樊秋實，何樂，夏群生

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084）

EBS軸模塊壓力閉環(huán)控制

樊秋實，何樂，夏群生

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084）

研究EBS軸模塊電磁閥特性，對比兩種不同閉環(huán)壓力控制方法的控制效果，對試驗車進行參數(shù)匹配后實現(xiàn)符合制動需求的壓力閉環(huán)控制，奠定EBS制動控制的基礎(chǔ)。

EBS；軸模塊；壓力控制；電磁閥；PID

近年來，國內(nèi)商用車市場發(fā)展趨于成熟，消費者及商用車企業(yè)對于制動系統(tǒng)的舒適性、穩(wěn)定性和安全性越來越重視，新一代商用車電子控制制動系統(tǒng)EBS（Electronically Controlled Braking System）也開始出現(xiàn)在部分高端商用車上。EBS集成了電控氣動制動（EPB）、制動防抱（ABS）和牽引力控制（TCS）三種功能，同時作為一個開放的車輛控制平臺，僅需增加少量部件，EBS即可以集成為電子穩(wěn)定（ESP）、自適應(yīng)巡航（ACC），自動緊急制動（AEB）等先進車輛控制系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)氣控制動系統(tǒng)，EBS的優(yōu)點主要有：電控取代氣控，響應(yīng)時間短；具有減速度控制功能，令商用車擁有轎車一般舒適的踏板感受；靈活的制動力分配功能可以提高車輛制動的穩(wěn)定性及主掛車之間的協(xié)調(diào)性[1-4]。

EBS對車輛制動的控制主要是通過軸模塊獨立控制各輪制動壓力來實現(xiàn)的，因此，軸模塊制動壓力的閉環(huán)控制效果顯著影響著車輛制動響應(yīng)及制動效果。由于軸模塊加減壓電磁閥具有遲滯特性，常用的邏輯門限值控制效果一方面壓力振蕩較大，不滿足制動的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性需求；另一方面頻繁啟動電磁閥也會減少電磁閥壽命。因此，研究EBS軸模塊中電磁閥的特性，針對其加減壓閥遲滯特性應(yīng)用了基于相位平移的前饋補償方法；針對電磁閥的電流、壓力特性應(yīng)用了壓力閉環(huán)的邏輯門限控制方法及邏輯門限-離散化PID聯(lián)合控制方法，并在匹配EBS系統(tǒng)的樣車上進行樣車試驗驗證。

1 EBS軸模塊電磁閥特性研究

1.1 EBS軸模塊結(jié)構(gòu)及原理

圖1為EBS單通道軸模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要有：一個常開的備壓閥、一個常閉的加壓閥、一個常閉的減壓閥、壓力傳感器F、電控單元和活塞等機械部件。軸模塊最主要的功能是接收中央控制單元通過CAN總線發(fā)出的制動壓力需求信號，控制加壓閥、減壓閥的開啟或關(guān)閉來調(diào)節(jié)制動氣室的壓力，并通過安裝在出氣管路的壓力傳感器F實現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制[5-6]。為了更好地控制電磁閥實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，需要研究其加壓閥、減壓閥的壓力特性。因目前這方面的數(shù)學(xué)模型參數(shù)難以獲得，所以采用實驗分析的方法。

1.2 加壓閥特性

加壓閥為常閉開關(guān)閥，其作用是打開時使高壓氣體進入制動氣室，建立制動壓力。加壓閥的阻值為17.6 Ω，驅(qū)動電壓24V。加壓閥的壓力輸出具有遲滯特性，如圖2所示。從圖2可以看到，加壓閥控制信號打開后，壓力開始上升的遲滯時間為20ms；關(guān)閉加壓閥控制信號后，壓力會繼續(xù)上升50ms。在這段時間內(nèi)，壓力上升了0.7 bar。

使用占空比與頻率均可變的方波驅(qū)動加壓閥，可以得到不同的進氣速率曲線，如圖3所示。圖3中加壓速率最快可達40 bar/s，最慢為4 bar/s。

1.3 減壓閥特性

減壓閥為常閉開關(guān)閥，其作用是打開時使制動氣室中的高壓氣體排放到大氣中，減小制動壓力。減壓閥的阻值為17.6Ω，驅(qū)動電壓24 V。加壓閥的壓力輸出具有遲滯特性，減壓閥打開后，壓力開始下降的延遲時間為15ms；關(guān)閉減壓閥控制信號后，氣壓仍會下降0.7 bar，如圖4所示。

使用占空比與頻率均可變的方波驅(qū)動減壓閥得到不同的排氣速率曲線，如圖5所示。減壓閥一次打開關(guān)閉的時間為10ms時，減壓閥的壓力下降約為0.7 bar，所以在慢減壓過程中曲線不夠平滑，有臺階出現(xiàn)。

高潮正欲擠過去再問，手機突然響了，掏出一看，是“詩的妾”的短信息：老公，妾在去溫州的列車上呢。不知怎的，妾突然后悔了自己的這個行動，妾現(xiàn)在最想見的人，是你。高潮回信息：一場突襲大戲的序幕，即將拉開，未知的結(jié)局，會涂抹誰生活的色彩？

2 壓力閉環(huán)控制方法及實車驗證

衡量軸模塊壓力閉環(huán)控制效果的指標(biāo)主要有：壓力上升的快速性、壓力的穩(wěn)定性和壓力的準(zhǔn)確性。對于制動來講，壓力上升的速度越快，則車輛制動對制動踏板的響應(yīng)越快，能夠提高制動的安全性；制動壓力調(diào)節(jié)越穩(wěn)定，對于車輛的制動穩(wěn)定性和舒適性越有好處；制動壓力的準(zhǔn)確性也影響著整車的減速度控制效果和駕駛員的感覺。

本文提出兩種壓力閉環(huán)控制方法，并將這兩種控制方法應(yīng)用在匹配的EBS樣車上。EBS壓力控制實現(xiàn)原理見圖6，根據(jù)樣車試驗結(jié)果評價了兩種方法的優(yōu)劣。

2.1 邏輯門限值控制方法

軸模塊的制動壓力僅由加減壓閥控制，因此，最易于實現(xiàn)的控制方法為邏輯門限值控制。邏輯門限控制原理簡單，即在控制目標(biāo)附近設(shè)置上下兩個邏輯門限。當(dāng)壓力低于下門限時，則打開加壓閥；當(dāng)壓力高于上門限時，則打開減壓閥。邏輯門限控制方法的優(yōu)點是不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，能夠簡化系統(tǒng)，而且所需參數(shù)少，易于匹配。在軸模塊壓力控制中，壓力超過門限則完全打開相應(yīng)的電磁閥，壓力上升或下降非常迅速。邏輯門限控制的缺點是控制結(jié)果只能在控制目標(biāo)的附近，控制準(zhǔn)確性不夠，而且由于需要頻繁開閉加減壓閥，容易引起壓力振蕩，控制的穩(wěn)定性也較差，不同門限值對于實車控制效果的影響見圖7。

綜合考慮壓力控制的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，最終選取雙門限的邏輯控制方法實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。所謂雙門限是指在壓力快速上升或下降過程中，設(shè)定一個較小的門限，小門限有助于提高壓力反應(yīng)的快速性；在壓力接近目標(biāo)壓力值、系統(tǒng)開始振蕩調(diào)整過程中，適當(dāng)將門限值放大，有助于減少壓力振蕩時間，使壓力快速穩(wěn)定。根據(jù)多次試驗調(diào)整，最后得出的控制門限值為壓力快速調(diào)整過程上門限1.4 bar，下門限1 bar；壓力振蕩過程中上門限0.16 bar，下門限0.14 bar，在樣車上實現(xiàn)壓力控制結(jié)果如圖8所示。圖8中虛線為樣車制動踏板位移，可以看出這種雙門限邏輯控制可以通過較少振蕩將壓力穩(wěn)定在目標(biāo)值壓力附近，但是存在靜態(tài)誤差。

2.2 邏輯門限-離散化PID聯(lián)合控制方法

邏輯門限值控制雖然控制原理簡單，但是存在著壓力振蕩過程，對于車輛的制動穩(wěn)定性及舒適性帶來不利影響，無法滿足壓力閉環(huán)控制靜態(tài)誤差小、動態(tài)響應(yīng)迅速的要求。此外，頻繁開閉電磁閥也會對電磁閥的壽命產(chǎn)生影響。因此，考慮采用邏輯門限值與離散化PID聯(lián)合控制方法，實現(xiàn)軸模塊壓力閉環(huán)控制。

邏輯門限控制的目的是誤差較大時快速調(diào)整壓力，離散化PID控制的作用是在目標(biāo)壓力附近對壓力進行微調(diào)，提高壓力控制的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。采用離散化PID而不是連續(xù)PID的原因是加減壓閥一次打開關(guān)閉耗時近10ms，不易實現(xiàn)加減壓閥打開時間的連續(xù)調(diào)節(jié)，故采用離散化PID控制。邏輯門限-離散化PID聯(lián)合控制的工作過程分為：

1）快速加減壓過程。當(dāng)實際壓力遠(yuǎn)離目標(biāo)壓力時，采用最優(yōu)時間控制，如加壓閥全開，達到快速建立壓力的目的。

2）壓力微調(diào)過程。當(dāng)實際壓力處于目標(biāo)壓力上下門限之間時，采用離散化PID控制方法，通過調(diào)整控制方波的周期和占空比實現(xiàn)分段式慢加壓或慢減壓過程，在減小誤差的同時避免出現(xiàn)壓力超調(diào)及振蕩。

針對加減壓閥的遲滯特性設(shè)計了基于相位平移的前饋補償來改善壓力控制的效果[7-8]。將加入前饋補償?shù)倪壿嬮T限-離散化PID聯(lián)合控制應(yīng)用在樣車上，得到的樣車壓力控制效果如圖9所示。圖9中虛線為樣車制動踏板位移，可以看出，聯(lián)合控制的壓力誤差小于5%，在80ms內(nèi)壓力即達到目標(biāo)壓力的90%，壓力無超調(diào)。加入前饋補償?shù)倪壿嬮T限-離散化PID聯(lián)合控制效果良好，滿足車輛制動壓力準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速的需求，最終將該策略應(yīng)用在自主EBS系統(tǒng)上。

3 結(jié)束語

本文重點研究EBS軸模塊壓力控制，根據(jù)電磁閥的遲滯特性，設(shè)計了帶有前饋補償?shù)倪壿嬮T限-離散化PID控制邏輯，并在試驗樣車上驗證了控制效果，得出以下結(jié)論：

1）電磁閥的壓力輸出具有遲滯特性，單一的邏輯門限控制不能滿足壓力平穩(wěn)、準(zhǔn)確的需求。

2）由于電磁閥打開關(guān)閉時間的限制，采用離散化PID進行壓力微調(diào)能夠減少壓力的超調(diào)與振蕩，提高制動壓力的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

EBS未來必將成為商用車的標(biāo)配，壓力閉環(huán)控制是EBS一切控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，今后還將進一步改進壓力閉環(huán)控制的算法與參數(shù)，提高控制的動態(tài)響應(yīng)及精度。

[1]羅文發(fā)，陳曉磊.商用車電子控制制動技術(shù)[J].汽車與配件，2008，（8）：48-50.

[2]羅文發(fā)，張庶凱.電子制動系統(tǒng)（EBS）技術(shù)[J].商用車與發(fā)動機，2009，（12）:73-75.

[3]程軍，馮道遠(yuǎn).重型車電子控制制動系統(tǒng)的發(fā)展[J].世界汽車，1996，（5）：7-12.

[4]程軍，馮道遠(yuǎn).載重汽車及大型客車電子控制制動系統(tǒng)的發(fā)展[J].客車技術(shù)，1996，（3）:31-34.

[5]劉佩佩.電子制動系統(tǒng)EBS電子控制單元開發(fā)[D].北京:清華大學(xué)，2012.

[6]Wabco Corporation.Electronically Controlled Brake System-System and Functional Description 2ndEdition[EB/OL]. [2013-05-20]. http://www.wabco-auto.com

[7]袁兼宗，陳慧，劉自凱，等.商用車EBS系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制方法研究[C].中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2008:1191 -1196.

[8]劉自凱，陳慧，袁兼宗，等.商用車電子制動系統(tǒng)的建模與仿真[C].中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2008:1339-1344.

修改稿日期：2013-11-11

表2 軸承整體計算結(jié)果最大值匯總表MPa

3 結(jié)論

通過對兩種不同球徑的關(guān)節(jié)軸承進行有限元計算分析，得出以下結(jié)論：

1）軸承整體最大的Von Mises應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨著軸承球徑的增大而增大；而最大接觸壓力隨著軸承球徑的增大而減小[7]。

2）根據(jù)第一強度理論S1≤[SL]或|S3|≤[SY]，兩種球徑的關(guān)節(jié)軸承整體承受的最大壓應(yīng)力都在許用壓應(yīng)力[SY]范圍內(nèi)，軸承155整體最大壓應(yīng)力絕對值為156.329 MPa，為兩種球徑中較小的，所以球徑155 mm為最優(yōu)直徑。

參考文獻：

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修改稿日期：2013-09-15

Closed-loop PressureControlof EBSAxleModulator

Fan Qiushi,He Le,XiaQunsheng
（TsinghuaUniversity,State Key Laboratory ofAutomotive Safety and Energy,Beijing 100084,China）

The characteristic of axlemodulator electromagnetic valve is studied.Two kinds pressure closed-loop control strategiesare developed and tested on test vehicle.Aftermatching parameters for the test vehicle,the controlled pressure can provide fast,stable and accurate braking,which laysa foundation for EBSbraking control.

EBS;axlemodulator;pressure control;electromagnetic valve;PID

U463.52

B

1006-3331（2014）02-0047-04

樊秋實（1987-），男，碩士；研究方向：EBS系統(tǒng)控制策略。