初 亮，常 城，王 旭，趙 迪，許炎武

（1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)逐漸進(jìn)入電動(dòng)化和智能化時(shí)代，制動(dòng)系統(tǒng)也由傳統(tǒng)液壓制動(dòng)逐漸向線控制動(dòng)發(fā)展。對(duì)于電動(dòng)汽車，為了更好的實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能并兼顧制動(dòng)感覺，制動(dòng)系統(tǒng)的解耦需求越來(lái)越高；對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）將其分為5個(gè)級(jí)別，其中第1級(jí)和第2級(jí)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(jí)被稱為高級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可以替代駕駛員進(jìn)行自動(dòng)駕駛，當(dāng)系統(tǒng)有故障時(shí)仍可一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，因此對(duì)于駕駛輔助系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)需要具有主動(dòng)制動(dòng)功能，同時(shí)具備傳統(tǒng)液壓制動(dòng)備份，而對(duì)于高級(jí)自動(dòng)駕駛車輛，傳統(tǒng)液壓制動(dòng)備份不能滿足其高可靠性需求，因此需要對(duì)主動(dòng)制動(dòng)功能進(jìn)行備份。

目前，針對(duì)線控制動(dòng)系統(tǒng)的功能需求，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了許多研究，主要包括3個(gè)分支。第1個(gè)分支是電子液壓制動(dòng)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(wú)助力制動(dòng)主缸作為操縱機(jī)構(gòu)，通過(guò)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(guò)線性電磁閥對(duì)輪缸壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這類系統(tǒng)集成度高、功能全面，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂，而且采用高壓蓄能器，存在一定安全隱患。第2個(gè)分支為電子助力制動(dòng)系統(tǒng)，如德國(guó)博世iBooster和日立EIDB，國(guó)內(nèi)如上海匯眾、清華大學(xué)、吉林大學(xué)等也提出類似構(gòu)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(dòng)主缸，并具有隨動(dòng)作用，通過(guò)控制電機(jī)調(diào)節(jié)助力活塞與踏板推桿的相對(duì)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(wú)踏板感覺模擬器情況下實(shí)現(xiàn)解耦，但其解耦能力有限，只能在較低制動(dòng)強(qiáng)度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，通常需搭配ESC液壓?jiǎn)卧獊?lái)實(shí)現(xiàn)更大范圍的解耦和協(xié)調(diào)能量回收。第3個(gè)分支為電動(dòng)主缸式制動(dòng)系統(tǒng)，如本田ESB。這類系統(tǒng)有兩個(gè)主缸：備份主缸和主動(dòng)增壓主缸。備份主缸為駕駛員直接操作的制動(dòng)操縱裝置，通過(guò)模擬器切斷電磁閥與踏板感覺模擬器相連，并通過(guò)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(dòng)系統(tǒng)類似，但增壓裝置替換為由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓缸；與電子助力制動(dòng)系統(tǒng)相比，這類系統(tǒng)依然具有踏板感覺模擬器，無(wú)需采用復(fù)雜控制方法來(lái)保證踏板感覺。電動(dòng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法簡(jiǎn)單。為了在無(wú)踏板輸入情況下獨(dú)立調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，上述幾種線控制動(dòng)系統(tǒng)均將制動(dòng)踏板與制動(dòng)壓力解耦，可以說(shuō)解耦是線控制動(dòng)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(diǎn)故障，制動(dòng)踏板與制動(dòng)壓力就會(huì)重新耦合，此時(shí)只能完全通過(guò)人力制動(dòng)，這只滿足駕駛輔助系統(tǒng)的功能需求，而對(duì)于高級(jí)自動(dòng)駕駛車輛，要求線控制動(dòng)系統(tǒng)即使在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)仍能處于解耦狀態(tài)并且可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)功能。

關(guān)于壓力控制算法研究，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)零部件廠商出于商業(yè)原因很少公開發(fā)表相關(guān)成果，公開文獻(xiàn)基本來(lái)自于高校及研究機(jī)構(gòu)，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(shí)方法、魯棒控制等，這類方法理論上控制更精確，但在實(shí)際工程中常常存在系統(tǒng)收斂性及復(fù)雜工況適應(yīng)性差等問(wèn)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(guān)鍵影響參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定其與控制目標(biāo)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(yīng)用更廣泛，但當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特性復(fù)雜時(shí)，標(biāo)定工程量會(huì)隨之增大，因此對(duì)執(zhí)行部件的選取較為關(guān)鍵。

本文根據(jù)高級(jí)自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，包括兩種工作模式：常規(guī)制動(dòng)和冗余制動(dòng)，系統(tǒng)正常工作時(shí)，處于常規(guī)制動(dòng)模式；當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，進(jìn)入冗余制動(dòng)模式。無(wú)論哪種工作模式，該系統(tǒng)都能將制動(dòng)踏板和制動(dòng)壓力解耦，并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)線控制動(dòng)，對(duì)于占絕大部分工作區(qū)間的常規(guī)制動(dòng)，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(shí)降低液壓缸電機(jī)性能要求，并延長(zhǎng)其使用壽命。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力精確控制，針對(duì)兩種工作模式下不同硬件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jìn)行仿真分析與硬件在環(huán)試驗(yàn)。

1 線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出液壓線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，由主制動(dòng)單元（MBU）和冗余制動(dòng)單元（RBU）組成。其中PSU為踏板模擬單元，PBU為動(dòng)力制動(dòng)單元，MHCU為主液壓控制單元，PSS為踏板行程模擬器，MC為制動(dòng)主缸，SCV為模擬器截止閥，PBCV為電動(dòng)液壓缸截止閥，PBC為電動(dòng)液壓缸，MSV為模式切換閥，PBIV為電動(dòng)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(jìn)、出液閥，RRIV、RROV分別為右后輪進(jìn)、出液閥，F(xiàn)RIV、FROV分別為右前輪進(jìn)、出液閥，RLIV、RLOV分別為左后輪進(jìn)、出液閥。

圖1 液壓線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

MBU包括PSU、PBU和MHCU 3個(gè)模塊，其中：PSU包括制動(dòng)踏板、制動(dòng)主缸、制動(dòng)液儲(chǔ)液杯、PSS和2個(gè)踏板位移傳感器；PBU包括PBC以及若干開關(guān)電磁閥，其中PBC前后兩腔均裝有壓力傳感器，PBC無(wú)刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器；MHCU包括每個(gè)制動(dòng)器的進(jìn)出液閥。PSS由活塞和彈性元件組成，工作時(shí)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(shí)PSS保持關(guān)閉，主缸的輸出接口直接與RBU相連。

MBU中高壓制動(dòng)液由PBC產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。PBC由無(wú)刷電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換為活塞直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上裝有兩個(gè)方向的皮碗，可以實(shí)現(xiàn)活塞往復(fù)雙向建壓。PBC配有6個(gè)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(yùn)動(dòng)方向上增減壓；由于PBC不是雙腔結(jié)構(gòu)，需要用HCV使PBC同時(shí)控制兩組管路的壓力；PBCV用于連接PBC和儲(chǔ)液杯，可以為PBC補(bǔ)充制動(dòng)液，或在活塞移動(dòng)時(shí)從PBC排出制動(dòng)液；PBIV用于確保系統(tǒng)不通電時(shí)，制動(dòng)液不會(huì)流向PBC。

圖2 電動(dòng)液壓缸PBC結(jié)構(gòu)（不含電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）

RBU是一個(gè)簡(jiǎn)化的ESC液壓控制單元，它省去了進(jìn)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(guān)電磁閥，用于控制液壓泵的開啟和關(guān)閉；PRV是線性電磁閥，用于調(diào)節(jié)液壓泵輸出壓力，通過(guò)控制電磁閥和液壓泵，可以保證MBU發(fā)生故障時(shí)，RBU仍能進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)并實(shí)現(xiàn)精確壓力控制。

1.2 線控制動(dòng)系統(tǒng)工作模式分析

上述線控制動(dòng)系統(tǒng)包括兩種工作模式：常規(guī)制動(dòng)和冗余制動(dòng)。常規(guī)制動(dòng)時(shí)MBU工作，首先控制HCV打開，將兩套獨(dú)立的液壓制動(dòng)管路連接在一起，使PBC可以同步調(diào)節(jié)4個(gè)制動(dòng)器壓力。常規(guī)制動(dòng)包括高壓、中壓和低壓3種壓力調(diào)節(jié)模式，通過(guò)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(shí)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(dòng)液排量和壓力調(diào)節(jié)率也不同，這種設(shè)計(jì)能降低對(duì)PBC電機(jī)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(shí)PBU工作狀態(tài)

圖5 高壓模式下四輪同步增壓時(shí)PBU工作狀態(tài)

由圖可見，隨著壓力調(diào)節(jié)模式的變化，實(shí)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(shí)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(diǎn)故障時(shí)，冗余制動(dòng)單元RBU將取代MBU進(jìn)行制動(dòng)壓力控制。在冗余制動(dòng)模式下，MCIV1和MCIV2打開，HCV、PBIV1和PBIV2關(guān)閉，壓力控制由液壓泵、HSV、PRV完成。

系統(tǒng)增壓時(shí)RBU工作狀態(tài)如圖6所示，此時(shí)打開HSV關(guān)閉PRV，液壓泵將制動(dòng)液泵入輪缸，通過(guò)調(diào)整PRV1和PRV2的驅(qū)動(dòng)電流從而調(diào)節(jié)壓力。當(dāng)系統(tǒng)減壓時(shí)，打開PRV關(guān)閉HSV，制動(dòng)液流回制動(dòng)主缸以實(shí)現(xiàn)減壓。

圖6 主動(dòng)增壓時(shí)RBU工作狀態(tài)

2 壓力控制算法研究

精確液壓制動(dòng)力控制是線控制動(dòng)系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，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(duì)系統(tǒng)常規(guī)制動(dòng)和冗余制動(dòng)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(guān)鍵控制參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定其與控制目標(biāo)的關(guān)系數(shù)表，最終加以控制。

2.1 常規(guī)制動(dòng)壓力控制算法

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

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

然而無(wú)法直接對(duì)PBC活塞的位移進(jìn)行控制，因此需要通過(guò)控制電機(jī)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(jī)推力為

2.2 冗余制動(dòng)壓力控制算法

高度自動(dòng)駕駛汽車要求出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)線控制動(dòng)，這意味著制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該有第2個(gè)獨(dú)立制動(dòng)部件。

本文所述第2個(gè)制動(dòng)部件是冗余制動(dòng)單元RBU。根據(jù)前文描述，RBU有2個(gè)線性常開電磁閥PRV，線圈通電后，電磁閥的動(dòng)鐵和定鐵會(huì)因磁化而產(chǎn)生電磁力，電磁力推動(dòng)動(dòng)鐵和閥芯，克服液壓力和彈簧力，使電磁閥關(guān)閉。PRV閥芯運(yùn)動(dòng)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(guò)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(hào)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(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥，得到圖8壓力響應(yīng)曲線。可見在一定驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，可以得到目標(biāo)穩(wěn)態(tài)溢流壓力。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架所得壓力響應(yīng)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(yàn)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(guò)控制PWM信號(hào)占空比得到目標(biāo)輪缸液壓力，公式表示為

式中：K為PRV溢流壓力p與PWM信號(hào)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(yàn)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(tái)進(jìn)行測(cè)試，為了便于向硬件在環(huán)仿真平臺(tái)移植，車輛動(dòng)力學(xué)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)動(dòng)力總成等模型均在Simulink中建立，未使用其他仿真工具進(jìn)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(dòng)壓力控制仿真分析

為驗(yàn)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(jìn)行PBC增壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，PBC活塞以固定速度移動(dòng)，控制器通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥來(lái)切換壓力調(diào)節(jié)模式，模式切換后，活塞運(yùn)動(dòng)方向改變，但速度保持不變。仿真結(jié)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(dòng)壓力并未發(fā)生突變，而是平穩(wěn)增長(zhǎng)。同時(shí)根據(jù)壓力變化趨勢(shì)，從低壓切換到中、高壓時(shí)，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(shí)小，而活塞以固定速度移動(dòng)，因此PBC排出油液體積較小，導(dǎo)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(duì)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?yàn)楦邏耗Ｊ较?，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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩范圍，并降低其性能要求，延長(zhǎng)其使用壽命。

為了滿足制動(dòng)壓力的響應(yīng)需求，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，通常要求系統(tǒng)在0～10 MPa壓力范圍內(nèi)的增壓時(shí)間不大于150 ms，超調(diào)量不大于5%。為了驗(yàn)證常規(guī)制動(dòng)時(shí)壓力控制算法的控制精度，進(jìn)行了隨機(jī)壓力跟隨測(cè)試，同時(shí)與工程中最常用的PID算法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。仿真結(jié)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(zhǔn)確的跟隨目標(biāo)壓力，尤其在壓力發(fā)生突變時(shí)，其響應(yīng)時(shí)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(yīng)需求。

圖14 常規(guī)制動(dòng)壓力控制效果

圖15 常規(guī)制動(dòng)壓力控制誤差

3.2 冗余制動(dòng)壓力控制仿真分析

冗余制動(dòng)模式下，RBU通過(guò)調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥PRV線圈電流實(shí)現(xiàn)精確壓力控制。為了驗(yàn)證RBU壓力控制算法的控制效果，同樣進(jìn)行隨機(jī)壓力跟隨測(cè)試試驗(yàn)并與PID算法進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)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(zhǔn)確地響應(yīng)目標(biāo)壓力，同樣在壓力發(fā)生突變時(shí)效果更明顯，其響應(yīng)時(shí)間在120 ms以內(nèi)，超調(diào)量小于4%，這意味著該線控制動(dòng)系統(tǒng)在冗余制動(dòng)模式下仍可以保持較高的制動(dòng)性能。不過(guò)這種控制方法需要液壓泵頻繁工作，且噪聲較大，因此只應(yīng)用于MBU發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)。

圖16 冗余制動(dòng)壓力控制效果

圖17 冗余制動(dòng)壓力控制誤差

4 硬件在環(huán)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文優(yōu)先搭建了常規(guī)制動(dòng)MBU的硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性與有效性。總體構(gòu)架如圖18所示。臺(tái)架包括制動(dòng)控制系統(tǒng)與被控制動(dòng)系統(tǒng)，其中被控制動(dòng)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)制動(dòng)硬件、傳感器、電動(dòng)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(jìn)行集成。制動(dòng)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)、故障注入板和綜合信號(hào)調(diào)理箱。

圖18 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架總體構(gòu)架

制動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)架如圖19所示，實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)為一臺(tái)x86構(gòu)架計(jì)算機(jī)，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(hào)輸入輸出和CAN總線通信功能，同時(shí)兼容Simulink Realtime實(shí)時(shí)仿真環(huán)境。除被控制動(dòng)系統(tǒng)外的整車其他部分均以模型的形式運(yùn)行在實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中。

圖19 制動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)架

實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)的I/O板卡不具備直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，需要綜合信號(hào)調(diào)理箱來(lái)完成負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。綜合信號(hào)調(diào)理箱的主要功能有傳感器供電、電磁閥驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還包括I/O接口過(guò)流保護(hù)、12 V直流電源管理等輔助功能。

被控制動(dòng)系統(tǒng)硬件，通過(guò)制動(dòng)器壓力信號(hào)與實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)內(nèi)車輛動(dòng)力學(xué)模型組成一輛半實(shí)物半模型的車輛。實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)采集輪缸壓力，并將壓力信號(hào)反饋到車輛動(dòng)力學(xué)模型中的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊。該模塊根據(jù)壓力計(jì)算出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩并將其作用在車輪模型上，以建立實(shí)物制動(dòng)系統(tǒng)與車輛動(dòng)力學(xué)模型之間的聯(lián)系。

4.2 單次制動(dòng)工況壓力控制試驗(yàn)

在硬件在環(huán)臺(tái)架進(jìn)行單次制動(dòng)工況試驗(yàn)，包括小強(qiáng)度制動(dòng)和大強(qiáng)度制動(dòng)。

首先進(jìn)行單次小強(qiáng)度制動(dòng)試驗(yàn)，將車輛加速至100 km/h后進(jìn)行制動(dòng)，最大制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到0.3g，仿真曲線如圖20～圖25所示。

圖20 車速-時(shí)間曲線

圖21 加速度-時(shí)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(dòng)液體積曲線

然后進(jìn)行單次大強(qiáng)度制動(dòng)試驗(yàn)，將車輛加速至100 km/h后進(jìn)行制動(dòng)，最大制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到0.8g，仿真曲線如圖26～圖31所示。

圖26 車速-時(shí)間曲線

圖31 PBU排出制動(dòng)液體積曲線

圖27 加速度-時(shí)間曲線

分析上述兩組試驗(yàn)曲線可知：所提壓力控制算法可以產(chǎn)生滿足駕駛員制動(dòng)需求的制動(dòng)壓力，并輸出足夠制動(dòng)液來(lái)產(chǎn)生足夠制動(dòng)壓力；PBU通過(guò)模式切換，改變等效活塞橫截面積，可以在高制動(dòng)壓力下降低推桿力，降低對(duì)電機(jī)性能的需求；需要注意的是，在中壓模式下活塞運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，此時(shí)活塞推桿受力也會(huì)從推力變?yōu)槔?，這種交變力對(duì)設(shè)備壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響，但從試驗(yàn)曲線中可以看出中壓模式不易觸發(fā)，單獨(dú)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(yàn)數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證所提MBU常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)以及所設(shè)計(jì)變等效活塞控制方法的可行性，同時(shí)在一定程度上驗(yàn)證其壓力控制算法的有效性，不過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)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(cè)量誤差和電磁干擾等，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步分析。

5 結(jié)論

綜上所述，本文所提出的線控制動(dòng)系統(tǒng)在常規(guī)制動(dòng)和冗余制動(dòng)模式下均能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)線控制動(dòng)功能，可以滿足高級(jí)自動(dòng)駕駛汽車的功能需求；針對(duì)常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的變等效橫截面積控制方法可以有效地減少電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩范圍，并降低其性能要求，延長(zhǎng)使用壽命；針對(duì)兩種制動(dòng)模式下不同硬件特點(diǎn)所提出的壓力控制算法，同樣可以滿足系統(tǒng)的壓力響應(yīng)需求。

在后續(xù)研究中，將針對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)中壓力控制誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析及優(yōu)化，同時(shí)繼續(xù)搭建冗余制動(dòng)硬件臺(tái)架并將其與常規(guī)制動(dòng)臺(tái)架聯(lián)合，對(duì)實(shí)際工程中常規(guī)制動(dòng)失效時(shí)冗余制動(dòng)如何介入及其介入效果進(jìn)行深入研究，同時(shí)與市面上同類型產(chǎn)品及其控制算法進(jìn)行對(duì)比，更進(jìn)一步驗(yàn)證所提出系統(tǒng)的實(shí)用性與優(yōu)越性。