趙靜，郭斌，孫正，范偉軍

基于ADRC算法的Ibooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)*

趙靜1，郭斌2，孫正2，范偉軍2

（1.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018）

電子助力器的性能直接影響制動力的傳遞效率，為此，設計了一套針對電子助力器綜合性能的自動化檢測系統(tǒng)。參考汽車行業(yè)標準中對真空助力器的檢測要求與檢測方法，制定出針對電子助力器的各測試項及性能指標，設計了包含電缸加載系統(tǒng)、測控管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試臺架，以及檢測軟件。利用ADRC控制算法對電缸加載系統(tǒng)進行控制，有效縮短電缸加速時間，實現(xiàn)小位移高速度的電缸加載，實驗表明該算法滿足系統(tǒng)電缸高速加載需求。最后選用某一電子助力器產品進行多次綜合性能測試，測試結果滿足系統(tǒng)檢測重復性的要求。

電子助力器；綜合性能；ADRC；檢測系統(tǒng)

前言

助力器是汽車制動系統(tǒng)中的重要機械部件[1]。在傳統(tǒng)的燃油汽車中，制動助力機構選用真空助力器，其體積龐大，安裝不便，且需要燃油發(fā)動機對其提供真空源。而目前國家大力發(fā)展新能源汽車產業(yè)，混合動力車與純電動車越來越多地出現(xiàn)在普通市民的家庭。由于電動車無法提供真空源，使得電動車的制動成為了難題，電子助力器的出現(xiàn)才解決了新能源汽車的制動問題[2]。目前國內自主設計的電子助力器依舊處于研究開發(fā)階段，其物理結構與工作特性仍在優(yōu)化當中[3]，對電子助力器的綜合性能檢測目前還沒有相對完善的系統(tǒng)與設備。

IBooster電子助力器[4]是德國博世公司研發(fā)生產的一款擺脫真空源限制的機電伺服助力機構，它能夠廣泛應用于所有動力系統(tǒng)的汽車，特別是在新能源汽車上，并能夠縮短汽車制動距離，進一步提高安全性[5]。IBooster電子助力器在2019年7月才在中國引進，國內對其性能檢測的平臺尚處于起步階段[6]。

根據(jù)以上情況，本文提出了一套IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)為杭州沃鐳智能科技股份有限公司自主研發(fā)。本文參考真空助力器的檢測規(guī)范[7]，確定IBooster電子助力器綜合性能測試系統(tǒng)的測試項目，對電子助力器的綜合性能進行具體的檢測方案設計。并采用ADRC控制算法[8]對電缸加載運動進行控制，有效縮短了電缸的加速時間，實現(xiàn)了小位移高速度的電缸加載。選用某一電子助力器產品進行多次測試，記錄測試曲線與測試數(shù)據(jù)，測試結果滿足系統(tǒng)檢測重復性的要求。

1 系統(tǒng)設計

通過性能測試項目設計與測試需求分析，本文中IBoos -ter電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)需要先后完成真空注油、泵循環(huán)注油、正壓注油、IBooster電子助力器綜合性能檢測、氣洗排油等操作與測試。參考各國家標準以及汽車生產廠商的行業(yè)標準，我們制定出各個測試項以及性能指標，主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)主要技術參數(shù)匯總表

1.1 系統(tǒng)硬件設計

IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)硬件設計主要包含以下幾個部分：電缸加載系統(tǒng)設計、測控管路系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設計等。

1.1.1 電缸加載系統(tǒng)

電缸加載系統(tǒng)主要用于模擬實車情況下踩踏制動踏板的制動過程，電缸需要提供足夠的加載與卸載速度，滿足輸入力的試驗需求，完成制動踏板的加載與卸載動作，并通過位移傳感器與力傳感器檢測電缸輸入端的物理量實時情況。電缸加載系統(tǒng)如圖1所示。

1.力傳感器; 2.輸入導向桿; 3.快速安裝板拉桿; 4.實車踏板; 5.被測件;

1.1.2 測控管路系統(tǒng)

系統(tǒng)的測試管路主要包含真空注油管路、儲液管路、測試管路、氣洗管路等。本文設計的測控管路整體情況如圖2所示。

1.真空源; 2.氣源; 3-7-24.兩位三通電磁閥; 4.真空傳感器; 5.儲氣罐;

6-20.手球閥; 8-9-11-23-25-26.兩位兩通電磁閥; 10.氣動隔膜泵;

12-14-29-32.零泄漏閥; 13-15.實車模擬負載; 16-17-27-30.氣動隔膜閥; 18-19.大量程液壓傳感器; 21.儲液罐(含濾芯); 22.油霧分離器;

28-31.小量程液壓傳感器

圖2 測控管路系統(tǒng)圖

1.1.3 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊與外部供電模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡、CAN通信卡、各類傳感器、信號轉換電路等，其主要功能是采集傳感器反饋的模擬量數(shù)據(jù)信號與伺服電缸及被測樣件電控單元反饋的報文信息，控制電磁閥、電氣比例閥等元器件的工作狀態(tài)。外部供電模塊包括線性電源、開關電源、可編程電源等，分別負責給傳感器、電磁閥、電子助力器被測樣件等提供電力。

1.1.4 總體臺架

本文設計的IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)臺架采用柜式布局，采用鋁合金框架結構搭建，包含上述電缸加載系統(tǒng)、測試管路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，臺架整體布局如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)臺架實物圖

1.2 系統(tǒng)軟件設計

本文設計的IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)軟件基于LabVIEW編程語言開發(fā)。系統(tǒng)軟件界面包括產品主程序界面、測試界面、參數(shù)設置界面、手動調試界面、傳感器參數(shù)設置界面等，測試前能夠填寫設置被測件名稱編號等基礎數(shù)據(jù)，實驗過程中可實現(xiàn)動態(tài)顯示條件參數(shù)值和測量參數(shù)值，實驗結束能夠自動導出測試曲線與實驗結果報表，實驗測得數(shù)據(jù)能夠自動保存?？傮w來看該軟件系統(tǒng)人機交互豐富，可保證隨時對測試過程進行調整和干預，實時監(jiān)控測試系統(tǒng)運行狀態(tài)。主程序界面示例如圖4所示。

圖4 主界面示意圖

2 ADRC電缸運動控制算法

實際測試中發(fā)現(xiàn)，電缸加速過程受限于電缸自身加速度數(shù)值與較小的位移行程，當設定電缸加速度較大時，電缸走完加載行程而電缸加載速度尚未達到加載速度的設定目標值，無法滿足試驗設計方案。故本文采用ADRC自抗擾控制算法，使電缸運動加速用時更短，實現(xiàn)較小行程下的快速電缸加載，達到測試系統(tǒng)要求。

2.1 ADRC自抗擾系統(tǒng)建模

自抗擾控制結構框圖如圖5所示，為系統(tǒng)輸入信號，1為過渡信號，2為輸入信號的微分信號，0為矯正信號，為系統(tǒng)控制信號，1為狀態(tài)量觀測信號，2為觀測信號微分信號，3為系統(tǒng)總擾動估計信號，0為系統(tǒng)模型參數(shù)，為系統(tǒng)輸出信號。

圖5 自抗擾控制結構框圖

自抗擾控制器算法如公式（1）所示。

其中兩個非線性函數(shù)（,,）和（1,2,,）的定義分別如公式（2）、公式（3）所示。

2.2 主要參數(shù)整定

2.2.1 跟蹤微分器參數(shù)整定

跟蹤微分器的設計目的在于減少噪聲干擾信號，降低速度超調，減少電動缸加速時間。跟蹤微分器數(shù)學模型可以表示為公式（4）。

式中：是被控系統(tǒng)輸入信號；1是系統(tǒng)輸入信號的快速跟蹤信號；2是對1以積分方式合理提取的微分信息，是的近似微分信號；是跟蹤微分器的采樣周期；是跟蹤速度因子；是濾波因子。

系統(tǒng)需要整定跟蹤速度因子和濾波因子直至獲得電動缸加速時間短、速度穩(wěn)定且超調量小的運動過程。完成跟蹤微分器的參數(shù)整定后，跟蹤速度因子和濾波因子在擴張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋的參數(shù)整定過程中可以持續(xù)使用在跟蹤微分器參數(shù)整定中獲取的數(shù)值。

2.2.2 擴張狀態(tài)觀測器參數(shù)整定

擴張狀態(tài)觀測器數(shù)學模型可以表示為公式（5）。

式中：1為狀態(tài)量觀測信號，2為觀測信號微分信號，3為系統(tǒng)總擾動估計信號，1、2、3是擴張狀態(tài)觀測器的校正增益，（,1,）是非線性函數(shù)，該函數(shù)中，1、2是非線性因子，是非線性函數(shù)誤差，1、2是的指數(shù)，是非線性函數(shù)誤差定義域的區(qū)域寬度。校正增益1、2、3主導控制擴張狀態(tài)觀測器的基本性能，為獲得最佳的擾動補償效果，需要反復調整校正增益1、2、3，使被控伺服電動缸系統(tǒng)內外的總擾動對系統(tǒng)產生的負面影響被基本消除。

由于擴張狀態(tài)觀測器的擾動補償效果影響著自抗擾控制算法的實際使用情況，校正增益1、2、3分別影響著狀態(tài)量觀測估計信號1、觀測估計信號微分信號2、系統(tǒng)總擾動估計信號3。參數(shù)整定過程中，需要適度調整校正增益1、2、3的參數(shù)值，避免太大的增益數(shù)值過度放大被控信號幅值，保證自抗擾控制系統(tǒng)整體運行效果。非線性因子1、2控制著非線性函數(shù)的曲線圖樣，在擴張狀態(tài)觀測器的參數(shù)整定中，使用選取適當?shù)姆蔷€性因子使得1>2[9]。

2.2.3 非線性狀態(tài)誤差反饋的參數(shù)整定

非線性狀態(tài)誤差反饋數(shù)學模型可以表示為公式（6）。

式中：1是系統(tǒng)輸入信號的快速跟蹤信號，2是對1以積分方式合理提取的微分信息，1為狀態(tài)量觀測信號，2為觀測信號微分信號，1、2是非線性狀態(tài)誤差反饋的增益系數(shù)，是非線性狀態(tài)誤差反饋的輸出量，3為系統(tǒng)總擾動估計信號，是補償因子，（,1,）是非線性函數(shù)，該函數(shù)中，3、4是非線性因子，是非線性函數(shù)誤差定義域的區(qū)域寬度。依據(jù)參數(shù)整定經驗可以取3為0.75，4為1.25，小于10[10]。

3 電缸運動控制實驗與系統(tǒng)性能評定

3.1 電缸運動控制實驗

首先依據(jù)控制參數(shù)整定結果以及電缸傳遞函數(shù)等環(huán)境條件，進行ADRC自抗擾控制下的電缸控制系統(tǒng)仿真，仿真結構框圖如圖6所示。

利用simulink軟件中現(xiàn)有的PID仿真控制模塊對典型PID算法下的電缸速度運動控制數(shù)學模型進行建模仿真。

以臺架系統(tǒng)最大需求加載速度200mm/s為目標速度值，分別使用上述的在ADRC、PID控制下的電缸運動控制模型，進行仿真測試。測試結束后，加入電缸實際運動速度變化曲線與仿真測試曲線進行對比，試驗對比結果如圖7所示。圖中實線為實測電缸運動曲線，虛線分別為ADRC、PID算法控制下的電缸運動曲線。由仿真響應曲線對比可得，實測的電缸加載運動曲線在穩(wěn)定加速度的情況下，電缸加速到200mm/s的速度需要0.5s的加速時間。PID控制算法下的電缸需要消耗0.5s的加速時間才能達到200mm/s的電缸速度；而ADRC算法控制下的電缸，從電缸開始加速到實現(xiàn)200mm/s的速度輸出，所需加速時間約為0.3s?？梢?，ADRC控制下的電缸加速時間大大縮短，這為較小距離位移下的高速電缸加載提供了解決方案，使電缸運動控制能夠滿足系統(tǒng)設計需求。

圖6 自抗擾電動缸控制系統(tǒng)仿真結構框圖

圖7 速度設定值仿真響應曲線

基于上述響應曲線分析，選用ADRC自抗擾控制算法對電缸進行控制，電缸仿真運動曲線與實際運動曲線如圖8所示。由曲線對比圖可知，電缸實際運行情況下能夠按照控制算法運動策略進行加載運動，加速到指定運行速度所需時間與仿真情況下基本一致，能夠滿足試驗測試需求。

圖8 電機仿真響應曲線與實測響應曲線

控制電缸加載至被測樣件最大全行程43mm，設置200mm/s的目標速度值，使用ADRC控制算法前后電缸加載位移隨加載時間變化曲線如圖9所示。由圖可得，無算法控制的電缸需要0.464s完成43mm的加載位移，但是此時電缸加載速度僅為1.856m/s，無法達到目標速度值200mm/s；ADRC控制下的電缸只需要0.328s完成43mm的加載位移，此時電缸加載速度已經達到200mm/s，能夠按照既定電缸加載策略進行電缸控制。

圖9 200mm/s時位移隨時間變化曲線

將電缸目標加載速度分別設置為20mm/s、40 mm/s、60 mm/s、80 mm/s、100 mm/s、120 mm/s、140 mm/s、160 mm/s、180 mm/s、200 mm/s，分別記錄加入控制算法前后電缸加載位移達到43mm時電缸運動所用時間。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 算法控制前后不同速度加載到指定位移所需時間統(tǒng)計表

結合電缸運動曲線，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析可得：加入ADRC控制算法后，電缸能夠實現(xiàn)小位移高速度的加載動作，且以相同較大加載速度完成43mm的加載運動時，ADRC控制下的電缸所耗時間較短，電缸加速過程得到優(yōu)化，速度變化曲線平滑無速度突變。當目標加載速度大于60mm/s時，ADRC控制下的電缸加速優(yōu)化效果與目標加載速度成正比，即目標加載速度越大，ADRC算法控制的電缸速度提升越快。

3.2 系統(tǒng)性能評定

使用本文所設計的IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)對某被測樣件進行了一系列的測試。其中，包括輸入輸出性能測試、液壓空行程測試、氣壓靜密封測試、氣壓動密封測試、泄壓時間測試、解耦間隙測試、無助力狀態(tài)性能測試、無輸入力狀態(tài)性能測試、全行程測試、單管路失效測試和主缸帶儲液罐總成密封測試，同時分別測試分析了不同加載速度以及不同環(huán)境溫度對輸入輸出性能的影響。并依據(jù)了GB/T 27418-2017《測量不確定度評定和表示》，結合系統(tǒng)不確定度分析了對檢測系統(tǒng)進行評定，評定結果良好，滿足使用需求。

4 結論

本文主要解決當前汽車生產廠商對于IBooster電子助力器綜合性能檢測的問題?；趥鹘y(tǒng)真空助力器的性能測試基礎，參考相關國家行業(yè)標準以及汽車生產廠商的相關內部測試規(guī)范，設計了一套IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對IBooster電子助力器綜合性能的快速檢測。利用ADRC自抗擾控制算法控制伺服電缸加載速度，對自抗擾控制下的電缸運行模型進行建模與仿真，試驗證明自抗擾算法能夠縮短電缸加速時間，滿足測試系統(tǒng)需求。相較于傳統(tǒng)真空助力器的性能檢測臺架，IBooster電子助力器綜合性能檢測系統(tǒng)能監(jiān)控更多的實時數(shù)值，繪制更多的測試性能曲線，更加穩(wěn)定、可靠、高效地對IBooster電子助力器進行綜合性能檢測。

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Integrated Performance Testing System of Ibooster Electronic Booster Based on ADRC Algorithm*

Zhao Jing1, Guo Bin2, Sun Zheng2, Fan Weijun2

（1.Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co., Ltd., Zhejiang Hangzhou 310018; 2.School of Metrology and Test Engineering, China Jiliang University, Zhejiang Hangzhou 310018）

The performance of the electronic booster directly affects the transmission efficiency of the braking force. There -fore, an automated detection system for the comprehensive performance of the electronic booster is designed. With reference to the testing requirements and testing methods for vacuum boosters in the automotive industry standards, the test items and performance indicators for electronic boosters were formulated, and a test bench including an electric cylinder loading system, measurement and control piping system, and data acquisition system was designed., And detection software. The ADRC control algorithm is used to control the electric cylinder loading system, which effectively shortens the acceleration time of the electric cylinder and realizes the small displacement and high speed electric cylinder loading. Experiments show that the algorithm meets the high speed loading requirements of the system electric cylinder. Finally, a certain electronic booster product is selected for multiple comprehensive performance tests, and the test results meet the requirements of system detection repeatability.

Electronic booster; Comprehensive performance; ADRC; Detection system

A

1671-7988(2020)24-64-05

趙靜（1980-），女，杭州人，在職研究生，工程師，就職于杭州沃鐳智能科技股份有限公司，主要從事汽車零部件智能化技術方向的研究。

U463

A

1671-7988(2020)24-64-05

國家自然科學基金項目（51775530，LGG18E050009）；浙江省公益性技術應用研究計劃（2017C31003）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.022

CLC NO.: U463