基于純電動車電子機械制動系統的永磁同步電機控制

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

（衢州職業技術學院，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點，目前在市面上銷售的大部分純電動車的續駛里程在500公里及以上，因此純電動車非常適合在城市內代步。由于純電動車沒有變速器，因此相對于傳統燃油車和混合動力汽車其結構較為簡單，智造成本低。在行駛過程中由電機直接驅動車輪，起步、加速、減速平順，沒有換檔的頓挫，具有更好的駕乘體驗。傳統燃油車排放的汽車尾氣對生態環境具有一定的負面影響，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口國，石油對外依存度高。汽車工業相對發達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逐漸加大對純電動車的投入，我國對于純電動車的發展同樣非常重視，《中國制造2025》、《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》等政策文件的發布推動著我國汽車行業的發展。截至2021年，我國汽車人均保有量相對于發達國家有較大的差距。綜合考慮我國的市場因素、政策因素、能源結構、對環境的影響及純電動車自身優勢，對純電動車的研究具有重要的意義。

制動系統是車輛的重要組成系統之一，這關系到車輛行駛的安全性。目前應用最多得是真空助力制動系統，其真空助力源由發動機提供。隨著汽車電動化、智能化的發展，動力源由電機替代原有的發動機對汽車進行驅動，電機無法提供真空源，原有的真空助力器不再滿足未來汽車的制動要求，能夠應用在純電動車上的電子機械制動系統是未來的發展方向。電子機械制動系統最主要由電子機械助力器組成，電子機械助力器代替真空助力器實現制動助力，其具有可調踏板制動感覺、主動制動、實現制動能量回收等優點。以博世的iBooster為代表，電子機械制動系統可以耦合人工制動力和電機助力，也可以由電機力單獨實現制動功能，從而能夠實現純電動車的主動制動。電子機械制動系統主要由永磁同步電機提供制動助力，根據制動意圖，控制永磁同步電機的輸出以實現制動助力，從而滿足制動要求。

1 電子機械助力制動系統結構

電子機械助力制動系統是電子機械制動系統的重要組成部分，其主要根據制動踏板信號及整車ECU信號，進行助力控制，提供制動助力作用于制動主缸，從而實現車輛的制動。電子機械制動系統主要由電子機械助力器、制動主缸、液壓管路、制動輪缸等組成。其工作過程是當制動踏板踩下時，電子機械助力器接收到制動踏板的信號，電子機械助力器開始助力，推動主缸推桿。主缸產生液壓力后，制動液通過液壓管路流入制動輪缸，從而在車輪處產生制動力，實現車輛的減速。電子機械助力器的結構如圖1所示，主要由永磁同步電機實現助力，由齒輪副、滾珠絲杠、助力閥體實現力的傳遞。永磁同步電機根據踏板推桿的行程，輸出相應的轉速和力矩。人工制動力與電機助力在反饋盤上耦合，共同作用于主缸推桿，從而推動主缸，實現制動。當實現主動制動時，踏板推桿無作用力，永磁同步電機單獨助力實現制動，其工作過程是車輛ECU接受到傳感器或攝像頭信號，通過CAN總線發出減速控制信號給助力電機控制器，由電機控制器控制助力電機的輸出位移及扭矩，使得電機助力單獨作用于制動主缸上，從而在車輪處產生制動力。為了防止電路等故障影響助力電機工作，從而造成助力失效，車輛無法實現制動功能。電子機械助力器進行了冗余設計，當永磁同步電機失效時，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生主缸制動壓力實現制動，從而保證在電路等故障下的制動系統安全。由于助力扭矩由電機進行控制，對電機的輸出扭矩大小易于控制。因此，當踏板推桿輸入不變，助力電機的負載不變時，調節助力電機的輸出扭矩大小，可以實現不同的制動踏板感覺及助力特性。相較于傳統的真空助力器，電子機械助力器可以通過控制助力電機不斷調節其助力特性，從而能夠滿足不同駕駛者對于不同踏板感覺的需求，在車輛動態駕駛過程中，也可以根據不同行駛工裝，動態調節制動助力特性，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 電子機械助力制動系統結構

2 仿真建模

2.1 永磁同步電機模型

本文采用永磁同步電機具有復雜的非線性，由三相定子繞組和安裝在轉子表面的永磁體組成。假設三相永磁同步電機是理想的電機，做出以下假設：

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ABC三相坐標系轉化為dq軸坐標系，永磁同步電機電流方程、轉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，兩電感可以設為一樣；pn為極對數；ud、uq為d、q軸上的電壓；ωm為電機電角速度；ψf為磁鏈。在simulink中建立永磁同步電機進行仿真模型。

2.2 滾珠絲杠模型

電機輸出轉矩和轉速經過減速機構降速增扭，速比為g，通過滾珠絲杠把減速機構輸出的旋轉動轉化為平移運動。

3 基于制動意圖的電機控制

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

圖2 永磁同步電機控制流程

式中，kp表示比例系數；ki表示積分系數。

由于永磁同步電機采用矢量控制法，需要對三相電進行轉化。利用坐標系變換把dq坐標系變換到ABC坐標系中。電流環控制輸出的電壓經過Park逆變換、Clark逆變換后轉變成三項電壓。首先，采用Park逆變換將dq靜止坐標系轉換到旋轉的αβ坐標系中。其次，采用Clark逆變換將αβ坐標系轉換到ABC靜止坐標系中，最后得到永磁同步電機在ABC軸上的電壓電流，通過SVPWM調制后輸出門信號到電橋對永磁同步電機進行控制。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，在工業上被廣泛應用于電機控制。

4 仿真結果與分析

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

圖3 永磁同步電機速度跟隨

圖4 永磁同步電機輸出扭矩

在初始負載扭矩不變的情況下，電機在0.1秒內速度達到參考轉速，并保持穩定。在0.5秒扭矩發生變化時，轉速在短時間內輕微波動后趨于穩定。電機輸出扭矩同樣在0.1秒內達到負載扭矩，并趨于平穩，在0.5秒時，短時間內發生波動后趨于平穩。轉速和扭矩在初始時波動較大，但持續時間極短。

輸入電機參考位移，通過位置環、速度環、電流環控制，電機輸出位移如圖5所示，紅細線為參考位移，藍粗線為輸出位移，其控制效果較好。

圖5 永磁同步電機位移跟隨

5 總結

本文首先分析了研究電子機械制動系統的重要性及意義，純電動車是汽車智能化、共享化的主要載體。其次對電子機械制動系統結構進行了分析，建立了對電子機械助力器模型，主要建立了永磁同步電機數學模型，對電機進行了分環控制，分別對位移環、速度環、電流環進行PI控制。對電流環PI控制輸出的電壓進行Park逆變換、Clark逆變換，轉變成三項電壓后再采用SVPWM控制方法對電機進行控制。建立滾珠絲杠模型，把助力電機輸出的轉速轉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行驗證，通過輸入轉速、負載和參考位移對電機控制模型進行仿真，結果顯示在本文建立的模型及控制方法下，永磁同步電機的速度、扭矩和位移跟隨情況較好，響應較快，波動時間短。因此，本文對純電動車電子機械助力系統的建模及控制具有較好的效果，對之后后續的研究具有一定的借鑒意義。