李宇柔 1? 金智林 1 王曉露 張?chǎng)伪?
(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,南京 210016)
(2.上海航天控制技術(shù)研究所、上海伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,上海 201109)
制動(dòng)性能對(duì)車(chē)輛的主動(dòng)安全影響比較大,故隨著車(chē)輛研發(fā)進(jìn)程的加快,制動(dòng)系統(tǒng)也在不斷進(jìn)行技術(shù)革新.近來(lái)自動(dòng)駕駛技術(shù)日益發(fā)展,作為易于實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)(Hydraulic Brake-by-Wire system,HBW)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、可控性能優(yōu)越、響應(yīng)快速、卓效節(jié)能的工作方式而得以深入研究[1].
作為一種新型的線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng),線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)摒棄了復(fù)雜龐大的液壓管件,在工作時(shí)ECU收集各路傳感器信號(hào),通過(guò)電磁閥將制動(dòng)液從高壓蓄能器輸入輪缸,以此得到期望的目標(biāo)壓力[2].在工作過(guò)程中制動(dòng)力跟隨的良好動(dòng)態(tài)特性對(duì)目標(biāo)壓力起到十分積極的作用.當(dāng)前已有大量學(xué)者對(duì)HBW系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行了研究.都靈理工大學(xué)D’alfio等通過(guò)研制HBW試驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)HBW系統(tǒng)的重要部件如高壓蓄能器,高速開(kāi)關(guān)閥等進(jìn)行了深入的研究,分析了各個(gè)零部件的工作特性[3].Li Xiaoping等設(shè)計(jì)DDEHB新型線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng),以提高車(chē)輛的制動(dòng)性能[4].李靜等通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的電控制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),將制動(dòng)測(cè)試程序?qū)懭隒ode warrior軟件中進(jìn)行典型工況的增壓、保壓、減壓試驗(yàn),獲得了系統(tǒng)在典型制動(dòng)進(jìn)程中的壓力動(dòng)態(tài)性能[5].陳慧巖等通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)特性,并在某越野車(chē)上搭建實(shí)車(chē)系統(tǒng),進(jìn)行了電控制動(dòng)實(shí)際道路試驗(yàn),研究其響應(yīng)特性和可控性[6].金智林等分析HBW系統(tǒng)的工作原理,搭建線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型,通過(guò)自行研制的HBW試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)模型進(jìn)行了相關(guān)的制動(dòng)試驗(yàn),驗(yàn)證了所建模型的正確性;應(yīng)用建立的AMESim模型詳細(xì)分析了HBW主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制動(dòng)液的特性參數(shù)對(duì)壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[7].張鴻生等建立了HBW系統(tǒng)的理論模型,并通過(guò)AMESim建模仿真驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確度,并針對(duì)典型工況對(duì)HBW系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析[8].韓正鐵等提出了商用車(chē)電子制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)遲滯特性及補(bǔ)償控制策略,利用硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性[9].王琳琳等根據(jù)重型商用車(chē)的電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)提出制動(dòng)力分配算法,采用硬件在環(huán)試驗(yàn)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證[10].
重型車(chē)由于在制動(dòng)過(guò)程中具有較大的慣性,因此大部分采用氣壓制動(dòng)釋放制動(dòng)力,但為了克服氣壓式制動(dòng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度慢的問(wèn)題,也有部分重型車(chē)采用液壓式制動(dòng)結(jié)構(gòu).其中,吳春紅等對(duì)重型車(chē)輛的氣-液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究,用試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性[11];陳姍姍等面向具有制動(dòng)動(dòng)態(tài)特性延遲的重型裝備運(yùn)輸車(chē),對(duì)行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和液力緩速器進(jìn)行了建模和仿真分析[12].而重載卡車(chē)、輪式裝載機(jī)、井下鏟運(yùn)機(jī)、平地機(jī)以及集裝箱搬運(yùn)機(jī)等實(shí)現(xiàn)了液壓制動(dòng)的功能.
本文采用大流量的電磁比例閥設(shè)計(jì)了重型車(chē)線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng);根據(jù)HBW的工作原理及數(shù)學(xué)模型搭建了AMESim仿真模型;用HBW試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行緩慢制動(dòng)和反復(fù)緊急制動(dòng)等典型工況的測(cè)試;并用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,分析重型車(chē)電子液壓制動(dòng)過(guò)程中的響應(yīng)特性.
圖1為1/4的重型車(chē)HBW系統(tǒng)的組成構(gòu)架示意圖,由電子控制單元模塊、液壓控制單元模塊、電子制動(dòng)踏板模塊等三個(gè)模塊構(gòu)成.電子式制動(dòng)踏板含有制動(dòng)力傳感器及制動(dòng)力矩傳感器,其作為電子制動(dòng)踏板模塊的主要部件,通過(guò)采集電子踏板的電壓信號(hào),將制動(dòng)信號(hào)傳輸給電子控制單元,ECU則將制動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的PWM波形輸出控制電磁比例閥,通過(guò)閥芯位移,控制油液的輸出.
圖1 重型車(chē)線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition of the hydraulic brake-by-wire system
液壓控制單元包括儲(chǔ)液油箱、液壓泵、電動(dòng)機(jī)、單向閥、過(guò)濾器、溢流閥、高壓蓄能器、電磁比例閥輪缸壓力傳感器及蓄能器壓力傳感器.液壓控制單元接收ECU的信號(hào),通過(guò)繼電器控制電機(jī)泵的工作狀態(tài),完成蓄能器的充液過(guò)程.根據(jù)電磁比例閥的比例輸出特性,HBW可完成線(xiàn)性增壓、保壓、線(xiàn)性減壓的過(guò)程.隨著電子踏板的行程不斷增大,ECU把制動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM輸出控制電磁比例閥閥芯的左向位移,制動(dòng)液從高壓蓄能器通過(guò)電磁比例閥進(jìn)入制動(dòng)輪缸,此為增壓過(guò)程.當(dāng)電子踏板的電信號(hào)維持一定值時(shí),電磁比例閥維持一定的開(kāi)度,使得單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入輪缸的油液流量與流向油箱的油液流量相同,此為保壓過(guò)程.當(dāng)電子踏板的電信號(hào)減弱時(shí),電磁比例閥的閥芯右位移動(dòng),輪缸內(nèi)的制動(dòng)液流向油箱,制動(dòng)壓力減小,此為減壓過(guò)程.
根據(jù)重型車(chē)線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理,分別對(duì)增壓、減壓過(guò)程中的主要部件——高壓蓄能器、電磁比例閥及輪缸等進(jìn)行建模.
(1)高壓蓄能器
在HBW增壓時(shí),蓄能器內(nèi)的制動(dòng)液流向制動(dòng)輪缸,此時(shí)蓄能器內(nèi)的油液減少,氣體內(nèi)能增加,將氣室體積的增加近似為絕熱膨脹過(guò)程[13],蓄能器在增壓過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)的變化滿(mǎn)足泊松方程
式中,p1為電磁比例閥處于中位時(shí)蓄能器充液增能后的氣壓,V1為電磁比例閥處于中位時(shí)蓄能器充液增能后的氣室體積,p2為電機(jī)泵未給蓄能器充液時(shí)的氣壓,V2為電機(jī)泵未給蓄能器充液時(shí)的氣室體積,n為熱力學(xué)絕熱指數(shù).
考慮制動(dòng)液的流速對(duì)蓄能器充液進(jìn)程的影響,可以計(jì)算出制動(dòng)液均值流速和蓄能器的實(shí)時(shí)壓力之間的關(guān)系式
式中,pg為蓄能器的實(shí)時(shí)壓力,qr為給制動(dòng)輪缸增壓過(guò)程中的液壓油流動(dòng)的均值速度.圖2為AMESim中的高壓蓄能器模型.
圖2 高壓蓄能器模型Fig.2 Model of high-pressureaccumulator
(2)電機(jī)泵
高壓油源模塊的電機(jī)通過(guò)繼電器接收直流電源輸送過(guò)來(lái)的電信號(hào),并通過(guò)電子控制單元檢測(cè)蓄能器的壓力使其保持在一定范圍.在制動(dòng)增壓時(shí),蓄能器內(nèi)的制動(dòng)液進(jìn)入制動(dòng)輪缸,蓄能器的實(shí)時(shí)壓力下降到設(shè)定值,液壓控制單元控制繼電器接通,電機(jī)泵開(kāi)始工作,將制動(dòng)液泵入高壓蓄能器,蓄能器內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力升高至設(shè)定值,繼電器切斷電信號(hào),電機(jī)泵由于接收不到ECU的信號(hào)而停止工作,期間泵的輸出流量
式中,Q0為液壓泵的輸出流量,S0為電機(jī)的轉(zhuǎn)速,V0為液壓泵單位時(shí)間內(nèi)的排量,E0為制動(dòng)液的體積模量,c0為液壓泵的壓力因子,Pi為液壓泵的輸入口的壓力,P0為泵的輸出口的壓力.圖3為AMESim中的電機(jī)泵模型.
圖3 電機(jī)泵模型Fig.3 Model of motor pump
(3)電磁比例閥
在制動(dòng)過(guò)程中,通過(guò)電子踏板中的傳感器將控制信號(hào)輸入給電磁比例閥的通電螺線(xiàn)管,通電螺線(xiàn)管的端電壓[14,15]
式中,ui為電子踏板中的輸出電壓,L為電磁比例閥內(nèi)每個(gè)線(xiàn)圈的電感,I為進(jìn)入電磁比例閥的電流,Rs為閥內(nèi)每個(gè)線(xiàn)圈的電阻,Ke為動(dòng)生反電動(dòng)勢(shì)系數(shù),se為鐵磁體的位移.電磁比例閥中的電磁鐵具有比例特性,電磁鐵作為將電轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的元器件,其通電后在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用,通過(guò)克服彈簧力等力的作用,將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移,控制閥芯移動(dòng).在規(guī)定的工作區(qū)間內(nèi),電磁力
式中,Ki為電磁比例閥中的電流-力增益.
電磁比例閥的閥芯在規(guī)定的工作區(qū)間做水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)受到多個(gè)力的作用,包括電磁力、摩擦力、彈簧力、慣性力及液動(dòng)力.根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定理
式中,pb為作用于制動(dòng)鉗的制動(dòng)力,A為銷(xiāo)釘端面的面積,Ma為電磁閥閥芯組件的等效質(zhì)量,Ba為等效阻尼系數(shù),sv為電磁比例閥的閥芯位移,Kv為回位彈簧剛度,sv1為閥芯處于中位時(shí)的壓力口至油箱口的開(kāi)口長(zhǎng)度,Kv為液動(dòng)力的剛度系數(shù).電磁比例閥[16]在其工作時(shí)的動(dòng)態(tài)性能類(lèi)似于單向閥[17],由此得出電磁比例閥的流量動(dòng)態(tài)特性方程
式中,Qh為流經(jīng)電磁比例閥的油液流量,Ci為油液流量系數(shù),Ai為油箱口至壓力口的開(kāi)口面積,ρ為油液的密度,Pb為制動(dòng)輪缸壓力.圖4為AMESim中的電磁比例閥模型.
圖4 電磁比例閥模型Fig.4 Model of solenoid proportional valve
(4)制動(dòng)輪缸
制動(dòng)過(guò)程中,制動(dòng)液由油管處流向制動(dòng)輪缸,考慮制動(dòng)液的流速對(duì)蓄能器充液進(jìn)程的影響,進(jìn)入輪缸的制動(dòng)液流量變化及輪缸的實(shí)時(shí)壓力變化情況滿(mǎn)足以下關(guān)系式
式中,K為制動(dòng)液的體積彈性模量,Vs為油管體積.圖5為AMESim中的制動(dòng)輪缸模型.
圖5 制動(dòng)輪缸模型Fig.5 Model of brake wheel cylinder
由以上可得,HBW增壓過(guò)程的動(dòng)力學(xué)微分方程
HBW減壓過(guò)程的動(dòng)力學(xué)微分方程
AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems)作為專(zhuān)門(mén)用于液壓及氣壓系統(tǒng)的建模平臺(tái),采用了液壓及氣壓圖標(biāo)符號(hào)代表系統(tǒng)中的各個(gè)模塊及元件,因此適用于汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真研究.分析HBW系統(tǒng)的自身架構(gòu)原理及相關(guān)參數(shù)在AMESim軟件建立相應(yīng)模型.圖6為線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型.其中HBW模型中各個(gè)部件的主要特征參數(shù)如表1所示.
圖6 線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型Fig.6 Model of the hydraulic brake-by-wire system
表1 HBW系統(tǒng)參數(shù)Table1 System parameters
從圖6可以看出,HBW系統(tǒng)包含蓄能器壓力控制模塊和輪缸壓力跟隨控制模塊.
液壓控制單元基于預(yù)先設(shè)定的壓力值,通過(guò)繼電器對(duì)電機(jī)泵進(jìn)行工作過(guò)程的控制.圖7為蓄能器控制流程圖.電子控制單元通過(guò)控制繼電器的通斷決定電機(jī)泵的工作狀態(tài).由于蓄能器充液壓力上限的存在,壓力波動(dòng)大且充液速度快,設(shè)置蓄能器的壓力區(qū)間位于工作壓力下限值和工作壓力上限值之間,當(dāng)蓄能器從電機(jī)泵充液至其壓力大于工作壓力下限值時(shí),電控單元控制繼電器關(guān)閉電機(jī),停止充液;當(dāng)蓄能器充液至其壓力小于工作壓力下限值時(shí),電控單元控制繼電器啟動(dòng)電機(jī)充液至壓力達(dá)到工作壓力上限值.
圖7 蓄能器控制流程圖Fig.7 Flow chart of accumulator control
輪缸壓力調(diào)節(jié)過(guò)程采用PID控制器.PID控制器根據(jù)實(shí)際制動(dòng)壓力與目標(biāo)期望壓力的差值調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)作為控制器輸入,經(jīng)控制器輸出至線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的電磁比例閥
其中,ΔP為制動(dòng)目標(biāo)壓力與實(shí)際制動(dòng)壓力的差值,調(diào)節(jié)控制控制器的比例系數(shù)Kp=4.5×10-4,積分系數(shù)KI=5.5×10-4,微分系數(shù)KD=1×10-8.經(jīng)過(guò)PID控制器對(duì)制動(dòng)目標(biāo)壓力與實(shí)際制動(dòng)壓力差值的控制,HBW系統(tǒng)可以理想地按照期望的制動(dòng)力輸出壓力.
圖8為輪缸壓力的控制算法流程圖.
圖8 輪缸壓力控制算法流程圖Fig.8 Flow chart of wheel cylinder pressure control algorithm
輪缸壓力控制過(guò)程包括數(shù)據(jù)的采集處理和控制輸出.輪缸壓力傳感器將壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD模塊轉(zhuǎn)換輸入電子控制單元,電控單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波等處理得到目標(biāo)壓力與實(shí)際壓力的差值,用PID控制器控制誤差至實(shí)際壓力越來(lái)越接近于目標(biāo)壓力,并計(jì)算輸出的PWM信號(hào).
根據(jù)HBW系統(tǒng)的工作原理,研制出相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)HBW模型進(jìn)行驗(yàn)證.圖9為試驗(yàn)臺(tái)架的控制原理圖.根據(jù)HBW系統(tǒng)的架構(gòu)原理,由電源模塊供電,控制單元接收壓力傳感器的信號(hào),通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)模塊輸出控制給執(zhí)行機(jī)構(gòu),并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)顯示.
圖9 HBW臺(tái)架控制原理圖Fig.9 Control schematic diagramof HBWbench
圖10為HBW試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖.根據(jù)系統(tǒng)的控制流程,設(shè)計(jì)控制代碼并通過(guò)Code warrior軟件編寫(xiě)進(jìn)電子控制單元,完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、采集及控制輸出工作.
圖10 重型車(chē)HBW試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖Fig.10 HBWtest bench for heavy vehicles
為驗(yàn)證建立的模型及控制算法的有效性,選用幾種典型的制動(dòng)工況,分析其制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,結(jié)果如圖11-15所示.
圖11 緩慢制動(dòng)工況Fig.11 Slow brakingconditions
圖11為重型車(chē)緩慢制動(dòng)工況,制動(dòng)踏板從零位移到最大位移時(shí)的制動(dòng)壓力.可以看出,HBW系統(tǒng)在增壓過(guò)程中,仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合,其中輪缸壓力穩(wěn)態(tài)值誤差小于2%,壓力從0緩慢上升至最大值時(shí)間約1.6s,仿真模型由于忽略了油管軟管的變形特性,到達(dá)最大值時(shí)間超前0.5s.因此HBW系統(tǒng)滿(mǎn)足重型車(chē)緩慢制動(dòng)的要求.
圖12為模擬汽車(chē)緩慢松開(kāi)制動(dòng)的工況.可以看出,在減壓過(guò)程中,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)態(tài)值非常吻合,二者的結(jié)果均可在3.5s內(nèi)降至0MPa,與重型車(chē)減壓過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)相一致.因此,所建立的模型能較好地反應(yīng)實(shí)際HBW系統(tǒng)工作過(guò)程.
圖12 緩慢減壓工況Fig.12 Slow decompression conditions
圖13為重型車(chē)典型的制動(dòng)工況:增壓、保壓、減壓.在三個(gè)階段中,仿真結(jié)果響應(yīng)速度理想,可控性較強(qiáng).在增壓階段,試驗(yàn)結(jié)果由于踏板信號(hào)的不穩(wěn)定,導(dǎo)致電磁比例閥的開(kāi)度速率變化較快.
圖13 緩慢增、保、減壓工況Fig.13 Slow pressurization,holding pressure,decompression conditions
圖14為模擬汽車(chē)中度制動(dòng)和中度松開(kāi)制動(dòng)過(guò)程中輪缸制動(dòng)壓力的變化.可以看出在連續(xù)的兩個(gè)增壓和兩個(gè)減壓過(guò)程中,仿真和試驗(yàn)結(jié)果均較吻合.在減壓時(shí),輪缸壓力響應(yīng)延遲了0.5s左右,對(duì)于重型車(chē)線(xiàn)控液壓制動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能來(lái)講,可以接受0.5s的減壓誤差,故其動(dòng)態(tài)性能符合期望.
圖14 中度增、保、減壓工況Fig.14 Moderate pressurization,pressure holding and decompression conditions
圖15為模擬汽車(chē)頻繁快速緊急制動(dòng)工況.在兩個(gè)緊急增壓工況下,仿真結(jié)果可以很好地跟隨制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行制動(dòng),且在達(dá)到最大壓力前后,基本呈現(xiàn)出了線(xiàn)性的特點(diǎn).試驗(yàn)結(jié)果顯示第一次達(dá)到最大壓力之前,輪缸壓力由于蓄能器的儲(chǔ)液能力不足,最后的充液速度放緩,雖然不能及時(shí)達(dá)到目標(biāo)壓力,但僅比仿真結(jié)果延遲了0.4s,認(rèn)為動(dòng)態(tài)特性良好;第二次達(dá)到最大壓力之前,輪缸壓力由于蓄能器充液延遲,增壓時(shí)間較第一次短,但并未達(dá)到目標(biāo)壓力,誤差為0.5MPa,認(rèn)為可以達(dá)到目標(biāo)壓力.兩次的快速松開(kāi)制動(dòng)的過(guò)程在前期擬合得很好,后期處于小壓力狀態(tài),油管存在壓力損失,受殘余壓力的影響,試驗(yàn)結(jié)果在時(shí)間上延遲了0.3s.整體上體現(xiàn)出了HBW系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中的響應(yīng)快速和可控性強(qiáng)的特點(diǎn).
圖15 緊急增、保、減壓工況Fig.15 Emergency pressurization,holdingpressure,decompression conditions
為分析重型車(chē)線(xiàn)控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,根據(jù)HBW的工作原理,搭建了1/4車(chē)HBW系統(tǒng)的AMESim模型,并用自行研制的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明,仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.HBW系統(tǒng)在增壓、減壓過(guò)程中均體現(xiàn)出了較好的響應(yīng)特性,整個(gè)過(guò)程中無(wú)壓力超調(diào)現(xiàn)象,可控性強(qiáng),HBW系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越,適用于重型車(chē)的各個(gè)制動(dòng)工況,實(shí)用性強(qiáng).