交互型双回路驻车制动系统设计

司文奎，李小菊，张凯旋

交互型双回路驻车制动系统设计

司文奎1，李小菊2，张凯旋3

（1.比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118；2.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123；3.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

以比亚迪电动客车为例，针对客车普遍存在的起步溜坡、驻车制动自动化程度偏低及节能效果较差等现象，引入扭矩驻车和可变气压控制的概念，详细介绍双回路制动系统信息交互设计从而实现最大程度的安全和节能效果。

电动客车；扭矩解锁；双回路；驻车制动；可变气压

1　引言

客车制动系统一般由“行车制动回路”和“驻车制动回路”构成［1］。前者主要用于车辆行驶减速，后者主要用于驻车及短暂制动。该系统控制策略普遍采用“气动-手动-电控”方案，因其清洁安全、动力大，且技术成熟、成本较低，故在行业内得到了广泛应用。但不同厂家对该系统的理解程度不同，所做的逻辑方案也不尽相同，相当一部分车辆均存在不同程度的起步溜坡及自动化程度偏低的现象。

比亚迪K9系列电动客车针对此类不足做了改进。图1为K9大客车所配备的制动系统（双通单向阀之后的气路通向继动阀及制动机械结构），其中，“脚刹制动气路”受脚刹深度控制，为基本配置；“驻车制动气路”受整车控制器控制，提供额外的可控制动功能。

图1中，双通单向阀接收两路气压输入，且将较大者输送至下一级（继动阀）；比例电磁阀接受整车控制器的连续、模拟电压，产生连续、可控的气压值［2］。

车辆减速停止的制动力受脚刹制动气路控制［3］。车辆停稳之后，整车控制器控制比例电磁阀开始工作，比例电磁阀产生一定气压值，并通过驻车制动气路提供额外的制动力信号，从而使驾驶员在“短暂制动”的情形下无需持续踩脚刹或频繁切换手刹。

本文详细介绍此双回路制动系统，并针对此系统在驻车制动方面的若干难点，提出反馈自校正方案，提高客车制动系统的自动化水平，增强其安全性和节能性。

2　双回路制动系统介绍

2.1扭矩互锁和扭矩解锁

K9电动大客车车速报文信号和扭矩报文信号均来自电机控制器，精度较高。车辆即将停下时的车速曲线和车辆即将停止输出扭矩时的扭矩曲线如图2所示。

由图2可见，K9车速信号和扭矩信号较为理想，不存在静态波动，可作为“车辆停稳”的判定条件。故设定整车控制器控制比例电磁阀驻车制动生效的条件：“车速为零且扭矩为零，持续500 ms”，实现“车辆停止-驻车”的无缝衔接。驻车制动解除的时刻由电机控制器判定，电机控制器处理加速踏板信号，综合考虑车辆所在坡度等信息，在其扭矩输出曲线的某一时刻向整车控制器发送“驻车制动解除”指令。整车控制器收到此信号后，在50 ms之内取消比例电磁阀的输入电压，从而完全取消整车制动力，实现“驻车制动解除-起步”的无缝衔接。

2.2“驻车气路”可变气压控制

图1中，双通单向阀最重要特征：取两路气信号的较大值作为输出送至下一级。此特征对进一步提高该系统的安全性和节能性具有很强的意义。

在章节2.1的基础上，当车辆停稳时，整车控制器首先检测脚刹制动气路的气压值，若脚刹制动气路气压小于1个大气压（与大气的压差，下同）时，通过比例电磁阀控制驻车制动气路的气压值为1个大气压。若脚刹制动气路气压大于1个大气压，则控制驻车制动气路的气压值和脚刹制动气路气压值相等（考虑到双通单向阀工作原理，“相等”的定义为前者比后者大0.2 bar，下同）。

整车控制器控制驻车制动气路气压之后，持续监测脚刹制动气路气压值，若其有高于驻车制动气路的气压出现，则立刻增大驻车制动气路气压至该气压值。

驻车制动“解除”的条件保持不变，由电机控制器发送命令请求。

2.3实际应用的缺陷

理论上讲，章节2.1和2.2所介绍的制动系统方案，自动化程度很高，无需持续踩脚刹且无需频繁操作手刹，能保障基本制动力、避免不必要的排气，且能自动刷新增大制动气压［4］。但是在实际应用中，气动元件及气动系统本身固有的特征也导致其有先天性的不足，具体表现在以下几个方面：

1）气信号的传递较慢，导致系统实时性降低。

2）气动系统环节较多，误差容易累积，不利于做精密控制。

3）气动元件参数精度低，时间一致性较差，老化速度快。

以上缺陷会直接导致实际效果的偏差，致使本方案无法充分发挥其节能性。国内亦有个别整车厂尝试过类似的方案，但都停留在了此阶段之前，并停止相关的开发研究。下面详细介绍该偏差产生的根源和“反馈”校正方法在该系统的应用，以实现对该比例电磁阀的精准控制。

3　反馈自校正双回路制动系统

3.1“反馈”基本原理

“反馈”又称回馈［5］，是控制论的基本概念，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的进程。

本系统方法使用的为“负反馈”，反馈原理如图3所示。其中输入为目标气压值，输出为实际气压值。系统实时检测实际气压值，并根据矫正因子确定矫正量，直至实际气压和目标气压相等。

应用实例中，当车停稳时，整车控制器须控制驻车制动气路气压值与脚刹制动气路气压值相等。若车停稳后两者偏差较大，系统即可进入自矫正流程，自动调整比例电磁阀的输入电压并记录该电压值，确保目标气压值准确。

3.2方案详解

3.2.1产品参数介绍

WABCO某款气压传感器函数关系为

WABCO某款比例电磁阀函数关系为

（x单位：mA；f（x）单位：bar）。

由参数手册可知，整车控制器的D/A转换模块的等效输出电阻为1Ω，比例电磁阀的输入电阻为10 Ω。D/A转换模块参考电压为8 V；八位控制寄存器，即最大输出为Vcc，最小为Vss，精度为Vcc/（28-1）［6］。

所谓“相等”，即通过气压传感器采集“脚刹制动气路”的气压值。通过理论计算，输出一电压至比例电磁阀，从而实现对“驻车制动气路”气压值的控制，并使两者相等。

图1中，气压传感器1和气压传感器2均为WABCO同款气压传感器，可认为参数完全一样（本文以下论述均建立在此假设之上），其输出至整车控制器的模拟电压分别为U（i）和U（i2）。D/A模块输出电压（输出至比例电磁阀）为U（o），整车控制器填充到D/A转换模块控制寄存器的值为C（o）。

由理论计算可知［7］，若要控制“驻车制动气路”气压值和“脚刹制动气压值”相等，需有：

U（i）单位：V；C（o）单位：“1”。C（o）的计算结果向下取整。

由以上计算公式可知，理论上讲，监测到气压传感器的输出电压，填充相应的C（o）值至D/A转换模块控制寄存器，即可控制“驻车制动气路”气压值和“脚刹制动气压值”相等（即为无反馈）。但由于其为开环控制，无法对各个环节的误差做有效处理，故控制精度并不理想。

3.2.2“映射数组”初始化

为支持反馈校正方案的目标实现［8］，整车控制器需在自身存储区初始化一数组，用于存储U（i）和C（o）的对应关系，如表1所示。

表1　U（i）-C（o）映射数组

该表格均匀地体现了U（i）和C（o）的对应关系，整车控制器根据检测到的U（i），快速索引并填充对应的C （o），其中C（o）的实际有效范围为51-210（该表格初始数据来源于理论计算）。

3.2.3矫正算法

系统以整车控制器为控制核心，构建负反馈型线性离散控制系统。本方案运用迭代算法，可充分发挥MCU的运算功能。

t=0 s（互锁生效的时刻）时，整车控制器采集到U（i）=2.694 V，索引数组获得C（o）=160，将此C（o）值填充至D/A模块控制寄存器。t=0.5 s时，整车控制器采集U（i2）的值，发现U（i2）和2.694 V偏差较大，两个回路气压不相等，理论计算和实际不一致。进一步推测，比例电磁阀的特征参数发生了漂变，需要校正。

该“负反馈”校正系统的流程如图4所示［9］。当U （i2）相比U（i）偏大时，即气压传感器2监测到的气压高于目标值，此反馈因子可使C（o）减少，从而减少U（i2），反之，则增大C（o）及U（i2），最终使U（i2）等于U（i）。

该“负反馈”校正流程进入的时刻为互锁生效之后，假设比例电磁阀输入电阻漂变为12.2 Ω，代入初始值U （i）=2.694及C（o）=160。经过11次运算后，便得到了C （o）更新之后的值应为193。可见，整车控制器经过自校正之后发现，当输入电压U（i）=2.694时，原有C（o）=160已不能满足要求，需将该输入电压重新对应至C（o）=193，直接修改映射数组即可（把本行第二列160修改成193，把第三列0修改为1）。

本例中假设比例电磁阀的输入电阻发生了漂变，U （i）=2.694对应的C（o）值即从160调整至193。实际上电阻漂移后的值是未知的，且系统会有多个误差来源。但其仍必有一单调递增的函数关系U（i2）=f（C（o））。整车控制器可以且只能通过迭代算法，找出其对应的最佳C（o）值，从而使气压控制在最适宜状态。

车辆下次停稳时，整车控制器立即从该数组中索引对应关系，从而以最快速度驱动D/A转换模块输出电压，控制气压输出。制动动作完成后，若有必要，再进行自校正和更新数组。

3.3总结讨论

本文所述校正方案，把整个系统所有误差因子均包含在内，实现了“从源头到源头”的迭代及数组映射，对比例电磁阀的技术要求大幅降低，只需保证气压相对于电压的单调性以及D/A模块电压波动幅度不引起其充/放气即可，简单可靠。

本方案中所提到的零件特性及数组映射方法，若理论计算较难将其完全覆盖，应适当采用数学插值［10］的方法，以简化系统，增强可靠性。方案中所设定的定时及延时，应根据零部件的实际性能尽可能缩短，以优化系统的实时性。

若比例电磁阀精度较差，可适当增大映射数组第二列的步进值，减少气压梯度。

气动元件［11］的参数漂移程度一般较小，校正所需次数一般也较少。实际校正过程中，迭代次数一般在5以内。气动元件的参数漂移一般也需要经历较长的使用时间后才会出现。因此，频繁的自校正并不必要。设计者可在实际应用中对“自校正”的频率进行调整，比如整车控制器采集系统日历时间信息，在每月的某几天启动自校正，或者由售后人员对整车控制器发送特定报文，整车控制器收到有效报文命令后再启动自检校正。

4　结束语

本文以客车制动系统为着眼点，详细介绍了一种低成本高性能的交互型双回路制动系统方案，且针对气动元件的特点，引入了一种“反馈自校正”的参数自检方法。通过末端反馈，该方案很好地消除了“多环节串联”控制系统的累计误差，且克服了不同原理、不同型号的气动元件之间参数不一致所带来的系统风险，确保了系统的实际输出与最初设计目标一致。

［1］于俊峰，郝新平.国产商用车制动系统的发展［J］.重型汽车，2008，（5）：12-14.

［2］General Specification，JED-334.Product Identification NO.472 2500000.WABCO Data Chart&Instruction of Proportional Valve［Z］.ProportionalValve，1988.12.

［3］胡家富.液压、气动系统应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.8.

［4］安志敏，林敏，郭斌.继动阀在线检测系统的研究［J］.计算机测量与控制，2012，（12）：3190-3192.

［5］胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社，2001.2.

［6］陈晓风.DAC0832数模转换器转换速度的测试与研究［J］.福建师范大学学报：自然科学版，2003，19（3）：19-21.

［7］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，2006.5.

［8］楼顺天，周佳社.微机原理与接口技术［M］.北京：科学出版社，2006.8.

［9］谭浩强.C程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2005.7.

［10］肖莜南.现代数值计算方法［M］.北京：北京大学出版社，2003.7.

［11］吴剑增，张炳荣，邓祖国.汽车制动器相关参数关系初探［J］.客车技术与研究，2009，31（6）：19-22.

修改稿日期：2015-04-07

Design of Alternative Double-pipe Park Braking System

Si Wenkui1，Li Xiaoju2，ZhangKaixuan3
（1.BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China；2.State Grid ChongqingElectric Power Research Institute，Chongqing 401123，China；3.College ofElectrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Taking a BYD electric bus for example，the authors aim at the common phenomena of starting slip slope，park brake automation lower，and energysaving-effect worse，and introduce the concepts oftorque park and variable air pressure control，and detailedly present the message alternative design of double-pipe park braking system.As a result，theyachieve the great degree ofsafetyand energysavingeffects.

electric bus；torque unlock；double-pipe；park braking；variable air pressure

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2015）06-0024-04

司文奎（1988-），男，研究方向：制动系统、仿真分析、测试工具开发、系统方案规划。