劉天洋，余卓平，熊 璐，韓 偉，王婧佳

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

?

集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)防抱死制動(dòng)控制*

劉天洋，余卓平，熊 璐，韓 偉，王婧佳

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

基于一種新型集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，利用優(yōu)化后液壓控制單元中僅有的4個(gè)電磁閥開發(fā)了兩種防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略：安全優(yōu)先式控制和主缸定頻調(diào)壓式控制。搭建了硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，利用集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)硬件，以LabVIEW作為通信平臺(tái)，進(jìn)行MATLAB/Simulink和CarSim的聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的兩種防抱死制動(dòng)系統(tǒng)均可滿足防抱死制動(dòng)的功能要求。其中主缸定頻調(diào)壓式控制在縮短制動(dòng)距離、與電子穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)合方面均優(yōu)于安全優(yōu)先式控制。

集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；硬件在環(huán)仿真

前言

隨著新能源汽車，尤其是電動(dòng)汽車的推廣與普及和車載傳感器與控制器技術(shù)的發(fā)展與完善，汽車對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的要求也不同以往——為滿足電動(dòng)汽車最大化回收制動(dòng)能量的需求，除將電源反接由電機(jī)拖滯制動(dòng)提供一部分制動(dòng)力矩外，還需要另外一種制動(dòng)力可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)來滿足剩余的制動(dòng)力需求；此外，對(duì)于汽車智能化來講，若能使用電子信號(hào)精確控制制動(dòng)系統(tǒng)作用，即可為自動(dòng)緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制等功能提供更多可能性。因此，電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(electro-hydraulic braking system, EHB)便應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸受到汽車零部件供應(yīng)商和科研院所的重視。

不同于目前應(yīng)用較多的泵式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(pump-electro-hydraulic braking system, P-EHB)，集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(integrated-electro-hydraulic braking system, I-EHB)的主動(dòng)建壓裝置與制動(dòng)主缸集成在一起，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過減速機(jī)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)主缸建壓的直線運(yùn)動(dòng)，減小了系統(tǒng)的體積、質(zhì)量，也節(jié)省了成本[1]。例如大陸公司在2013年推出的I-EHB系統(tǒng)MK C1，不僅實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)踏板與制動(dòng)主缸的完全解耦，且擁有體積和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)[2]。

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(anti-lock braking system, ABS)是汽車縱向動(dòng)力學(xué)控制的研究?jī)?nèi)容之一。該系統(tǒng)可阻止車輪在制動(dòng)力矩較大時(shí)出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，同時(shí)現(xiàn)代的ABS系統(tǒng)還具有將車輪在制動(dòng)時(shí)的滑移率保持在最優(yōu)值附近的功能。所以，在ABS系統(tǒng)起作用時(shí)，駕駛員不會(huì)由于前輪抱死而失去對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的控制，而且汽車制動(dòng)距離會(huì)比車輪抱死時(shí)小[3]。

最常見的ABS控制策略是邏輯門限值法[4]。這種方法基于輪速傳感器檢測(cè)到的車輪加減速度值與預(yù)設(shè)的控制閥值進(jìn)行比較，根據(jù)預(yù)設(shè)算法，控制增減壓電磁閥的開閉，從而控制制動(dòng)輪缸增壓、減壓或是保壓，使車輪免于抱死[5]。還有一些學(xué)者考慮到路面附著系數(shù)、車輛制動(dòng)初速度等因素，進(jìn)一步探究了基于邏輯的ABS控制策略[6]。

近年來，對(duì)于ABS控制策略的研究仍然是一個(gè)活躍領(lǐng)域，很多學(xué)者嘗試并提出了基于車輪滑移率的防抱死控制方法：比如PID控制[7]、滑膜變結(jié)構(gòu)控制[8]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制[9-10]等。

文獻(xiàn)[11]中針對(duì)前期提出了的一種I-EHB系統(tǒng)，經(jīng)過硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可輕松地增高或降低系統(tǒng)的液壓力，響應(yīng)速度快，控制精確；且目前該方案已通過自適應(yīng)PID、滑模變結(jié)構(gòu)和摩擦顫振補(bǔ)償?shù)确椒▽?duì)主缸液壓力進(jìn)行精確控制，誤差在2%以內(nèi)。因此進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)液壓控制單元(hydraulic control unit, HCU)，將防抱死制動(dòng)系統(tǒng)原本需要的8個(gè)電磁閥縮減至4個(gè)，每個(gè)制動(dòng)輪缸對(duì)應(yīng)一個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪缸液壓力的控制。

本文中基于優(yōu)化后只有4個(gè)電磁閥的新型HCU，提出了兩種ABS控制策略：安全優(yōu)先式控制和主缸定頻調(diào)壓式控制，并在硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了兩種控制策略的可行性，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，為未來改進(jìn)提出了建議。

1 I-EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文中所采用的I-EHB系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 I-EHB系統(tǒng)方案簡(jiǎn)圖

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板7，踏板位移傳感器8將踏板位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入電子控制單元(ECU)1，由ECU計(jì)算得出駕駛員所需制動(dòng)力矩。ECU輸出信號(hào)傳送到DC/AC，控制電機(jī)4通電運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)5減速后轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)主缸推桿的直線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生制動(dòng)液壓力。與此同時(shí)，電磁閥29上電關(guān)閉，制動(dòng)踏板的位移推動(dòng)次級(jí)主缸9中的制動(dòng)液進(jìn)入踏板感覺模擬器14模擬踏板感覺；電磁閥28上電開啟，通過解耦缸11實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板7與制動(dòng)主缸12運(yùn)動(dòng)解耦，由電機(jī)控制制動(dòng)主缸產(chǎn)生的液壓力。

當(dāng)故障診斷系統(tǒng)診斷出故障信息，電控單元立刻令整個(gè)系統(tǒng)斷電。電磁閥29和27斷電后，次級(jí)主缸內(nèi)的制動(dòng)液在制動(dòng)踏板踩下時(shí)直接回流到儲(chǔ)液罐；電磁閥28斷電后，切斷了解耦缸與儲(chǔ)液罐的液壓通路。當(dāng)駕駛員繼續(xù)踩下制動(dòng)踏板，次級(jí)主缸活塞會(huì)與推桿接觸，加上解耦缸內(nèi)制動(dòng)液的剛性，制動(dòng)踏板的運(yùn)動(dòng)直接傳遞到主缸推桿上實(shí)現(xiàn)建壓制動(dòng)，由傳統(tǒng)液壓制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)急制動(dòng)功能。

I-EHB系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 I-EHB系統(tǒng)實(shí)物圖

在搭建I-EHB系統(tǒng)樣機(jī)時(shí)主要考慮了電機(jī)選型、減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和一體化殼體設(shè)計(jì)等方面，其中以電機(jī)選型最為關(guān)鍵——電機(jī)是該系統(tǒng)的主動(dòng)力源，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到制動(dòng)響應(yīng)和效果。本系統(tǒng)選用了日本Nidec公司額定轉(zhuǎn)矩為5.5N·m的電機(jī)，其控制精度高、動(dòng)態(tài)性好、體積小，但成本較高，控制復(fù)雜。在減速機(jī)構(gòu)方面，本系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，并通過有限元仿真對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，減少了模數(shù)并進(jìn)行大變位，從而降低了體積和質(zhì)量。液壓力傳感器選用上海奇士樂公司的Keller PA-21Y型傳感器。

2 ABS控制器設(shè)計(jì)

作為一個(gè)被控對(duì)象，I-EHB系統(tǒng)非線性較強(qiáng)，并沒有較為合適的線性系統(tǒng)可將其近似擬合等效，從而制定相應(yīng)的控制算法。同時(shí)由于I-EHB系統(tǒng)涉及電氣、機(jī)械、液壓，其復(fù)雜性決定了難以對(duì)其建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型應(yīng)用非線性控制方法[1]。因此，對(duì)I-EHB系統(tǒng)使用基于模型的控制方法實(shí)現(xiàn)輪缸液壓力精確控制難度較大。在設(shè)計(jì)ABS控制器時(shí)，首先考慮應(yīng)用較廣泛的邏輯門限值法。

車輛在濕滑路面或發(fā)生緊急情況制動(dòng)時(shí)，車輪容易因制動(dòng)力超過輪胎與地面的摩擦力而抱死：若后輪發(fā)生抱死，車輛容易發(fā)生側(cè)滑失控；若前輪發(fā)生抱死，會(huì)導(dǎo)致車輛喪失轉(zhuǎn)向能力，從而難以改變行駛方向——這兩種情況均極為危險(xiǎn)。本文中基于所提出的I-EHB系統(tǒng)及其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種ABS控制器，防止上述抱死情況發(fā)生。第一種是安全優(yōu)先式控制算法；第二種是主缸定頻調(diào)壓式控制算法。

2.1 安全優(yōu)先式控制

車輛的制動(dòng)力取決于制動(dòng)器的摩擦力，還受到地面附著系數(shù)的制約。當(dāng)制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力突破輪胎與地面摩擦力的極值時(shí)，輪胎將發(fā)生抱死。因此為了消除車輪抱死傾向，首要考慮的就是將制動(dòng)輪缸內(nèi)的液壓力降低。

基于上述分析，安全優(yōu)先式控制邏輯設(shè)計(jì)以車輪制動(dòng)力降低為首要考慮因素——即當(dāng)4個(gè)車輪中任何一個(gè)車輪需要降低其制動(dòng)輪缸的液壓力時(shí)，ECU都會(huì)向電機(jī)控制器發(fā)送降低電機(jī)力矩的指令，具體控制邏輯如圖3所示。

圖3 安全優(yōu)先式ABS控制邏輯

具體情況處理如下。

(1) 4個(gè)輪缸的壓力都需要降低時(shí)，車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行減壓處理：控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，主缸壓力降低，同時(shí)4個(gè)電磁閥保持開啟狀態(tài)。

(2) 4個(gè)輪缸的壓力都需要增高時(shí)，車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行增壓處理：控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩上升，主缸壓力升高，同時(shí)4個(gè)電磁閥保持開啟狀態(tài)。

(3) 4個(gè)輪缸的壓力都需要保持不變時(shí)，車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行保壓處理，4個(gè)電磁閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

(4) 任意一個(gè)輪缸液壓力需要降低，車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行減壓處理：控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，主缸壓力降低。需要減壓的車輪對(duì)應(yīng)電磁閥打開，其它需要升壓或保壓的輪缸所對(duì)應(yīng)的電磁閥關(guān)閉。因此，有抱死傾向的車輪制動(dòng)力矩降低，其它車輪的制動(dòng)力不變。

(5) 某一個(gè)或幾個(gè)輪缸液壓力需要增加，其余輪缸需要保壓時(shí)，車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行增壓處理：控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩上升，主缸壓力升高。需要升壓的輪缸對(duì)應(yīng)的電磁閥打開，其它需要保壓的輪缸對(duì)應(yīng)的電磁閥關(guān)閉。

(6) 當(dāng)某一個(gè)或幾個(gè)輪缸的制動(dòng)壓力目標(biāo)值變化趨勢(shì)和制動(dòng)主缸的變化趨勢(shì)不一致時(shí)，只需關(guān)閉該輪缸對(duì)應(yīng)的電磁閥。

輪缸液壓力期望值計(jì)算根據(jù)邏輯門限值法演化而來。邏輯門限值法較為簡(jiǎn)單，且控制響應(yīng)速度快，測(cè)量成本低，目前比較成熟的商用ABS產(chǎn)品大多采用這種方法。

車輛制動(dòng)時(shí)，如果整車的行駛速度高于各車輪的線速度時(shí)，輪胎和路面之間將產(chǎn)生滑移，滑移的程度用滑移率表示。

式中：λ為滑移率；vx為車輛速度；ω為車輪角速度；r為車輪半徑。

為每個(gè)車輪的滑移率設(shè)置兩個(gè)門限值A(chǔ)1和A2。當(dāng)車輪滑移率超過門限值A(chǔ)1時(shí)表明該輪缸需要減壓；當(dāng)車輪滑移率小于門限值A(chǔ)2時(shí)表明該輪缸需要增壓。同時(shí)監(jiān)測(cè)車輛速度，當(dāng)車速小于5m/s時(shí)，無論滑移率的值為多少，ABS系統(tǒng)均停止作用。

根據(jù)安全優(yōu)先式ABS控制邏輯，電機(jī)有兩種狀態(tài)：升高轉(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)需要升高轉(zhuǎn)矩時(shí)，增高的轉(zhuǎn)矩值取決于系統(tǒng)增壓時(shí)主缸液壓力的期望值；同理，當(dāng)電機(jī)需要降低轉(zhuǎn)矩時(shí)，降低的轉(zhuǎn)矩值取決于系統(tǒng)減壓時(shí)主缸液壓力的期望值。而主缸液壓力的期望值則通過試驗(yàn)得到，不同附著系數(shù)路面下系統(tǒng)增壓和減壓時(shí)主缸液壓力的期望值不同。

主缸液壓力控制采用課題組已有研究成果，利用分段抗積分飽和PID實(shí)現(xiàn)。PID的參數(shù)整定通過田口方法在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到，誤差控制在2%以內(nèi)。

2.2 主缸定頻調(diào)壓式控制

上文提到的安全優(yōu)先式ABS控制策略具有邏輯簡(jiǎn)單、充分利用主缸液壓力精確控制的優(yōu)點(diǎn)，但該控制策略偏于保守，以避免任何一個(gè)車輪抱死為首要考慮因素——只要4個(gè)車輪中任意一個(gè)車輪需要降低其制動(dòng)輪缸的液壓力，即使其他輪缸需要增壓，電機(jī)仍執(zhí)行降低轉(zhuǎn)矩的命令，無法兼顧需要增壓的輪缸。為改善這一點(diǎn)，提高制動(dòng)效率，提出針對(duì)I-EHB系統(tǒng)的主缸定頻調(diào)壓式控制策略。

這種控制策略需要主缸活塞不停抖動(dòng)，從而使主缸液壓力不停地在某一區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)某一輪缸需要減壓，且此時(shí)該輪缸液壓力大于主缸液壓力，則與該輪缸對(duì)應(yīng)的電磁閥打開，否則關(guān)閉；同理，當(dāng)某一輪缸需要增壓，且此時(shí)該輪缸液壓力小于主缸液壓力，則與該輪缸對(duì)應(yīng)的電磁閥打開，否則關(guān)閉。任一車輪具體控制邏輯如圖4所示，其余車輪同理。

圖4 主缸定頻調(diào)壓式ABS控制邏輯

I-EHB系統(tǒng)的主缸定頻調(diào)壓式控制仍基于邏輯門限值法得到每個(gè)車輪輪缸液壓力的期望值。圖4中的A1和A2即為上文中提到的滑移率控制中的兩個(gè)門限值。

由于實(shí)際中車輛在不同附著系數(shù)路面行駛，對(duì)于制動(dòng)力的需求有很大區(qū)別——路面附著系數(shù)較大時(shí)，車輪與路面的摩擦力極值較大，從而車輪恰好抱死時(shí)的制動(dòng)力較大，反之亦然。由于在高附著系數(shù)路面和在低附著系數(shù)路面行駛時(shí)需要提供給輪缸的液壓力范圍不同，所以在本系統(tǒng)中主缸活塞抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的主缸液壓力范圍在高附和低附兩種路面下也應(yīng)不同。經(jīng)過嘗試，利用正弦信號(hào)作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令的輸入信號(hào)效果最好。而且為更好地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化范圍，從而更好地調(diào)節(jié)主缸液壓力變化范圍，用兩個(gè)正弦信號(hào)疊加作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令的輸入，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)正弦信號(hào)的周期、幅值和相位控制電機(jī)輸出不同轉(zhuǎn)矩。具體電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令模塊設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令模塊設(shè)計(jì)示意圖

3 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證提出的兩種ABS控制策略的有效性，設(shè)計(jì)了硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)，計(jì)算并輸出主缸和輪缸液壓力、車輪滑移率、車速與輪速和制動(dòng)距離等關(guān)鍵參數(shù)，用于對(duì)比和評(píng)估兩種控制策略的控制效果。

3.1 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)

硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)一般由4個(gè)部分組成：實(shí)時(shí)控制平臺(tái)、硬件實(shí)物平臺(tái)、軟件仿真模型和信號(hào)處理系統(tǒng)。本硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 I-EHB硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)

在實(shí)時(shí)控制平臺(tái)方面，上位機(jī)采用了DELL的一臺(tái)工作站，通過以太網(wǎng)與下位機(jī)連接，主要作用是在Windows環(huán)境下通過整車模型實(shí)時(shí)仿真軟件設(shè)置車輛模型，并將該模型下載到下位機(jī)中。下位機(jī)選用美國國家儀器公司的NI PXI 8602型號(hào)的機(jī)箱。

硬件實(shí)物平臺(tái)主要是原創(chuàng)的I-EHB系統(tǒng)所包含的硬件，包括整車控制器、電機(jī)、電機(jī)控制器、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)主缸、液壓控制單元(HCU)、制動(dòng)卡鉗(制動(dòng)輪缸)、液壓管路與線束和主缸輪缸的液壓力傳感器等，還包括穩(wěn)壓電源和配合整車控制器使用的控制板LoadBox。LoadBox幫助將控制算法燒錄到整車控制器中，并接收來自CAN總線上例如制動(dòng)主缸和4個(gè)制動(dòng)輪缸的液壓力等信號(hào)，相當(dāng)于整車控制器與各個(gè)執(zhí)行部件和整車模型之間的中轉(zhuǎn)站。

在軟件方面，整車模型采用CarSim軟件搭建，并使用其Real Time模塊。選取軟件中某款電動(dòng)汽車，關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。整車模型的輸入信號(hào)是4個(gè)輪缸液壓力信號(hào)，輸出信號(hào)則為車速、4個(gè)車輪輪速和制動(dòng)距離。ABS控制算法建模采用MATLAB/Simulink平臺(tái)，其中控制模型主要使用了邏輯判斷模塊。結(jié)合CarSim軟件預(yù)留給MATLAB/Simulink的接口，可方便地設(shè)置好兩款軟件的聯(lián)合仿真。另外采用LabVIEW來實(shí)現(xiàn)處理實(shí)際硬件系統(tǒng)與實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)和上、下位機(jī)之間的通信。

表1 整車模型關(guān)鍵參數(shù)表

信號(hào)處理系統(tǒng)將上述所有部件連接起來，保證所有部件供電穩(wěn)定，部件之間通信可靠且相互之間不受干擾。這里使用CAN通信實(shí)現(xiàn)這一功能。實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的上位機(jī)和下位機(jī)之間通過網(wǎng)線和路由器相連，使用TCP/IP協(xié)議。

整個(gè)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的工作原理如圖7所示。

圖7 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)工作原理圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，分別進(jìn)行了在高附著和低附著路面上無ABS控制、安全優(yōu)先式控制和主缸定頻調(diào)壓式控制的試驗(yàn)，其中設(shè)置低附路面附著系數(shù)為0.2，初始車速為60km/h；高附路面附著系數(shù)為0.8，初始車速為100km/h。試驗(yàn)結(jié)果與分析如下。特別說明的是，由于沒有對(duì)開路面，左右車輪附著系數(shù)相等，所以為使圖形簡(jiǎn)潔明了、線形變化趨勢(shì)清晰易讀，以下試驗(yàn)結(jié)果展示中均只畫出右前輪(FR)和左后輪(RL)在制動(dòng)過程中滑移率超過限定值后的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2.1 無ABS控制試驗(yàn)結(jié)果

在未加入ABS控制時(shí)，在低附著路面上，當(dāng)主缸液壓力達(dá)到3MPa時(shí)4個(gè)車輪就會(huì)發(fā)生抱死；在高附路面上，當(dāng)主缸液壓力達(dá)到120MPa時(shí)4個(gè)車輪就會(huì)發(fā)生抱死。試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 無ABS控制低附路面試驗(yàn)結(jié)果

圖9 無ABS控制高附路面試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可見，從車輛施加制動(dòng)開始4個(gè)車輪均發(fā)生抱死，最終制動(dòng)距離為71.14m。

由圖9可見，從車輛施加制動(dòng)開始4個(gè)車輪均發(fā)生抱死，最終制動(dòng)距離為49.61m。

3.2.2 安全優(yōu)先式ABS試驗(yàn)結(jié)果與分析

施加了安全優(yōu)先式ABS控制之后，在不同路面條件下主缸與輪缸液壓力、滑移率和車速與輪速如圖10和圖11所示。

由圖10可見，從車輛施加制動(dòng)開始車輪均未發(fā)生抱死。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最終制動(dòng)距離為69.37m。

由圖11可見，從車輛施加制動(dòng)開始車輪均未發(fā)生抱死。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最終制動(dòng)距離為58.33m。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看到，ABS安全優(yōu)先式控制在低附和高附兩種路面下均可實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)。低附路面下添加控制后制動(dòng)距離縮短了2.49%；高附路面下添加控制后制動(dòng)距離增加了17.57%。

之所以后者會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)距離增加的現(xiàn)象是因?yàn)锳BS安全優(yōu)先式控制在起作用時(shí)會(huì)不斷給電機(jī)施加階躍信號(hào)，電磁閥動(dòng)作輔助控制。尤其在高附工況下，施加給電機(jī)的階躍信號(hào)幅值較大且頻率較高，而搭建的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)所采用的電機(jī)原本是用于車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，正常情況下不會(huì)處理階躍信號(hào)，響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)矩范圍均十分有限。因此ABS安全優(yōu)先式策略在硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)中常常遇到電機(jī)自保護(hù)不再工作的情況，高附路面下尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致高附路面下盡管實(shí)現(xiàn)了防抱死功能，但是制動(dòng)距離比無控制時(shí)要長(zhǎng)。

3.2.3 主缸定頻調(diào)壓式ABS試驗(yàn)結(jié)果與分析

施加了主缸定頻調(diào)壓式ABS控制之后，在不同路面條件下主缸與輪缸液壓力、滑移率和車速與輪速如圖12和圖13所示。

圖10 安全優(yōu)先式ABS低附路面試驗(yàn)結(jié)果

圖11 安全優(yōu)先式ABS高附路面試驗(yàn)結(jié)果

圖12 主缸定頻調(diào)壓式ABS低附路面試驗(yàn)結(jié)果

圖13 主缸定頻調(diào)壓式ABS高附路面試驗(yàn)結(jié)果

由圖12可見，從車輛施加制動(dòng)開始車輪均未發(fā)生抱死。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最終制動(dòng)距離為66.73m。

由圖13可見，從車輛施加制動(dòng)開始車輪均未發(fā)生抱死。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最終制動(dòng)距離為44.92m。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，主缸定頻調(diào)壓式ABS控制在低附路面下比無控制的制動(dòng)距離縮短了6.20%；在高附路面下比無控制的制動(dòng)距離縮短了9.45%。主缸定頻調(diào)壓式ABS控制在低附和高附兩種路面下均可以實(shí)現(xiàn)防抱死，且制動(dòng)距離均有所縮短。

4 結(jié)論

本文中針對(duì)集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(I-EHB)和精簡(jiǎn)后僅保留4個(gè)電磁閥的液壓控制單元(HCU)，提出并通過硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS)控制——安全優(yōu)先式ABS和主缸定頻調(diào)壓式ABS。從仿真結(jié)果來看，可以總結(jié)歸納如下結(jié)論：

(1) 兩種ABS均可有效避免制動(dòng)過程中由于制動(dòng)力過大造成的車輪抱死現(xiàn)象，從而保證駕駛員對(duì)于車輛的有效控制；

(2) 主缸定頻調(diào)壓式ABS在防抱死功能和減少制動(dòng)距離方面均優(yōu)于安全優(yōu)先式ABS，這主要是因?yàn)榍罢咦饔脮r(shí)電機(jī)保持以一定幅值和頻率做正弦運(yùn)動(dòng)，主要靠4個(gè)電磁閥動(dòng)作實(shí)現(xiàn)防抱死功能，對(duì)電機(jī)性能要求較后者低，因而不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)自保護(hù)導(dǎo)致的失效，在以后的研究中，如果可以提高電機(jī)及電機(jī)控制器的性能，安全優(yōu)先式ABS的表現(xiàn)會(huì)有所提升；

(3) 基于HCU內(nèi)僅有4個(gè)電磁閥的情況，從將ABS功能與電子穩(wěn)定程序(ESC)結(jié)合的角度考慮，主缸定頻調(diào)壓式控制同樣優(yōu)于安全優(yōu)先式控制——安全優(yōu)先式控制無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)每個(gè)制動(dòng)輪缸液壓力的精確控制，而主缸定頻調(diào)壓式卻可以實(shí)現(xiàn)。

[1] 余卓平,徐松云,熊璐,等.集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)魯棒性液壓力控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,51(16):22-28.

[2] FEIGEL H J. Integrated brake system without compromises in functionality[J]. ATZ Worldwide,2012,114(7-8):46-50.

[3] RAJAMANI R. Vehicle dynamics and control[M]. New York: Springer Science & Business Media,2011:126.

[4] BAUER H, CYPRA A, BEER A, et al. Bosch automotive handbook[J]. Robert Bosch Gmbh,1996,4.

[5] KIENCKE U, NIELSEN L. Automotive control systems: for engine, driveline, and vehicle[J]. Measurement Science and Technology,2000,11:1828-1830.

[6] GUNTUR R R, OUWERKERK H. Adaptive brake control system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,1972,186(1):855-880.

[7] JIANG F, GAO Z. An application of nonlinear PID control to a class of truck ABS problems[C]. IEEE Conference on Decision and Control. IEEE; 1998,2001,1:516-521.

[8] 李開春,朱偉興.光滑滑?？刂圃谄嚪辣乐苿?dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(26):242-244.

[9] MAUER G F. A fuzzy logic controller for an ABS braking system[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems,1995,3(4):381-388.

[10] 郭孔輝,王會(huì)義.模糊控制方法在汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù),2000(3):7-10.

[11] 熊璐,徐松云,余卓平.基于顫振補(bǔ)償?shù)碾娮右簤褐苿?dòng)系統(tǒng)液壓力優(yōu)化控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(12):100-106.

Anti-lock Braking Control for Integrated Electro-hydraulic Braking System

Liu Tianyang, Yu Zhuoping, Xiong Lu, Han Wei & Wang Jingjia

SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

Two control strategies for anti-lock braking system (ABS), safety preference control and master cylinder constant-frequency pressure regulation control, are developed based on a novel integrated electro-hydraulic braking system (I-EHB) and utilizing four solenoid valves in optimized hydraulic control unit. A hardware-in-the-loop simulation platform is constructed and utilizing I-EHB hardware with LabVIEW as communication platform, a co-simulation with MATLAB/Simulink and CarSimand is conducted. The results show that two ABS designed both meet its functional requirements, in which master cylinder constant-frequency pressure regulation control is superior to safety preference control in shortening braking distance and combination with electronic stability control.

integrated electro-hydraulic braking system; ABS; hardware-in-the-loop simulation

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.007

*國家自然科學(xué)基金(51475333)資助。

熊璐，教授，E-mail:xionglu.gm@gmail.com。

原稿收到日期為2016年8月22日，修改稿收到日期為2016年9月22日。