EBS轴模块压力闭环控制

樊秋实，何乐，夏群生

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）

EBS轴模块压力闭环控制

樊秋实，何乐，夏群生

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）

研究EBS轴模块电磁阀特性，对比两种不同闭环压力控制方法的控制效果，对试验车进行参数匹配后实现符合制动需求的压力闭环控制，奠定EBS制动控制的基础。

EBS；轴模块；压力控制；电磁阀；PID

近年来，国内商用车市场发展趋于成熟，消费者及商用车企业对于制动系统的舒适性、稳定性和安全性越来越重视，新一代商用车电子控制制动系统EBS（Electronically Controlled Braking System）也开始出现在部分高端商用车上。EBS集成了电控气动制动（EPB）、制动防抱（ABS）和牵引力控制（TCS）三种功能，同时作为一个开放的车辆控制平台，仅需增加少量部件，EBS即可以集成为电子稳定（ESP）、自适应巡航（ACC），自动紧急制动（AEB）等先进车辆控制系统。相比于传统气控制动系统，EBS的优点主要有：电控取代气控，响应时间短；具有减速度控制功能，令商用车拥有轿车一般舒适的踏板感受；灵活的制动力分配功能可以提高车辆制动的稳定性及主挂车之间的协调性[1-4]。

EBS对车辆制动的控制主要是通过轴模块独立控制各轮制动压力来实现的，因此，轴模块制动压力的闭环控制效果显著影响着车辆制动响应及制动效果。由于轴模块加减压电磁阀具有迟滞特性，常用的逻辑门限值控制效果一方面压力振荡较大，不满足制动的稳定性与准确性需求；另一方面频繁启动电磁阀也会减少电磁阀寿命。因此，研究EBS轴模块中电磁阀的特性，针对其加减压阀迟滞特性应用了基于相位平移的前馈补偿方法；针对电磁阀的电流、压力特性应用了压力闭环的逻辑门限控制方法及逻辑门限-离散化PID联合控制方法，并在匹配EBS系统的样车上进行样车试验验证。

1 EBS轴模块电磁阀特性研究

1.1 EBS轴模块结构及原理

图1为EBS单通道轴模块的结构示意图，其主要有：一个常开的备压阀、一个常闭的加压阀、一个常闭的减压阀、压力传感器F、电控单元和活塞等机械部件。轴模块最主要的功能是接收中央控制单元通过CAN总线发出的制动压力需求信号，控制加压阀、减压阀的开启或关闭来调节制动气室的压力，并通过安装在出气管路的压力传感器F实现压力的闭环控制[5-6]。为了更好地控制电磁阀实现压力闭环控制，需要研究其加压阀、减压阀的压力特性。因目前这方面的数学模型参数难以获得，所以采用实验分析的方法。

1.2 加压阀特性

加压阀为常闭开关阀，其作用是打开时使高压气体进入制动气室，建立制动压力。加压阀的阻值为17.6 Ω，驱动电压24V。加压阀的压力输出具有迟滞特性，如图2所示。从图2可以看到，加压阀控制信号打开后，压力开始上升的迟滞时间为20ms；关闭加压阀控制信号后，压力会继续上升50ms。在这段时间内，压力上升了0.7 bar。

使用占空比与频率均可变的方波驱动加压阀，可以得到不同的进气速率曲线，如图3所示。图3中加压速率最快可达40 bar/s，最慢为4 bar/s。

1.3 减压阀特性

减压阀为常闭开关阀，其作用是打开时使制动气室中的高压气体排放到大气中，减小制动压力。减压阀的阻值为17.6Ω，驱动电压24 V。加压阀的压力输出具有迟滞特性，减压阀打开后，压力开始下降的延迟时间为15ms；关闭减压阀控制信号后，气压仍会下降0.7 bar，如图4所示。

使用占空比与频率均可变的方波驱动减压阀得到不同的排气速率曲线，如图5所示。减压阀一次打开关闭的时间为10ms时，减压阀的压力下降约为0.7 bar，所以在慢减压过程中曲线不够平滑，有台阶出现。

高潮正欲挤过去再问，手机突然响了，掏出一看，是“诗的妾”的短信息：老公，妾在去温州的列车上呢。不知怎的，妾突然后悔了自己的这个行动，妾现在最想见的人，是你。高潮回信息：一场突袭大戏的序幕，即将拉开，未知的结局，会涂抹谁生活的色彩？

2 压力闭环控制方法及实车验证

衡量轴模块压力闭环控制效果的指标主要有：压力上升的快速性、压力的稳定性和压力的准确性。对于制动来讲，压力上升的速度越快，则车辆制动对制动踏板的响应越快，能够提高制动的安全性；制动压力调节越稳定，对于车辆的制动稳定性和舒适性越有好处；制动压力的准确性也影响着整车的减速度控制效果和驾驶员的感觉。

本文提出两种压力闭环控制方法，并将这两种控制方法应用在匹配的EBS样车上。EBS压力控制实现原理见图6，根据样车试验结果评价了两种方法的优劣。

2.1 逻辑门限值控制方法

轴模块的制动压力仅由加减压阀控制，因此，最易于实现的控制方法为逻辑门限值控制。逻辑门限控制原理简单，即在控制目标附近设置上下两个逻辑门限。当压力低于下门限时，则打开加压阀；当压力高于上门限时，则打开减压阀。逻辑门限控制方法的优点是不需要准确的数学模型，能够简化系统，而且所需参数少，易于匹配。在轴模块压力控制中，压力超过门限则完全打开相应的电磁阀，压力上升或下降非常迅速。逻辑门限控制的缺点是控制结果只能在控制目标的附近，控制准确性不够，而且由于需要频繁开闭加减压阀，容易引起压力振荡，控制的稳定性也较差，不同门限值对于实车控制效果的影响见图7。

综合考虑压力控制的准确性与稳定性，最终选取双门限的逻辑控制方法实现压力闭环控制。所谓双门限是指在压力快速上升或下降过程中，设定一个较小的门限，小门限有助于提高压力反应的快速性；在压力接近目标压力值、系统开始振荡调整过程中，适当将门限值放大，有助于减少压力振荡时间，使压力快速稳定。根据多次试验调整，最后得出的控制门限值为压力快速调整过程上门限1.4 bar，下门限1 bar；压力振荡过程中上门限0.16 bar，下门限0.14 bar，在样车上实现压力控制结果如图8所示。图8中虚线为样车制动踏板位移，可以看出这种双门限逻辑控制可以通过较少振荡将压力稳定在目标值压力附近，但是存在静态误差。

2.2 逻辑门限-离散化PID联合控制方法

逻辑门限值控制虽然控制原理简单，但是存在着压力振荡过程，对于车辆的制动稳定性及舒适性带来不利影响，无法满足压力闭环控制静态误差小、动态响应迅速的要求。此外，频繁开闭电磁阀也会对电磁阀的寿命产生影响。因此，考虑采用逻辑门限值与离散化PID联合控制方法，实现轴模块压力闭环控制。

逻辑门限控制的目的是误差较大时快速调整压力，离散化PID控制的作用是在目标压力附近对压力进行微调，提高压力控制的稳定性与准确性。采用离散化PID而不是连续PID的原因是加减压阀一次打开关闭耗时近10ms，不易实现加减压阀打开时间的连续调节，故采用离散化PID控制。逻辑门限-离散化PID联合控制的工作过程分为：

1）快速加减压过程。当实际压力远离目标压力时，采用最优时间控制，如加压阀全开，达到快速建立压力的目的。

2）压力微调过程。当实际压力处于目标压力上下门限之间时，采用离散化PID控制方法，通过调整控制方波的周期和占空比实现分段式慢加压或慢减压过程，在减小误差的同时避免出现压力超调及振荡。

针对加减压阀的迟滞特性设计了基于相位平移的前馈补偿来改善压力控制的效果[7-8]。将加入前馈补偿的逻辑门限-离散化PID联合控制应用在样车上，得到的样车压力控制效果如图9所示。图9中虚线为样车制动踏板位移，可以看出，联合控制的压力误差小于5%，在80ms内压力即达到目标压力的90%，压力无超调。加入前馈补偿的逻辑门限-离散化PID联合控制效果良好，满足车辆制动压力准确、稳定、快速的需求，最终将该策略应用在自主EBS系统上。

3 结束语

本文重点研究EBS轴模块压力控制，根据电磁阀的迟滞特性，设计了带有前馈补偿的逻辑门限-离散化PID控制逻辑，并在试验样车上验证了控制效果，得出以下结论：

1）电磁阀的压力输出具有迟滞特性，单一的逻辑门限控制不能满足压力平稳、准确的需求。

2）由于电磁阀打开关闭时间的限制，采用离散化PID进行压力微调能够减少压力的超调与振荡，提高制动压力的稳定性与准确性。

EBS未来必将成为商用车的标配，压力闭环控制是EBS一切控制功能实现的基础，今后还将进一步改进压力闭环控制的算法与参数，提高控制的动态响应及精度。

[1]罗文发，陈晓磊.商用车电子控制制动技术[J].汽车与配件，2008，（8）：48-50.

[2]罗文发，张庶凯.电子制动系统（EBS）技术[J].商用车与发动机，2009，（12）:73-75.

[3]程军，冯道远.重型车电子控制制动系统的发展[J].世界汽车，1996，（5）：7-12.

[4]程军，冯道远.载重汽车及大型客车电子控制制动系统的发展[J].客车技术，1996，（3）:31-34.

[5]刘佩佩.电子制动系统EBS电子控制单元开发[D].北京:清华大学，2012.

[6]Wabco Corporation.Electronically Controlled Brake System-System and Functional Description 2ndEdition[EB/OL]. [2013-05-20]. http://www.wabco-auto.com

[7]袁兼宗，陈慧，刘自凯，等.商用车EBS系统的压力闭环控制方法研究[C].中国汽车工程学会年会论文集，2008:1191 -1196.

[8]刘自凯，陈慧，袁兼宗，等.商用车电子制动系统的建模与仿真[C].中国汽车工程学会年会论文集，2008:1339-1344.

修改稿日期：2013-11-11

表2 轴承整体计算结果最大值汇总表MPa

3 结论

通过对两种不同球径的关节轴承进行有限元计算分析，得出以下结论：

1）轴承整体最大的Von Mises应力和最大压应力随着轴承球径的增大而增大；而最大接触压力随着轴承球径的增大而减小[7]。

2）根据第一强度理论S1≤[SL]或|S3|≤[SY]，两种球径的关节轴承整体承受的最大压应力都在许用压应力[SY]范围内，轴承155整体最大压应力绝对值为156.329 MPa，为两种球径中较小的，所以球径155 mm为最优直径。

参考文献：

[1]刘六井，高伟.大型推力关节轴承结构有限元分析[J].船海工程，2004，（2）

[2]董志明，丁浩然，潘艳君，等.大型电动轮矿用自卸车关节轴承的有限元分析[J].轴承2012，(11)

[3]张洪信.ANSYS有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2008.3.

[4]李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[5]杨咸启，姜韶峰.关节轴承额定静负荷计算[J].轴承，1993，（1）

[6]Takafumi Asada Numerical Analysis for Hydrodynamic Bearings and Application.2000，（1）

[7]曲庆文，刘源勇，钟振远，等.关节轴承的设计特点及分析[J].润滑与密封，2004，（4）

修改稿日期：2013-09-15

Closed-loop PressureControlof EBSAxleModulator

Fan Qiushi,He Le,XiaQunsheng
（TsinghuaUniversity,State Key Laboratory ofAutomotive Safety and Energy,Beijing 100084,China）

The characteristic of axlemodulator electromagnetic valve is studied.Two kinds pressure closed-loop control strategiesare developed and tested on test vehicle.Aftermatching parameters for the test vehicle,the controlled pressure can provide fast,stable and accurate braking,which laysa foundation for EBSbraking control.

EBS;axlemodulator;pressure control;electromagnetic valve;PID

U463.52

B

1006-3331（2014）02-0047-04

樊秋实（1987-），男，硕士；研究方向：EBS系统控制策略。