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无刷轮毂电动汽车智能无传感器防抱死制动系统
摘要 - 无刷电机越来越多地用于轮内电动车（EV）的不同设计中。在本文中，提出了用于无刷电机轮内EV的无传感器防抱死制动系统（ABS）。所提出的解决方案省略了在车辆的每个角落安装单独的传统ABS传感器的需要。本文还从理论和实验两方面表明，传统ABS传感器输出电压的一般形式与无刷直流（BLDC） - 电动机反电动势相同。所提出的无传感器系统可通过使用小波信号处理方法的精确车轮速度估计和道路识别来降低车辆的制造和维护成本，并显着提高ABS的性能。对实际的不使用传感器的ABS系统硬件进行了广泛的测试。这些实验表明，所提出的无传感器无刷直流推进器轮速估计的准确度高于商用ABS传感器。此外，将无刷推进的无传感器ABS与有刷直流电机进行了比较，结果表明无刷传感器ABS获得了更好的精度，鲁棒性和可靠性。
关键词：防抱死制动系统（ABS），无刷电机，连续小波变换（CWT），离散小波变换（DWT），电动汽车（EV），轮内技术，再生制动，无传感器ABS。
- 简介
防抱死制动系统（ABS）是现代汽车中至关重要的安全系统。ABS的作用是保持车辆的转向能力，同时尽量减少在紧急制动或具有挑战性的制动情况下车辆的停止距离。在过去的二十年中，为改善传统车辆ABS的性能已经进行了许多尝试。使用先进控制方法的结果表明，传统摩擦制动器的ABS性能接近最佳（参见[1] - [6]及其中的参考文献）。另一方面，最近与电动汽车（EV）ABS设计有关的问题引起了人们的关注[7,8]，轮胎电动汽车ABS的设计问题尚待研究。
在使用轮内设计的EV中，车辆的每个角落都有独立的电机。这些独立的电机为增强车辆控制策略提供了独特的机会[9]。电动汽车每个角落处的电动机器的可用性也为车辆制动系统的设计提供了额外的自由度。一种方法是使用电机的再生反电动势（EMF）来给EV电池再充电并产生再生制动转矩以改善制动系统的性能。然而，在几乎所有现有的电动汽车中，通常在ABS启用期间分离再生制动转矩并且通过摩擦制动转矩完全使车辆减速[10]。 ABS激活过程中的能量收集在经济上不够合理，因为ABS很少激活或仅在很短的时间内激活。额外的再生制动扭矩的引入可能使ABS控制策略复杂化并且危及车辆的安全性。然而，每个轮内电机的再生反电动势仍然可以有效地用于增强轮内EV的ABS。
最近，在文献[11]中引入了无传感器ABS，本文的仿真结果表明，无刷轮内电动车的反电动势可用于实时估算车轮速度并识别道路状况。文献[12]实现了一种精确的车轮速度测量系统，用于车轮内部电刷EV的无传感器ABS。文献[13]对上述无传感器ABS进行了更深入的解释，将无传感器轮速估算结果与实际ABS传感器的测量结果进行了比较。结果表明[11] - [13]中引入的无传感器ABS与ABS传感器相比具有更高的准确性，并且不需要在车辆的每个角落安装单独的ABS传感器。这种方法的假设是，再生反电动势可用于简化和改进ABS的轮速测量部分。这意味着包括其控制器在内的ABS其他部分保持完好，测试已经完成多年并获得法律许可的ABS标准或先进控制策略仍可使用。
上述无传感器ABS仅用于有刷直流电机驱动的轮内Evs。有刷永磁直流电机具有非常简单的动态特性：其反电动势分析非常简单，由于使用电刷进行换向，其效率和维护要求并不理想。另一方面，轮毂电动汽车需要高效率和低维护的电机推进系统。因此，无刷电机逐渐成为几乎所有轮毂电动汽车的首选[8]，[14] - [19]。由于无刷电机的动态性比有刷电机更为复杂，因此它们的反电动势输出明显不同。在本文中，我们研究开发无传感器ABS的无刷电机驱动轮毂电动汽车的可行性，这将显着降低维护和最终成本并简化其设计。我们将展示无刷电机的反电动势，尽管它们的模式复杂，但与商用ABS传感器和使用有刷直流电机的无传感器车轮转速测量相比，它们测量的车轮转速的精度相似（或更好）。
本文的其余部分安排如下。 第二节介绍了传统ABS的现有轮速测量技术。 第III节介绍了带无刷电机推进系统的轮内设计。第IV节介绍了用于无刷轮毂的智能无传感器ABS。在第五节中概述了用于分析反电动势信号的小波方法的基本原理。在第六节中，介绍了实验测试装置和所提出的无传感器ABS用于无刷直流（BLDC）的实际结果，介绍了轮毂，并与用于有刷直流电机驱动轮毂的商用ABS传感器和无传感器ABS相比较。 第七部分总结本文。
- ABS的轮速测量
ABS传感器在ABS中的作用是测量ABS控制器的车轮转速。一个典型的用于轿车的商用ABS传感器如图1所示。ABS传感器由一个齿环（ABS环），一个永磁体和一个绕组（拾取器）组成。 ABS环与车轮以相同的转速旋转。ABS环在永磁体磁场中的旋转运动会在绕组中产生电压。该电压包含车轮转速信息，并用于传统ABS中以估计车轮转速。
图1：商用ABS传感器（由Repco Ltd.制造）用于轿车
ABS传感器绕组附近的磁通量可以建模如下：
(1)
其中phi;0是由ABS传感器的永磁体产生的恒定磁通，n是ABS环中的齿数，theta;是ABS环的位置。 根据法拉第定律，在绕组上感应的电动势为
(2)
其中N是绕组中线圈的数量，是ABS环的角速度。 尽管（2）显示ABS传感器输出电压的振幅和频率都与ABS环的转速成正比，但频率信息通常用于轮速测量。因此，为了进行比较，我们还在实验中使用了频率方法来计算ABS传感器输出的车轮速度
我们将在（理论上在第III部分和在第IV部分的实验中）显示由（2）模拟的传统ABS传感器输出电压的一般形式与BLDC电机反电动势相同。这是ABS传感器冗余设计无刷轮毂电动车的无传感器ABS的重要一步。
- 带无刷推进装置的轮内设计
轮内电动车的设计基于将车辆推进系统转移到车轮上的想法。包括作为其推进系统的单独电动机以及其他重要部件如摩擦制动器和悬架弹簧的组件被称为轮毂。内轮毂的电动机希望具有高效率，小尺寸和低维护要求。永磁无刷（PMBL）电机具有这些特性，主要用于轮毂。
永磁同步电机（PMSM）和BLDC电机是两种具有相同结构的PMBL机器。两台机器所需的磁场都是由带有永磁体的转子产生的，它们与三相电压源连接的电枢绕组位于它们的定子上[20]。PMSM由三相正弦电压供电，而BLDC电动机与直流斩波三相电压源连接。虽然PMSM和BLDC电机的反电动势形状在驱动时不同，但两台机器的反电动势均为正弦形状电压。在本文中，我们使用发电机模式下的无刷电机的反电动势，并且重点在于此后的再生操作模式中的BLDC机反电动势。
ABLDC电机由一个PMSM，一个位置传感器（霍尔效应传感器）和一个逆变器组成，它们以电子方式实现电机换相[21]。图2显示了电子换向无刷直流电机。
BLDC机器A相的等效电路（见图2）如图3所示。在此模型的基础上，A相的电压可表示为
(3)
图2：电子换向无刷直流电机。
图3：BLDC机器的等效电路（A相）。
其中RA和LA是定子相绕组的等效电阻和电感，IA是相A中流动的电流，eA是该相的反电动势。
BLDC机器A相的反电动势电压可以表示为
(4)
其中omega;e和theta;e是转子的电气速度和位置，K是常数。公式（4）表明反电动势的幅度随着速度的增加而增加。这与ABS传感器输出的幅度和车轮转速之间的关系类似。转子电气位置（theta;e）与机械位置（theta;m）相关
(5)
其中Np是转子的极对数。等式（4）和（5）表明，反电动势信号在BLDC转子的每次完整旋转时完成Np个周期。这与ABS传感器的电压和频率之间的关系相似。信号显示在（2）中。
在接下来的部分中，我们将介绍一种智能型无传感器ABS，利用BLDCback-EMF信号中包含的信息，无需在BLDC驱动的轮内EV中安装单独的ABS传感器。
- 智能传感器ABS
BLDC电机控制文献中的“无传感器”一词通常用于表示不需要单独的位置/速度传感器的电机位置/速度控制的方法。文献[22]给出了无刷直流电机位置和速度无传感器控制方法的技术评述。无传感器控制技术也已应用于无刷电机驱动的EV。例如，[15]中提出了一种BLDC电机驱动电动汽车的混合滑模控制方法。尽管ABS的无传感器控制和无传感器轮速测量背后的动机是相似的（即为了消除对位置/速度传感器的需求），但它们的操作是非常不同的。无刷直流电动机无传感器控制方法利用反电动势估算电动机运行模式下的“电流换向点”。然而，无传感器ABS旨在在BLDC作为发电机运行时在ABS激活期间提供连续的轮速估计。
消除ABS传感器的想法源于传统ABS中使用的ABS传感器有几个缺点。作为ABS传感器最重要的组成部分的ABS环比较笨重，传感器的尺寸比典型的传感器大。正如它提到的那样，几个组件（如推进系统，悬架系统和制动系统）应该集成在轮毂的有限空间内。因此，省略ABS传感器为轮内设计节省了关键空间。 ABS环也容易受到灰尘和腐蚀，以及轮毂检查或维修程序。ABS传感器输出对ABS环和传感器永磁体之间的间隙空间很敏感。这个间隙很难调整，并且这个间隙的轻微错位就会影响传感器的输出。将输出信号传输到ABS控制器还需要额外的接线。这个信号也可能受外部干扰的影响。与传统车辆相比，现有的ABS传感器设计时，在电动车轮毂中存在强大的电动机，这意味着一个重要的干扰源可能会使ABS信号失真并使其性能恶化，这是不可避免的。ABS速度测量也容易受到车轮轴承组件中的机械故障以及诸如发生开路/短路和导线电阻变化等电气故障的影响[13]
轮毂电动车的无传感器ABS设计是解决上述问题的方法之一。还应该注意的是，与传统的轮毂相比，轮毂的组装，检查和维护更为复杂和耗时。无传感器ABS简化了轮内电动车的检查和维护程序，并降低了车辆的最终价格和持续维护成本[13]。
使ABS传感器冗余化的一个重要步骤是找到一种方法来估计轮毂中其他可用做轮速的信号。我们之前认为ABS传感器的输出电压与无刷发电机的反电动势电压相似。另外，再生制动转矩在ABS启动期间通常是分离的[10]。这意味着，在ABS激活期间，所有相（包括图2所示的BLDC机器的相A）都是开路的并且每相中的电流为零（例如，在相A中IA = 0）。因此，（3）用于ABS激活可简化为
(6)
公式（6）表明，相A的电压等于BLDC反电动势，并且可以使用相A的电压来估计轮速。
图4：48齿ABS传感器（Repco Ltd.制造）输出和BLDC电机（带8极对）反电动势的比较。
为了显示BLDC反电动势和ABS传感器信号的相似性，我们进行了一个实验，其中商用ABS传感器的ABS环连接到BLDC电动机的转子。记录并比较ABS传感器的输出和所连接的BLDC机器的反电动势。当连接到BLDC电机的转子（具有8个极对）时，商用ABS传感器（具有48个齿）的输出电压如图4所示。该图显示了两个信号的幅度和频率会通常随着轮速的增加而增加。
我们在前面部分展示了ABS传感器和BLDC机器的输出电压的大小和频率都与轮速成正比。还有人提到，目前ABS传感器输出的轮速测量是基于该信号频率的计算（频率法）。ABS传感器的测量分辨率与ABS环中的齿数（通常为48个齿）有关。虽然同样的频率方法也可应用于BLDC反电动势电压以测量ABS激活期间的车轮速度，但集成在轮毂中的BLDC机器必须具有足够的极对（至少24个极对），与ABS传感器相比，具有相同的测量精度和分辨率。
为了克服上述限制，我们建议使用BLDC反电动势信号的幅度并开发一种算法（详见第VI节），该算法使用这种信息来估计ABS激活期间的车轮速度。我们的实验（见第六部分）也确认，通过使用振幅法估算轮速可以将极对数量的限制减至只有两对极点，其中轮速测量精度几乎与ABS传感器测量结果相当。我们还表明，对于具有两个以上极点对的BLDC机器，这种振幅方法的精度显着增加（对于BLDC电机，这不可能使用标准频率方法）。
回顾过去十年的研究文献表明，在实践中，设计额外的信号处理算法以弥补噪声对ABS传感器精度的恶化影响是常见和重要的。例如，在[13]和[23]中研究了ABS中精确车轮速度估计的重要性。作者研究了在存在噪声轮速测量的情况下实际的爆震（开/关）ABS控制器的性能。他们的分析表明，随着轮速估算噪声的功率增加，车辆的停车距离显着增加。因此，为提高ABS的最佳性能，提高轮速估算的准确性至关重要。此外，为了改进使用先进信号处理方法的现有轮速传感器测量，已经进行了多次尝试。在[24]中，基于自适应算法的自适应线增强器（ALE）被用于改善轮速传感器的响应。频率域最小均方自适应滤波器也被用于消除轮速传感器中的噪声，实验结果表明在噪声存在下使用数字信号处理方法非常重要[25]。在[26]中，基于二阶多项式曲线拟合算法的预测算法被提出来估计轮速信号
尽管我们的实验结果表明振幅法能够以与ABS传感器测量相当的准确率估算轮速，但对于少量极对（两极对）所需的精度无法得到保证。为了确保达到所需的精度，还开发了一种使用小波信号处理方法的智能无传感器ABS。这里智能这个
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