陳志成，趙 健，朱 冰，吳 堅(jiān)

（吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

前言

近年來(lái)，為適應(yīng)汽車智能化與電動(dòng)化要求，汽車制動(dòng)系統(tǒng)也向線控化方向發(fā)展［1-2］，出現(xiàn)了多種不同構(gòu)型的線控制動(dòng)解決方案。其中，以 BOSCH iBooster為代表的電控助力制動(dòng)系統(tǒng)（electro-booster brake system，Ebooster）替代傳統(tǒng)真空助力器，通過(guò)與改進(jìn)型的汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（electronic stability program，ESP）配合，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)和制動(dòng)能量回收等線控功能［3-4］。這種方案在液壓制動(dòng)系統(tǒng)配置了兩個(gè)執(zhí)行器，二者可互相實(shí)現(xiàn)部分冗余功能。當(dāng)前汽車上普遍裝備的傳統(tǒng)制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）通過(guò)各輪缸的進(jìn)出液電磁閥控制輪缸壓力，將車輪滑移率調(diào)整至最佳值附近，避免車輪抱死的同時(shí)提高汽車制動(dòng)穩(wěn)定性。當(dāng)傳統(tǒng)電磁閥式ABS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，Ebooster可借助自身配備的高性能伺服電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)主缸壓力控制車輪滑移率，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)防抱死的冗余功能。

目前已有一些基于主缸壓力調(diào)節(jié)的制動(dòng)防抱死控制研究。文獻(xiàn)［5］中基于線性參數(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。同濟(jì)大學(xué)針對(duì)自行設(shè)計(jì)的集成式I-EHB系統(tǒng)設(shè)計(jì)了安全優(yōu)先式和主缸定頻調(diào)壓式兩種ABS控制策略［6］。文獻(xiàn)［7］中采用制動(dòng)防抱死分級(jí)式控制結(jié)構(gòu)用于電子液壓制動(dòng)的電動(dòng)車，在緊急制動(dòng)工況下實(shí)現(xiàn)了液壓力的調(diào)節(jié)與車輪滑移率的控制。上述研究都是基于解耦式的線控制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型開展的，基于非解耦式Ebooster開展制動(dòng)防抱死冗余控制研究，還須解決駕駛員踏板力與電機(jī)助力的耦合問(wèn)題。此外，基于Ebooster實(shí)現(xiàn)制動(dòng)防抱死功能，須考慮液壓制動(dòng)的強(qiáng)非線性特性和Ebooster機(jī)構(gòu)本身的摩擦特性，以解決控制過(guò)程中的抖動(dòng)和遲滯等問(wèn)題。

本文中基于自主設(shè)計(jì)的非解耦式Ebooster系統(tǒng)，建立一種級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略。首先構(gòu)建基于Ebooster的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制架構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3層級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略，包括滑模變結(jié)構(gòu)控制層、壓力-伺服控制層和電機(jī)控制層；最后通過(guò)硬件在環(huán)（hardware-inthe-loop，HiL）試驗(yàn)進(jìn)行了算法驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略能穩(wěn)定地將車輪滑移率控制在最佳值附近，提高車輛制動(dòng)穩(wěn)定性。

1 基于Ebooster的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制架構(gòu)

圖1 為自主設(shè)計(jì)的非解耦式Ebooster與液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖［8-9］。駕駛員踩下制動(dòng)踏板，助力電機(jī)控制助力閥體跟隨踏板行程，電機(jī)伺服力通過(guò)齒輪與滾珠絲杠的傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為助力閥體推力，與駕駛員踏板力在反饋盤上耦合輸出，助力器推桿推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞，制動(dòng)液經(jīng)過(guò)制動(dòng)管路與ESP的液壓控制單元（hydraulic control unit，HCU）進(jìn)入制動(dòng)輪缸，產(chǎn)生車輪制動(dòng)。

當(dāng)ESP／ABS處于故障狀態(tài)且汽車車輪發(fā)生抱死趨勢(shì)時(shí)，Ebooster可通過(guò)電機(jī)控制減小施加在助力閥體上的推力，調(diào)整制動(dòng)主缸壓力，同步改變4個(gè)輪缸的制動(dòng)壓力，將車輪滑移率維持在最佳值附近，實(shí)現(xiàn)一定程度的制動(dòng)防抱死冗余控制。需要指出的是，由于這種非解耦式Ebooster構(gòu)型中，駕駛員制動(dòng)踏板力能通過(guò)機(jī)械連接直接施加于制動(dòng)主缸，當(dāng)車輛處于較低附著路面時(shí)，由于駕駛員的制動(dòng)踏板力所產(chǎn)生的車輪制動(dòng)力本身會(huì)超過(guò)路面附著極限，而Ebooster無(wú)法對(duì)該部分力進(jìn)行調(diào)控，因此本文中所提出的冗余算法僅適用于中高附著路面。

圖2為基于Ebooster的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制架構(gòu)。常規(guī)制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，Ebooster控制助力閥體位移跟隨制動(dòng)踏板位移實(shí)現(xiàn)助力控制，期望助力閥體位移y*與制動(dòng)踏板位移yPts之間的關(guān)系可由標(biāo)定得到［10］。當(dāng)車輪產(chǎn)生抱死趨勢(shì)且須由Ebooster實(shí)現(xiàn)冗余控制時(shí)，級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略激活，通過(guò)制動(dòng)主缸壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)車輪滑移率控制。

級(jí)聯(lián)控制采用3層架構(gòu)，第1層為低選滑模變結(jié)構(gòu)車輪滑移率控制層，根據(jù)最佳滑移率λref和車輛信息計(jì)算得到期望主缸壓力p*，最終將車輪滑移率控制在最佳滑移率附近；第2層為壓力-伺服控制層，主要解決液壓系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)摩擦特性帶來(lái)的非線性問(wèn)題，其中的壓力環(huán)根據(jù)p*和實(shí)際主缸壓力p通過(guò)前饋和反饋控制得到期望助力閥體位移y*，伺服環(huán)根據(jù)實(shí)際助力閥體位移y和y*通過(guò)速度環(huán)、位置環(huán)和誤差消除計(jì)算得到期望電流i*s；第3層為電機(jī)控制層，根據(jù)i*s通過(guò)弱磁與電流控制計(jì)算得到期望勵(lì)磁軸和轉(zhuǎn)矩軸電壓ud和uq。最終ud和uq經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)換和空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse widthmodulation，SVPWM）控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)Ebooster工作，進(jìn)行主缸壓力調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)車輛車輪防抱死冗余控制。

2 基于Ebooster的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略

2.1 低選滑模變結(jié)構(gòu)車輪滑移率控制層

由于Ebooster不能實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)車輪的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，根據(jù)車輪抱死的危險(xiǎn)程度評(píng)估，本文中采用后輪低選一同控制，即

式中：λmax和ωmin分別為后橋較小輪速車輪的滑移率與輪速；ωrl和ωrr分別為后橋左、右側(cè)車輪輪速；v為實(shí)際車速；r為后輪半徑。

設(shè)最佳滑移率為λref，設(shè)計(jì)切換函數(shù)：

由式（1）和式（2）可得

針對(duì)先趨于抱死的后車輪，基于圖3所示的單輪車輛模型設(shè)計(jì)控制律。

忽略滾動(dòng)阻力和空氣阻力，得到簡(jiǎn)化的車輛動(dòng)力學(xué)方程：

式中：m為 1／4汽車質(zhì)量；Ftf為地面制動(dòng)力；μ（λmax）為車輪與路面間的附著系數(shù)；Fz為地面對(duì)車輪的反作用力；Jt為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tb為制動(dòng)器制動(dòng)力矩，KEr為后輪的制動(dòng)效能系數(shù)。

圖3 單輪車輛模型

根據(jù)經(jīng)典的Burckhardt經(jīng)驗(yàn)輪胎模型可得

式中c1，c2，c3為與路面條件有關(guān)的常數(shù)。

采用指數(shù)趨近律：

式中ε1和ε2為設(shè)計(jì)的指數(shù)趨近整定參數(shù)且均為正數(shù)。則s·s·＜0，滿足滑模變結(jié)構(gòu)控制的可達(dá)性條件。

通過(guò)聯(lián)立式（3）～式（8），可求得滑模變結(jié)構(gòu)控制器的控制律：

其中：p1＝r·μ（λmax）·Fz／KEr

2.2 壓力-伺服控制層

壓力-伺服控制層由壓力環(huán)和伺服環(huán)組成。

（1）壓力環(huán)輸入為期望壓力p*，輸出為期望助力閥體位移y*，由前饋和反饋環(huán)節(jié)組成。

反饋控制采用壓力誤差PI控制

式中kp1和ki1為壓力環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)。

前饋控制能更快地實(shí)現(xiàn)壓力控制。圖4為助力閥體速率40 mm／s下增壓段的制動(dòng)壓力-助力閥體行程的關(guān)系曲線。期望制動(dòng)壓力p*經(jīng)查表可得期望的前饋助力閥體位移yff*。

最終，壓力環(huán)輸出的期望助力閥體位移為

（2）伺服環(huán)輸入為期望助力閥體位移y*，輸出為期望電流

圖4 液壓制動(dòng)系統(tǒng)增壓段特性曲線

Ebooster伺服環(huán)控制策略如圖5所示，通過(guò)助力閥體的位置控制和速度控制，解決由于Ebooster機(jī)構(gòu)本身摩擦特性導(dǎo)致的位置控制過(guò)程中的誤差和遲滯。

圖5 Ebooster伺服環(huán)控制策略

伺服環(huán)總控制律為

其中，伺服環(huán)位置調(diào)節(jié)控制律為

式中：比例項(xiàng)的增益Kp使助力閥體迅速地達(dá)到指定位置；微分項(xiàng)的增益Kd根據(jù)位置誤差的變化率調(diào)節(jié)輸出相的幅值。

伺服環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制律為

式中：前饋?lái)?xiàng)增益Kff提高助力閥體動(dòng)態(tài)響應(yīng)；同時(shí)加入阻尼項(xiàng)增益Kdp，抑制大慣量系統(tǒng)的振蕩。

最后，通過(guò)積分項(xiàng)增益Ki，消除助力閥體位移跟隨誤差，得到伺服環(huán)誤差消除控制律：

2.3 電機(jī)控制層

電機(jī)控制層為永磁同步電機(jī)控制器，主要包含弱磁控制和電流控制兩部分，分別用于提升電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流跟隨能力，其控制策略如圖6所示。經(jīng)典的Park和Clark變換可以將電機(jī)實(shí)際三相電流ia，ib，ic轉(zhuǎn)換成電機(jī)實(shí)際勵(lì)磁軸電流id和轉(zhuǎn)矩軸電流iq；其逆變換可將期望勵(lì)磁軸和轉(zhuǎn)矩軸電壓ud和uq轉(zhuǎn)換成電機(jī)期望三相電壓ua，ub，uc。最終SVPWM將ua，ub，uc轉(zhuǎn)換成6路脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)，以控制驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)［11］。

圖6 永磁同步電機(jī)控制策略

弱磁控制通過(guò)工程標(biāo)定轉(zhuǎn)速n與弱磁前饋角θw的關(guān)系，即θw＝f（n），實(shí)現(xiàn)對(duì)期望勵(lì)磁軸電流 i*d和轉(zhuǎn)矩軸電流i*q的分配，可表示為

電流控制器采用PI控制，即

式中：id和iq分別為實(shí)際勵(lì)磁軸和轉(zhuǎn)矩軸電流；kp2，ki2，kp3，ki3為電流環(huán)的 PI調(diào)節(jié)參數(shù)。

3 硬件在環(huán)試驗(yàn)

3.1 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)

為測(cè)試和驗(yàn)證級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略，搭建了Ebooster硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，圖7和圖8分別為試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和實(shí)物圖。試驗(yàn)臺(tái)主要由上位機(jī)Host PC、下位機(jī)控制器MicroAutoBox II、實(shí)時(shí)仿真器Simulator、驅(qū)動(dòng)器 RapidPro和執(zhí)行器 Ebooster等5部分組成。

圖7 Ebooster硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

圖8 Ebooster硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

試驗(yàn)臺(tái)工作原理如下：（1）Host PC通過(guò)常規(guī)以太網(wǎng) Ethernet與 MicroAutoBox II連接，將 Matlab／Simulink的控制模型載入控制器中，在上位機(jī)Controldesk界面中實(shí)時(shí)觀測(cè)控制器標(biāo)定和采集的各類信號(hào)；（2）Host PC通過(guò)光纖與 Simulator連接，將CarSim模型載入其中實(shí)時(shí)運(yùn)行，Simulator與Micro-AutoBox II之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，互相傳遞車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)壓力信號(hào)；（3）MicroAutoBox II采集Ebooster的制動(dòng)踏板位移信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)和電流信號(hào)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制策略，對(duì)RapidPro發(fā)送電機(jī)PWM信號(hào)；（4）RapaidPro對(duì)Ebooster的伺服電機(jī)發(fā)送三相電帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；（5）電機(jī)帶動(dòng)Ebooster工作，推動(dòng)主缸推桿，在液壓系統(tǒng)中形成制動(dòng)壓力，調(diào)節(jié)CarSim車輛車輪滑移率。

3.2 硬件在環(huán)試驗(yàn)測(cè)試工況設(shè)置

選取均一路面、對(duì)接路面和對(duì)開路面對(duì)基于Ebooster的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，具體工況如表1所示，表中：v0表示初始車速；μ和λref含義同前。對(duì)接路面在距離車輪運(yùn)動(dòng)初始點(diǎn)85m處由路面附著系數(shù)0.8變換至0.35；對(duì)開路面兩側(cè)路面附著系數(shù)分別為0.35和0.8。表2為CarSim整車動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9～圖14所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)試工況

表2 Carsim整車動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

3.3 均一路面工況測(cè)試

圖9為均一路面無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制時(shí)的車速和輪速試驗(yàn)曲線，圖10為制動(dòng)防抱死冗余控制開啟后的車速、輪速、車輪滑移率和制動(dòng)壓力試驗(yàn)曲線。由圖可見：無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制時(shí)，車輪迅速抱死；有冗余控制時(shí)，駕駛員開始制動(dòng)后，車輪滑移率隨著制動(dòng)壓力升高而增大，并觸發(fā)制動(dòng)防抱死冗余控制，主缸壓力得到控制，后輪滑移率穩(wěn)定在最佳滑移率0.08附近，此時(shí)前輪制動(dòng)壓力與后輪壓力一致，前輪也未發(fā)生抱死。雖然在制動(dòng)末期后輪滑移率出現(xiàn)一定的抖動(dòng)，但此時(shí)車速較低，安全隱患不大。

圖9 均一路面無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制試驗(yàn)曲線

圖10 均一路面制動(dòng)防抱死冗余控制開啟試驗(yàn)曲線

3.4 對(duì)接路面工況測(cè)試

圖11 為對(duì)接路面無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制時(shí)的車速和輪速試驗(yàn)曲線，圖12為制動(dòng)防抱死冗余控制開啟后的車速、輪速、車輪滑移率和制動(dòng)壓力試驗(yàn)曲線。由圖可見：制動(dòng)防抱死策略未開啟時(shí)，在高附著路面上后輪和前輪先后發(fā)生抱死；制動(dòng)防抱死策略開啟時(shí)，制動(dòng)壓力首先被控制在5 MPa左右，后輪滑移率穩(wěn)定在0.17附近；車輛進(jìn)入中附著路面后，車輪滑移率再次增大，制動(dòng)壓力迅速被調(diào)節(jié)至2.3 MPa左右，后輪滑移率穩(wěn)定在0.08附近，此時(shí)由于車輛制動(dòng)壓力分配特性使前輪滑移率明顯高于后輪，但仍未完全抱死，符合冗余控制要求。

圖11 對(duì)接路面無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制試驗(yàn)曲線

3.5 對(duì)開路面工況測(cè)試

圖13 為對(duì)開路面無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制時(shí)的車速、輪速和車輛航向角的試驗(yàn)曲線，圖14為制動(dòng)防抱死冗余控制開啟后的車速、輪速、車輪滑移率、制動(dòng)壓力和車輛航向角試驗(yàn)曲線。由圖可見：制動(dòng)防抱死策略未開啟時(shí)，4個(gè)車輪先后抱死，且車輛發(fā)生甩尾，嚴(yán)重威脅駕駛員的行車安全；制動(dòng)防抱死策略開啟時(shí)，駕駛員開始制動(dòng)后，左后輪首先出現(xiàn)明顯抱死趨勢(shì)，迅速激活制動(dòng)防抱死冗余控制策略，制動(dòng)主缸壓力基于后輪低選方式進(jìn)行控制，保持左后輪滑移率穩(wěn)定在0.08附近，其他車輪的制動(dòng)力矩雖未充分利用路面能提供的附著力，但整體保持行車制動(dòng)過(guò)程中車輛航向角始終穩(wěn)定不變，提高了車輛制動(dòng)穩(wěn)定性，達(dá)到了冗余控制要求。

圖12 對(duì)接路面制動(dòng)防抱死冗余控制開啟試驗(yàn)曲線

圖13 對(duì)開路面無(wú)制動(dòng)防抱死冗余控制試驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

本文中基于自主設(shè)計(jì)的非解耦式Ebooster，提出了一種在ESP／ABS系統(tǒng)故障時(shí)的級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制架構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了低選滑模變結(jié)構(gòu)車輪滑移率控制層、壓力-伺服環(huán)控制層和電機(jī)控制層3層級(jí)聯(lián)制動(dòng)防抱死冗余控制策略。建立了Ebooster硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，選取多種典型工況進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的冗余控制策略可在中高附著路面上將車輪滑移率控制在最佳值附近，有效保證了汽車制動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖14 對(duì)開路面制動(dòng)防抱死冗余控制開啟試驗(yàn)曲線