初 亮，常 城，王 旭，趙 迪，許炎武

（1.吉林大學汽車工程學院，長春 130022；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)逐漸進入電動化和智能化時代，制動系統(tǒng)也由傳統(tǒng)液壓制動逐漸向線控制動發(fā)展。對于電動汽車，為了更好的實現(xiàn)再生制動功能并兼顧制動感覺，制動系統(tǒng)的解耦需求越來越高；對于自動駕駛汽車，美國汽車工程師學會（SAE）將其分為5個級別，其中第1級和第2級被稱為駕駛輔助系統(tǒng)，駕駛員仍需全程參與駕駛，3至5級被稱為高級自動駕駛系統(tǒng)，可以替代駕駛員進行自動駕駛，當系統(tǒng)有故障時仍可一定程度上實現(xiàn)自動駕駛，因此對于駕駛輔助系統(tǒng)，制動系統(tǒng)需要具有主動制動功能，同時具備傳統(tǒng)液壓制動備份，而對于高級自動駕駛車輛，傳統(tǒng)液壓制動備份不能滿足其高可靠性需求，因此需要對主動制動功能進行備份。

目前，針對線控制動系統(tǒng)的功能需求，國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多研究，主要包括3個分支。第1個分支是電子液壓制動系統(tǒng)，代表產(chǎn)品有豐田ECB和博世HAS-hev等，這類系統(tǒng)采用無助力制動主缸作為操縱機構，通過踏板感覺模擬器模擬踏板感覺，利用液壓泵和高壓蓄能器作為穩(wěn)定高壓源，并通過線性電磁閥對輪缸壓力進行調(diào)節(jié)。這類系統(tǒng)集成度高、功能全面，但結構復雜、造價高昂，而且采用高壓蓄能器，存在一定安全隱患。第2個分支為電子助力制動系統(tǒng)，如德國博世iBooster和日立EIDB，國內(nèi)如上海匯眾、清華大學、吉林大學等也提出類似構型。這類系統(tǒng)與真空助力器工作原理類似，均為助力活塞與人力共同推動主缸，并具有隨動作用，通過控制電機調(diào)節(jié)助力活塞與踏板推桿的相對位置，在不改變踏板感覺情況下調(diào)節(jié)主缸壓力，因此可以在無踏板感覺模擬器情況下實現(xiàn)解耦，但其解耦能力有限，只能在較低制動強度范圍內(nèi)實現(xiàn)，通常需搭配ESC液壓單元來實現(xiàn)更大范圍的解耦和協(xié)調(diào)能量回收。第3個分支為電動主缸式制動系統(tǒng)，如本田ESB。這類系統(tǒng)有兩個主缸：備份主缸和主動增壓主缸。備份主缸為駕駛員直接操作的制動操縱裝置，通過模擬器切斷電磁閥與踏板感覺模擬器相連，并通過主缸切斷電磁閥與增壓主缸相連。其工作原理與電子液壓制動系統(tǒng)類似，但增壓裝置替換為由電機驅(qū)動的液壓缸；與電子助力制動系統(tǒng)相比，這類系統(tǒng)依然具有踏板感覺模擬器，無需采用復雜控制方法來保證踏板感覺。電動主缸式系統(tǒng)適用范圍廣，可匹配不同液壓控制單元，可有效控制成本，而且結構簡單，控制算法簡單。為了在無踏板輸入情況下獨立調(diào)節(jié)制動壓力，上述幾種線控制動系統(tǒng)均將制動踏板與制動壓力解耦，可以說解耦是線控制動的前提條件，然而它們只能在常規(guī)狀態(tài)下保持解耦，一旦發(fā)生單點故障，制動踏板與制動壓力就會重新耦合，此時只能完全通過人力制動，這只滿足駕駛輔助系統(tǒng)的功能需求，而對于高級自動駕駛車輛，要求線控制動系統(tǒng)即使在發(fā)生單點故障時仍能處于解耦狀態(tài)并且可以實現(xiàn)主動制動功能。

關于壓力控制算法研究，國內(nèi)外先進零部件廠商出于商業(yè)原因很少公開發(fā)表相關成果，公開文獻基本來自于高校及研究機構，主要分為兩種類型：第1類偏于理論，首先定性分析系統(tǒng)的壓力控制原理，并利用各種智能控制算法控制其執(zhí)行部件，例如SOA算法、參數(shù)辨識方法、魯棒控制等，這類方法理論上控制更精確，但在實際工程中常常存在系統(tǒng)收斂性及復雜工況適應性差等問題；第2類偏于被控執(zhí)行部件本身，根據(jù)其硬件特性，確定關鍵影響參數(shù)，并通過試驗標定其與控制目標的數(shù)據(jù)表格，并將數(shù)表用于壓力控制，這類方法工程應用更廣泛，但當系統(tǒng)結構及特性復雜時，標定工程量會隨之增大，因此對執(zhí)行部件的選取較為關鍵。

本文根據(jù)高級自動駕駛汽車的功能需求，提出一種全解耦且具有冗余備份的液壓線控制動系統(tǒng)，包括兩種工作模式：常規(guī)制動和冗余制動，系統(tǒng)正常工作時，處于常規(guī)制動模式；當發(fā)生單點故障時，進入冗余制動模式。無論哪種工作模式，該系統(tǒng)都能將制動踏板和制動壓力解耦，并實現(xiàn)主動線控制動，對于占絕大部分工作區(qū)間的常規(guī)制動，采用了一種變等效活塞截面積控制方法，可以在保證壓力控制精度的同時降低液壓缸電機性能要求，并延長其使用壽命。同時為了實現(xiàn)系統(tǒng)壓力精確控制，針對兩種工作模式下不同硬件的結構特點，分別提出了基于輪缸p-V特性和電磁閥溢流特性的壓力控制算法。最后進行仿真分析與硬件在環(huán)試驗。

1 線控制動系統(tǒng)設計

1.1 線控制動系統(tǒng)結構設計

本文所提出液壓線控制動系統(tǒng)結構簡圖如圖1所示，由主制動單元（MBU）和冗余制動單元（RBU）組成。其中PSU為踏板模擬單元，PBU為動力制動單元，MHCU為主液壓控制單元，PSS為踏板行程模擬器，MC為制動主缸，SCV為模擬器截止閥，PBCV為電動液壓缸截止閥，PBC為電動液壓缸，MSV為模式切換閥，PBIV為電動液壓缸隔離閥，MCIV為主缸隔離閥，HCV為管路聯(lián)通閥，HSV為高壓切換閥；PRV為壓力調(diào)節(jié)閥，F(xiàn)LIV、FLOV分別為左前輪進、出液閥，RRIV、RROV分別為右后輪進、出液閥，F(xiàn)RIV、FROV分別為右前輪進、出液閥，RLIV、RLOV分別為左后輪進、出液閥。

圖1 液壓線控制動系統(tǒng)結構圖

MBU包括PSU、PBU和MHCU 3個模塊，其中：PSU包括制動踏板、制動主缸、制動液儲液杯、PSS和2個踏板位移傳感器；PBU包括PBC以及若干開關電磁閥，其中PBC前后兩腔均裝有壓力傳感器，PBC無刷驅(qū)動電機裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器；MHCU包括每個制動器的進出液閥。PSS由活塞和彈性元件組成，工作時其內(nèi)部壓力隨輸入液體的體積而變化，以模擬踏板感覺。PSS由SCV控制，SCV為常閉閥，以確保系統(tǒng)不通電時PSS保持關閉，主缸的輸出接口直接與RBU相連。

MBU中高壓制動液由PBC產(chǎn)生，其結構如圖2所示。PBC由無刷電機通過傳動機構驅(qū)動，電機旋轉(zhuǎn)運動被轉(zhuǎn)換為活塞直線往復運動，活塞上裝有兩個方向的皮碗，可以實現(xiàn)活塞往復雙向建壓。PBC配有6個電磁閥，分別是MSV、HCV、PBCV1和PBCV2、PBIV1和PBIV2，MSV用于切換PBC的壓力調(diào)節(jié)模式，使液壓缸可以在不同運動方向上增減壓；由于PBC不是雙腔結構，需要用HCV使PBC同時控制兩組管路的壓力；PBCV用于連接PBC和儲液杯，可以為PBC補充制動液，或在活塞移動時從PBC排出制動液；PBIV用于確保系統(tǒng)不通電時，制動液不會流向PBC。

圖2 電動液壓缸PBC結構（不含電機和傳動機構）

RBU是一個簡化的ESC液壓控制單元，它省去了進氣閥、出氣閥和低壓蓄能器，只保留了液壓泵、HSV和PRV。HSV是開關電磁閥，用于控制液壓泵的開啟和關閉；PRV是線性電磁閥，用于調(diào)節(jié)液壓泵輸出壓力，通過控制電磁閥和液壓泵，可以保證MBU發(fā)生故障時，RBU仍能進行主動制動并實現(xiàn)精確壓力控制。

1.2 線控制動系統(tǒng)工作模式分析

上述線控制動系統(tǒng)包括兩種工作模式：常規(guī)制動和冗余制動。常規(guī)制動時MBU工作，首先控制HCV打開，將兩套獨立的液壓制動管路連接在一起，使PBC可以同步調(diào)節(jié)4個制動器壓力。常規(guī)制動包括高壓、中壓和低壓3種壓力調(diào)節(jié)模式，通過控制電磁閥MSV、PBCV1和PBCV2、PBIV1和PBIV2，系統(tǒng)可以在不同壓力調(diào)節(jié)模式之間切換，圖3～圖5是不同壓力調(diào)節(jié)模式下四輪同步增壓時PBU工作狀態(tài)，圖中箭頭反向即為減壓狀態(tài)。在不同壓力調(diào)節(jié)模式下，PBC等效活塞截面積不同，因此制動液排量和壓力調(diào)節(jié)率也不同，這種設計能降低對PBC電機性能要求，提高中壓和高壓下的壓力調(diào)節(jié)精度。

圖3 低壓模式下四輪同步增壓時PBU工作狀態(tài)

圖5 高壓模式下四輪同步增壓時PBU工作狀態(tài)

由圖可見，隨著壓力調(diào)節(jié)模式的變化，實際承受液壓的等效活塞截面積也隨之變化，公式如下：

圖4 中壓模式下四輪同步增壓時PBU工作狀態(tài)

式中：A為等效活塞截面積，mm；A為活塞截面積，mm；A為活塞桿截面積，mm。

MBU出現(xiàn)單點故障時，冗余制動單元RBU將取代MBU進行制動壓力控制。在冗余制動模式下，MCIV1和MCIV2打開，HCV、PBIV1和PBIV2關閉，壓力控制由液壓泵、HSV、PRV完成。

系統(tǒng)增壓時RBU工作狀態(tài)如圖6所示，此時打開HSV關閉PRV，液壓泵將制動液泵入輪缸，通過調(diào)整PRV1和PRV2的驅(qū)動電流從而調(diào)節(jié)壓力。當系統(tǒng)減壓時，打開PRV關閉HSV，制動液流回制動主缸以實現(xiàn)減壓。

圖6 主動增壓時RBU工作狀態(tài)

2 壓力控制算法研究

精確液壓制動力控制是線控制動系統(tǒng)的一項關鍵技術，壓力控制效果的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)最終控制品質(zhì)。本文針對系統(tǒng)常規(guī)制動和冗余制動兩種工作模式，分別提出基于輪缸p-V特性和基于電磁閥溢流特性的壓力控制算法。兩種壓力控制算法均屬于第二類控制算法，根據(jù)執(zhí)行部件物理特性確定關鍵控制參數(shù)，并通過試驗標定其與控制目標的關系數(shù)表，最終加以控制。

2.1 常規(guī)制動壓力控制算法

PBU是本文線控制動系統(tǒng)的主要壓力源。MBU未發(fā)生故障時，全部高壓制動液均由PBU產(chǎn)生，并通過電磁閥和液壓管線送至制動器。

因此控制PBU向制動器注入一定體積油液，便可在制動器中產(chǎn)生目標壓力，所需制動液體積可根據(jù)輪缸p-V特性曲線插值得到。當目標壓力為p時，所有制動器所需注入制動液體積為

然而無法直接對PBC活塞的位移進行控制，因此需要通過控制電機轉(zhuǎn)矩間接控制。

將式（13）代入式（14），可得到減壓狀態(tài)下活塞桿電機推力為

2.2 冗余制動壓力控制算法

高度自動駕駛汽車要求出現(xiàn)單點故障時仍能實現(xiàn)主動線控制動，這意味著制動系統(tǒng)應該有第2個獨立制動部件。

本文所述第2個制動部件是冗余制動單元RBU。根據(jù)前文描述，RBU有2個線性常開電磁閥PRV，線圈通電后，電磁閥的動鐵和定鐵會因磁化而產(chǎn)生電磁力，電磁力推動動鐵和閥芯，克服液壓力和彈簧力，使電磁閥關閉。PRV閥芯運動方程可表示為

式中：A為工作氣隙的面積，m；μ為真空滲透率，N/A；N為線圈匝數(shù)；i為線圈電流，A；x為閥芯初始工作氣隙，mm。

如圖7所示，本文在AMESim中建立PRV電磁閥仿真模型，電磁閥的電磁力和線圈電感通過查表得到，線圈模型由RL串聯(lián)電路表示，電源為直流電，由PWM信號控制。

圖7 PRV電磁閥AMESim模型

在仿真模型中，使用不同占空比的PWM信號來驅(qū)動電磁閥，得到圖8壓力響應曲線?？梢娫谝欢?qū)動信號占空比范圍內(nèi)，電磁閥表現(xiàn)出良好的比例溢流特性，即通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號占空比，可以得到目標穩(wěn)態(tài)溢流壓力。通過試驗臺架所得壓力響應曲線如圖9所示，與仿真模型表現(xiàn)特性相似。

圖8 電磁閥溢流特性仿真曲線

圖9 電磁閥溢流特性試驗曲線

根據(jù)圖6，PRV電磁閥溢流壓力與主缸壓力的差值即為輪缸液壓力，因此可以通過控制PWM信號占空比得到目標輪缸液壓力，公式表示為

式中：K為PRV溢流壓力p與PWM信號占空比D的比例系數(shù)，mL/MPa；p為輪缸液壓力，MPa；p為主缸壓力，MPa。

3 仿真分析

為驗證上述變等效活塞截面積控制方法及壓力控制算法有效性，搭建離線仿真平臺進行測試，為了便于向硬件在環(huán)仿真平臺移植，車輛動力學、液壓制動系統(tǒng)和電動動力總成等模型均在Simulink中建立，未使用其他仿真工具進行聯(lián)合仿真。仿真中所用主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

3.1 常規(guī)制動壓力控制仿真分析

為驗證在變等效活塞截面積控制方法下PBC的壓力調(diào)節(jié)性能，首先進行PBC增壓試驗。試驗過程中，PBC活塞以固定速度移動，控制器通過調(diào)節(jié)電磁閥來切換壓力調(diào)節(jié)模式，模式切換后，活塞運動方向改變，但速度保持不變。仿真結果如圖10～圖13所示。

圖10 PBC的壓力曲線

圖11 PBC壓力調(diào)節(jié)模式曲線

圖12 PBC活塞位移曲線

由圖10～圖13可見，隨著壓力逐漸增加，壓力調(diào)節(jié)模式從低壓切換到中、高壓，雖然壓力調(diào)節(jié)模式發(fā)生了變化，但制動壓力并未發(fā)生突變，而是平穩(wěn)增長。同時根據(jù)壓力變化趨勢，從低壓切換到中、高壓時，增壓率逐漸下降，這是由于中壓和高壓模式下的等效活塞截面積比低壓時小，而活塞以固定速度移動，因此PBC排出油液體積較小，導致增壓率降低。

圖13 PBC推桿力曲線

此外，盡管壓力變化較大，但推桿力絕對值變化很小，與中壓模式相比，高壓模式下的推桿力甚至有所下降。這是因為高壓模式下，活塞的等效截面積較小，使得在相同推桿力下，活塞可以產(chǎn)生更高的壓力。因此，這種可變活塞橫截面積控制方法可以減少PBC電機輸出轉(zhuǎn)矩范圍，并降低其性能要求，延長其使用壽命。

為了滿足制動壓力的響應需求，結合工程經(jīng)驗，通常要求系統(tǒng)在0～10 MPa壓力范圍內(nèi)的增壓時間不大于150 ms，超調(diào)量不大于5%。為了驗證常規(guī)制動時壓力控制算法的控制精度，進行了隨機壓力跟隨測試，同時與工程中最常用的PID算法進行對比試驗。仿真結果如圖14和圖15所示，可以看出與PID算法相比，本文算法可以更快速準確的跟隨目標壓力，尤其在壓力發(fā)生突變時，其響應時間在100 ms以內(nèi)，超調(diào)量小于3%，完全滿足系統(tǒng)壓力響應需求。

圖14 常規(guī)制動壓力控制效果

圖15 常規(guī)制動壓力控制誤差

3.2 冗余制動壓力控制仿真分析

冗余制動模式下，RBU通過調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥PRV線圈電流實現(xiàn)精確壓力控制。為了驗證RBU壓力控制算法的控制效果，同樣進行隨機壓力跟隨測試試驗并與PID算法進行對比。仿真結果如圖16和圖17所示，可以看出與PID算法相比，RBU壓力控制算法可以更快速準確地響應目標壓力，同樣在壓力發(fā)生突變時效果更明顯，其響應時間在120 ms以內(nèi)，超調(diào)量小于4%，這意味著該線控制動系統(tǒng)在冗余制動模式下仍可以保持較高的制動性能。不過這種控制方法需要液壓泵頻繁工作，且噪聲較大，因此只應用于MBU發(fā)生單點故障時。

圖16 冗余制動壓力控制效果

圖17 冗余制動壓力控制誤差

4 硬件在環(huán)試驗

4.1 試驗平臺搭建

本文優(yōu)先搭建了常規(guī)制動MBU的硬件在環(huán)試驗臺，進一步驗證其可行性與有效性。總體構架如圖18所示。臺架包括制動控制系統(tǒng)與被控制動系統(tǒng)，其中被控制動系統(tǒng)包括基礎制動硬件、傳感器、電動液壓缸和液壓調(diào)節(jié)單元，由于硬件資源的限制，MBU由分立的硬件搭建，未進行集成。制動控制系統(tǒng)包括上位機、實時目標機、故障注入板和綜合信號調(diào)理箱。

圖18 硬件在環(huán)試驗臺架總體構架

制動控制系統(tǒng)的構架如圖19所示，實時目標機為一臺x86構架計算機，其作為快速原型控制器，配備了高性能的CPU和I/O板卡，具備數(shù)字量、模擬量、高頻PWM信號輸入輸出和CAN總線通信功能，同時兼容Simulink Realtime實時仿真環(huán)境。除被控制動系統(tǒng)外的整車其他部分均以模型的形式運行在實時目標機中。

圖19 制動控制系統(tǒng)構架

實時目標機的I/O板卡不具備直接驅(qū)動負載的能力，需要綜合信號調(diào)理箱來完成負載的驅(qū)動。綜合信號調(diào)理箱的主要功能有傳感器供電、電磁閥驅(qū)動、電機驅(qū)動，還包括I/O接口過流保護、12 V直流電源管理等輔助功能。

被控制動系統(tǒng)硬件，通過制動器壓力信號與實時目標機內(nèi)車輛動力學模型組成一輛半實物半模型的車輛。實時目標機通過壓力傳感器實時采集輪缸壓力，并將壓力信號反饋到車輛動力學模型中的制動轉(zhuǎn)矩計算模塊。該模塊根據(jù)壓力計算出制動轉(zhuǎn)矩并將其作用在車輪模型上，以建立實物制動系統(tǒng)與車輛動力學模型之間的聯(lián)系。

4.2 單次制動工況壓力控制試驗

在硬件在環(huán)臺架進行單次制動工況試驗，包括小強度制動和大強度制動。

首先進行單次小強度制動試驗，將車輛加速至100 km/h后進行制動，最大制動強度達到0.3g，仿真曲線如圖20～圖25所示。

圖20 車速-時間曲線

圖21 加速度-時間曲線

圖22 PBU壓力跟隨曲線

圖23 PBU壓力調(diào)節(jié)模式曲線

圖24 PBU推桿力曲線

圖25 PBU排出制動液體積曲線

然后進行單次大強度制動試驗，將車輛加速至100 km/h后進行制動，最大制動強度達到0.8g，仿真曲線如圖26～圖31所示。

圖26 車速-時間曲線

圖31 PBU排出制動液體積曲線

圖27 加速度-時間曲線

分析上述兩組試驗曲線可知：所提壓力控制算法可以產(chǎn)生滿足駕駛員制動需求的制動壓力，并輸出足夠制動液來產(chǎn)生足夠制動壓力；PBU通過模式切換，改變等效活塞橫截面積，可以在高制動壓力下降低推桿力，降低對電機性能的需求；需要注意的是，在中壓模式下活塞運動會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，此時活塞推桿受力也會從推力變?yōu)槔?，這種交變力對設備壽命會產(chǎn)生不利影響，但從試驗曲線中可以看出中壓模式不易觸發(fā)，單獨依靠低壓和高壓模式基本可以滿足需求。

圖28 PBU壓力跟隨曲線

圖29 PBU壓力調(diào)節(jié)模式曲線

圖30 PBU推桿力曲線

因此上述試驗數(shù)據(jù)可以驗證所提MBU常規(guī)制動系統(tǒng)以及所設計變等效活塞控制方法的可行性，同時在一定程度上驗證其壓力控制算法的有效性，不過臺架試驗過程中存在一定壓力控制誤差，原因可能包括：模型失配、傳感器測量誤差和電磁干擾等，將在后續(xù)研究中進一步分析。

5 結論

綜上所述，本文所提出的線控制動系統(tǒng)在常規(guī)制動和冗余制動模式下均能實現(xiàn)主動線控制動功能，可以滿足高級自動駕駛汽車的功能需求；針對常規(guī)制動系統(tǒng)所設計的變等效橫截面積控制方法可以有效地減少電機輸出轉(zhuǎn)矩范圍，并降低其性能要求，延長使用壽命；針對兩種制動模式下不同硬件特點所提出的壓力控制算法，同樣可以滿足系統(tǒng)的壓力響應需求。

在后續(xù)研究中，將針對臺架試驗中壓力控制誤差產(chǎn)生原因進行分析及優(yōu)化，同時繼續(xù)搭建冗余制動硬件臺架并將其與常規(guī)制動臺架聯(lián)合，對實際工程中常規(guī)制動失效時冗余制動如何介入及其介入效果進行深入研究，同時與市面上同類型產(chǎn)品及其控制算法進行對比，更進一步驗證所提出系統(tǒng)的實用性與優(yōu)越性。