集成式新型線控液壓制動系統車輪防抱死控制

王 猛 ，汪選要 ，謝有浩 ，2

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232000，2.安徽獵豹汽車有限公司，安徽 滁州 239064）

1 引言

近年來，隨著汽車電動化和智能化的不斷發展，尤其是純電動乘用汽車技術的升級，汽車對于制動系統的功能要求也不同以往[1-2]。因此，對集成式新型線控液壓制動系統的提出迎合了當前汽車行業發展需求。

防抱死制動系統（anti-lock braking system，ABS）是汽車應用最廣泛的主動安全系統[3]。近年來，許多學者提出了例如：PID 控制[4]、滑模變結構控制[5]、神經網絡[6]和模糊控制[7]等基于傳統液壓調節系統的防抱死控制方法。隨著電子液壓制動系統在汽車中的不斷應用，國內外學者相繼提出了新的符合線控液壓制動系統特性的防抱死控制方法，例如：文獻[2]中所提出的安全優先式控制和主缸定頻式控制；文獻[8]中提出的模糊邏輯的電子液壓制動系統防抱死控制；文獻[9]中提出的非解耦式3 層級聯制動防抱死冗余控制架構等。結合所提出的集成式新型線控液壓制動系統具有雙動力源的特點，設計匹配了新的液壓調節系統，提出了雙制動活塞缸分時定頻建壓控制和Ⅱ型四通到分時控制兩種防抱死控制策略，并通過對典型工況的仿真進行了驗證。

2 制動系統工作原理分析

所提出的集成式新型線控液壓制動系統簡圖，如圖1 所示。系統正常工作時，電池2 實時為系統通電，踏板位移傳感器39 檢測出駕駛員踩下制動踏板40 的位移信號，并通過ECU 計算出駕駛員的制動所需制動力矩，同時控制電機4 和5 運轉推動活塞在制動活塞缸34 與35 內直線運動，從而產生制動壓力，并經常開電磁閥 17，18，20，21 流至車輪 30，31，32，33 實現制動。當電機 4和5 發生故障時，ECU 立刻令踏板感模擬及失效控制電磁閥8全開，同時令踏板感模擬控制線控電磁閥12 和38 關閉。此時，制動力全部由人力產生，駕駛員踩下制動踏板40，通過人力失效備份傳動齒條42 推動齒輪滾珠絲杠傳動機構6 將轉動變為直動，從而推動活塞在制動活塞缸34 與35 中進行直線運動，建立制動壓力，實現系統失效緊急停車功能，從而保證車輛行駛安全。

圖1 制動系統簡圖Fig.1 Brake System Diagram

3 動力學模型

3.1 制動系統模型

3.1.1 電機模型

式中：Ua—電樞繞組電壓；Ra—電樞繞組電阻；La—電樞繞組電感；Ke—反電動勢系數；ωmot—電機轉速。

式中：Te—電磁轉矩；Kt—轉矩常數；ia—電樞電流。

3.1.2 傳動機構模型

式中：θout—電機輸出轉角；θin—傳動機構輸入轉角；i—傳動機構傳動比；TL—滾阻絲杠轉矩；F—滾珠絲杠軸向推力；η—傳動效率；l—滾珠絲杠導程；S—絲杠軸向位移。

3.1.3 電機及轉速機構平衡方程

式中：Jm—電機及第一及齒輪轉動慣量；Bm—電機軸阻尼系數；Tm—電機輸出轉矩；Ts—第一級齒輪轉矩；Js—大齒輪及螺母轉動慣量；Bs—齒輪及螺母轉動阻尼系數；θs—二級齒輪轉過角度；mr—滾珠絲杠質量；br—絲杠阻尼；PM—主缸壓力；AM—主缸活塞面積。

3.1.4 制動主缸及電磁閥模型

制動過程中，制動活塞缸方程[10]，如式（5）所示。

式中：VM—制動活塞缸初始體積；E—制動液體積彈性模量；QM—流出制動活塞缸液體體積；xM—活塞移動行程。

電磁閥流量方程如下[11]：

式中：Qvi—流進電磁閥流量；Cd—電磁閥流量系數；Avi—電磁閥等效截流面積；Pin—電磁閥入口壓力；Pout—電磁閥出口壓力；ρ—制動液密度。

3.1.5 制動器動力學模型及流量方程

式中：Fbi—制動摩擦片與制動盤之間的摩擦力；Fi—輪缸活塞對制動盤的壓力；μb—制動摩擦片與制動盤之間的摩擦系數；Mbi—車輪制動力矩；Rbi—制動盤有效制動半徑。

式中：PW—輪缸壓力；QWi—輪缸流入流量；AW—輪缸活塞面積；Vadb—輪缸初始液體體積；xw—制動輪缸活塞位移。

3.2 整車模型

所提出的控制算法，只考慮車輪直線運動，因此建立三自由度動力學模型[12]：

式中：M—整車質量；—車輛加速度；Fbf，Fbr—前后車輪地面制動力；Fa—空氣阻力；Ff—滾動阻力；Jωf，Jωr—前后輪轉動慣量；R—車輪半徑；Thf，Thr—前后輪液壓制動力矩；Tff，Tfr—前后車輪滾動阻力矩；ω˙r，ω˙f—前后輪輪速。

3.3 輪胎模型

Dugoff 輪胎模型是一個物理推導模型，公式如下所示[13]：

式中：Fx—輪胎所受縱向力；Cx—縱向剛度；s—滑動率。

式中：Fy—側向力；α—輪胎側偏角；Cy—側偏剛度。

式中：μm—路面附著系數；As—折扣因子；FZ—輪胎垂直載荷。

4 ABS 控制策略

4.1 雙制動活塞缸分時定頻建壓控制

研究表明[14]，前輪峰值地面制動力隨著制動力系數的增大而增大；后輪峰值地面制動力附近，制動力系數存在較寬取值范圍使得后輪峰值地面制動力都比較接近最大值。雙制動活塞缸分時定頻建壓控制，以車輪抱死臨界點設定為制動活塞缸制動峰值點，主缸以一定頻率固定建壓。邏輯圖，如圖2 所示。

圖2 雙制動活塞缸分時定頻建壓ABS 控制Fig.2 ABS Control of Dual-Brake Piston Cylinder Time-Sharing Constant Frequency Built in Pressure

圖2 中電機34 控制的后輪抱死門限值A1，取最優滑動率的80%作為A1；此外電機35 控制的前輪通道，取實時最優滑動率為A2。

4.2 Ⅱ型四通道分時控制

考慮到汽車前輪制動時，地面制動力變化較大的特性，將制動管路布置成電機34 控制后輪且采用低選擇控制，電機35 控制前輪且兩輪分時控制。控制邏輯圖，如圖3 所示。

圖3 Ⅱ型四通道分時控制ABS 控制策略Fig.3 ABS Control Strategy of Type ⅡFour-channel Time-Sharing Control

5 仿真分析

5.1 仿真參數設置及無ABS 控制分析

在MATLAB/Simulink 中建立上述動力學模型，并在中等附著路面和對開路面工況下進行仿真分析，仿真參數，如表1 所示。由圖4 可見，對開路面工況下，車輪無ABS 參與制動控制時，制動距離為54.61，且車輪在開始制動即發生抱死，并出現車輛失穩現象。

表1 車輛及仿真參數Tab.1 Vehicle and Simulation Parameters

圖4 對開路面無ABS 車輪仿真Fig.4 Off-Road Pavement Without ABS Wheels Simulation

圖5 中等附著路面無ABS 車輛仿真Fig.5 ABS-Free Vehicle Simulation on Medium Adhesion Road

由圖5 可見，在中等附著路面工況下，制動距離為42.11，且車輪在開始制動時即發生抱死。

5.2 典型工況下ABS 控制分析

分別建立路面左側附著系數為0.2，右側附著系數為0.5 的對開路面，及附著系數為0.5 的中等附著均一路面條件進行仿真驗證，分析結果，如圖6～圖9 所示。

圖6 對開路面雙制動活塞缸分時定頻ABS 控制策略仿真分析Fig.6 Simulation Analysis of Time-sharing and Fixed-Frequency ABS Control Strategy for Dual-Brake Piston Cylinders on Split Road

圖7 中等附著路面雙制動活塞缸分時定頻ABS 控制策略仿真分析Fig.7 Simulation Analysis of Time-Sharing and Fixed-Frequency ABS Control Strategy for Dual-Brake Piston Cylinders on Medium Attachment Roads

圖8 對開路面Ⅱ型四通道分時ABS 控制策略仿真分析Fig.8 Simulation Analysis of ⅡType Four-channel Time-sharing ABS Control Strategy on Split Road

圖9 中等附著路面Ⅱ型四通道分時ABS 控制策略仿真分析Fig.9 Simulation Analysis of Type ⅡFour-Channel Time-sharing ABS Control Strategy for Medium Attachment Road

由圖6 可見，制動開始時車輪未發生抱死現象，制動距離為52.16，相比圖4 無ABS 控制，制動距離縮短了4.52%，且制動過程中車輛穩定性較好。

由圖7 可見，相比圖5 制動開始時車輪未發生抱死現象，制動距離為39.47m，相比無ABS 控制制動距離縮短了6.27%。

由圖8 可見，制動開始時車輪未發生抱死現象，相比圖4 無ABS 制動，制動穩定性較好，制動距離為53.13m。

由圖9 可見，制動開始時車輪未發生抱死現象，相比圖5 無ABS 制動，制動穩定性有所改善，制動距離為39.54m。

6 結論

（1）液壓調節系統能有效滿足制動系統液壓調節功能。

（2）基于集成式新型線控液壓制動系統所提出得兩種防抱死控制策略，均可滿足制動時得車輪防抱死功能需求。

（3）制動活塞缸分時定頻建壓控制對電機和電控性能要求較高，且兩種控制策略均有利于提高汽車制動性能。