熊 璐,楊 興,冷 搏,3,崔天寶,韓 偉
(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804;2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心,上海201804;3.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程流動(dòng)站,上海201804)
傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)受限于其自身硬件結(jié)構(gòu),已經(jīng)難以滿足汽車電動(dòng)化和智能化對(duì)制動(dòng)執(zhí)行器提出的精確快速主動(dòng)控制這一新需求,因此線控制動(dòng)系統(tǒng)將逐漸取代傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)。線控制動(dòng)系統(tǒng)主要可細(xì)分為2種類型,電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(electrohydraulic brake,EHB)和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(electromechanical brake,EMB)[1]。其中EHB系統(tǒng)使用電機(jī)取代傳統(tǒng)真空助力器作為動(dòng)力源,但仍保留技術(shù)成熟的液壓部件,解決方案相比于EMB更加成熟,并具有高性能主動(dòng)制動(dòng)、提升制動(dòng)能量回收率、集成度高等諸多優(yōu)勢(shì),已成為行業(yè)公認(rèn)的下一代汽車制動(dòng)系統(tǒng)主流解決方案。
輪缸液壓力控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)和電磁閥的控制指令使輪缸實(shí)際液壓力快速準(zhǔn)確地跟蹤上層控制算法給出的期望輪缸液壓力。另外通常會(huì)包含輪缸液壓力估計(jì)模塊,以便診斷壓力傳感器是否失效,并且在失效安全模式下取代壓力傳感器保證制動(dòng)系統(tǒng)有效工作,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余備份。如果使用輪缸液壓力估計(jì)模塊替換液壓力傳感器,則能有效降低線控制動(dòng)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。Sorniotti等[2]利用硬件在環(huán)臺(tái)架對(duì)博世電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的液壓控制單元(hydraulic control unit,HCU)的進(jìn)液閥、出液閥、電機(jī)液壓泵等進(jìn)行測(cè)試,分析了各個(gè)部件對(duì)汽車動(dòng)態(tài)控制性能的影響。韓龍[3]研究了高速開(kāi)關(guān)閥在不同調(diào)制頻率和占空比條件下的閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng),選取調(diào)制頻率使電磁閥具有較大線性占空比調(diào)節(jié)區(qū)間,并通過(guò)PID(proportional-integral-derivative)控制計(jì)算各電磁閥的占空比進(jìn)而調(diào)節(jié)各輪缸液壓力。孫成偉等[4]提出階梯減壓控制方法,并給出了流量系數(shù)、電磁閥開(kāi)啟延遲時(shí)間、電磁閥關(guān)閉延遲時(shí)間的標(biāo)定方法。韓偉等[5]基于四閥結(jié)構(gòu)的集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng),采用主缸定頻調(diào)壓法對(duì)各輪缸的目標(biāo)液壓力進(jìn)行跟蹤控制,實(shí)現(xiàn)了車輛橫擺穩(wěn)定性控制。在輪缸液壓力估計(jì)方面,Li等[6]通過(guò)增減壓閥的流量特性方程計(jì)算出進(jìn)入輪缸的制動(dòng)液體積,結(jié)合輪缸的PV(pressure volume)特性估計(jì)出輪缸液壓力,但這種方法對(duì)電磁閥的重復(fù)性、前后一致性要求較高。歐陽(yáng)[7]根據(jù)獲得的電磁閥、電機(jī)液壓泵以及液壓系統(tǒng)特性,結(jié)合各部件的工作狀態(tài)和液壓力需求,提出了輪缸液壓力控制和估計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)控制算法。Jiang等[8]結(jié)合車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使用卡爾曼濾波對(duì)基于電磁閥模型的液壓力估計(jì)值進(jìn)行實(shí)時(shí)更正,提高了估計(jì)精度,但依賴于準(zhǔn)確的路面附著系數(shù)。
本文針對(duì)四閥結(jié)構(gòu)集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)這一單動(dòng)力源調(diào)控四閥四通道新構(gòu)型,提出了無(wú)輪缸液壓力傳感器下的輪缸液壓力控制算法。首先通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析液壓調(diào)節(jié)單元的電磁閥特性、輪缸PV特性以及液壓系統(tǒng)延遲特性,然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)輪缸液壓力估計(jì)和控制策略,最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)與有輪缸液壓力傳感器的控制方案進(jìn)行對(duì)比。
基于自主研發(fā)的集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(integrated electro-hydraulic brake system,I-EHB)進(jìn)行研究,其系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示。
圖1 集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)Fig.1 Integrated electro-hydraulic brake system
I-EHB系統(tǒng)由主缸建壓?jiǎn)卧?、踏板感覺(jué)模擬器、液壓控制單元和制動(dòng)控制器等基本功能單元組成,可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)制動(dòng)、主動(dòng)制動(dòng)以及失效模式制動(dòng)。為了降低成本并精簡(jiǎn)HCU結(jié)構(gòu),其中液壓控制單元采用了四閥結(jié)構(gòu)方案:基于管路復(fù)用原則,每個(gè)制動(dòng)輪缸僅由一個(gè)兩位兩通電磁閥調(diào)節(jié)液壓力,該兩位兩通電磁閥由ABS傳統(tǒng)增壓閥(常開(kāi)閥)改制得到。
基于上述I-EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu),搭建了可以實(shí)現(xiàn)HCU測(cè)試、液壓力估計(jì)及液壓力控制等功能的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),如圖2所示。
圖2 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架Fig.2 Hardware-in-loop test bench
液壓調(diào)節(jié)單元中的高速開(kāi)關(guān)電磁閥是一類使用高頻率開(kāi)閉方式工作的機(jī)電液耦合元件,通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(pulse width modulation,PWM)對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)選擇合適的脈沖控制頻率和有效的占空比區(qū)間(脈沖寬度),高速開(kāi)關(guān)電磁閥可以對(duì)制動(dòng)液流量表現(xiàn)出近似線性的控制效果。
2.1.1 電磁閥電流響應(yīng)特性
通過(guò)觀測(cè)電磁閥在上下電時(shí)電磁線圈的電流響應(yīng)情況,得到改制后的電磁閥閥芯上電動(dòng)作時(shí)間(電磁閥關(guān)閉時(shí)間)基本處于0.002 6s~0.002 8s,而下電動(dòng)作時(shí)間(電磁閥開(kāi)啟時(shí)間)為0.002s左右。電磁閥的臨界頻率fc由式(1)計(jì)算可得。
式中:ton為電磁閥開(kāi)啟所需時(shí)間,s;toff為電磁閥關(guān)閉所需時(shí)間,s。
2.1.2 電磁閥液壓特性
電磁閥的增減壓特性是其結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制信號(hào)及整個(gè)液壓系統(tǒng)的綜合反映,通過(guò)研究其液壓特性可以分析出合適的控制信號(hào)參數(shù)以及有效的液壓力變化調(diào)節(jié)區(qū)間。
圖3所示為控制頻率50Hz、初始?jí)翰?MPa時(shí)不同占空比條件下的增壓工況測(cè)試結(jié)果,由圖可知電磁閥PWM控制時(shí)存在死區(qū)和飽和區(qū)。
圖3 控制頻率50Hz、初始?jí)翰?MPa時(shí)的增壓測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of pressurization at a control signal of 50Hz an initial pressure deviation of 4MPa
選取臨界頻率以內(nèi)不同的PWM控制頻率,在電磁閥兩端初始?jí)翰罘謩e為2MPa及5MPa兩個(gè)具有代表性的工況下進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。在2MPa與5MPa壓差下,占空比死區(qū)和增壓速率極值都隨著控制頻率增加而逐漸變大,并且在占空比有效區(qū)間內(nèi)增壓速率與占空比呈近似線性關(guān)系。減壓工況和增壓工況類似。
為使電磁閥有足夠的占空比控制范圍并有更靈敏的控制效果,在實(shí)際控制過(guò)程中電磁閥控制信號(hào)的控制頻率一般應(yīng)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)閥的臨界頻率,結(jié)合電磁閥的液壓特性測(cè)試結(jié)果,選擇電磁閥的控制頻率為50Hz。
圖4 初始?jí)翰? MPa時(shí)不同控制頻率下的增壓速率曲線Fig.4 Pressurization rate of different control fre?quencies at an initial pressure deviation of 2 MPa
圖5 初始?jí)翰? MPa時(shí)不同控制頻率下的增壓速率曲線Fig.5 Pressurization rate of different control fre?quencies at an initial pressure deviation of 5 MPa
根據(jù)控制頻率50Hz下的不同壓差、不同占空比和液壓力變化速率的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合得到電磁閥的增、減壓特性,分別如圖6和7所示。
圖6 電磁閥增壓特性Fig.6 Pressurization characteristics of solenoid valve
圖7 電磁閥減壓特性Fig.7 Depressurization characteristics of solenoid valve
輪缸PV特性受到油路軟管等元件變形以及制動(dòng)盤間隙變化等因素影響,難以用精確的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表述,因此基于硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行緩慢增減壓測(cè)試,得到如圖8所示的輪缸PV特性,其中輪缸液壓力信息由壓力傳感器獲取,進(jìn)入輪缸的制動(dòng)液體積信息由流量計(jì)獲取。選取增減壓PV特性均值作為輪缸系統(tǒng)PV特性,并進(jìn)行不同目標(biāo)液壓力下PV特性對(duì)比以及分段增壓與連續(xù)增壓PV特性對(duì)比測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9和10所示,驗(yàn)證了I-EHB系統(tǒng)輪缸PV特性具有較好的一致性和可重復(fù)性。
圖8 輪缸PV特性曲線Fig.8 PV characteristic curve of wheel cylinder
圖9 不同目標(biāo)液壓力下的輪缸PV特性曲線Fig.9 PV characteristic curves of wheel cylinder at different target pressures
圖10 分段連續(xù)增壓與直接增壓PV特性曲線對(duì)比Fig.10 PV characteristics coMParison between piecewise continuous pressurization and di?rect pressurization
電磁閥控制指令發(fā)出時(shí)液壓系統(tǒng)存在響應(yīng)延遲現(xiàn)象,若不加以考慮則液壓力估計(jì)值與實(shí)際液壓力之間會(huì)產(chǎn)生較大的相位差,進(jìn)而引起較大的估計(jì)誤差。液壓系統(tǒng)的響應(yīng)延遲如圖11所示。
液壓系統(tǒng)延遲與電磁閥兩端的壓差有關(guān),測(cè)試得到增、減壓工況的液壓系統(tǒng)延遲時(shí)間與壓差的關(guān)系分別如圖12和13所示。
圖12 增壓時(shí)的液壓系統(tǒng)延遲Fig.12 System response delay during pressurization
圖13 減壓時(shí)的液壓系統(tǒng)延遲Fig.13 System response delay during depressurization
增壓時(shí)制動(dòng)液流動(dòng)方向與閥芯運(yùn)動(dòng)方向一致,因此當(dāng)壓差變大時(shí)液壓系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間減?。粶p壓過(guò)程則相反。
輪缸液壓力變化速率受到很多因素影響,但權(quán)衡模型的準(zhǔn)確與建模效率后,對(duì)系統(tǒng)做出如下簡(jiǎn)化假設(shè):
(1)忽略管路內(nèi)部由于黏性摩擦力產(chǎn)生的能量損失。
(2)忽略電磁閥開(kāi)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)流體的瞬態(tài)沖擊。
(3)系統(tǒng)密封無(wú)泄漏,沿流程的流量不變。
(4)制動(dòng)液為不可壓縮流體。
式中:P為輪缸液壓力;V為進(jìn)液體積;Q為電磁閥流量。
管道內(nèi)任意一段流束由點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2過(guò)程的伯努利方程為
式中:h1和h2分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的單位重量流體的位能;和分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的單位重量流體的壓力能;和分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的單位重量流體的動(dòng)能;hw表示實(shí)際流體流動(dòng)中由于黏性摩擦力產(chǎn)生的能量損失,ρ為制動(dòng)液密度;g為重力加速度;v1和v2分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的流速;α1和α2分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的動(dòng)能修正系數(shù)。
制動(dòng)管路橫截面積遠(yuǎn)大于節(jié)流孔,因此制動(dòng)管路中制動(dòng)液的流速遠(yuǎn)小于節(jié)流孔橫截面上的流速v2,近似認(rèn)為v1≈0。同時(shí)忽略實(shí)際液體的運(yùn)動(dòng)中因液體黏性產(chǎn)生的能量損失,即hw≈0。制動(dòng)液流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)為湍流,動(dòng)能修正系數(shù)取1[9]。
式(3)可以簡(jiǎn)化為
在實(shí)際液壓系統(tǒng)中,制動(dòng)液通常具有很高的壓強(qiáng),位能變化可以忽略,可得式(5)。
式中:ΔP為閥口壓差。流量可以表示為
式中:Cq為流量系數(shù);A為節(jié)流孔流通面積。
聯(lián)立式(2)和(6)可得
最終得到輪缸液壓力估計(jì)模型為
式中:T為控制周期;n為周期數(shù);t0為初始時(shí)刻;τ為液壓系統(tǒng)響應(yīng)延遲。
圖14 體積剛度與輪缸液壓力關(guān)系曲線Fig.14 Volume stiffness versus wheel-cylinder hy?draulic pressure
圖15為基于不同流量系數(shù)Cq的液壓力估計(jì)模型和臺(tái)架上實(shí)時(shí)測(cè)量得到的液壓力變化對(duì)比曲線。當(dāng)流量系數(shù)取0.5時(shí),增壓情況下的液壓力估計(jì)曲線與實(shí)際液壓力變化曲線契合很好。減壓工況同理,將增、減壓的流量系數(shù)設(shè)置為0.5。
圖15 增壓時(shí)的流量系數(shù)擬合Fig.15 Fitting of flow coefficient during pressur?ization
受到傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的蓄能器啟發(fā),通過(guò)控制建壓?jiǎn)卧獙?duì)制動(dòng)主缸液壓力進(jìn)行預(yù)期的調(diào)節(jié),使得制動(dòng)主缸實(shí)現(xiàn)類似高低壓蓄能器的功能。
由于該系統(tǒng)每個(gè)車輪的增減壓都只由一個(gè)電磁閥控制,在某些情況下輪缸的增減壓會(huì)受其他輪缸的增減壓需求及當(dāng)前主缸液壓力狀況的限制,每個(gè)輪缸增減壓需求不能同時(shí)滿足。為了防止車輪抱死,應(yīng)優(yōu)先滿足有減壓需求的車輪,因此在策略設(shè)計(jì)過(guò)程中首先考慮減壓需求。
基于減壓優(yōu)先的輪缸液壓力均衡控制策略設(shè)計(jì)如圖16所示,其中Pmt表示主缸目標(biāo)液壓力。
工作原理如下:當(dāng)輪缸的目標(biāo)液壓力值相向變化時(shí),主缸液壓力可以跟蹤一個(gè)讓所有輪缸滿足液壓力變化需求的目標(biāo)壓力,這時(shí)主缸既充當(dāng)減壓輪缸的低壓蓄能器,又當(dāng)作增壓輪缸的高壓蓄能器,所有輪缸液壓力需求都可以滿足;當(dāng)存在某個(gè)輪缸的目標(biāo)液壓力值與其他輪缸相背的變化趨勢(shì)時(shí),主缸的目標(biāo)壓力值選取時(shí)優(yōu)先考慮滿足有減壓需求的輪缸,而其他需要增壓的輪缸在本控制周期內(nèi)則處于保壓狀態(tài)。
圖16 基于減壓優(yōu)先的輪缸液壓力均衡控制策略Fig.16 Balance control strategy of wheel cylinder pressure based on depressurization priority
由于均衡控制中主缸液壓力并不是恒定的高壓源,而是時(shí)刻變化的,因此主缸液壓力、輪缸實(shí)際及目標(biāo)液壓力要滿足一定條件才能實(shí)現(xiàn)增壓或減壓,否則只能保壓。因此電磁閥開(kāi)閉邏輯的核心是,只在輪缸的目標(biāo)液壓力值減實(shí)際輪缸液壓力的差值與主缸液壓力減實(shí)際輪缸液壓力的差值乘積大于零,即符號(hào)相同時(shí),對(duì)應(yīng)輪缸的電磁閥才打開(kāi),進(jìn)行增壓或者減壓,否則為保壓狀態(tài)。
當(dāng)主輪缸之間的壓差不大,在制動(dòng)液黏性及運(yùn)動(dòng)慣性作用下,主輪缸液壓力變化耦合性較強(qiáng)。因此需要考慮主缸液壓力的變化趨勢(shì),即當(dāng)輪缸有增壓需求時(shí),若判斷主缸液壓力是減壓趨勢(shì),則保壓;在輪缸減壓時(shí),若此時(shí)主缸在增壓,則輪缸保壓。最終設(shè)計(jì)的電磁閥開(kāi)閉控制邏輯如圖17所示。
圖17 電磁閥開(kāi)閉控制邏輯Fig.17 Control logic of solenoid valve
在通過(guò)電磁閥開(kāi)閉控制邏輯確定當(dāng)前周期電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)后,根據(jù)輪缸目標(biāo)液壓力、輪缸液壓力反饋信息(由液壓力傳感器或估計(jì)算法得到),基于PI控制計(jì)算期望壓力變化速率,結(jié)合試驗(yàn)所得電磁閥增減壓特性,查表得到PWM控制信號(hào)的占空比。
5.1.1 單一電磁閥恒定輸入工況
試驗(yàn)工況設(shè)置:增壓時(shí)輪缸初始液壓力為零,主缸初始液壓力為4MPa,電磁閥全開(kāi);減壓時(shí)輪缸初始液壓力為5MPa,主缸初始液壓力為零,電磁閥全開(kāi)。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖18和圖19所示,在單一電磁閥指令恒定輸入下,輪缸液壓力估計(jì)精度在0.25MPa以內(nèi)。
圖18 4MPa階躍增壓電磁閥全開(kāi)工況估計(jì)結(jié)果Fig.18 Estimation results with solenoid valve full opened under 4MPa step pressurization condition
圖19 5 MPa階躍減壓電磁閥全開(kāi)估計(jì)結(jié)果Fig.19 Estimation results with solenoid valve fully opened under a step depressurization of 5 MPa
5.1.2 多電磁閥變化輸入工況
試驗(yàn)工況設(shè)置:左后和右后輪缸目標(biāo)液壓力為相位相同、偏移值4MPa、頻率0.5Hz的正弦信號(hào),幅值分別為2.5MPa和1.5MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示,左后和右后輪缸液壓力估計(jì)均方根誤差分別為0.257MPa和0.227MPa,能夠滿足控制使用需求。
圖20 多電磁閥變化輸入工況估計(jì)結(jié)果Fig.20 Estimation results under variable input op?erating conditions of multiple solenoid valves
5.2.1 基于壓力傳感器的液壓力控制試驗(yàn)
試驗(yàn)工況設(shè)置:左后和右后輪缸目標(biāo)液壓力為相位相同、偏移值4MPa、頻率0.5Hz的正弦信號(hào),幅值分別為2.5MPa和1.5MPa,輪缸液壓力控制試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。
圖21 基于輪缸壓力傳感器的壓力控制結(jié)果Fig.21 Experimental results of pressure control based on wheel-cylinder hydraulic pressure sensors
從圖21中可以看出,在2.5s等主缸目標(biāo)液壓力切換過(guò)程,右后輪缸液壓力會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)現(xiàn)象。盡管右后輪缸的占空比指令已經(jīng)為關(guān)閉狀態(tài),這是由于主缸目標(biāo)液壓力切換過(guò)程中電磁閥發(fā)生了內(nèi)泄漏,導(dǎo)致了較大的輪缸液壓力控制誤差。在其他主缸液壓力平穩(wěn)變化的過(guò)程中,輪缸液壓力均能較好地跟隨。
5.2.2 基于液壓力估計(jì)的液壓力控制試驗(yàn)
試驗(yàn)工況設(shè)置同5.2.1節(jié),控制算法中輪缸液壓力由估計(jì)算法給出,試驗(yàn)結(jié)果如圖22所示。
圖22 基于輪缸壓力估計(jì)算法的壓力控制結(jié)果Fig.22 Experimental results of pressure control based on wheel-cylinder hydraulic pressure estimation
統(tǒng)計(jì)分析2種方案的輪缸液壓力控制試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到如表1所示控制精度對(duì)比結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)利用輪缸液壓力估計(jì)算法替代壓力傳感器能達(dá)到與基于壓力傳感器的控制方案相近的控制精度,驗(yàn)證了算法的有效性。
表1 不同壓力反饋來(lái)源下的液壓力控制評(píng)價(jià)Tab.1 Evaluation of pressure control under differ?ent pressure feedback sources MPa
(1)針對(duì)四閥液控單元結(jié)構(gòu)的集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)提出了無(wú)液壓力傳感器下的輪缸液壓力控制方法。基于液壓控制單元測(cè)試分析,提出了基于伯努利方程與PV特性相結(jié)合的輪缸液壓力估計(jì)方法,設(shè)計(jì)了減壓優(yōu)先的輪缸液壓力均衡控制策略。
(2)在雙輪同相位異幅值正弦工況下,輪缸壓力估計(jì)均方根誤差在0.25MPa以內(nèi),輪缸壓力估計(jì)均方根誤差在0.21MPa以內(nèi),無(wú)壓力傳感器下的輪缸液壓力控制方案的控制精度可以達(dá)到基于傳感器反饋液壓力控制方案相當(dāng)?shù)乃健?/p>