李建華 孫世倫 馬英通 張文奇 劉軼材 張飛

摘 要：ABS/EBD系統(tǒng)是如今極為重要且常見的主動安全裝置，但在FSAE賽車上的應(yīng)用極少。為了提高FSAE賽車的制動效能和制動穩(wěn)定性，響應(yīng)大學生方程式汽車大賽的創(chuàng)新性宗旨，吉林大學吉速電動方程式車隊自主設(shè)計了適用于FSAE賽車的ABS/EBD系統(tǒng)。文章基于FSAE賽車設(shè)計了ABS系統(tǒng)的控制策略并搭建了控制模型，仿真試驗表明所設(shè)計的控制策略進行取得了很好的效果，大大縮短了制動距離。

關(guān)鍵詞：ABS控制策略;FSAE;邏輯門限值

中圖分類號：U461.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-83-04

Abstract： ABS/EBD system is a very important and common active safety device nowadays， but it is rarely used in FSAE racing. In order to improve the braking efficiency and braking stability of FSAE racing， response to the innovative purpose of FSAE-China， Jilin University Gspeed Electic Formula Racing Team of Jilin University has independently designed the ABS/EBD system suitable for FSAE racing. In this paper， the control strategy of ABS system is designed and the control model is built based on FSAE racing， the simulation results show that the control strategy is effective， greatly shorten the braking distance.

Keywords： ABS control logic; FSAE; Logical threshold

CLC NO.： U461.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-83-04

1 引言

目前國外ABS相關(guān)技術(shù)日益成熟，博世公司在2015年發(fā)布了第十代ABS產(chǎn)品，現(xiàn)乘用車多使用的也是博世公司研發(fā)的第八代ABS產(chǎn)品。反觀國內(nèi)，對ABS系統(tǒng)的研究起步較晚，從總體來看，國內(nèi)的研究水平相較國外還存在一定差距。

ABS發(fā)展至今，國內(nèi)外學者已對其控制算法進行了很多理論研究，目前主流的控制方法有PID控制、滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、耗散功率控制、邏輯門限值控制[1]。相較之下，邏輯門限值控制理論基礎(chǔ)完備，控制過程相對簡單易實現(xiàn)，響應(yīng)迅速控制效果理想。并且，邏輯門限值控制需要采集的信息量少，對壓力調(diào)節(jié)裝置要求低，成本低，可靠性高[2]。因此，邏輯門限值控制是適于FSAE賽車的首選控制方法。

2 ABS控制原理

2.1 ABS控制原理

下面將介紹一種車輪角加速度輔助參考滑移率的邏輯門限值控制方法，這種控制方法響應(yīng)迅速，且控制效果能很好地滿足預(yù)期，是以BOSCH公司最早提出的控制邏輯為原型，并在其基礎(chǔ)上改進得來的。一個完整的控制循環(huán)過程如圖1所示：

圖中VVehicle為車速，VReference為參考車速，VWheel為輪速，λ1為比例系數(shù)（當VWheel =λ1×VReference時參考滑移率達到預(yù)設(shè)值），-a1、+a2、+A為車輪角加速度的三個門限值，iE表示常開閥處于動作狀態(tài)，iA表示常閉閥處于動作狀態(tài)。當車輛緊急制動時，車輪角加速度為負值且隨制動油壓的增加而減小，在某一時刻降至預(yù)設(shè)的門限值-a1，開始進入ABS控制。為避免車輪在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)過早進入減壓狀態(tài)，導(dǎo)致最佳滑移率區(qū)間利用不充分，加入?yún)⒖蓟坡?。若參考滑移率小于預(yù)設(shè)值，即VWheel >λ1×VReference，說明車輪尚處在穩(wěn)定區(qū)間，ABS保壓，以使車輪充分制動;否則，說明車輪處于峰值附著系數(shù)附近的不穩(wěn)定區(qū)間，ABS階梯減壓，以保證合理的減壓速率使系統(tǒng)工作平順。由于減壓，車輪角加速度逐步回升至-a1，ABS保壓。由于車輪自身存在慣性且此時制動油壓較小，車輪角加速度持續(xù)回升，直到達到預(yù)設(shè)的門限值+a2;若在給定的保壓時間內(nèi)車輪角加速度始終不能超過+a2，說明此時路面附著系數(shù)較低，ABS階梯減壓，以使車輪角加速度達到預(yù)設(shè)的門限值+a2。繼續(xù)保壓會出現(xiàn)兩種情況：一是車輪角加速度超達到預(yù)設(shè)的門限值+A，ABS階梯增壓，直到降回+A，ABS保壓;二是車輪角加速度達到峰值后下降且沒有達到+A。兩種情況的最終結(jié)果都是車輪角加速度再次降至+a2，車輪處于穩(wěn)定區(qū)間的最佳滑移率區(qū)間，ABS階梯增壓，以使車輪盡量長時間處在穩(wěn)定區(qū)間，充分利用最佳滑移率區(qū)間，直至車輪角加速度再次降至-a1。到此，一個完整的控制循環(huán)結(jié)束。

3 ABS控制邏輯

3.1 ABS硬件部分

對于此ABS系統(tǒng)的硬件部分，選用三通道的液壓控制單元。兩個前輪為轉(zhuǎn)向輪，獨立控制;兩個后輪為驅(qū)動輪，按低選原則同步控制。獨立控制兩前輪可以保證制動中賽車始終保持良好的橫向附著，有利于快速過彎提高圈速;并且可以使賽車獲得盡可能大的總制動力，有利于縮短剎車距離。按低選原則同步控制兩后輪可以保證路面附著系數(shù)左右分離的情況下，兩后輪制動力始終相等，避免產(chǎn)生較大的橫擺力矩，增強了賽車的操縱穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性。

由于此ABS系統(tǒng)按低選原則同步控制兩后輪，要在進入ABS控制前對兩后輪的角加速度判斷，選擇率先觸發(fā)ABS工作門限（a<-a1）車輪的角速度及角加速度作為控制輸入?yún)⑴c控制實現(xiàn)。模塊如圖2所示：

3.2 軟件控制邏輯

ABS電子控制器軟件由車輛參考車速計算、滑移率計算、控制階段識別、控制階段執(zhí)行及蓄能器清空等模塊組成，其軟件控制邏輯框圖[4]如圖3所示：

3.3 控制階段識別

ABS軟件的控制階段識別模塊中包含下列4種狀態(tài)：狀態(tài)0：增加壓力;狀態(tài)1：保持壓力;狀態(tài)2：脈沖減小壓力;狀態(tài)3：脈沖增加壓力。具體識別模型如圖4所示：

將ABS軟件的控制階段識別模塊分成以下幾個階段：

階段1：觸發(fā)-a1門限，進入ABS，未觸發(fā)滑移率門限，ABS保壓。觸發(fā)滑移率門限，退出階段1。

階段2：觸發(fā)滑移率門限，ABS階梯減壓。再次觸發(fā)-a1門限，退出階段2。

階段3：再次觸發(fā)-a1門限，ABS保壓。在給定的保壓時間后退出階段3。

階段4：對給定保壓時間后的車輪角加速度進行判斷，將出現(xiàn)三種情況;

（i）觸發(fā)+A門限，ABS階梯增壓，再次觸發(fā)+A門限，ABS保壓。觸發(fā)+a2門限，退出階段4。

（ii）觸發(fā)+a2門限但未觸發(fā)+A門限，ABS保壓。再次觸發(fā)+a2門限，退出階段4。

（iii）未能觸發(fā)+a2門限，ABS階梯減壓，當觸發(fā)+a2門限后，ABS保壓。觸發(fā)+a2門限，退出階段4。

階段5：觸發(fā)+a2門限，ABS階梯增壓。觸發(fā)-a1門限，退出階段5。

3.4 控制階段執(zhí)行

ABS軟件的控制階段識別模塊將輸出電磁閥的動作狀態(tài)，1代表動作，0代表不動作?？刂齐A段執(zhí)行模塊接受并判斷電磁閥動作狀態(tài)，執(zhí)行保壓、階梯增壓、階梯減壓動作?？刂齐A段執(zhí)行模型如圖5所示。

狀態(tài)0的執(zhí)行：常開閥打開，常閉閥關(guān)閉，制動油壓線性增加。

狀態(tài)1的執(zhí)行：常開閥關(guān)閉，常閉閥關(guān)閉，制動油壓保持。

狀態(tài)2的執(zhí)行：常開閥持續(xù)關(guān)閉，常閉閥脈沖通電，液壓泵工作，制動液經(jīng)蓄能器泵回制動主缸，制動油壓階梯下降。

狀態(tài)3的執(zhí)行：常開閥脈沖通電，常閉閥持續(xù)關(guān)閉，制動油壓階梯增加。

蓄能器排空的執(zhí)行：常開閥關(guān)閉，常閉閥打開，此時蓄能器中的油壓高于制動主缸中的油壓，在壓差的作用下，制動液經(jīng)單向閥流回制動主缸，蓄能器排空。

3.5 ABS控制監(jiān)視

為監(jiān)視ABS控制實現(xiàn)過程中的工作狀態(tài)及參考車速計算，獲得一次ABS控制中的全部控制循環(huán)及控制循環(huán)內(nèi)各控制階段實現(xiàn)情況，在ABS控制邏輯中設(shè)立兩個標志位變量ABSFlag、ABSFlag1分別表征ABS工作狀態(tài)和參考車速計算。

標志位變量ABSFlag有13個狀態(tài)標號，“0”表示ABS未啟動時的常增壓狀態(tài);“1”表示ABS結(jié)束后的蓄能器排空狀態(tài);“2”表示ABS控制階段1的長保壓狀態(tài);“3”表示ABS控制階段2的減壓狀態(tài);“4”表示ABS控制階段2的短保壓狀態(tài);“5”表示ABS控制階段3的長保壓狀態(tài);“6”表示ABS控制階段4的長保壓狀態(tài);“7”表示ABS控制階段5的增壓狀態(tài);“8”表示ABS控制階段5的短保壓狀態(tài);“9”表示ABS控制階段4（i）的增壓狀態(tài);“10”表示ABS控制階段4（i）的短保壓狀態(tài);“11”表示ABS控制階段4（iii）的減壓狀態(tài);“12”表示ABS控制階段4（iii）的短保壓狀態(tài)。

標志位變量ABSFlag1有3個狀態(tài)標號，“0”表示ABS未啟動時以最大輪速法計算參考車速;“1”表示ABS工作時以斜率法計算參考車速;“10”表示ABS工作時以最大輪速法計算參考車速。

4 ABS控制模型仿真測試

4.1 模型在環(huán)仿真

在Simulink中搭建ABS控制模型，在Carsim中搭建輪胎、整車及路面模型。Simulink-Carsim聯(lián)合仿真，仿真過程中，汽車以80km/h的初速度在μ=0.7（陰雨天氣，雨胎與濕滑賽道間附著系數(shù)約為0.7）的平直路面上緊急制動。仿真獲得輪速、車速及制動距離和時間等信號，仿真結(jié)果如圖6、表1所示：

聯(lián)合仿真結(jié)果顯示，此ABS控制模型基本滿足控制功能的要求，車輪有效防抱死，且控制效果較為理想，制動距離及時間縮短近5%。

更改仿真條件，固定賽車方向盤轉(zhuǎn)角45°，使賽車以60km/h的初速度在μ=1.4（晴天良好附著，熱熔胎與賽道間附著系數(shù)約為1.4）的路面上行駛，然后進入緊急制動工況。仿真獲得賽車最大側(cè)向加速度，與無ABS系統(tǒng)結(jié)果對比，實驗結(jié)果列于表2：

仿真結(jié)果顯示，此ABS系統(tǒng)可以有效提高賽車的操縱穩(wěn)定性，最大側(cè)向加速度提高近0.09g。

4.2 駕駛員在環(huán)測試

在19賽季吉林大學吉速電動方程式賽車中搭載ABS系統(tǒng)所需硬件及控制效果良好的程序代碼，在租借的ABS專用測試場地進行調(diào)校與測試，輸出輪速、車輪角加速度、電磁閥工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，數(shù)采結(jié)果如下圖所示：

其中“WheelRpmFR”表示前右輪輪速，“FRAcc”表示前右輪角加速度，“ABSFlagFR”表示前右輪控制實現(xiàn)過程中的標志位變量ABSFlag，“ABSFlag1FR”表示前右輪控制實現(xiàn)過程中的標志位變量ABSFlag1。測試結(jié)果顯示，此ABS系統(tǒng)控制功能基本滿足預(yù)期期望，控制效果較為理想。

參考文獻

[1] 馬付雷.汽車ABS邏輯門限值控制算法研究與實現(xiàn)[D].重慶：重慶郵電大學碩士學位論文.2011.

[2] 鄒素瑞.客車防抱死系統(tǒng)控制器的研究[D].同濟大學，2007.

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[4] 王志煌.汽車液壓制動系統(tǒng)前后橋制動力分配的電子控制[J].汽車研究與開發(fā)，2002（03）：1-7+17.