开关控制模式下ABS液压控制单元流量特性的研究*

张永辉，于良耀，王伟玮，魏文若，张永生

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084； 2.中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011)



2015054

开关控制模式下ABS液压控制单元流量特性的研究*

张永辉1，于良耀1，王伟玮1，魏文若2，张永生2

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084； 2.中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011)

为改善车辆防抱制动系统(ABS)的匹配质量，对液压控制单元(HCU)的流量特性进行研究。首先根据所建的HCU阀口流量模型，分析了阀口在开关控制模式下的工作原理。接着结合ABS控制策略，设定了阀的理论流量分辨率特性，并通过试验测量了HCU增、减压阀的实际流量分辨率特性。最后根据ABS压力控制原则确定了HCU匹配时增、减压阀流量分辨率的要求，并对减压阀的流量特性进行了仿真与实车测试验证。结果表明，流量分辨率可较好地描述HCU特性，有助于ABS的匹配应用。

防抱制动系统；液压控制单元；开关控制；流量特性；流量分辨率

前言

液压控制单元(HCU)是防抱制动系统(ABS)的关键执行机构，其液压特性是进行ABS控制优化的基础[1-2]。根据ABS理论和试验研究，ABS匹配的主要任务之一就是调节ABS工作过程中的制动系统压力变化速率[3-5]。在ABS压力调节控制研究中，通常都将HCU和基础制动系统作为整体进行液压特性分析[6-8]，对HCU独立液压特性的研究不多。

在ABS实际匹配过程中，通过对HCU流量特性的研究，可以指导HCU与整车基础制动系统的匹配选型，并为ABS控制参数的匹配提供参考。

本文中通过分析HCU阀口在开关控制模式下的工作原理，试验测量得到增、减压阀的流量分辨率特性，并针对ABS减压过程进行HCU的匹配验证。

1 HCU阀口的开关控制流量模式

1.1 阀口理论流量模型

ABS增压时，制动液流出总泵出口，流经制动硬管进入HCU，流过增压阀的节流孔和阀口，再流出HCU。ABS减压时，制动液流出制动分泵，流过减压阀节流孔和阀口，流到低压蓄能器，经回流泵返回到总泵与HCU增压阀间的管路。增压阀和减压阀采用节流孔与阀口串联的结构，可以等效为一个圆截面的节流孔。

考虑阀全开时制动液在节流孔处的流动为紊流，节流孔的流量为

(1)

式中：q为阀全开时的制动液流量；Cq为流量系数；ρ为制动液密度；Δp为节流孔两端压力差；A为节流孔截面积；d为节流孔直径。

流体的流量系数Cq在实际应用中可以近似为定值，因此，通过改变节流孔直径d就可以改变HCU阀口的固有流量特性。

1.2 ABS控制中的阀口动态响应流量模型

常规制动增减压时，增、减压阀控制线圈均为断电状态，增压阀全开，减压阀全关。分泵增压特性的影响主要来于增压阀的阀口结构；减压时制动液大部分会通过与增压阀并联的反向单向阀回流，因此减压时不用考虑增、减压阀结构的影响。

ABS控制的增压、减压过程与常规制动差异很大。ABS增压阀驱动线圈主要工作在通电状态，增压阀关闭使系统处于保压，增压时通过增压阀线圈间断性地断电使阀口间断性打开，实现压力的缓慢增加。减压时减压阀线圈间断性地通电打开减压阀，制动液从制动分泵经减压阀阀口流到低压蓄能器。因此，除阀口的影响外，增、减压阀的控制参数对ABS的影响也较大。

ABS增、减压阀的开关控制参数是控制策略的一部分，其作用效果与阀的动态响应特性有关。阀的动态响应特性主要由阀的结构与其驱动电路的物理参数决定，包括产生电磁力的电路电气参数、线圈参数、阀芯运动件的质量和回位弹簧的参数等，一般通过定义阀的动态响应时间参数来综合反映阀的动态特性。

增、减压阀的动态响应时间τi和τd代表开关状态完全切换所用的时间，都分为通电响应时间τion和断电响应时间τioff，具体见表1。

表1 阀的动态响应时间

ABS高速开关控制阀普遍采用PWM驱动方式，即在固定的载波周期T下，调节阀通电的占空比，实现阀的开启面积与开启时间的控制。ABS控制变量包括载波周期T和时间分辨率τ，时间分辨率τ一般是控制中进行周期定时计数的最小时间单元，T与τ的关系为

T=Nτ

(2)

式中：N为正整数，是载波周期所含最小时间单元的个数。

ABS控制中，一般以一个载波周期T中的流量作为控制的基本流量单位，并组合连续多个载波周期里的流量来实现不同总流量的调节。

为研究ABS控制与阀流量特性的关系，定义阀在一个载波周期T里的平均流量为流量分辨率qres，下面研究ABS控制与阀口流量特性的关系。

在ABS一个载波周期的控制中，阀的通电时间ton只可能有N+1个取值，即ton=0,τ,2τ,…,Nτ，相应的阀的断电时间toff=T-ton。由于时间取值的离散性，阀的流量调节就是非连续的，因此流量调节分辨率qres也是非连续的。

以增压阀为例，假定理想阀的动作极快，响应时间可以忽略。在一个PWM载波周期T里，对应非连续的N+1个toff，利用式(1)，以阀全开时的流量q作为基准，可以计算阀的N+1个流量分辨率qresi为

(3)

式中：qresi为toff=iτ时阀的流量分辨率。

因此理想阀在全开状态下，qresi将以q/N的整数倍实现。

由于实际阀存在动态响应特性，在未全开的情况下也会有液体流过，因此阀口动作时间不能忽略。这种工况下的流量分辨率会与全开状态下的差别较大。由于阀口未全开，式(1)中的流量系数Cq与截面积A都难以确定，因而难以准确描述系统流量特性。

在阀部分开启的情况下，阀的工作状态与阀PWM控制的断电占空比toff/T关系密切，阀PWM载波周期T=ton+toff。考虑增压阀动态响应时间τi和动作的延迟时间τidy，分析阀的响应与运动形式主要分为以下3种。

(1) 在阀断电时间toff长于断电动作延迟时间τioffdy后，阀口才开始开启。在toff<τioff时，阀都处于部分开启状态。当阀开始通电，则经过τiondy时间后，阀开始关闭。在ton>τion时，可以保证增压阀彻底关闭，但实际根据阀断电时间toff里部分开启的大小，在ton<τion的情况下也能关闭增压阀。

(2) 在toff>τioff时，阀全开启，当阀开始通电，则经过时间τiondy后，阀开始关闭。在ton>τion时，增压阀彻底关闭。

(3) 如果时间toff较长，而时间ton较短，则有可能在一个载波周期里，阀的关闭控制执行不完，通常须在控制中将操纵延续到下一周期继续执行。

以阀驱动电压、阀芯位移与时间的关系来表示上述响应状态，如图1所示。

2 阀的理论与实际流量分辨率特性

阀的动态响应特性产生了阀的部分开启工作状态。由于阀芯位移对流量的影响并非线性，在一定位移之后，其流量与全开时就基本一致，即存在开度饱和流量。但由于动态响应时间τioff很短，在toff比τioff大得多时，可近似认为流量与位移呈线性关系，此时可以图1中位移-时间曲线下的面积来衡量阀口开启的流量，则从图中(1)→(3)的演变可以看出，流量随着断电占空比toff/T增大而逐渐增大。由于toff的取值是离散的，在toff=0,τ,2τ,…,Nτ时，可以分别得到阀的N+1个流量分辨率qresi,i=0～N，以全开时的流量q作为基准，可以得到流量分辨率为

qresi=ξiq,ξi≤1，i=0～N

(4)

式中：ξi为阀对应断电占空比i/N的流量分辨率系数。

在PWM载波周期T内的N+1个ξi随着断电占空比的增大而增大。另一方面，结合式(1)和式(4)，流量分辨率qresi与阀两端压力差Δp有关系，Δp越大则qresi越大。式(3)和式(4)分别是理想阀和实际阀的流量分辨率的计算。根据计算得到的流量分辨率，可以得到理论流量分辨率系数。

理想阀与实际阀的理论流量分辨率系数随断电占空比的变化示意如图2所示。在PWM载波周期T内的N+1个ξi随着断电占空比的增大而增大。实际阀由于动态响应特性影响，相应的理论流量分辨率系数要比理想阀的小。

阀的实际流量分辨率qresi可以通过试验进行测量，需要测量高低不同压差水平下的曲线。方法是采用同一制动分泵，在设定压差水平下，在一个载波周期T以不同的PWM占空比控制阀，测量分泵压力变化，再根据分泵液压特性计算流量。

某一增压阀的实际流量分辨率的部分试验结果如图3所示。

增压阀的实际流量分辨率总体随着断电占空比和压差的增大而增大。在小压差情况下阀的流量分辨率不够稳定，压差在6MPa以上时阀的流量分辨率随压差的变化较小，相同断电占空比下特性比较稳定。这表明在压差较大时，其对系统流量分辨率的影响较小，原因是压差大时阀口出现流量饱和现象[9]，流量趋于恒定，因而粗略地说，流量分辨率主要随断电占空比增大而增大。

减压阀与增压阀的工作原理类似，主要区别是减压阀在通电时开启，在断电时关闭。某一减压阀的实际流量分辨率部分试验结果如图4所示。减压阀的实际流量分辨率总体随着通电占空比和压差的增大而增大。与增压阀类似，减压阀也存在小压差情况下阀的流量分辨率不够稳定的情况，而在压差高于6MPa时，流量分辨率相对比较稳定，受压差的影响较小，这也是因流量饱和现象所致。

3 ABS阀流量特性的应用要求

增、减压阀的流量分辨率qres特性须根据制动系统的参数，综合ABS的控制要求来选择。制动系统参数主要是分泵的液压特性，由分泵压力与需液量的关系决定，ABS控制要求则要考虑系统的增、减压工况的特点。

(5)

3.1 增压阀流量特性要求

(6)

在紧急制动情况下，通常要求分泵的增压速度越快越好，但实际设计中还要考虑制动系统的操控性，尤其是在系统存在控制滞后的情况下，增压速度过快会导致压力超调问题。因此，常规制动增压特性要求的分泵压力变化率主要满足两个条件，一是在希望的增压时间内压力能够增高到使车轮在高附着路面抱死的水平，二是在系统滞后时间内压力的超调量要小，且至少要小于ABS在一个PWM载波周期T内的减压修正量，即

(7)

式中：T0为希望的增压时间；phigh为高附着路面车轮抱死的分泵压力水平；τc为系统滞后时间；Δpdec为ABS在一个PWM载波周期T内的减压修正量。

进行估算时，可以假定总泵压力远高于分泵压力，认为q变化不大，将式(6)代入式(7)，则可以得到阀口全开时流量分辨率的要求为

(8)

ABS增压工况要求的是增压阀部分开度下的流量特性。ABS控制的增压过程普遍采用的是阶梯增压方式，目的是限制平均流量，控制增压速率。在连续的多个控制周期T内，只有前一两个周期有流量，后几个控制周期的流量为0。

阶梯增压中阀的流量分辨率须满足在设定的增压次数下能升高一定的压力幅值Δpi，以低附着路面为例，流量分辨率产生的增压应小于附着系数对应的制动压力，但也应满足在设定的几次增压里就使车轮抱死。另外，从控制的稳健性考虑，流量分辨率在不同压差下的差别应较小，这样才能减少驾驶员制动力操控差异的影响。综合以上要求，流量分辨率须满足

(9)

式中：Δpi为增压的压力波动幅值；N1为设定的阶梯增压次数。

式(9)中阀的流量分辨率qres既是进行HCU选型时需要考虑的一个因素，也是ABS参数标定时需要重点考虑的参数。

3.2 减压阀流量特性要求

ABS减压工况对系统减压特性要求有两种：一种是连续减压工况下在减压阀全开时的减压特性；另一种是阶梯减压时减压阀在部分开度下的减压特性。

PWM阶梯减压工况一般应用在高附着路面，此时附着系数没有突变，因此不需要特别大的减压。通常设定正常减压波动幅值为Δpd，为实现快速减压，要求阀口最大的流量分辨率应在一个载波周期内即能实现这一减压要求。另一方面，为适应更细致的减压控制，阀的流量分辨率要足够小，可以Δpd/3作为分辨率的最小要求，同时在最大与最小的分辨率之间应有足够的调节级别，通常不少于4级调节。总的要求为

(10)

(11)

式中：qresN为减压阀的最大流量分辨率；qresm为减压阀的最小流量分辨率；ξm为对应qresm的流量分辨率系数。

通过分析常规制动与ABS控制的制动增、减压特性的要求，即可根据流量分辨率对增、减压阀进行选型。

4 减压阀流量特性仿真与试验验证

(12)

对式(12)分离变量，可得到连续减压时间的积分公式为

(13)

式中：Tdec为减压持续时间，对应Thigh、Tlow；p0为连续减压的降压要求，对应phigh、plow；p1为连续减压的最终压力要求，一般接近0，或为蓄能器起始压力；ξp为持续减压中对应压差的流量分辨率系数。

某减压阀的流量分辨率系数与压差的关系曲线和相应的拟合曲线如图5所示。

根据式(13)，利用上述的减压阀配对某一分泵构成的ABS，采用拟合的流量分辨率系数与压差曲线仿真计算持续减压工况下的压力时间曲线，并与系统实测值对比，结果如图6所示。在持续减压时，相同的减压时间下，计算与实测的最终压力相差不超过0.5MPa，系统从12MPa减压到0.3MPa所用时间都在0.16s左右，可见仿真有较高精度。

5 结论

(1) ABS高速开关控制阀的固有流量特性与节流孔直径有关。

(2) ABS开关阀采用固定载波周期T的PWM控制方式时，其控制流量特性可用流量分辨率qres和流量分辨率系数ξ来描述。

(3) 增压阀的实际qres总体随着断电占空比和压差的增大而增大，在压差较大时，由于饱和流量特性的影响，qres主要随断电占空比变化。

(4) 减压阀的实际qres总体随着通电占空比和压差的增大而增大，在压差较大时，由于饱和流量特性的影响，qres主要随通电占空比变化。

(5)qres可用于HCU选型和ABS匹配时的控制参数选取。

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A Research on the Flow Characteristics of ABSHydraulic Control Unit Under Switch Control Mode

Zhang Yonghui1, Yu Liangyao1, Wang Weiwei1, Wei Wenruo2& Zhang Yongsheng2

1.TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084;2.R&DCenter,ChinaFAWGroupCorporation,Changchun130011

For improving the matching quality of vehicle anti-lock braking system (ABS), the flow characteristics of hydraulic control unit (HCU) is studied. Firstly based on the HCU valve port flow model built, the working principle of valve port in switch control mode is analyzed. Then combined with ABS control strategy, the theoretical flow resolution characteristics of valve port are defined, and the real flow resolution characteristics of inlet and outlet valves of HCU are measured by test. Finally the requirements of flow resolution of inlet and outlet valves in HCU matching are determined according to ABS pressure control principle，and the flow characteristics of outlet valves are simulated and validated by real vehicle testing. The results show that the flow resolution can be used to better describe the characteristics of HCU, conducive to the matching and application of ABS system.

ABS; hydraulic control unit; switch control; flow characteristics; flow resolution

*国家863计划项目(2012AA111204,2012AA110903)、国家973计划项目(2011CB711205)和中国博士后科学基金项目(20110490386)资助。

原稿收到日期为2013年5月5日，修改稿收到日期为2013年9月23日。