钳所处的状态,对电子机械制动系统力矩平衡方程系数进行调整,经卡尔曼滤波观测器对卡钳夹紧力的实时估计。
[0038] 所述电子机械制动系统电机转矩平衡方程为:
[0039] Tm=Fγ+Tf+Ti
[0040] 其中,Tm为电机转矩,F为卡钳夹紧力,γ为传动比,Tf为阻力矩,其值为Tf=Flag·bω,Ti为电机惯性转矩,其值为
[0041] 选取状态量x=[θω]T,控制量u=Tm,干扰量为Fγ,所建立的状态空间方程如下:
[0042]
[0043] 其中,
[0044] 使用欧拉法获得离散状态空间方程:
[0045] x(k+1)=Akx(k)+Bku(k)+Mk
[0046] 其中,Ak=AT+I,Bk=BT,Mk=MT。
[0047] 所述卡尔曼滤波夹紧力观测如下:
[0048] ①计算状态估计协方差矩阵:
[0049] P(k|k‑1)=AkP(k‑1|k‑1)AkT+Q
[0050] 其中,Q为过程噪声协方差矩阵;
[0051] ②计算滤波增益矩阵:
[0052]
[0053] 其中,R为测量噪声协方差矩阵;
[0054] ③计算状态观测量:
[0055] x(k|k)=x(k|k‑1)+K(k)[z(k)‑x(k|k‑1)]
[0056] 其中,z(k)为测量状态值;
[0057] ④计算卡钳夹紧力:
[0058] F(k‑1)=[x(k|k)‑Akx(k‑1|k‑1)‑Bku(k‑1)]/γ
[0059] ⑤计算下一次迭代所需状态及矩阵:
[0060] x(k+1|k)=Akx(k|k)+Bku(k)+Mk
[0061] P(k|k)=(1‑K(k))P(k|k‑1)
[0062] ⑥循环上述步骤进行迭代求解。
[0063] 本发明主要针对配备电子机械制动系统的智能线控底盘车辆,提出了一种利用电机传感器信号进行的卡钳夹紧力估计的卡尔曼滤波观测器,同时提出高斯滤波和卡钳有限状态机方法以改善估计结果,本发明的夹紧力估计方法为电子机械制动系统的智能控制提供有益帮助。
[0064] 以上所述仅为本发明的优先实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。