劉兆勇，龍一鳴，厲逸航，譚小強(qiáng)，吳光強(qiáng)

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.格陸博科技有限公司，南通226000）

前言

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（antilock braking system，ABS）、車身電子穩(wěn)定控制（electronic stability control，ESC）、電 子 駐 車 制動(dòng)（electronic parking brake，EPB）、電子制動(dòng)力分配（electronic brakingforce distribution，EBD）系統(tǒng)等的出現(xiàn)，極大提升了車輛的制動(dòng)效率與制動(dòng)穩(wěn)定性，改善了車輛的主動(dòng)安全性能，但同時(shí)也對制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能提出了更高的要求。近年來，隨著汽車輔助駕駛系統(tǒng)（advanced driving assistance system，ADAS）和智能駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展，配備穩(wěn)定性程序的線控制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了踏板力和制動(dòng)力的半解耦或全解耦，支持智能駕駛控制單元的直接控制，已成為目前汽車智能化、電氣化的主要發(fā)展趨勢。在國內(nèi)外市場中，占據(jù)主流的線控制動(dòng)系統(tǒng)主要來自德國的大陸、博世等零部件廠商和日本的豐田等整車廠商；而國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品在技術(shù)層面與國外先進(jìn)廠商差距較大，伯特利、亞太、匯眾和格陸博等國內(nèi)廠家都有相應(yīng)商業(yè)化的產(chǎn)品。但在制動(dòng)系統(tǒng)功能拓展的同時(shí)，部分系統(tǒng)采用了Add-in模式，即在原系統(tǒng)中添加部分零部件。這種方法雖然降低了開發(fā)成本與開發(fā)周期，但增加的零部件將占用更大的空間；同時(shí)隨著系統(tǒng)的日漸復(fù)雜，控制信號的通道數(shù)不斷增加，導(dǎo)致故障診斷、系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)難度增大。因此，有必要設(shè)計(jì)一種滿足智能駕駛需求的集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)解決方案，以優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)集成度與控制效率，滿足增長的功能需求。

在新型制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，袁朝春等設(shè)計(jì)了針對智能駕駛汽車的全線控制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)魯棒控制器，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。在系統(tǒng)性能優(yōu)化問題上，上官文斌等建立了集成式電液制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，通過線性化得到了系統(tǒng)液壓力傳遞函數(shù)，為簡單系統(tǒng)向復(fù)雜系統(tǒng)的集成提供了理論方法支持；在系統(tǒng)參數(shù)匹配的過程中，制動(dòng)系統(tǒng)對于電機(jī)輸入的響應(yīng)特性是重要的評價(jià)指標(biāo)，據(jù)此，李聰波等優(yōu)化了傳動(dòng)行星齒輪、滾珠絲桿等多個(gè)傳動(dòng)部件的參數(shù)，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但卻忽略了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配；Zhao等研究了電機(jī)功率對制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，介紹了電液制動(dòng)系統(tǒng)中附帶的車輛控制器，實(shí)現(xiàn)了四輪夾緊力的調(diào)節(jié)，改善了制動(dòng)時(shí)車輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)。陳文倩搭建了電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，提出了參數(shù)匹配與制動(dòng)力分配優(yōu)化方案；董瑜研究了電驅(qū)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)、液壓系統(tǒng)和制動(dòng)器的模型，并對比了多種制動(dòng)壓力算法，得到了不同車速下各種制動(dòng)方法的特點(diǎn)。以上研究主要針對線控制動(dòng)系統(tǒng)建立簡化的數(shù)學(xué)模型，并通過仿真測試進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)匹配，而很少涉及集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)整體的架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能分析和功能算法測試驗(yàn)證等方面。

本文中提出了一種集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)控制策略對該系統(tǒng)的14個(gè)電磁閥進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)制動(dòng)輪缸的獨(dú)立制動(dòng)，并設(shè)計(jì)了行車制動(dòng)、單輪建壓、斷電制動(dòng)、故障診斷和緊急制動(dòng)等多種工作模式。該系統(tǒng)不僅滿足ABS、ESC、EPB、EBD等功能需求，也支持智能駕駛系統(tǒng)的開發(fā)。建立了電液制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，并通過理論分析與仿真測試相結(jié)合的手段對系統(tǒng)關(guān)鍵部件的性能參數(shù)進(jìn)行了研究，最后利用設(shè)計(jì)的制動(dòng)力分配與ABS控制策略，結(jié)合整車動(dòng)力學(xué)模型和緊急制動(dòng)場景進(jìn)行聯(lián)合仿真，對本文設(shè)計(jì)的集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

線控底盤是汽車智能化的一大重要研究對象，而針對作為線控底盤重要組成的線控制動(dòng)系統(tǒng)，本文中提出一種可以實(shí)現(xiàn)踏板力與制動(dòng)力矩“全解耦”，即二者不必直接成比例對應(yīng)的電子液壓控制系統(tǒng)；并將傳統(tǒng)的助力器、主缸和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)等，全都集成在一個(gè)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)較小的質(zhì)量和體積，業(yè)界也稱之為“One-box”解決方案。為滿足功能需求，設(shè)計(jì)了一種集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，主要包括主缸、模擬器、制動(dòng)需求分析與力矩計(jì)算模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵壓模塊和輪缸壓力調(diào)節(jié)模塊等，如圖1所示。

圖1 One-box軟硬件總體架構(gòu)

主缸是一個(gè)雙作用雙活塞液壓缸，主要用于將駕駛員輸出的踏板力轉(zhuǎn)化為主缸腔體中的液壓，將駕駛員輸出的踏板位移轉(zhuǎn)化為主缸活塞直線位移，在踏板制動(dòng)模式時(shí)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。

模擬器是一個(gè)受電磁閥控制的彈簧柱塞缸，用于和主缸相連，使得模擬器中的液壓可以隨主缸液壓同步變化。一方面，內(nèi)置彈簧可以提供回饋力，使制動(dòng)踏板對駕駛員有力的反饋；另一方面，在線控制動(dòng)模式中，模擬器中的位移、壓強(qiáng)傳感器獲取駕駛員的制動(dòng)意圖，并傳遞給系統(tǒng)軟件模塊，以控制電驅(qū)制動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。踏板制動(dòng)模式與電驅(qū)制動(dòng)模式為制動(dòng)系統(tǒng)提供了多功能性與冗余性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵壓模塊作為線控系統(tǒng)的執(zhí)行器，根據(jù)制動(dòng)需求分析與力矩計(jì)算模塊發(fā)出的指令，使管路中的液體壓強(qiáng)達(dá)到期望值。通過電機(jī)、滑動(dòng)絲杠柱塞泵和高壓蓄能器等組合的配件，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞泵的直線運(yùn)動(dòng)，使高壓蓄能器快速、準(zhǔn)確地建壓至期望值。

制動(dòng)輪缸壓力調(diào)節(jié)模塊，由常開閥、常閉閥、單向閥、二位三通閥和特制的液壓流通通道構(gòu)成，可以通過控制制動(dòng)液的不同流通路徑，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)制動(dòng)卡鉗的夾緊力控制。圖2示出One-box的硬件結(jié)構(gòu)，制動(dòng)系統(tǒng)采用X型設(shè)計(jì)，其中兩個(gè)二位三通閥分別控制左前、右后和右前、左后制動(dòng)器輪缸的建壓，與管路中的常開、常閉閥配合實(shí)現(xiàn)了4個(gè)輪的獨(dú)立制動(dòng)，提高了系統(tǒng)的冗余性。另外，該制動(dòng)系統(tǒng)具有冗余容錯(cuò)功能，即主線控制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，制動(dòng)系統(tǒng)也能通過主冗切換，進(jìn)行踏板液壓制動(dòng)，經(jīng)驗(yàn)證，該冗余制動(dòng)方案也能達(dá)到較好的制動(dòng)效果。為了滿足更高的液壓控制精度，制動(dòng)器常開閥采用了模擬閥，通過控制輸入的PWM電流信號，實(shí)現(xiàn)了電磁閥更精確的開關(guān)動(dòng)作與閥口流量控制，進(jìn)而保證了4輪制動(dòng)力的控制精度。

圖2 One-box硬件結(jié)構(gòu)

本文中提出的是開式循環(huán)電液制動(dòng)系統(tǒng)，相比于閉式液壓系統(tǒng)，具有散熱性好、壽命長、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)配備14個(gè)電磁閥作為執(zhí)行件，包括10個(gè)開關(guān)閥和4個(gè)模擬閥，以實(shí)現(xiàn)4個(gè)制動(dòng)器單獨(dú)的增壓、保壓、降壓等動(dòng)作；在泄壓過程中，管路中的制動(dòng)液在任務(wù)結(jié)束后可以通過對應(yīng)管路回流到儲(chǔ)液罐。

通過設(shè)計(jì)電磁閥的控制策略，可以滿足不同狀態(tài)下的制動(dòng)控制需求，如系統(tǒng)未激活狀態(tài)、行車制動(dòng)狀態(tài)、單輪建壓狀態(tài)、卡鉗泄漏狀態(tài)等。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有輕量化、小型化等特點(diǎn)，功能上實(shí)現(xiàn)了4輪獨(dú)立、高效制動(dòng)，并且具有較好的冗余性能。

2 集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)性能分析與模型搭建

2.1 集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析

制動(dòng)系統(tǒng)的性能體現(xiàn)在能夠快速、高效地提供足夠的制動(dòng)力。尤其是電驅(qū)動(dòng)制動(dòng)部分，須對制動(dòng)需求做出快速響應(yīng)。因此須對該集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行理論分析。

液壓制動(dòng)系統(tǒng)的電驅(qū)制動(dòng)部分動(dòng)力學(xué)關(guān)系如圖3所示。根據(jù)需求制動(dòng)力，計(jì)算出電液作動(dòng)器液壓缸（下俗稱電缸）中期望的制動(dòng)液壓力值和對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過滑動(dòng)絲杠，轉(zhuǎn)化為柱塞泵的直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過液壓管路與電磁閥系統(tǒng)，將液壓傳遞給制動(dòng)器輪缸，推動(dòng)制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力。

圖3 電驅(qū)液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系

根據(jù)介質(zhì)的連續(xù)性原理，系統(tǒng)液流平衡方程為

其中

式中：為制動(dòng)液體積流量，m；Δ為推動(dòng)制動(dòng)器制動(dòng)行程；Δ、Δ分別為制動(dòng)器與管路的彈性形變量和制動(dòng)液的體積壓縮量；為制動(dòng)輪缸活塞面積；為初始狀態(tài)輪缸內(nèi)液體壓強(qiáng)；為終了狀態(tài)缸內(nèi)液體壓強(qiáng)；為輪缸內(nèi)液體總體積；為液體體積彈性模量，MPa。

圖4為滑動(dòng)絲杠示意圖，在滑動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)副中，螺母所受軸向力和絲杠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為

圖4 滑動(dòng)絲杠示意圖

在制動(dòng)系統(tǒng)中，液壓流體介質(zhì)的體積彈性模量約為1 700 MPa，即針對一個(gè)容積為約5×10m的乘用車盤式制動(dòng)器制動(dòng)輪缸，在液體從初始壓強(qiáng)升高到最高壓強(qiáng)12 MPa時(shí)，其壓縮量Δ約為3.53×10m，與制動(dòng)輪缸越過制動(dòng)器空行程所產(chǎn)生的體積變化Δ≈7.3×10m處于同一數(shù)量級。因此，在緊急制動(dòng)工況時(shí)，無論是液體的壓縮還是制動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)的膨脹，其造成的流量影響須同時(shí)考慮。

在制動(dòng)過程中，制動(dòng)器制動(dòng)力與螺母所受軸向力之比等同于制動(dòng)輪缸截面積與電缸截面積之比，即

由以上理論分析可知，該集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能與電缸截面積、整個(gè)系統(tǒng)的液體容量等參數(shù)關(guān)系密切，成為系統(tǒng)性能參數(shù)優(yōu)化的主要方向之一。

2.2 直流電機(jī)的工作特性

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作特性對線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的性能有著重要的影響，該系統(tǒng)的電驅(qū)裝置為永磁無刷直流電機(jī)。12 V直流電經(jīng)過方波型逆變器，對永磁體定子進(jìn)行勵(lì)磁，進(jìn)而產(chǎn)生交變的梯形波磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。圖5為選用電機(jī)的外特性曲線，可見轉(zhuǎn)速低于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩工作，轉(zhuǎn)速高于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時(shí)恒功率工作。

圖5 電機(jī)的外特性曲線

2.3 液壓管路的力學(xué)分析

液壓節(jié)流閥是控制液壓系統(tǒng)流通能力的重要部件，如圖6所示。

圖6 液壓節(jié)流閥示意圖

將該閥等效為節(jié)流孔，流量計(jì)算公式為

式中：為制動(dòng)液流率，L/min；為流量系數(shù)；為節(jié)流孔截面積；為制動(dòng)液密度；Δ為節(jié)流孔兩端壓差。

該系統(tǒng)中選用的節(jié)流閥有比例閥、開關(guān)閥兩種。其中比例閥根據(jù)控制信號，通過改變工作過程中的閥口截面積實(shí)現(xiàn)流量的改變；開關(guān)閥由PWM控制，通過高頻開關(guān)信號控制閥口的開閉。這兩種閥的配合工作實(shí)現(xiàn)了對制動(dòng)輪缸壓力的精準(zhǔn)控制，因此對電磁閥閥口截面積、流量系數(shù)等的參數(shù)匹配是實(shí)現(xiàn)電液制動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化的一個(gè)重要途徑。

2.4 集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真建模

在AMESim軟件中建立集成式液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，且對選用模塊功能的等效性和模型邏輯的合理性進(jìn)行了深入研究。

2.4.1 主缸和閥的建模

利用活塞缸和質(zhì)量塊、信號邏輯判斷等模塊，對踏板制動(dòng)主缸的各個(gè)容腔進(jìn)行建模，如圖7所示。

圖7 主缸系統(tǒng)的AMESim模型

其中，主缸的兩個(gè)腔a和b的直徑和復(fù)位彈簧剛度不同，但活塞力大小相同，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求產(chǎn)生不同的液壓關(guān)系；通過與電磁閥的配合工作，支持了壓力的傳遞、制動(dòng)液回流和踏板力反饋的功能。此外，利用模型中不同簡單閥模塊之間的組合，可實(shí)現(xiàn)各種特殊結(jié)構(gòu)閥口的功能。

2.4.2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、電缸等部分組成。電機(jī)采用12 V永磁無刷直流電機(jī)，控制方法為轉(zhuǎn)矩控制；在電缸中由滑動(dòng)絲杠將電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)電缸中的活塞運(yùn)動(dòng)。其仿真模型如圖8所示。

圖8 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的AMESim模型

2.4.3 制動(dòng)器的建模

該液壓制動(dòng)系統(tǒng)可以支持多種類、多型號的制動(dòng)器工作。其制動(dòng)器采用多段彈簧-阻尼系統(tǒng)進(jìn)行等效，以某盤式制動(dòng)器為例，制動(dòng)輪缸活塞直徑為43 mm，初始長度為34 mm，制動(dòng)空行程約為0.5 mm。設(shè)置制動(dòng)器為兩段不同剛度的彈簧，在制動(dòng)空行程內(nèi)為低剛度彈簧，模擬制動(dòng)空行程長度的低負(fù)載空隙；到達(dá)最大制動(dòng)空行程后模型接入大剛度彈簧，模擬制動(dòng)器的彈性形變。

3 集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配

3.1 制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 12676—2014和GB/T 13594—2003的要求，針對不超過9座的客車，應(yīng)為滿載總質(zhì)量不超過3 000 kg的車輛，所設(shè)計(jì)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)在四輪制動(dòng)時(shí)給予最大值不低于5.076 m·s的制動(dòng)減速度，則四輪地面制動(dòng)力之和不得低于15 229 N。根據(jù)常用的設(shè)計(jì)方法，針對制動(dòng)位置位于車輪75%直徑處的盤式制動(dòng)器，制動(dòng)盤兩面摩擦因數(shù)均為0.4，則單輪制動(dòng)器制動(dòng)力約為6 480 N；考慮到前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力實(shí)時(shí)分配的差異性，設(shè)后備系數(shù)為1.4，則單輪制動(dòng)器制動(dòng)力應(yīng)不低于8 884 N。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與工程經(jīng)驗(yàn)，省略結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算過程，設(shè)定的制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

3.2 踏板制動(dòng)仿真驗(yàn)證

根據(jù)GB 7258—2017規(guī)定，乘用車行車制動(dòng)在產(chǎn)生最大制動(dòng)效能時(shí)的踏板力或手握力應(yīng)不大于500 N。取某制動(dòng)踏板杠桿比與制動(dòng)助力系數(shù)乘積=5.54，液壓制動(dòng)系統(tǒng)效率=93%。駕駛員以恒定踏板力500 N踩踏板，則制動(dòng)主缸受到2 580 N推力；取主缸中推桿與活塞間隙和主缸活塞空行程之和為1.5 mm；制動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)慣量等效為質(zhì)量為1.2 kg的質(zhì)量塊，仿真過程中制動(dòng)器制動(dòng)力的變化過程如圖9所示。

圖9 恒力踏板制動(dòng)過程

此過程中，主缸活塞行程≈17 mm，則制動(dòng)踏板的工作行程為

在圖9中，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未激活狀態(tài)時(shí)，駕駛員使用最大踏板力進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)器的制動(dòng)力將在0.05 s內(nèi)達(dá)到最大值16 575 N，超過要求的8 884 N。因此，踏板工作模式隨動(dòng)性符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 制動(dòng)力釋放仿真驗(yàn)證

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，兩軸汽車完全釋放制動(dòng)力的時(shí)間，即從松開制動(dòng)踏板到制動(dòng)消除所需時(shí)間，應(yīng)不大于0.8 s。使用電驅(qū)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)最大電驅(qū)動(dòng)力矩制動(dòng)1 s，系統(tǒng)穩(wěn)定后卸除電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并打開制動(dòng)器常閉閥，使高壓制動(dòng)液流入儲(chǔ)液罐以泄壓，觀察制動(dòng)器制動(dòng)力的變化如圖10所示。

圖10 制動(dòng)器增壓與泄壓過程

結(jié)果顯示，液體流動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的制動(dòng)系統(tǒng)的泄壓響應(yīng)時(shí)間≈0.18 s，小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.8 s，該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)仿真驗(yàn)證

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間定義為從駕駛員的腳接觸制動(dòng)踏板或手觸動(dòng)制動(dòng)手柄至機(jī)動(dòng)車減速度達(dá)到機(jī)動(dòng)車充分發(fā)出的平均減速度所需要的時(shí)間，等于液壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與線控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間之和。在液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)獲取電信號至制動(dòng)器制動(dòng)力達(dá)到對應(yīng)平均減速度所需要的時(shí)間是制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間的重要部分。針對同一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保證額定功率、最大轉(zhuǎn)速相同，采用不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，測試從電機(jī)接收到信號至制動(dòng)器制動(dòng)力到達(dá)最大值90%所需的時(shí)間。采用四輪同步制動(dòng)的方式，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩制動(dòng)控制響應(yīng)仿真結(jié)果

當(dāng)全制動(dòng)器生效時(shí)，單制動(dòng)器制動(dòng)力達(dá)到9 198 N，符合緊急制動(dòng)平均減速度標(biāo)準(zhǔn)要求。在電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較高與過低處，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間相對較長。綜合考慮實(shí)際工況中控制效率的需求，可以得出車輛的制動(dòng)響應(yīng)性能主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的響應(yīng)時(shí)間決定的結(jié)論。

4 集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與功能驗(yàn)證

為對系統(tǒng)功能和性能參數(shù)進(jìn)行研究，本文通過制定制動(dòng)器輪缸壓力控制策略，設(shè)計(jì)了車輛緊急制動(dòng)觸發(fā)ABS的場景；將建成的集成式液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型與整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，以評價(jià)該制動(dòng)系統(tǒng)在整車控制過程中的表現(xiàn)。

制動(dòng)器目標(biāo)制動(dòng)力一定時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間主要與電機(jī)驅(qū)動(dòng)力、閥口流動(dòng)能力、系統(tǒng)中制動(dòng)液量相關(guān)。而由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和連續(xù)制動(dòng)需求，系統(tǒng)中制動(dòng)液量不宜過低，且現(xiàn)有結(jié)構(gòu)閥口流動(dòng)能力可以滿足制動(dòng)液流動(dòng)需求，本章針對ABS制動(dòng)工況，對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配。

4.1 制動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)功率匹配

針對本文設(shè)計(jì)的集成式液壓制動(dòng)系統(tǒng)，由上面的分析可知，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，電機(jī)的額定功率越大，制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間就越短。而較大額定功率的電機(jī)需要較高的成本及占用空間。因此，為了降低系統(tǒng)的成本和減小占用空間，同時(shí)保證制動(dòng)系統(tǒng)的需求，須匹配適當(dāng)額定功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

針對額定電壓相同的直流電機(jī)，在仿真中改變其額定功率，保證電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩同為4 N·m，即對應(yīng)制動(dòng)器制動(dòng)力相等，4個(gè)制動(dòng)器同步工作，比較從制動(dòng)信號發(fā)出至制動(dòng)器制動(dòng)力達(dá)到最大制動(dòng)力的90%所需的時(shí)間。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同額定功率制動(dòng)控制響應(yīng)仿真結(jié)果

在額定功率較小時(shí)，隨額定功率的增大，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間明顯減小；而額定功率較大時(shí)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間隨額定功率的變化不明顯。在不考慮機(jī)電系統(tǒng)其他間隙的條件下，匹配額定功率960 W的電機(jī)，液壓與機(jī)械運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到72 ms，在符合制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要求的同時(shí)具備較好的經(jīng)濟(jì)性。因此，目前選用960 W電機(jī)，其尺寸約為直徑=93 mm，高=92 mm，質(zhì)量=1.25 kg，滿足集成式液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4.2 緊急制動(dòng)觸發(fā)ABS功能場景的仿真驗(yàn)證

在ABS控制過程中，須頻繁控制制動(dòng)器輪缸加壓與泄壓，使得其壓強(qiáng)受ABS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制，以保證輪胎滑移率處于高附著范圍。這一過程往往伴隨著制動(dòng)器增壓閥和泄壓閥的頻繁開閉，要求制動(dòng)器制動(dòng)力隨之迅速響應(yīng)，以提升控制效率，這對線控制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)特性有著較大的影響。因此，本文中通過設(shè)計(jì)緊急制動(dòng)工況實(shí)現(xiàn)ABS功能的觸發(fā)，以驗(yàn)證制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

仿真條件如表4所示，基于AMESim中設(shè)計(jì)的集成式液壓制動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行Simulink/CarSim軟件聯(lián)合仿真。圖11為多軟件聯(lián)合仿真接口，圖12為在CarSim中搭建的緊急制動(dòng)仿真場景。

圖11 AMESim-Simulink-CarSim聯(lián)合仿真接口

圖12 CarSim整車模型及環(huán)境圖

表4 緊急制動(dòng)仿真條件

因本文研究重點(diǎn)是測試自主設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)的功能和性能，故采用了軟件自帶的ABS控制算法。即滑移率過大，對應(yīng)輪缸壓力過高時(shí)，增壓閥關(guān)閉，泄壓閥以一定占空比開啟；滑移率過低，對應(yīng)輪缸壓力不足時(shí)，增壓閥以一定開度開啟，泄壓閥關(guān)閉。仿真結(jié)果如圖13所示。

由圖13可見，該線控制動(dòng)系統(tǒng)對于制動(dòng)器壓強(qiáng)的控制響應(yīng)較快，從100 km/h制動(dòng)至車輛靜止只需2.62 s，制動(dòng)距離為37.22 m，其充分發(fā)揮的平均減速度MFDD=10.56 m/s，附著系數(shù)利用率為=82.89%。在此時(shí)間內(nèi)制動(dòng)器增壓及泄壓速率約為1 bar/ms，單次響應(yīng)時(shí)間約為50 ms，完全滿足ABS的工作需求，其制動(dòng)性能也滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 帶ABS控制的緊急制動(dòng)過程仿真結(jié)果

5 結(jié)論

為適應(yīng)智能駕駛技術(shù)的快速發(fā)展所帶來的對線控制動(dòng)系統(tǒng)功能和性能需求的不斷提高，本文中設(shè)計(jì)了一種集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)。

（1）針對具有14個(gè)電磁閥的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了工作模式切換控制策略，實(shí)現(xiàn)該制動(dòng)系統(tǒng)的高冗余性和4個(gè)輪缸獨(dú)立控制，為整車智能駕駛技術(shù)的開發(fā)提供了良好的制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)；

（2）針對該制動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性與工作模式研究，并通過建立仿真模型進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其功能的有效性；

（3）基于所搭建的制動(dòng)系統(tǒng)、控制策略與場景和車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，結(jié)果顯示在高附著路面上的車輛實(shí)施緊急制動(dòng)過程中觸發(fā)了ABS功能，其100 km/h制動(dòng)距離僅為37.22 m，各項(xiàng)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)；

（4）通過聯(lián)合仿真分析的手段驗(yàn)證了線控制動(dòng)系統(tǒng)的合理性和有效性，為后續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件在環(huán)和實(shí)車測試，包括輪缸壓力控制和差動(dòng)制動(dòng)控制等算法的驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。