电动助力制动控制方法及其设计仿真方法、设备及介质
阅读说明：本技术 电动助力制动控制方法及其设计仿真方法、设备及介质 (Electric power-assisted brake control method, design simulation method, device and medium thereof ) 是由 魏翼鹰 刘伟 杨寅鹏 史孟颜 邹琳 张晖 赵品 周宸 张亚磊 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本申请涉及电动助力制动控制方法及其设计仿真方法、设备及介质,其方法包括：获取永磁同步电机的运行测量数据,并基于电流预测模型,确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流；根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流,确定成本函数；根据成本函数最小原则,确定最优电压矢量并输出至所述永磁同步电机,以使永磁同步电机输出目标制动转矩,并将目标制动转矩传输至液压系统,以使液压系统产生制动压力。本申请对于永磁同步电机的响应速度快,产生的制动力矩也比较稳定,能够有效提高电动助力制动效果。(The application relates to an electric power-assisted brake control method, a design simulation method, equipment and a medium thereof, wherein the method comprises the following steps: obtaining operation measurement data of the permanent magnet synchronous motor, and determining the predicted current of the permanent magnet synchronous motor under different voltage vectors based on a current prediction model; determining a cost function according to the predicted current of the permanent magnet synchronous motor and a preset reference current; and determining an optimal voltage vector according to a cost function minimum principle, outputting the optimal voltage vector to the permanent magnet synchronous motor so that the permanent magnet synchronous motor outputs a target braking torque, and transmitting the target braking torque to a hydraulic system so that the hydraulic system generates braking pressure. The application has the advantages that the response speed of the permanent magnet synchronous motor is high, the generated braking torque is relatively stable, and the electric power-assisted braking effect can be effectively improved.)
技术领域
本申请涉及汽车制动技术领域，尤其是涉及电动助力制动控制方法及其设计仿真方法、设备及介质。
背景技术
随着汽车电子控制技术的高速发展，汽车也向着“电动化、智能化、网联化、共享化”发展。因此，对汽车的制动系统提出了新的要求。
传统的燃油汽车，采用的制动系统是由真空助力器，制动主缸和制动轮缸组成。在汽车行驶过程中通过发动机来抽取真空，达到真空助力的效果，而近些年新能源汽车的迅速发展，汽车的驱动力并不是由发动起提供，而是由蓄电池加驱动电机提供，因此真空助力器失去了真空源，真空助力器失去了功能。为了替代真空助力器，近些年很多电动汽车采用永磁同步电机来代替真空助力器的真空度，为汽车的制动系统提供助力，永磁同步电机(PMSM)采用永磁体励磁而非励磁绕组，没有励磁电流损耗，效率高，转子发热小，在相同的功率等级下，PMSM体积更小，重量更轻，转子的转矩惯量搞、动态响应快，符合新时代对于制动系统的要求。
基于永磁同步电机的电动助力制动系统，采用的都是传统的PID控制，虽然传统的PID控制能够满足基本的制动效果，但是在制动高效性和稳定性上来说略显不足，还需要进一步改进。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种电动助力制动控制方法及其设计仿真方法、设备及介质，用以解决如何提高电动助力制动控制系统的制动高效性以及稳定性的技术问题。
为了解决上述问题，第一方面，本申请提供一种电动助力制动控制方法，应用于电动助力制动系统，所述电动助力制动系统包括液压系统和永磁同步电机，所述方法包括：
获取永磁同步电机的运行测量数据，并基于电流预测模型，确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流；
根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流，确定成本函数；
根据成本函数最小原则，确定最优电压矢量并输出至所述永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力。
可选的，所述获取永磁同步电机的运行测量数据，并基于电流预测模型，确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流之前，所述方法还包括：
获取踏板力信号，所述踏板力信号包括参考制动转矩；
根据所述参考制动转矩和电机运动方程，确定永磁同步电机的参考电流，所述电机运动方法表示如下：
式中，Te为参考制动转矩；pn为极对数；Ld、Lq分别为永磁同步电机d、q轴定子的电感；ψi为磁链；为永磁同步电机d、q轴定子的参考电流。
可选的，所述确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流之前，所述方法还包括：基于永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，搭建永磁同步电机的电流预测模型。
可选的，所述电流预测模型具体为：
式中，分别是k+1时刻永磁同步电机d、q轴定子电流分量的预测值；分别是k时刻永磁同步电机d、q轴定子电流分量的测量值；分别是k时刻永磁同步电机d、q轴定子轴电压分量的测量值；Ts表示控制周期；ωk表示转子角速度测量值。
可选的，所述成本函数具体为：
其中，J表示成本函数，表示永磁同步电机第k+1时刻的预测电流；id *、iq *表示永磁同步电机的参考电流。
第二方面，本申请提供一种电动助力制动设计仿真方法，应用所述的电动助力制动控制方法，所述仿真方法包括：
基于所述电动助力制动控制方法，搭建预测控制模型；
基于永磁同步电机，搭建电动助力制动系统仿真模型；
根据目标车辆的车辆参数，搭建目标仿真车辆模型；
在线联合仿真：在电动助力制动系统仿真模型中输入踏板力，以输出参考制动转矩；将所述参考制动转矩通过联合仿真接口传输至所述预测控制模型，所述预测控制模型输出目标制动转矩并通过联合仿真接口传输至所述电动助力制动系统仿真模型，以使所述电动助力制动系统仿真模型进行液压制动仿真以输出四个制动轮缸压力信号，并将所述四个制动轮缸压力信号通过联合仿真接口传输至所述目标仿真车辆模型以完成制动仿真测试。
可选的，在仿真分析软件上搭建所述预测控制模型；在工程设计软件上搭建所述电动助力控制系统仿真模型；在车辆动力学软件中，搭建所述目标仿真车辆模型。
可选的，将所述四个制动轮缸压力信号通过联合仿真接口传输至所述目标仿真车辆模型以完成制动仿真测试之后，所述仿真方法还包括：
获取目标仿真车辆模型的仿真测试信息，所述仿真测试信息包括目标仿真车辆模型的制动时间、制动距离以及制动减速度；
根据所述制动时间、制动距离以及制动减速度，绘制制动效果曲线图。
第三方面，本申请提供的一种计算机设备，采用如下的技术方案：
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述电动助力制动控制方法或所述电动助力制动设计仿真方法的步骤。
第四方面，本申请提供的一种计算机可读存储介质，采用如下的技术方案：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述电动助力制动控制方法或所述电动助力制动设计仿真方法的步骤。
采用上述实施例的有益效果是：通过电流预测模型根据永磁同步电机的运行测量数据，预测永磁同步电机在不同电压矢量的下一采样时间的预测电流，并根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流，可以确定成本函数，从而便于对预测电流和参考电流之间的误差进行判断，便于进行循环优化；根据成本函数最小原则，确定出最优电压矢量，并将该最优电压矢量输出至永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力；本实施例的模型预测控制对于永磁同步电机的响应速度快，产生的制动力矩也比较稳定，能够有效提高电动助力制动效果。
附图说明
图1为本申请提供的电动助力制动控制方法的应用场景示意图；
图2为本申请提供的步骤S101一实施例的方法流程图；
图3为本申请提供的关于永磁同步电机的预测控制过程示意图；
图4为本申请提供的电动助力制动设计仿真方法一实施例的方法流程图；
图5为本申请提供的计算机设备一实施例的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理，并非用于限定本申请的范围。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1为本申请提供的电动助力制动控制方法一种实施例的方法流程图，该电动助力制动控制方法应用于电动助力制动系统，电动助力制动系统包括液压系统和电机，该方法包括下述步骤：
S101、获取永磁同步电机的运行测量数据，并基于电流预测模型，确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流；
S102、根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流，确定成本函数；
S103、根据成本函数最小原则，确定最优电压矢量并输出至永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力。
在本实施例中，通过电流预测模型根据永磁同步电机的运行测量数据，预测永磁同步电机在不同电压矢量的下一采样时间的预测电流，并根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流，可以确定成本函数，从而便于对预测电流和参考电流之间的误差进行判断，便于进行循环优化；根据成本函数最小原则，确定出最优电压矢量，并将该最优电压矢量输出至永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力；本实施例的模型预测控制对于永磁同步电机的响应速度快，产生的制动力矩也比较稳定。
在本实施例中，永磁同步电机的运行测量数据包括永磁同步电机d、q轴定子电流分量的测量值，永磁同步电机d、q轴定子轴电压分量的测量值，转子角速度测量值等。
在一实施例中，参照图2，在步骤S101中获取永磁同步电机的运行测量数据，并基于电流预测模型，确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流之前，本实施例的电动助力制动控制方法还包括：
S201、获取踏板力信号，踏板力信号包括参考制动转矩；
S202、根据参考制动转矩和电机运动方程，确定永磁同步电机的参考电流，电机运动方法表示如下：
式中，Te为参考制动转矩；pn为极对数；Ld、Lq分别为永磁同步电机d、q轴定子的电感；ψi为磁链；为永磁同步电机d、q轴定子的参考电流。
在本实施例中，踏板力信号是指汽车制动踏板的踏板力经过弹簧阻尼系统输出的参考制动转矩，该参考制动转矩需要进一步优化以输出永磁同步电机所需的目标制动转矩，在后续步骤中有具体说明。
需要说明的是，在电流环控制模式中，为了获得最大的转矩电流比，将永磁同步电机d轴电流控制默认设置为0，因此设置
在一实施例中，在步骤S101中确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流之前，本实施例的电动助力制动控制方法还包括：基于永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，搭建永磁同步电机的电流预测模型。
具体地，搭建永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型：
式中，ud、uq分别为永磁同步电机的d轴、q轴定子电压分量，id、iq分别为永磁同步电机的d轴、q轴定子电流分量，ψd、ψq分别为永磁同步电机的d轴、q轴定子磁链分量，Rs表示永磁同步电机的相电阻。需要说明的是，同步旋转坐标系是以永磁同步电机的d轴和q轴旋转轴建立的坐标系。
同步旋转坐标系下，三相定子绕组的定子磁链方程如下：
式中，ψf中表示永磁体磁链。
以永磁同步电机的数学模型为基础，建立预测模型：
进一步地，根据一阶欧拉公式，对上两式进行离散，得到如下具体电流预测模型：
式中，分别是k+1时刻永磁同步电机d、q轴定子电流分量的预测值；分别是k时刻永磁同步电机d、q轴定子电流分量的测量值；分别是k时刻永磁同步电机d、q轴定子轴电压分量的测量值；Ts表示控制周期；ωk表示转子角速度测量值。
在一实施例中，步骤S102中，成本函数具体为：
其中，J表示成本函数，表示永磁同步电机第k+1时刻的预测电流；id *、iq *表示永磁同步电机的参考电流。
需要说明的是，成本函数表示每个电压矢量下的预测电流和参考电流之间的实时误差。
参照图3所示的预测控制过程，通过循环优化，并根据成本函数最小原则，当成本函数达到阈值时，说明预测电流和参考电流之间的误差最小，并确定此时的电压矢量为最优电压矢量，将最优电压矢量输出至功率逆变器后，输出至永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力。
区别于现有技术，本实施例通过电流预测模型根据永磁同步电机的运行测量数据，预测永磁同步电机在不同电压矢量的下一采样时间的预测电流，并根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流，可以确定成本函数，从而便于对预测电流和参考电流之间的误差进行判断，便于进行循环优化；根据成本函数最小原则，确定出最优电压矢量，并将该最优电压矢量输出至永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力；本实施例的模型预测控制对于永磁同步电机的响应速度快，产生的制动力矩也比较稳定。
参照图4，本申请还提供了一种电动助力制动设计仿真方法，并应用本实施例的电动助力制动控制方法，该电动助力制动设计仿真方法包括下述步骤：
S401、基于电动助力制动控制方法，搭建预测控制模型；
在一实施例中，在仿真分析软件上搭建预测控制模型，具体地，可以在Matlab/Simulink仿真平台建模及仿真验证；
S402、基于永磁同步电机，搭建电动助力制动系统仿真模型；
在一实施例中，在工程设计软件上搭建电动助力控制系统仿真模型，具体地，可以在Amesim高级工程系统建模软件中，搭建电动助力制动系统仿真模型；
S403、根据目标车辆的车辆参数，搭建目标仿真车辆模型；
在一实施例中，在车辆动力学软件中，搭建目标仿真车辆模型，具体地，可以在Carsim车辆动力学软件中，搭建目标车辆的仿真车型与工况，以实现在线仿真。
S404、在线联合仿真：在电动助力制动系统仿真模型中输入踏板力，以输出参考制动转矩；将参考制动转矩通过联合仿真接口传输至预测控制模型，预测控制模型输出目标制动转矩并通过联合仿真接口传输至电动助力制动系统仿真模型，以使电动助力制动系统仿真模型进行液压制动仿真以输出四个制动轮缸压力信号，并将四个制动轮缸压力信号通过联合仿真接口传输至目标仿真车辆模型以完成制动仿真测试。
需要说明的是，可以在Amesim高级工程系统建模软件中采用物理模型图形化建模方式搭建电动助力制动系统模型，Amesim平台界面主要包括草图、子模型、参数以及仿真四个部分，搭建电动助力制动系统模型的步骤如下：
步骤一：在草图中建立电动助力制动系统的踏板、弹簧阻尼、滚珠丝杠、制动主缸、液压调节模型、制动轮缸等部分，将这些模型部件连接在一起，舍去传统的真空助力器，使用永磁同步电机代替，其控制方法为通过Simulink建立的模型预测控制。
步骤二：在步骤一的基础上，在Amesim子模型界面下选择诸如机械库中的质量、弹簧、阻尼等模块组成弹簧阻尼、滚珠丝杠系统，液压库中的缸体、管路等模块组成制动主缸和制动轮缸等部分。
步骤三：选择好子模型之后，在参数模式写确定电动助力制动系统各个模块的具体参数，如制动轮缸活塞重量、直径，液体的质量，粘度等参数。
步骤四：建立Amesim-Simulink联合仿真的IO接口，在Amesim仿真界面下，将Amesim的仿真数据传输到Simulink中实现联合仿真。
在本实施例中，Carsim作为车辆动力学软件，Carsim软件库中包含了车辆各个组件，各个组件的参数可以根据实际需要进行调整，十分便利；本实施例中搭建目标仿真车辆模型的步骤如下：
步骤一：在Carsim预处理部分设计所需的相关车辆参数，根据实际制动情况搭建模拟仿真工况。
步骤二：在Carsim处理部分建立Carsim-Simulink联合仿真的IO接口，然后便可以将Carsim中的数据传输到Simulink中实现联合仿真。
在本实施例中，在线联合仿真的具体过程如下：在Amesim软件的电动助力制动系统仿真模型中的踏板模块输入踏板力，随后通过传感器输出参考制动转矩，并将参考制动转矩通过Amesim-Simulink联合仿真IO接口传输至预测控制模型，经过模型预测控制，控制永磁同步电机输出电动助力制动系统仿真模型所需的目标制动转矩，并将目标制动转矩通过Amesim-Simulink联合仿真IO接口传输至电动助力制动系统仿真模型的滚珠丝杠，通过滚珠丝杠将旋转运动转换成直线运动，使得制动主缸产生制动主缸压力，并通过液压系统将制动主缸分配给四个制动轮缸，将四个制动轮缸压力信号通过Amesim-Simulink联合仿真IO接口输出至Simulink中，再通过Simulink-Carsim联合仿真接口，将制动轮缸压力输入至Carsim的目标仿真车辆模型中，从而形成一个完整的电动助力制动仿真。
在一实施例中，将四个制动轮缸压力信号通过联合仿真接口传输至目标仿真车辆模型以完成制动仿真测试之后，电动助力制动设计仿真方法还包括：
获取目标仿真车辆模型的仿真测试信息，仿真测试信息包括目标仿真车辆模型的制动时间、制动距离以及制动减速度；
根据制动时间、制动距离以及制动减速度，绘制制动效果曲线图。
具体地，通过Carsim软件的后处理部分实现3D动画，通过动画直观观测车辆的制动效果以及数据曲线变化，具体观测制动时间、制动距离以及制动减速度。
本实施例通过三个软件平台分别搭建电动助力制动系统仿真模型、预测控制模型、目标仿真车辆模型，Amesim软件与Carsim软件分别可以设置与Simulink软件传输数据的IO口，通过IO口进行数据交互，实现联合仿真。联合仿真的结果可以在Carsim的后处理部分进行观察，以此完成电动助力制动系统的模型预测控制及联合仿真平台的搭建，方便研究人员进行仿真实验，缩短研发时间，节约成本，减少设计流程。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本实施例还提供一种电动助力制动控制系统，该电动助力制动控制系统与上述实施例中电动助力制动控制方法一一对应。该电动助力制动控制系统包括数据获取模块、成本确定模块、优化模块。各功能模块详细说明如下：
数据获取模块，用于获取永磁同步电机的运行测量数据，并基于电流预测模型，确定永磁同步电机在不同电压矢量下的预测电流；
成本确定模块，用于根据永磁同步电机的预测电流和预设的参考电流，确定成本函数；
优化模块，用于根据成本函数最小原则，确定最优电压矢量并输出至永磁同步电机，以使永磁同步电机输出目标制动转矩，并将目标制动转矩传输至液压系统，以使液压系统产生制动压力。
关于电动助力制动控制系统各个模块的具体限定可以参见上文中对于电动助力制动控制方法的限定，在此不再赘述。上述电动助力制动控制系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
参照图5，本实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该计算机设备包括处理器10、存储器20及显示器30。图5仅示出了计算机设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器20在一些实施例中可以是计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘或内存。存储器20在另一些实施例中也可以是计算机设备的外部存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器20还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器20用于存储安装于计算机设备的应用软件及各类数据，例如安装计算机设备的程序代码等。存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有计算机程序40。
处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述电动助力制动控制方法或所述电动助力制动设计仿真方法等。
显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器30用于显示在计算机设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。计算机设备的部件10-30通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器10执行存储器20中计算机程序40时实现所述电动助力制动控制方法或所述电动助力制动设计仿真方法的步骤。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现所述电动助力制动控制方法或所述电动助力制动设计仿真方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。