劉曉輝，于良耀，鄭 晟，盧正弘，宋 健

（清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

為適應(yīng)汽車智能化、電動(dòng)化與網(wǎng)聯(lián)化的要求，汽車制動(dòng)系統(tǒng)也在向線控化發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的電子助力器。電子助力器作為智能汽車底盤核心零部件之一，不僅可以滿足智能汽車對(duì)自適應(yīng)巡航（ACC）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）、自動(dòng)泊車和自動(dòng)無人駕駛等方面的功能要求，還可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)和高冗余的車輛穩(wěn)定性控制。

制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）的作用是在車輛制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制制動(dòng)器制動(dòng)力的大小，使車輪不被抱死，處于邊滾邊滑（滑移率在20%左右）的狀態(tài)，以保證車輪與地面的附著力在最大值。隨著智能底盤與電子助力器的應(yīng)用，當(dāng)傳統(tǒng)的ABS 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電子助力器可以控制伺服電機(jī)對(duì)制動(dòng)主缸液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制車輪滑移率，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的冗余ABS功能。基于電子助力器實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)冗余ABS 功能主要須解決兩個(gè)問題：制動(dòng)主缸液壓力的精準(zhǔn)控制和快速響應(yīng)、制動(dòng)防抱死控制。

于良耀、王治中、Panzani 基于制動(dòng)總泵液壓力和活塞推桿位移為雙控制變量的閉環(huán)反饋，提出比例-積 分-微 分（proportional-integral-derivative，PID）的控制算法。王治中等采用增益式PI 控制算法對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)總泵液壓力進(jìn)行控制。Leiber 等采用模型預(yù)測(cè)算法對(duì)制動(dòng)總泵液壓力進(jìn)行控制。余卓平等采用田口方法+分段比例-積分的控制算法對(duì)EHB 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主缸制動(dòng)壓力的控制進(jìn)行了研究，采用比例-積分-微分、滑模變結(jié)構(gòu)、模型預(yù)測(cè)等控制算法，對(duì)EHB 線控制動(dòng)系統(tǒng)的主缸活塞位移進(jìn)行閉環(huán)控制，利用液壓系統(tǒng)的PV特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)制動(dòng)總泵壓力的間接控制。部分學(xué)者基于前饋和反饋同時(shí)控制其開發(fā)的電子伺服制動(dòng)系統(tǒng)（electric servo braking system，ESB）的制動(dòng)總泵液壓力。德爾福公司在電機(jī)內(nèi)部加裝傳感器，通過對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，間接對(duì)EHB 系統(tǒng)制動(dòng)總泵液壓力的控制進(jìn)行了研究，采用切換控制和串級(jí)控制算法，對(duì)制動(dòng)總泵液壓力和制動(dòng)總泵活塞推桿位移同時(shí)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)EHB 系統(tǒng)液壓制動(dòng)力的控制。以上研究在液壓力控制過程中關(guān)于輸入頻率、建壓抖動(dòng)和遲滯等問題方面還有改善空間。

博世公司通過電子助力制動(dòng)系統(tǒng)（iBooster）和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESP）的配合，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)、制動(dòng)能量回收和冗余ABS 控制等功能。熊璐等基于電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的線控和解耦特性，以四輪均不抱死為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)冗余ABS控制功能。陳志成等基于電控助力制動(dòng)級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死控制策略，并初步實(shí)現(xiàn)了冗余ABS 防抱死功能。Zhao等提出一種基于電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)（EHB）的車輪滑移率控制方法，通過最優(yōu)控制算法實(shí)現(xiàn)四輪制動(dòng)壓力的分配和控制。孫凱基于線性參數(shù)化制動(dòng)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)了一種靜態(tài)反饋魯棒ABS 控制器，對(duì)于道路附著系數(shù)和車速的變化具有較好的魯棒性。上述研究大多關(guān)注在冗余ABS 功能的實(shí)現(xiàn)，并未將車輛制動(dòng)強(qiáng)度和制動(dòng)舒適性放在優(yōu)化目標(biāo)內(nèi)。

本文中針對(duì)傳統(tǒng)ABS 功能失效的情況（電機(jī)失效、開關(guān)閥無法關(guān)閉），基于自主設(shè)計(jì)的半解耦式電子助力器，對(duì)冗余ABS控制算法展開研究。首先，對(duì)eBooster進(jìn)行精準(zhǔn)液壓力控制研究，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)主缸液壓力的精準(zhǔn)控制和快速調(diào)整；然后，建立eBooster、冗余ABS、輪胎和整車等數(shù)學(xué)模型；最后，在試驗(yàn)車（哈弗H6）上完成冗余ABS控制算法的驗(yàn)證。

1 整車模型

在車輛穩(wěn)定性控制中，根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模型來計(jì)算合理的反饋控制增益是提升車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的必要步驟。綜合考慮模型解算的復(fù)雜性和計(jì)算精度，選用四輪車輛模型，該模型忽略了車輛的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。相比于兩輪“Bicycle”模型，使用四輪車輛模型可以通過垂向載荷的變化來計(jì)算每個(gè)車輪的速度及滑移率，并得到各個(gè)車輪的方向及側(cè)偏角，而這些參數(shù)都與輪胎特性有關(guān)，且便于本文所選用的Dugoff 輪胎模型的計(jì)算，可以提升車輛動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

1.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

整車模型如圖1 所示，其中F表示各個(gè)車輪的縱向力，F表示各個(gè)車輪的側(cè)向力，表示前軸中心與質(zhì)心間的縱向距離，表示后軸中心與質(zhì)心間的縱向距離，表示前后軸軸距，表示單側(cè)車輪與質(zhì)心間的橫向距離，v表示車輛坐標(biāo)系下的縱向速度，v表示車輛坐標(biāo)系下的橫向速度，α表示各個(gè)車輪的側(cè)偏角，表示車輛的質(zhì)心側(cè)偏角，表示整車質(zhì)量。

圖1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛的縱向、橫向以及橫擺動(dòng)力學(xué)方程為

車輛基于大地坐標(biāo)系的橫向/縱向速度及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

式中：v表示大地坐標(biāo)系下車輛的縱向速度；v表示大地坐標(biāo)系下車輛的橫向速度；（X，Y）表示大地坐標(biāo)系下車輛的實(shí)際位置。雖然在模型搭建過程中忽略了側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)，但考慮到車輛載荷轉(zhuǎn)移對(duì)輪胎的動(dòng)力學(xué)特性影響較大，仍然需要對(duì)4 個(gè)車輪的受力情況進(jìn)行分析，可以得到如下4 個(gè)車輪的載荷變化：

式中：F表示各個(gè)車輪的垂向載荷；a表示車輛在車身坐標(biāo)系下的縱向加速度；a表示車輛在車身坐標(biāo)系下的側(cè)向加速度。在本文所進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制策略研究過程中采用了前驅(qū)車輛作為研究對(duì)象，因此可以得到如下4個(gè)車輪的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：ω表示各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速；表示車輪半徑；表示車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；p表示各個(gè)車輪的輪缸壓力；表示由輪缸壓力轉(zhuǎn)換為制動(dòng)力矩時(shí)的壓力力矩系數(shù)；表示根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化得到的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩。

1.2 輪胎模型

在當(dāng)前有多種輪胎模型可以用于車輛的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制，例如線性輪胎模型、Magic Formula輪胎模型、統(tǒng)一半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型和Dugoff輪胎模型等。由于本文研究目的之一是拓展車輛的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制范圍，一旦輪胎側(cè)向力達(dá)到飽和，車輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性將具備明顯的非線性特征，此時(shí)就難以使用簡單的線性輪胎模型。相比于其他輪胎模型，Dugoff輪胎模型在考慮了輪胎橫向/縱向動(dòng)力學(xué)特性的同時(shí)，由于其公式簡潔使計(jì)算量較小，相關(guān)變量便于通過傳感器獲得，且對(duì)輪胎參數(shù)依賴度低，極大地便利了工程應(yīng)用。因此采用Dugoff輪胎模型來進(jìn)行輪胎力的估算，其縱向/橫向輪胎力可通過如下公式獲得：

式中：R表示車輪半徑；σ表示輪胎滑移率，下標(biāo)=1，2 分別表示前后輪胎，下標(biāo)=1，2 分別表示左輪胎和右輪胎。4個(gè)車輪的側(cè)偏角計(jì)算公式為

式中：為輪胎轉(zhuǎn)角；為輪胎側(cè)偏角；為車輛橫擺角。

在車輪載荷不變的情況下，通過Matlab 仿真測(cè)試了輪胎在組合滑移條件下的側(cè)向力特性。此外，還探討了兩種不同的路面摩擦因數(shù)對(duì)輪胎側(cè)向力特性的影響，道路摩擦因數(shù)分別為0.2 和0.8。圖2 為Dugoff 輪胎模型縱向/側(cè)向力與滑移率/側(cè)偏角之間的關(guān)系。結(jié)果表明，滑移率不同時(shí)，輪胎縱向/側(cè)向力的特性有很大的不同。如果輪胎的側(cè)向滑移角和滑移率出現(xiàn)變化，也會(huì)使輪胎的縱向/側(cè)向力產(chǎn)生較大的變化，因此在研究輪胎側(cè)向力的過程中應(yīng)考慮輪胎的聯(lián)合滑移。

圖2 輪胎縱向/側(cè)向力與滑移率/側(cè)偏角之間的關(guān)系

2 電子助力制動(dòng)系統(tǒng)

本文中基于新能源電動(dòng)車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)配合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行能量回收的功能需求和舒適性提高的性能需求，自主設(shè)計(jì)和研發(fā)了一款半解耦電子助力制動(dòng)器。該電子助力制動(dòng)系統(tǒng)由eBooster 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速增轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)、制動(dòng)主缸、制動(dòng)輪缸、控制器、制動(dòng)踏板和制動(dòng)管路等組成。

2.1 電子助力器工作原理

電子助力器工作原理如圖3 所示，具體描述如下：踏板推桿與制動(dòng)總泵推桿斷開，兩者之間存在一定的間隙；當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，踏板推桿向前運(yùn)動(dòng)，位移傳感器磁塊跟隨踏板推桿（位移傳感器磁塊通過位移傳感器磁塊支架固定在踏板推桿上）同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)，踏板推桿與制動(dòng)總泵推桿之間的間隙減小，此時(shí)eBooster 控制器檢測(cè)到位移傳感器信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)通過電機(jī)齒輪、中間齒輪、梯形絲桿螺母齒輪減速增轉(zhuǎn)矩后將力矩傳遞出去；梯形絲桿螺母齒輪帶動(dòng)梯形絲桿螺母旋轉(zhuǎn)，梯形絲桿螺母通過梯形絲桿將轉(zhuǎn)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)化為前后平動(dòng)推力；梯形絲桿推動(dòng)滑動(dòng)法蘭盤、滑動(dòng)法蘭盤推動(dòng)制動(dòng)總泵推桿頂住制動(dòng)主缸活塞壓縮制動(dòng)液進(jìn)而產(chǎn)生制動(dòng)壓力，此時(shí)踏板推桿與制動(dòng)總泵推桿之間的間隙增大，整個(gè)助力制動(dòng)過程中，踏板推桿與制動(dòng)總泵活塞不會(huì)接觸。當(dāng)出現(xiàn)緊急制動(dòng)或電機(jī)助力失效時(shí)，踏板推桿與制動(dòng)主缸活塞接觸，駕駛員通過踩踏制動(dòng)踏板，將制動(dòng)力作用到制動(dòng)主缸活塞上，建立一定強(qiáng)度的制動(dòng)壓力，實(shí)施制動(dòng)。

圖3 eBooster工作原理圖

2.2 電機(jī)及減速增轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)

eBooster 動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表述如圖4 所示。電機(jī)是總泵助力式線控制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速增轉(zhuǎn)矩，最終推動(dòng)制動(dòng)主缸建壓。

圖4 eBooster電機(jī)與減速增轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)

電機(jī)的電壓方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

轉(zhuǎn)矩平衡方程為

電壓和電流之間的約束關(guān)系為

勵(lì)磁電流、電樞電流和轉(zhuǎn)子角速度的狀態(tài)方程為

減速增扭機(jī)構(gòu)的作用是減速增轉(zhuǎn)矩，并將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推動(dòng)制動(dòng)總泵活塞的平動(dòng)。不同的減速比會(huì)帶來不同的響應(yīng)時(shí)間和液壓控制效果。

式中：和代表勵(lì)磁電壓和電樞電壓；和代表勵(lì)磁電流和電樞電流；和代表勵(lì)磁電阻和電樞電阻；和代表對(duì)應(yīng)的自感系數(shù)；與勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)，代表運(yùn)動(dòng)感生電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；代表電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；代表電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；代表減速增轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)的減速比；代表減速增轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩；代表電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；代表減速增轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速。電機(jī)的參數(shù)設(shè)置參考實(shí)際選用的電機(jī)參數(shù)。

2.3 液壓元件模型

總泵助力式線控制動(dòng)系統(tǒng)的液壓元件主要由制動(dòng)總泵、制動(dòng)輪缸、制動(dòng)管路組成。

制動(dòng)總泵結(jié)構(gòu)如圖5 所示。制動(dòng)總泵選用某乘用車車型使用的中心閥雙腔式制動(dòng)總泵來建模，該制動(dòng)總泵是量產(chǎn)標(biāo)件，可靠性得到保證。制動(dòng)總泵的前腔活塞在制動(dòng)力的作用下推動(dòng)彈簧阻尼元件，克服前后腔活塞之間的間隙。間隙消除后活塞需要克服等效彈簧的阻力繼續(xù)向前移動(dòng)。

圖5 eBooster工作原理

制動(dòng)總泵前后腔活塞的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：和代表制動(dòng)總泵前后腔活塞的質(zhì)量；和代表兩個(gè)活塞的位移；和代表兩個(gè)活塞上受到的壓力；代表作用在無間隙彈簧上的力；代表作用在制動(dòng)總泵后腔腔內(nèi)彈簧上的力；代表阻尼力。

無間隙彈簧受到的力和阻尼力可以按以下方程式計(jì)算：

式中：為無間隙彈簧剛度；為阻尼系數(shù)；為彈簧預(yù)緊力。

制動(dòng)總泵前后腔制動(dòng)液流速方程為

式中：和代表制動(dòng)總泵前后腔制動(dòng)液流速；和代表制動(dòng)總泵前后腔的有效面積。

制動(dòng)輪缸的數(shù)學(xué)模型和制動(dòng)總泵模型是相似的，其結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 制動(dòng)輪缸結(jié)構(gòu)

制動(dòng)輪缸受力的動(dòng)態(tài)方程為

式中：為制動(dòng)鉗質(zhì)量；x為制動(dòng)鉗位移；F為制動(dòng)力；為回位彈簧的力；為回位彈簧的剛度；為回位彈簧的預(yù)緊力。

制動(dòng)液壓在通過制動(dòng)管路時(shí)有液壓壓降，尤其是在通過制動(dòng)軟管時(shí)，液壓壓降方程為

式中：為液壓壓降；為阻尼系數(shù)；為制動(dòng)管路的長度；為制動(dòng)管路直徑；為制動(dòng)液在管路中的流速。

3 冗余ABS模型

冗余ABS 控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖7 所示。通過對(duì)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)來進(jìn)行駕駛員意圖識(shí)別，在駕駛員實(shí)施制動(dòng)時(shí)，對(duì)車輛制動(dòng)過程中各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行估算和監(jiān)測(cè)，基于建立的冗余ABS 控制策略確定該功能的介入和退出時(shí)機(jī)。制動(dòng)主缸的壓力控制采用變?cè)鲆鍼ID 控制，在冗余ABS 控制算法介入時(shí)，基于SMC（滑模控制）算法對(duì)車輪的滑移率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛冗余ABS控制功能，提升穩(wěn)定性控制。

圖7 冗余ABS控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 車速、輪速、滑移率計(jì)算模型

基于eBooster 的冗余ABS 模型選用邏輯門限控制，系統(tǒng)通過對(duì)車速、滑移率等輸入信號(hào)的判斷，如果判定滿足下一個(gè)邏輯狀態(tài)時(shí)，就跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)控制狀態(tài)，否則就返回到上一個(gè)控制狀態(tài)，使系統(tǒng)在加壓、保壓、建壓3 個(gè)狀態(tài)變化。在制動(dòng)過程中盡量將滑移率控制在最佳滑移率附近。典型的輪胎縱向附著系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系曲線見圖8。

圖8 縱向附著系數(shù)與滑移率關(guān)系

車輛行駛在不同的路面上，縱向附著系數(shù)會(huì)隨著滑移率的變化而變化，大多數(shù)的-曲線都存在一個(gè)最優(yōu)滑移率，使車輛的縱向附著系數(shù)最大，此時(shí)車輛可以獲得縱向最大的制動(dòng)減速度，且可以保證車輪不抱死。

基于單車輪車輛模型的討論，假設(shè)車輛的縱向車速、單車輪受到的垂直載荷和輪胎受到的縱向力是可以準(zhǔn)確得到的。地面附著系數(shù)和滑移率的計(jì)算公式為

通常情況下，車輛的側(cè)向附著系數(shù)會(huì)隨著滑移率的增大而減小，為保證車輛的穩(wěn)定性，滑移率會(huì)控制在15%～20%。出于以上考慮，假設(shè)各路面下的最優(yōu)滑移率如表1所示。

表1 最優(yōu)滑移率

基于滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，對(duì)車輛防抱制動(dòng)總泵壓力控制進(jìn)行研究。

滑?？刂频臓顟B(tài)變量為

滑?？刂频那袚Q函數(shù)可以用下式表達(dá)：

根據(jù)連續(xù)函數(shù)和等速趨近相結(jié)合的滑模控制方式，切換函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為

式中：為等速趨近參數(shù)；為連續(xù)函數(shù)tanh 的飽和區(qū)間參數(shù)。

將液壓系統(tǒng)變換為1階慣性模型：

制動(dòng)總泵在時(shí)刻的壓力控制量為

3.2 主缸壓力控制

主缸壓力的控制方法如圖9和圖10所示。以目標(biāo)液壓力為調(diào)度對(duì)象的控制系統(tǒng)，液壓力實(shí)際控制效果不僅與系統(tǒng)輸入的最大目標(biāo)壓力相關(guān)，且與目標(biāo)壓力的控制頻率有關(guān)。本文根據(jù)駕駛員常規(guī)制動(dòng)、緊急制動(dòng)、點(diǎn)制動(dòng)、往復(fù)制動(dòng)等工況進(jìn)行高低頻劃分。將目標(biāo)制動(dòng)壓力和目標(biāo)壓力的控制頻率作為系統(tǒng)的增益調(diào)度模塊。

圖9 控制模式增益調(diào)度示意圖

圖10 增益PID控制算法框圖

根據(jù)目標(biāo)壓力的不同，從小到大設(shè)計(jì)一系列的目標(biāo)壓力值、、、…、p，對(duì)應(yīng)局部控制參數(shù)為(，，)、(，，)、…、(，，)。

高頻控制和低頻控制也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的壓力控制產(chǎn)生影響，需要將兩種控制模式的參數(shù)區(qū)別開來。（，）、（，）、（，）分別為低頻和高頻模式下不同壓力段的局部控制參數(shù)。

式（56）～式（58）中低頻控制模式為常規(guī)制動(dòng)，高頻控制模式為ABS 控制（相應(yīng)頻率的點(diǎn)制動(dòng)也被識(shí)別為高頻控制模式），實(shí)際控制頻率（高頻和低頻的界定）按照設(shè)計(jì)的系列目標(biāo)壓力值、、、…、p的重復(fù)調(diào)用周期進(jìn)行計(jì)算和設(shè)定，以控制模式為系統(tǒng)調(diào)度變量。

基于eBooster 的壓力控制（試驗(yàn)用制動(dòng)主缸缸徑為25.4 mm）如圖11 和圖12 所示。從圖中可以看出，所研發(fā)的eBooster執(zhí)行器與控制算法可以實(shí)現(xiàn)以下性能：0-10 MPa階躍響應(yīng)時(shí)間為160 ms、0.1 MPa液壓制動(dòng)力的控制精度，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)主缸液壓力快速、精準(zhǔn)的控制。無論從建壓時(shí)間還是控制精度，都可以滿足ABS 功能實(shí)現(xiàn)的液壓力控制性能需求。

圖11 正弦壓力控制效果

圖12 階躍和斜坡壓力控制效果

3.3 冗余ABS介入退出機(jī)制

當(dāng)制動(dòng)踏板開度大于0、車速大于5 km/h、原車ABS系統(tǒng)故障，基于eBooster的冗余ABS控制算法啟動(dòng)。車速小于5 km/h、原車ABS 系統(tǒng)恢復(fù)正常工作時(shí)，冗余ABS 控制算法退出。基于eBooster 的冗余ABS 控制算法作為失效備份系統(tǒng)，應(yīng)首先考慮車輛安全性，其次最大程度地提高系統(tǒng)制動(dòng)強(qiáng)度。因此本文使用“后輪低選、四輪監(jiān)測(cè)”的控制策略。表2為冗余ABS控制算法的控制策略。

表2 冗余ABS控制策略

4 實(shí)車試驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)車試驗(yàn)

選取黑龍江省五大連池市紅河谷ABS試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行基于eBooster 的冗余ABS 控制算法驗(yàn)證。該試驗(yàn)場(chǎng)地有專業(yè)的ABS測(cè)試道路，分高附著系數(shù)、低附著系數(shù)、對(duì)開、對(duì)接等道路。試驗(yàn)人員與試驗(yàn)車輛如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)人員與場(chǎng)地

試驗(yàn)車輛為長城哈佛HAVAL（H6）2019 款，車身尺寸4649 mm×1852 mm×1710 mm、整備質(zhì)量1 592 kg。為保證試驗(yàn)安全性和一致性，將試驗(yàn)車改裝為全線控底盤車，包括電子助力器線控制動(dòng)系統(tǒng)、線控油門裝置、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。同時(shí)裝有制動(dòng)主缸和輪缸的壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及視頻采集設(shè)備。試驗(yàn)車見圖14，試驗(yàn)結(jié)果見圖15。

圖14 線控底盤試驗(yàn)車

從圖15 可以看出：在低附著系數(shù)路面上，制動(dòng)壓力控制稍大，車輪滑移率就會(huì)發(fā)生較大變化，在實(shí)現(xiàn)冗余ABS控制時(shí)需要較小的增減壓梯度。從低附著系數(shù)路面躍變到高附著路面時(shí)，初始制動(dòng)壓力較低，車輪不會(huì)發(fā)生抱死，滑移率處于減小的狀態(tài)，但車輛完全進(jìn)入高附著系數(shù)路面后，應(yīng)當(dāng)提高系統(tǒng)的增壓梯度，使從高附著系數(shù)到低附著系數(shù)路面躍變時(shí)，制動(dòng)壓力無法完成從高到低的階躍變化，在路面躍變瞬間，車輪滑移率會(huì)迅速增加，這時(shí)的系統(tǒng)控制難度增加，波動(dòng)幅度和頻率也變大，是較危險(xiǎn)的工況，此時(shí)應(yīng)盡快完成高附到低附減壓梯度的調(diào)整。在對(duì)開路面上，基于4 個(gè)車輪最多只允許一個(gè)前輪抱死的基礎(chǔ)上，為盡可能增大制動(dòng)強(qiáng)度、減小制動(dòng)距離，可以適當(dāng)增大控制系統(tǒng)的增減壓梯度。綜上可以看出，所提出的基于eBooster 的冗余ABS 控制算法，在原車ABS系統(tǒng)失效或發(fā)生故障時(shí)，可以很好地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)冗余防抱功能，在很大程度上提升車輛的安全性。

圖15 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果

4.2 性能對(duì)比

利用控制變量法對(duì)比基于eBooster 的冗余ABS控制與原車ABS控制的效果。為盡量控制其他外在條件的一致性，將外在影響因素降到最低。利用線控油門給車輛加速確保制動(dòng)時(shí)車速的一致性與準(zhǔn)確性，用線控制動(dòng)給車輛施加制動(dòng)力，確保制動(dòng)力的一致性，測(cè)試試驗(yàn)道路選用同一條，確保路面摩擦因數(shù)的一致性。駕駛員作為安全員隨時(shí)準(zhǔn)備控制車輛的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)與加速，以確保在危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行人員干涉。

低附路面制動(dòng)距離對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖16 所示。低附路面測(cè)試時(shí)，車輛保持直行，制動(dòng)主缸壓力3 MPa，車速分別為20、40、60 km/h 的情況下，原車ABS 控制實(shí)測(cè)制動(dòng)距離為10.37、42.22、106.89 m，基于電子助力器eBooster 冗余ABS 控制的制動(dòng)距離為10.55、43.90、109.25 m。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從制動(dòng)距離來看，本文所提出的控制算法可以很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性控制和制動(dòng)距離保持。

圖16 低附冗余ABS與原車ABS制動(dòng)距離對(duì)比

對(duì)開路面橫擺角速度極值性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖17 所示。車輛在對(duì)開路面進(jìn)行測(cè)試時(shí)，車速在40 km/h 施加制動(dòng)至車輛停止，制動(dòng)主缸壓力為2、6 MPa，原車ABS控制實(shí)測(cè)橫擺角速度極值波動(dòng)幅值分別為2.47、5.23（°）/s?；趀Booster 的冗余ABS控制實(shí)測(cè)橫擺角速度極值波動(dòng)幅值分別為3.78、7.85（°）/s。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從制動(dòng)橫擺角速度極值波動(dòng)幅值來看，基于eBooster 電子助力器制動(dòng)主缸壓力調(diào)整的冗余ABS 控制算法在制動(dòng)舒適性上會(huì)有所下降，橫擺角速度極值波動(dòng)幅值較大。

圖17 對(duì)開路面冗余ABS與原車ABS舒適性對(duì)比

5 結(jié)論

通過半解耦電子助力器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)主缸液壓力快速、精準(zhǔn)的控制，所提出的“基于電子助力器的冗余ABS控制算法”能夠在綜合考慮制動(dòng)安全、制動(dòng)距離、制動(dòng)舒適性的基礎(chǔ)上，很好地實(shí)現(xiàn)冗余ABS功能，提高車輛行駛安全性，主要結(jié)論如下。

（1）自主研發(fā)了一種半解耦式電子助力器，基于變?cè)鲆鍼ID 控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)該電子助力器制動(dòng)主缸液壓力的精準(zhǔn)控制。

（2）針對(duì)傳統(tǒng)ABS功能失效的情況，通過對(duì)車輛制動(dòng)過程中各狀態(tài)變量的估算和監(jiān)測(cè)，構(gòu)建冗余ABS控制算法的介入和退出策略。

（3）基于滑?？刂扑惴?，對(duì)車輪的滑移率進(jìn)行控制，利用電子助力器對(duì)制動(dòng)主缸液壓力的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)冗余ABS功能。

（4）通過均一低附路面、對(duì)開路面、對(duì)接路面的實(shí)車測(cè)試，驗(yàn)證了該冗余ABS 控制算法及策略的有效性。