汽車液壓防抱死制動系統輪缸壓力估計研究

司洪龍 李 銳 鄭太雄

（重慶郵電大學 汽車電控技術研究所，中國 重慶400065）

0 引言

近年來，隨著汽車工業的迅猛發展，道路行車密度不斷增大，汽車行駛速度不斷提高，汽車的制動性越來越重要。國內外主要采用汽車防抱死制動系統（ABS）來增強汽車制動的安全性。液壓防抱死制動系統的的主要執行部件是液壓調節單元，制動壓力需要精確調節，這就需要進行制動壓力的反饋控制，而制動壓力只能通過壓力傳感器測得或者壓力估算算法估算得到[1]。目前對輪缸壓力進行估計時，大多需要搭建汽車液壓調節系統的臺架，但是搭建液壓調節系統臺架耗材耗力，只能針對某一特定型號的液壓調節系統，不利于二次開發，不具普遍性通用性，并且機械系統復雜不易數據測量與分析。電學系統很完善，有一套完整的電路理論，汽車液壓制動系統屬于有液壓傳動的機械系統，機械與電路之間有著相互的對應關系。因此提出一種通過機械電路相似的方法，將汽車液壓制動系統相似成電路系統，并通過分析電路系統的方法來分析汽車液壓制動系統，從而對汽車液壓防抱死制動系統的制動輪缸壓力進行估計，具有可行性，既容易又便于推廣。

1 汽車液壓制動系統輪缸模型

汽車液壓制動系統由制動器、制動輪缸、液壓控制單元、制動主缸、真空助力器、制動踏板模塊組成，系統結構如圖1所示。由于4路輪缸調壓回路在結構上是類似的，故可通過單回路液壓制動系統模型對整個液壓制動系統進行研究[2]。

建立液壓系統的模型要對為建立單回路液壓制動系統模型，首先課做如下假設：

（1）制動過程中，液壓管路內壁較光滑，制動液流量較小，可以忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失；

（2）忽略電磁閥切換時制動液的瞬時沖擊；

（3）忽略制動油管、輪缸缸體的彈性變形。

圖1 單輪制動系統模型

根據流量動力學特性和假設，可得增壓、減壓、保壓三種控制方式的流量方程，增壓與減壓控制方式的流量方程形式相同，僅參數不一致。保壓時，與控制量為0等價。故在此僅討論增壓控制工況，其它工況可以類推。

由輪缸的油壓變化率，結合增壓時的流量方程，得到輪缸的壓力變化率。

采用目前廣泛使用的盤式制動器，若忽略制動輪缸活塞空行程，則可得到汽車液壓制動系統給為一個非線性系統，其數學描述為：

其中，kcap為剎車片等效彈簧剛度，Ms為輪缸活塞質量，Cs為等效阻尼系數，βs為系統的有效彈性模量，Vs為常開閥與常閉閥之間的管路加上制動輪缸的總容積，As為輪缸活塞面積，xs為輪缸活塞的位移[3-4]。

2 汽車液壓制動系統輪缸模型電學系統的建立

利用機電相似理論，通過汽車液壓制動系統的數學關系，將液壓制動系統的機械系統轉化為電學系統

Qs為輪缸移動產生的流量，Qs＝VsAs。

由流量連續性方程：Q=Qs+Qc+Qr，即Q=As可知，，Qr＝CtpPs，其中Q為進入液壓防抱死制動系統常開閥與常閉閥之間的管路加上制動輪缸的流量，Qc用于補充油液壓縮，Qr為損失泄露的部分，Qs推動輪缸活塞移動，克服負載做功。Ctp為常開閥與常閉閥之間的管路加上制動輪缸的總的損失泄漏系數。

由此可見，它與電阻元件的功率形式P＝R·i2形式相同。

上述為增壓控制工況時，其它工況相似過程可以類推。據此，可將液壓制動系統的機械系統轉化為電學系統。

3 仿真結果

在Simulink中建立上述汽車液壓制動系統輪缸模型的電學系統，加入電壓表、電流表、功率計以及狀態觀測器等電學元件，測量輪缸壓力在增壓減壓狀態時的變化[5-6]。并與真實的輪缸壓力曲線進行對比，仿真結果如下圖2所示。

圖2 輪缸壓力估計值與真實值對比

仿真時，0-0.2s為增壓階段，0.2-0.4s為減壓階段。由仿真圖可知，建立的電學系統在輪缸壓力變化方面與實際情況較為吻合，二者具有相同的趨勢。由于機電系統分屬兩個不同的領域，則必然會因模型抽象、數值計算中的假設，以及機械系統中的摩擦、油液損耗等各種原因產生誤差。經過計算，上述數據最大誤差約為8.12%，平均誤差為3.73%，在可以接受的范圍之內。因此仿真數據與試驗結果可信，且數值非常接近，說明相似電路分析的結果正確可靠。

4 結論

（1）基于機電相似理論建立了汽車液壓防抱死制動系統輪缸模型的等效電路模型以及該機械系統和電學系統之間參數的對應關系。

（2）采用電學分析方法對等效電路進行了細致的分析，結合流體力學以及液壓傳動理論分析計算了模型中的電學元件參數。在Simulink中建立了汽車液壓防抱死制動系統輪缸模型的電學模型并進行了仿真分析，得到的估計壓力結果與試驗輪缸壓力真實值較為吻合。

（3）驗證了所建電學模型和電路分析的正確性，說明將機電相似理論引入汽車液壓防抱死制動系統輪缸壓力估計的研究是可行的。

（4）通過此方法可省去了建立動力學或能量方程的復雜過程，更方便的獲得輪缸壓力，提高控制精度，縮短開發周期，降低生產成本，并可為后續研究牽引力控制系統(TCS)和電子穩定性控制系統(ESP)時提供理論參考和方法指導。

［1］Masamichi Imamura.Brake Pressure Estimating Apparatus And Method.USA Patent.US7066559B2[P].

［2］Herbert Lohner.Method And Device For Determining The Pressure In Brake Systems.USA Patent.US6446490B1[P].

［3］曹薇華，劉志遠.汽車輪缸壓力傳感器故障重構方法研究與仿真[J].系統仿真學報,2010,11,22(11).

［4］歐陽.轎車穩定性控制系統輪缸壓力控制和估算算法研究[D].吉林大學,2011.

［5］Kevin O'Dea.Anti-Lock Braking Performance and Hydraulic Brake Pressure Estimation[C]//SAE Paper.2005-01-1061.

［6］李仲興，高明宏.應用機電相似理論的帶附加氣室空氣彈簧系統的建模與分析[J].重慶理工大學學報,2013,07,27(7).