基于位置内环控制的电子机械制动系统制动力控制策略研究.pdf

第 卷 年第 期 月.基于位置内环控制的电子机械制动系统制动力控制策略研究杨 磊 汪 枫 杜运哲 臧传相 孙卫兵 张 淦 童 庆(.南京中车浦镇海泰制动设备有限公司 南京 .南京铁道职业技术学院 南京.东南大学 南京)摘 要:本文针对轨道交通用电子机械制动系统的精确力控问题 研究了电子机械制动系统的高动态、高可靠控制方法 基于该制动系统的结构特征和数学模型 提出了一种四闭环制动力控制策略 首先 基于力控制理论建立了系统制动力闭环控制策略 所提出的四闭环制动力控制指力闭环、位置闭环、速度闭环以及电流闭环 使用经典控制理论分析方法 与传统两闭环力控制的控制方法进行了对比 然后 基于线性仿真模型与联合仿真分别对两种控制方法进行了对比 线性仿真与联合仿真表明 四闭环制动力控制的控制方法提高了系统制动力响应的快速性与稳定性 所提出的方法提高了系统的安全性与可靠性 本文所提出的控制方法得到了实验验证关键词:电子机械制动 力控制 联合仿真 比例积分()控制 轨道交通中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:()收稿日期:修回日期:基金项目:江苏省轨道交通控制工程技术研究开发中心开放基金项目()作者简介:杨 磊()男 硕士 高级工程师 研究方向为轨道交通制动系统控制 引 言轨道交通有较高的稳定性、可靠性要求 对维护成本、环保也有一定的要求 因此制动系统的电气化成为必然趋势 目前 主流的制动系统仍采用空气或液压作为系统的动力传输介质 而电动还处 期杨 磊等:基于位置内环控制的电子机械制动系统制动力控制策略研究于应用落地研究阶段 其中电动结构即为电动机有效率高、功率密度高、维护成本低、动稳态性能等优点 因此电机及其驱动系统越来越多的应用于制动系统中电子机械制动系统包括多个结构:电机、滚珠丝杠、制动摩擦盘 系统使用电机作为动力输入通过滚珠丝杠将旋转扭矩转换为直线推力 最终通过杠杆将推力作用于摩擦盘实现制动 系统包含有较多的机械结构 影响控制系统的稳定性、精确性 因此机械结构数学模型的建立是制动力控制器策略设计过程中较大的挑战电子机械制动系统的控制目标是系统制动力的控制 文献使用力传感器实现了力外环、电流内环的双闭环控制方法 文献基于滑模控制器及模糊控制器的组合控制器进行了优化 文献对制动力估计算法进行了研究以增强系统的容错能力 针对电机的力控制理论已经有较多的研究相关力控制算法均基于电机位置控制实现 电机位置控制一般为电流、转速、位置三闭环的级联形式本文所研究的电子机械制动器 其中电机为表贴式永磁同步电机 基于力控制理论 使用四闭环控制算法 提出了四闭环制动力控制策略 实现更快速、准确的制动力控制 基于系统结构 推导其数学模型 从而基于经典控制理论对比分析两种制动力控制方法 仿真与实验结果都表明 所提出的四闭环控制方法可显著提高系统的动态响应速度和稳定性 电子机械制动系统结构与数学模型 电子机械制动系统结构图 为制动系统结构 由电机、滚珠丝杠、杠杆、摩擦盘组成 图 为制动系统控制框图 其中电机驱动器为三相全桥电压型逆变器 电机为表贴式三相永磁体同步电机 电机接机械传动机构将旋转扭矩转变为直线推力 推力作用于杠杆一端 从而驱动另一端夹钳夹住车轮实现制动图 制动系统结构图图 为制动系统的控制框图 使用 控制板采集制动系统信息 并执行控制算法最终输出电机驱动器所需信号图 制动系统的控制框图 数学模型电子机械制动系统主要分为两部分 一部分是电机及其驱动系统 提供制动力来源 另一部分是机械制动/刹车执行机构 实现制动功能 电机系统数学模型电机系统包括电机本体和逆变器 逆变器的数学模型认为是放大倍数为 的比例环节为便于控制算法的设计 电机电磁数学模型均为基于旋转坐标系的模型 如式()、式()所示即电机的电压方程和磁链方程 电磁数学模型说明了电机电压与电流的关系 式()为电机转矩方程即电机机电转换过程的数学模型 说明了电机能转化为机械转矩的过程 式()为电机机械方程 即电机机械模型 说明了电机电磁转矩、负载转矩与电机转速间的关系 ()()()()()式中、分别为定子电压的、轴分量瞬时值、分别为定子电流的、轴分量瞬时值 为定子电阻、分别为定子磁链的、轴分量 为电机电角速度 对于表贴式永磁同步电机、轴电感相等 等于电机定子电感 为永磁体磁链 为电机电磁转矩 为电机极对数 为电机负载转矩 为电机转动惯量 为电机机械角速度 其与电角速度关系为 卷 机械执行机构数学模型机械执行机构包括滚珠丝杠、杠杆和摩擦盘滚珠丝杠将电机的旋转力矩输出转化为直线推力输出 即输入是电机轴的旋转运动 输出是顶杆的直线运动 滚珠丝杠的运动方程如式()所示即为滚珠丝杠的数学模型()其中 为电机机械角位置 为丝杠直线位移为丝杠的导程杠杆平衡时 滚珠丝杠顶杆的末端行程与夹钳摩擦盘行程有式()所示固定的比例关系()式中 为夹钳摩擦盘行程 为杠杆系数摩擦盘接触到车轮后才产生制动力 二者的接触并非严格的刚度接触 通过实验测量得到如式()所示的数值拟合模型 ()式中 为制动力系数 根据实验数据进行标定 为制动力 制动力控制策略根据上节的各环节数学模型 建立如图 所示的控制系统传递函数框图图 控制系统传递函数框图图 中 电机系统的控制为内环控制 可以使用电机电流控制或电机位置控制 使用不同的内环控制会影响力控制器的设计 传统方法为外力环、内电流环的双环控制策略 本文提出的是四闭环力控制策略 简化后的二者对比图如图 所示图 四闭环力控制与双闭环力控制对比 电流内环控制的控制策略当图 中的电机使用电流控制时 控制系统传递函数框图如图 所示图 双闭环控制框图 基于零极点对消的方法 设计基于旋转坐标系的电流控制器:()式中、为控制器的比例、积分系数 设计公式为 ()式中 为电流环设计带宽 对于表贴式电机 可以认为 上述电流环控制器将电流环优化为一阶环节此时力控制器的控制对象包括电机转子以及机械执行机构 由于电机转动惯量较大 无法忽略图中的两个连续的积分环节 因此 比例积分形式的力控制器的控制效果较差 容易出现超调甚至振荡 这对车辆制动系统是不能接受的 因此必须使用较为复杂的优化算法对力控制器进行优化 四闭环控制的控制策略为避免额外使用较为复杂的优化算法 考虑将电流内环控制替换为四闭环控制 即图中的电机系统使用电机位置控制 得到图 所示的控制系统传递函数框图图 中电流控制器与 节的设计方法相同使用零极点对消方法得到比例积分系数 转速控制器仍使用比例积分控制器 如式()所示 期杨 磊等:基于位置内环控制的电子机械制动系统制动力控制策略研究图 四闭环控制框图()其中 比例积分系数的设计使用具有一定抗干扰能力的设计方法 将转速环转变为二阶环节 比例积分系数由式()确定()由于转速与位置间是数学上较为简单的积分关系 位置控制器直接使用比例控制器即可将位置环转变为一阶环节 与 节的电流内环控制的控制策略相比 内环的控制增加了电机转速控制器和位置控制器 两个控制器避免了电机机械模型中的两个积分环节对力控制器的直接影响 使用四闭环后力控制器的控制对象阶数下降 使得制动力控制结果更为快速和稳定 仿真及实验结果本文所研究的制动器中的电机参数如表 所示 由于电机主要工作于堵转状态 因此电机额定转速较低为 /电机额定堵转电流为 本文所研究的制动器中的机械执行机构参数如表 所示表 电机参数参数参数值直流母线电压/极对数/对转子磁链/定子电阻/定子电感/转动惯量/表 机械执行机构参数参数参数值丝杠导程/(/)杠杆系数/制动力系数/(/)仿真分析根据实物参数 分别进行线性仿真分析和非线性联合仿真 对第 节中的两种控制算法进行对比分析 线性仿真在 中搭建仿真模型 使用数学模型来模拟机械系统性能 非线性联合仿真 基于 和 搭建模型在 中对机械部分进行非线性分析 使用 搭建电机控制系统的仿真模型 模型数据与 模型数据实时交互 完成精确的系统级联合仿真 线性仿真图 为线性仿真框图图 线性仿真框图在仿真 时刻给定 的制动力阶跃参考 使用电流内环的控制方法得到的制动力响应曲线与使用四闭环的控制方法得到的制动力响应曲线如 图所示 两种方法的电机转速对比如图 所示 两种方法的电机电流响应如图 所示 卷图 线性仿真制动力响应曲线图 线性仿真电机转速对比图 线性仿真电机电流响应曲线 对比两种方法的力控制结果可以看出 使用电流内环的控制方法时 制动力在达到参考之前有略微的超调和振荡 这是由于力控制环内有两个积分环节导致的 此外 制动力响应的速度低于四闭环的控制方法 这是由于电流内环的控制方法中未对电机的转速进行控制 导致其转速低于额定速 响应较慢 由图 可以看出两种方法在响应过程中的电机转速对比此外 对比两种方法的电机电流响应结果 可以看出 使用电流内环的制动力控制方法时 尽管有电流闭环控制器 但由于在制动器夹钳夹住车轮前系统始终处于空载状态 电机电流不可能升高电流此时处于不可控状态 这也是导致最终系统有振荡的原因之一图()、图()分别为 仿真模型与 仿真模型 与线性仿真不同的是在该 仿真模型中 图()中所示的机械模型为 仿真模型图 与 联合仿真模型使用更接近实际控制对象的 模型进行联合仿真 联合仿真中 模型更精准 更能体现实际电制动夹钳的机械特性 使用电流内环的控制方法得到的制动力响应曲线与使用四闭环的控制方法得到的制动力响应曲线如图 所示由制动力响应曲线可以看出联合仿真与线性仿真结果一致 对于电流内环控制的控制方法 线性仿真中制动力在收敛至参考值前有略微的超调和振荡 而在联合仿真中 制动力振荡过程较长 收敛 期杨 磊等:基于位置内环控制的电子机械制动系统制动力控制策略研究较慢 这是由于联合仿真模型中的机械模型比 节中的数学模型更接近实物系统 从而在仿真过程中体现出了电流内环控制方法导致的振荡现象图 联合仿真制动力响应曲线线性仿真与联合仿真结果均说明了使用力外环、位置内环的四闭环控制优于力外环、电流内环的双闭环控制 实验验证为进一步对比两种控制算法 基于图 所示的实验平台进行制动力控制实验 系统使用基于 为核心控制器开发驱动器图 实验平台由于制动时车轮与摩擦盘有相对运动 力传感器安装在电机侧 测量结果与真实制动力间满足由杠杆平衡约束的固定比例关系 制动力参考值仍取 此时力传感器的测量值应为 图 为使用电流内环控制方法和四闭环控制方法时 制动系统的制动力响应波形 图 为两种控制方法的电机转速波形 图 为两种控制方法的电机 轴电流波形图 实验制动力响应曲线图 实验电机转速曲线 卷图 实验电机电流响应曲线制动力响应实验结果与仿真结果一致 使用四闭环控制方法时 在 内出现了电流、转速未准确控制的情况 因为电机的 /额定转速是指空载转速 此时夹钳与制动盘已经接触并产生制动力 电源已有电流输出 电机系统无法在带载时维持额定转速 结论()基于电子机械制动系统各个结构物理运行原理 确定系统各个环节的数学模型 包括永磁同步电机的电磁模型和机械运动模型 机械执行环节的滚珠丝杠、杠杆和摩擦盘模型()基于系统各个环节的数学模型 说明力外环、电流内环的双闭环制动力控制方法原理 分别设计电流控制器、制动力控制器 从经典控制理论出发 分析力外环、电流内环制动力控制方法使用时出现的振荡与超调的原因()基于系统各个环节的数学模型 设计力外环、位置内环的四闭环控制方法 在不使用额外优化算法的情况下提高制动系统的稳定性与快速性 线性仿真、联合仿真与实验的结果均表明 在制动力的控制算法中 力外环、位置内环的四闭环控制方法优于力外环、电流内环的双闭环制动力控制方法参考文献 吴君良 孙彬 吕枭 等.电机械制动技术研究现状及其在轨道交通领域中的应用展望.科技创新与应用 ():.卢甲华.汽车 系统性能分析与优化.重庆:重庆大学.():.田春 童尧 张本峰 等.列车电机械制动单元匝间短路故障特征提取研究.交通与运输 ():.王传礼 王顺 靳华伟 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