曹亞楠 孫艷妮

摘要：電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)是當(dāng)下純電動(dòng)汽車常見的一種電液復(fù)合制動(dòng)模式，在該制動(dòng)模式下，汽車制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合制動(dòng)性能和效果尤為重要。在傳統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)下，液壓制動(dòng)系統(tǒng)雖能滿足汽車制動(dòng)要求，但無法在汽車行進(jìn)過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力。相比技術(shù)較為完備的電機(jī)制動(dòng)，液壓制動(dòng)技術(shù)有待改進(jìn)?；诖?，本研究搭建AMESim仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停碗娮右簤褐苿?dòng)系統(tǒng)采用PID算法控制器進(jìn)行復(fù)合制動(dòng)試驗(yàn)仿真分析。通過利用實(shí)驗(yàn)室電機(jī)臺(tái)架相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明，該仿真模型在引入PID控制器后，能采用電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)良好地改善汽車液壓控制壓力，且制動(dòng)調(diào)節(jié)控制模型對(duì)電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)期望壓力跟隨性較好，取得預(yù)期復(fù)合制動(dòng)控制效果，為新能源汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)節(jié)控制改進(jìn)提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：AMESim系統(tǒng)；純電動(dòng)汽車；復(fù)合雙重制動(dòng)系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)仿真

中圖分類號(hào)：U463.5 ?收稿日期：2023-04-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.016

1 前言

如今汽車制造工業(yè)的發(fā)展如火如荼，隨著汽車事故不斷增多，人們?cè)絹碓街匾暺囍苿?dòng)系統(tǒng)的工作性能，由此引發(fā)了業(yè)內(nèi)對(duì)于汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS控制系統(tǒng)的模擬與仿真，在此基礎(chǔ)上，衍生出了各種各樣的汽車制動(dòng)控制算法[1]。目前，市面上比較流行的汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制算法為PID控制算法、邏輯控制算法以及模糊控制算法等。其中，最具代表性且使用最為廣泛的汽車制動(dòng)系統(tǒng)控制算法為PID控制算法，當(dāng)下這種控制算法在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，它與邏輯控制算法以及模糊控制算法相比，抗干擾能力強(qiáng)，操作便捷和方便，更適用于對(duì)轎車的制動(dòng)控制。由于它具有獨(dú)特的控制優(yōu)越性，所以目前逐漸被應(yīng)用到化工和機(jī)械控制領(lǐng)域。

2 汽車制動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓制動(dòng)/電機(jī)制動(dòng)子系統(tǒng)與執(zhí)行控制器組成，其中，汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)包含液壓回流、調(diào)節(jié)、供給與液壓控制單元四個(gè)基本結(jié)構(gòu)模塊[2]。

2.1 汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓供給單元

汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓供給單元分別包括液壓泵、濾清器、蓄能器及其截止閥和單向閥的電機(jī)泵組合（汽車液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）幾個(gè)模塊。在汽車制動(dòng)系統(tǒng)工作運(yùn)行過程中，首先由汽車液壓制動(dòng)蓄能器為汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)提供充足的高壓制動(dòng)液。當(dāng)汽車液壓制動(dòng)蓄能器工作運(yùn)行時(shí)的蓄能器壓力不足時(shí)，蓄能器將直接由電機(jī)泵組合（汽車液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）模塊為其及時(shí)進(jìn)行制動(dòng)液補(bǔ)充；當(dāng)汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)工作時(shí)的蓄能器壓力達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)既定閾值時(shí)，單向閥的電機(jī)泵組合（汽車液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）便自動(dòng)終止工作運(yùn)行，由此源源不斷地為汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓，從而確保了汽車液壓制動(dòng)蓄能器壓力始終能夠保持相對(duì)穩(wěn)定[3]。

2.2 汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓調(diào)節(jié)單元

汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓調(diào)節(jié)單元主要功能作用是為汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供充足的液壓制動(dòng)力矩。在系統(tǒng)工作時(shí)，高壓制動(dòng)液會(huì)通過液壓供給單元向液壓調(diào)節(jié)單元輸送，在此過程中，高壓制動(dòng)液液壓力的大小會(huì)由液壓制動(dòng)子系統(tǒng)減壓電磁閥和增壓電磁閥進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，然后，液壓制動(dòng)子系統(tǒng)制動(dòng)輪缸的活塞會(huì)通過高壓制動(dòng)液進(jìn)行強(qiáng)力推動(dòng)，最終向汽車制動(dòng)盤中施加源源不斷的摩擦作用力，用以液壓調(diào)節(jié)和制動(dòng)控制。

2.3 汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓回流單元

汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓回流單元中的主要零部件由“溢流閥”“儲(chǔ)液罐”和“回流控制器”組成，其中，液壓回流單元的核心功能則是向儲(chǔ)液罐提供回流制動(dòng)液，其具體工作原理是：如果汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)蓄能器中存在過高的壓力時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)并及時(shí)開啟溢流閥，此時(shí)，制動(dòng)回流液會(huì)經(jīng)過液壓回流單元中的溢流閥進(jìn)行泄壓處理，處理完成后，制動(dòng)液會(huì)及時(shí)流向儲(chǔ)液罐，從而為下一次液壓制動(dòng)控制提供準(zhǔn)備[4]。

2.4 汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓控制單元

汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)之液壓控制單元包含了傳感器模塊，主控制器模塊和系統(tǒng)液壓制動(dòng)所需的各關(guān)鍵零部件驅(qū)動(dòng)模塊等，其中，系統(tǒng)主控制單元的功能是負(fù)責(zé)接收汽車液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器發(fā)出的制動(dòng)強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)化將其輸出到信號(hào)控制接收中心，從而驅(qū)使相應(yīng)的控制單元零部件工作，由此完成對(duì)汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)控制。

具體控制原理為：駕駛員將汽車的液壓制動(dòng)控制踏板踩下，此時(shí)制動(dòng)踏板信號(hào)會(huì)及時(shí)傳輸給汽車液壓制動(dòng)控制單元，與此同時(shí)，汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)減壓閥和增壓閥分別做出“關(guān)閉”與“開啟”動(dòng)作，在此過程中，制動(dòng)輪缸通過增壓閥接收控制單元的高壓制動(dòng)液，這一控制過程即為“汽車液壓制動(dòng)控制的增壓過程”。相反，當(dāng)汽車駕駛員將腳中的制動(dòng)踏板松開時(shí)，此時(shí)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)減壓閥和增壓閥分別做出“開啟”與“關(guān)閉”動(dòng)作，在此過程中，制動(dòng)輪缸通過減壓閥接收控制單元的高壓制動(dòng)液，使其向儲(chǔ)液罐回流，這一階段輪缸液壓控制壓力充分得到釋放，這一控制過程即為“汽車液壓制動(dòng)控制的減壓過程”。當(dāng)駕駛員未對(duì)汽車的制動(dòng)踏板做出任何的執(zhí)行控制操作時(shí)，汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)減壓閥和增壓閥均同時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)輪缸壓力與汽車制動(dòng)踏板均完全保持不動(dòng)和不變，這一控制過程即為“汽車液壓制動(dòng)控制的保壓過程”[5]。

3 汽車制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)階段，汽車ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)在汽車上得到廣泛應(yīng)用，它與汽車中普通的制動(dòng)系統(tǒng)相比，在原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了ECU電子控制單元、壓力調(diào)節(jié)技術(shù)裝置和輪速傳感器等控制設(shè)備，此制動(dòng)系統(tǒng)的工作職能是將汽車在行駛過程中的車輪滑移率嚴(yán)格控制在20%的目標(biāo)制動(dòng)閾值左右，在系統(tǒng)工作運(yùn)行過程中，汽車ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制的工作原理是：首先對(duì)車速信號(hào)進(jìn)行收集，由車速傳感器自動(dòng)對(duì)汽車車輪進(jìn)行判斷，分析其是否已經(jīng)抱死，然后經(jīng)過判斷分析之后，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)汽車行駛路線進(jìn)行控制，由此徹底阻止汽車輪胎抱死，同時(shí)將汽車輪胎的滑移率控制在20%附近（最佳滑移率），此時(shí)地面產(chǎn)生巨大的摩擦力，強(qiáng)大的附著系數(shù)通過制動(dòng)壓力傳遞給汽車，由此大大縮短制動(dòng)時(shí)間，提高汽車制動(dòng)效率，縮短汽車制動(dòng)距離，保證了汽車行進(jìn)過程中的平穩(wěn)制動(dòng)和穩(wěn)定操作。通常情況下，汽車輪胎的滑移率最大區(qū)間范圍是（0，1），一般在這一區(qū)間內(nèi)進(jìn)行制動(dòng)，可以完全保證汽車的平穩(wěn)制動(dòng)性能，保證方向操作控制穩(wěn)定性[6]。因此，ABS系統(tǒng)控制過程中，必須要高度重視汽車的“滑移率”，這一參數(shù)的計(jì)算公式為：

[λ=uν-uwuν?100%=1-ωRuν?100%] ???????（1）

式中，汽車在道路中平穩(wěn)行駛的瞬時(shí)速度為[uν]；汽車在行進(jìn)過程中的車輪制動(dòng)瞬時(shí)線速度為[uw]；汽車在制動(dòng)前車輪防抱死旋轉(zhuǎn)的角速度為[ω]；汽車制動(dòng)過程中車輪防抱死有效滾動(dòng)半徑為R。

本研究采用的汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制算法為PID控制算法，這種控制算法可利用比例積分對(duì)汽車實(shí)際滑移率進(jìn)行微分控制，它能夠?qū)⑵嚮坡士刂圃谧罴鸦坡庶c(diǎn)附近，但是基于“滑移率”的PID控制算法在汽車工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)在于，難以有效確定微分系數(shù)、積分系數(shù)和比例系數(shù)這三個(gè)基本控制參數(shù)，而在具體使用時(shí)，通?？苫谠囼?yàn)方法或理論方法，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上確定上述三大系數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)值的驗(yàn)證分析。

4 汽車制動(dòng)系統(tǒng)算法控制

本文在對(duì)汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)控制時(shí)，選擇了PID控制器分別通過對(duì)汽車減壓閥和增壓閥的調(diào)節(jié)控制來有效調(diào)節(jié)和分配汽車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)壓力。同時(shí)對(duì)電磁閥的工作過程進(jìn)行PWM控制，當(dāng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)在理想工況之下進(jìn)行工作時(shí)，將電磁閥徹底開啟，此時(shí)PWM處于高電平狀態(tài)，在此過程中，汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)中的液壓壓力發(fā)生較大變化；當(dāng)電磁閥徹底被關(guān)閉時(shí)，此時(shí)PWM處于低電平狀態(tài)，在此過程中，汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)中的液壓壓力不會(huì)發(fā)生較大變化，即始終保持恒定。正常條件下，電磁閥的閥口平均開度會(huì)受PWM。

占空比影響，而汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)中的液壓壓力增長速率將由電磁閥閥口的平均開度來決定，因此可以基于PWM信號(hào)控制原理來對(duì)汽車輪缸的實(shí)際壓力水平進(jìn)行精準(zhǔn)控制。但是對(duì)于本研究所提到的汽車液壓制動(dòng)子系統(tǒng)而言，在制動(dòng)工作過程中，輪缸實(shí)際壓力和期望壓力分別作為液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的最終輸出量和最終輸入量，由于在實(shí)際控制時(shí)，考慮到輪缸壓力與PWM占空比之間并無確切的數(shù)學(xué)對(duì)等關(guān)系，所以在本研究系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中，將PID控制器的輸入變量用液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的期望壓力和實(shí)際的輪缸壓力之間的偏差來表示，通過對(duì)PWM占空比和壓力偏差之間的關(guān)系進(jìn)行有效調(diào)整，由此確定PID相關(guān)參數(shù)值。另外，還需不斷調(diào)整和調(diào)節(jié)PID控制過程中的調(diào)節(jié)控制器，減少控制偏差。其中，最為關(guān)鍵的三個(gè)控制參數(shù)為PID控制器參數(shù)中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，它們分別對(duì)液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度、穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)誤差的變化率產(chǎn)生較大的影響[7]。

5 基于AMESim的汽車制動(dòng)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

5.1 仿真模型構(gòu)建

為了便于對(duì)汽車防抱死制動(dòng)ABS系統(tǒng)進(jìn)行深入的仿真試驗(yàn)研究，本文首先針對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行AMESim建模分析，其中包含制動(dòng)器仿真模型、輪胎和車輛動(dòng)力學(xué)模型三大部分。由于本文研究的主要是汽車在直線行駛時(shí)的制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)仿真問題，所以在建立上述三大數(shù)學(xué)模型時(shí)首先需要對(duì)被控對(duì)象作以下研究假設(shè)：

a.在路面行駛過程中，汽車所要行駛的路面不平度完全忽略不計(jì)。

b.汽車在路面，即試驗(yàn)路段始終按照既定的路線進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，并不存在橫向作用力。

c.基于AMESim的汽車制動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為整車，汽車載重類型為空載，汽車載重重量為整車質(zhì)量。

d.本研究在仿真試驗(yàn)時(shí)忽略了汽車在路面行駛中所遇到的路面阻力和外界風(fēng)力阻力等干擾因素。

基于上述四個(gè)基本研究假設(shè)，本研究在試驗(yàn)仿真前基于AMESim軟件進(jìn)行汽車受力分析，研究分析汽車在直線行駛時(shí)的受力情況，由此基于車輛動(dòng)力學(xué)公式構(gòu)建雙輪模型，輪速模型和車速模型等。本研究選取的受試對(duì)象為比亞迪F6小型轎車，所以本文同時(shí)假設(shè)車輛在直線行駛時(shí)的初始車速為50 km/h，根據(jù)該車型相關(guān)參數(shù)設(shè)定車輪在路面中的滾動(dòng)半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為0.42339 m和13 kg·m2，汽車整車總重量為813.8 kg。

基于上述思路，為了驗(yàn)證汽車制動(dòng)系統(tǒng)控制效果和電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)EHHB制動(dòng)控制方案的可行性，本研究基于AMESim軟件進(jìn)行模型仿真試驗(yàn)分析，構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)仿真模型如圖1所示。

5.2 基于AMESim的汽車制動(dòng)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果

5.2.1 基于AMESim的階躍響應(yīng)試驗(yàn)

當(dāng)系統(tǒng)開啟電磁閥時(shí)，基于AMESim的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)液壓壓力控制器會(huì)作出“減壓”或“增壓”的動(dòng)作，此時(shí)液壓壓力發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，但是當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉電磁閥時(shí)，基于AMESim的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)液壓壓力控制器并不會(huì)作出“減壓”或“增壓”的動(dòng)作，此時(shí)液壓壓力并不會(huì)發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化。如圖2所示，本研究基于階躍響應(yīng)試驗(yàn)，通過AMESim仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)分析，以觀察汽車制動(dòng)系統(tǒng)液壓壓力響應(yīng)速率。

在仿真試驗(yàn)過程中，本研究選用了額定轉(zhuǎn)矩較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過小型電機(jī)臺(tái)架進(jìn)行AMESim仿真，為了準(zhǔn)確獲取實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)結(jié)果，本試驗(yàn)設(shè)置的液壓制動(dòng)力相對(duì)較小，小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩僅1.75 N·m，而液壓壓力變化區(qū)間為0～467 kPa。由上圖測試結(jié)果可知，汽車制動(dòng)系統(tǒng)液壓壓力響應(yīng)速率僅為1 s，相對(duì)較為緩慢，但是在試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)，汽車制動(dòng)系統(tǒng)保壓時(shí)尚存在小幅度的波動(dòng)，階躍響應(yīng)曲線表現(xiàn)出來的總體期望壓力基本達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，符合制動(dòng)要求。

5.2.2 基于AMESim的正弦跟隨試驗(yàn)

在期望壓力的跟隨效果仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步通過AMESim 仿真模型驗(yàn)證汽車制動(dòng)系統(tǒng)的期望壓力跟隨性，圖3所示為基于正弦跟隨試驗(yàn)得到相對(duì)平穩(wěn)的跟隨試驗(yàn)曲線。在試驗(yàn)結(jié)果中，汽車液壓制動(dòng)壓力響應(yīng)時(shí)間約為0.6 s，在這一區(qū)間內(nèi)，汽車制動(dòng)系統(tǒng)壓力響應(yīng)速率增長幅度較大，約在0.6 s之后快速達(dá)到期望壓力值，而在0.6 s之后即轉(zhuǎn)入期望壓力跟隨狀態(tài)?？梢钥闯?，汽車制動(dòng)系統(tǒng)整體上有著較好的期望壓力跟隨性，而且在制動(dòng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的制動(dòng)控制性能，充分滿足了汽車制動(dòng)時(shí)的液壓壓力要求。

6 結(jié)語

本研究采用了PID算法進(jìn)行汽車復(fù)合制動(dòng)控制，為了驗(yàn)證PID控制器對(duì)汽車制動(dòng)的整體控制效果，本文在階躍響應(yīng)過程仿真試驗(yàn)時(shí)加入PID控制器收集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以觀察PID控制對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該汽車制動(dòng)系統(tǒng)在加入PID算法控制器后，增壓速率顯著提升，增壓過程所需時(shí)間為0.86 s，在系統(tǒng)保壓過程中，相比無PID控制器，加入PID控制器后汽車制動(dòng)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)較小，總體上取得良好制動(dòng)控制效果，有效改善了汽車制動(dòng)時(shí)的壓力控制水平，達(dá)到預(yù)設(shè)制動(dòng)目標(biāo)。

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作者簡介：

曹亞楠，女，1988年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P設(shè)計(jì)。