集成式新型线控液压制动系统车轮防抱死控制

王 猛 ，汪选要 ，谢有浩 ，2

（1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232000，2.安徽猎豹汽车有限公司，安徽 滁州 239064）

1 引言

近年来，随着汽车电动化和智能化的不断发展，尤其是纯电动乘用汽车技术的升级，汽车对于制动系统的功能要求也不同以往[1-2]。因此，对集成式新型线控液压制动系统的提出迎合了当前汽车行业发展需求。

防抱死制动系统（anti-lock braking system，ABS）是汽车应用最广泛的主动安全系统[3]。近年来，许多学者提出了例如：PID 控制[4]、滑模变结构控制[5]、神经网络[6]和模糊控制[7]等基于传统液压调节系统的防抱死控制方法。随着电子液压制动系统在汽车中的不断应用，国内外学者相继提出了新的符合线控液压制动系统特性的防抱死控制方法，例如：文献[2]中所提出的安全优先式控制和主缸定频式控制；文献[8]中提出的模糊逻辑的电子液压制动系统防抱死控制；文献[9]中提出的非解耦式3 层级联制动防抱死冗余控制架构等。结合所提出的集成式新型线控液压制动系统具有双动力源的特点，设计匹配了新的液压调节系统，提出了双制动活塞缸分时定频建压控制和Ⅱ型四通到分时控制两种防抱死控制策略，并通过对典型工况的仿真进行了验证。

2 制动系统工作原理分析

所提出的集成式新型线控液压制动系统简图，如图1 所示。系统正常工作时，电池2 实时为系统通电，踏板位移传感器39 检测出驾驶员踩下制动踏板40 的位移信号，并通过ECU 计算出驾驶员的制动所需制动力矩，同时控制电机4 和5 运转推动活塞在制动活塞缸34 与35 内直线运动，从而产生制动压力，并经常开电磁阀 17，18，20，21 流至车轮 30，31，32，33 实现制动。当电机 4和5 发生故障时，ECU 立刻令踏板感模拟及失效控制电磁阀8全开，同时令踏板感模拟控制线控电磁阀12 和38 关闭。此时，制动力全部由人力产生，驾驶员踩下制动踏板40，通过人力失效备份传动齿条42 推动齿轮滚珠丝杠传动机构6 将转动变为直动，从而推动活塞在制动活塞缸34 与35 中进行直线运动，建立制动压力，实现系统失效紧急停车功能，从而保证车辆行驶安全。

图1 制动系统简图Fig.1 Brake System Diagram

3 动力学模型

3.1 制动系统模型

3.1.1 电机模型

式中：Ua—电枢绕组电压；Ra—电枢绕组电阻；La—电枢绕组电感；Ke—反电动势系数；ωmot—电机转速。

式中：Te—电磁转矩；Kt—转矩常数；ia—电枢电流。

3.1.2 传动机构模型

式中：θout—电机输出转角；θin—传动机构输入转角；i—传动机构传动比；TL—滚阻丝杠转矩；F—滚珠丝杠轴向推力；η—传动效率；l—滚珠丝杠导程；S—丝杠轴向位移。

3.1.3 电机及转速机构平衡方程

式中：Jm—电机及第一及齿轮转动惯量；Bm—电机轴阻尼系数；Tm—电机输出转矩；Ts—第一级齿轮转矩；Js—大齿轮及螺母转动惯量；Bs—齿轮及螺母转动阻尼系数；θs—二级齿轮转过角度；mr—滚珠丝杠质量；br—丝杠阻尼；PM—主缸压力；AM—主缸活塞面积。

3.1.4 制动主缸及电磁阀模型

制动过程中，制动活塞缸方程[10]，如式（5）所示。

式中：VM—制动活塞缸初始体积；E—制动液体积弹性模量；QM—流出制动活塞缸液体体积；xM—活塞移动行程。

电磁阀流量方程如下[11]：

式中：Qvi—流进电磁阀流量；Cd—电磁阀流量系数；Avi—电磁阀等效截流面积；Pin—电磁阀入口压力；Pout—电磁阀出口压力；ρ—制动液密度。

3.1.5 制动器动力学模型及流量方程

式中：Fbi—制动摩擦片与制动盘之间的摩擦力；Fi—轮缸活塞对制动盘的压力；μb—制动摩擦片与制动盘之间的摩擦系数；Mbi—车轮制动力矩；Rbi—制动盘有效制动半径。

式中：PW—轮缸压力；QWi—轮缸流入流量；AW—轮缸活塞面积；Vadb—轮缸初始液体体积；xw—制动轮缸活塞位移。

3.2 整车模型

所提出的控制算法，只考虑车轮直线运动，因此建立三自由度动力学模型[12]：

式中：M—整车质量；—车辆加速度；Fbf，Fbr—前后车轮地面制动力；Fa—空气阻力；Ff—滚动阻力；Jωf，Jωr—前后轮转动惯量；R—车轮半径；Thf，Thr—前后轮液压制动力矩；Tff，Tfr—前后车轮滚动阻力矩；ω˙r，ω˙f—前后轮轮速。

3.3 轮胎模型

Dugoff 轮胎模型是一个物理推导模型，公式如下所示[13]：

式中：Fx—轮胎所受纵向力；Cx—纵向刚度；s—滑动率。

式中：Fy—侧向力；α—轮胎侧偏角；Cy—侧偏刚度。

式中：μm—路面附着系数；As—折扣因子；FZ—轮胎垂直载荷。

4 ABS 控制策略

4.1 双制动活塞缸分时定频建压控制

研究表明[14]，前轮峰值地面制动力随着制动力系数的增大而增大；后轮峰值地面制动力附近，制动力系数存在较宽取值范围使得后轮峰值地面制动力都比较接近最大值。双制动活塞缸分时定频建压控制，以车轮抱死临界点设定为制动活塞缸制动峰值点，主缸以一定频率固定建压。逻辑图，如图2 所示。

图2 双制动活塞缸分时定频建压ABS 控制Fig.2 ABS Control of Dual-Brake Piston Cylinder Time-Sharing Constant Frequency Built in Pressure

图2 中电机34 控制的后轮抱死门限值A1，取最优滑动率的80%作为A1；此外电机35 控制的前轮通道，取实时最优滑动率为A2。

4.2 Ⅱ型四通道分时控制

考虑到汽车前轮制动时，地面制动力变化较大的特性，将制动管路布置成电机34 控制后轮且采用低选择控制，电机35 控制前轮且两轮分时控制。控制逻辑图，如图3 所示。

图3 Ⅱ型四通道分时控制ABS 控制策略Fig.3 ABS Control Strategy of Type ⅡFour-channel Time-Sharing Control

5 仿真分析

5.1 仿真参数设置及无ABS 控制分析

在MATLAB/Simulink 中建立上述动力学模型，并在中等附着路面和对开路面工况下进行仿真分析，仿真参数，如表1 所示。由图4 可见，对开路面工况下，车轮无ABS 参与制动控制时，制动距离为54.61，且车轮在开始制动即发生抱死，并出现车辆失稳现象。

表1 车辆及仿真参数Tab.1 Vehicle and Simulation Parameters

图4 对开路面无ABS 车轮仿真Fig.4 Off-Road Pavement Without ABS Wheels Simulation

图5 中等附着路面无ABS 车辆仿真Fig.5 ABS-Free Vehicle Simulation on Medium Adhesion Road

由图5 可见，在中等附着路面工况下，制动距离为42.11，且车轮在开始制动时即发生抱死。

5.2 典型工况下ABS 控制分析

分别建立路面左侧附着系数为0.2，右侧附着系数为0.5 的对开路面，及附着系数为0.5 的中等附着均一路面条件进行仿真验证，分析结果，如图6～图9 所示。

图6 对开路面双制动活塞缸分时定频ABS 控制策略仿真分析Fig.6 Simulation Analysis of Time-sharing and Fixed-Frequency ABS Control Strategy for Dual-Brake Piston Cylinders on Split Road

图7 中等附着路面双制动活塞缸分时定频ABS 控制策略仿真分析Fig.7 Simulation Analysis of Time-Sharing and Fixed-Frequency ABS Control Strategy for Dual-Brake Piston Cylinders on Medium Attachment Roads

图8 对开路面Ⅱ型四通道分时ABS 控制策略仿真分析Fig.8 Simulation Analysis of ⅡType Four-channel Time-sharing ABS Control Strategy on Split Road

图9 中等附着路面Ⅱ型四通道分时ABS 控制策略仿真分析Fig.9 Simulation Analysis of Type ⅡFour-Channel Time-sharing ABS Control Strategy for Medium Attachment Road

由图6 可见，制动开始时车轮未发生抱死现象，制动距离为52.16，相比图4 无ABS 控制，制动距离缩短了4.52%，且制动过程中车辆稳定性较好。

由图7 可见，相比图5 制动开始时车轮未发生抱死现象，制动距离为39.47m，相比无ABS 控制制动距离缩短了6.27%。

由图8 可见，制动开始时车轮未发生抱死现象，相比图4 无ABS 制动，制动稳定性较好，制动距离为53.13m。

由图9 可见，制动开始时车轮未发生抱死现象，相比图5 无ABS 制动，制动稳定性有所改善，制动距离为39.54m。

6 结论

（1）液压调节系统能有效满足制动系统液压调节功能。

（2）基于集成式新型线控液压制动系统所提出得两种防抱死控制策略，均可满足制动时得车轮防抱死功能需求。

（3）制动活塞缸分时定频建压控制对电机和电控性能要求较高，且两种控制策略均有利于提高汽车制动性能。