EBS軸模塊壓力閉環(huán)控制

樊秋實(shí)，何樂(lè)，夏群生

（清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

EBS軸模塊壓力閉環(huán)控制

樊秋實(shí)，何樂(lè)，夏群生

（清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

研究EBS軸模塊電磁閥特性，對(duì)比兩種不同閉環(huán)壓力控制方法的控制效果，對(duì)試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行參數(shù)匹配后實(shí)現(xiàn)符合制動(dòng)需求的壓力閉環(huán)控制，奠定EBS制動(dòng)控制的基礎(chǔ)。

EBS；軸模塊；壓力控制；電磁閥；PID

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)商用車(chē)市場(chǎng)發(fā)展趨于成熟，消費(fèi)者及商用車(chē)企業(yè)對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的舒適性、穩(wěn)定性和安全性越來(lái)越重視，新一代商用車(chē)電子控制制動(dòng)系統(tǒng)EBS（Electronically Controlled Braking System）也開(kāi)始出現(xiàn)在部分高端商用車(chē)上。EBS集成了電控氣動(dòng)制動(dòng)（EPB）、制動(dòng)防抱（ABS）和牽引力控制（TCS）三種功能，同時(shí)作為一個(gè)開(kāi)放的車(chē)輛控制平臺(tái)，僅需增加少量部件，EBS即可以集成為電子穩(wěn)定（ESP）、自適應(yīng)巡航（ACC），自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）等先進(jìn)車(chē)輛控制系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)氣控制動(dòng)系統(tǒng)，EBS的優(yōu)點(diǎn)主要有：電控取代氣控，響應(yīng)時(shí)間短；具有減速度控制功能，令商用車(chē)擁有轎車(chē)一般舒適的踏板感受；靈活的制動(dòng)力分配功能可以提高車(chē)輛制動(dòng)的穩(wěn)定性及主掛車(chē)之間的協(xié)調(diào)性[1-4]。

EBS對(duì)車(chē)輛制動(dòng)的控制主要是通過(guò)軸模塊獨(dú)立控制各輪制動(dòng)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，軸模塊制動(dòng)壓力的閉環(huán)控制效果顯著影響著車(chē)輛制動(dòng)響應(yīng)及制動(dòng)效果。由于軸模塊加減壓電磁閥具有遲滯特性，常用的邏輯門(mén)限值控制效果一方面壓力振蕩較大，不滿足制動(dòng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性需求；另一方面頻繁啟動(dòng)電磁閥也會(huì)減少電磁閥壽命。因此，研究EBS軸模塊中電磁閥的特性，針對(duì)其加減壓閥遲滯特性應(yīng)用了基于相位平移的前饋補(bǔ)償方法；針對(duì)電磁閥的電流、壓力特性應(yīng)用了壓力閉環(huán)的邏輯門(mén)限控制方法及邏輯門(mén)限-離散化PID聯(lián)合控制方法，并在匹配EBS系統(tǒng)的樣車(chē)上進(jìn)行樣車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 EBS軸模塊電磁閥特性研究

1.1 EBS軸模塊結(jié)構(gòu)及原理

圖1為EBS單通道軸模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要有：一個(gè)常開(kāi)的備壓閥、一個(gè)常閉的加壓閥、一個(gè)常閉的減壓閥、壓力傳感器F、電控單元和活塞等機(jī)械部件。軸模塊最主要的功能是接收中央控制單元通過(guò)CAN總線發(fā)出的制動(dòng)壓力需求信號(hào)，控制加壓閥、減壓閥的開(kāi)啟或關(guān)閉來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)氣室的壓力，并通過(guò)安裝在出氣管路的壓力傳感器F實(shí)現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制[5-6]。為了更好地控制電磁閥實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，需要研究其加壓閥、減壓閥的壓力特性。因目前這方面的數(shù)學(xué)模型參數(shù)難以獲得，所以采用實(shí)驗(yàn)分析的方法。

1.2 加壓閥特性

加壓閥為常閉開(kāi)關(guān)閥，其作用是打開(kāi)時(shí)使高壓氣體進(jìn)入制動(dòng)氣室，建立制動(dòng)壓力。加壓閥的阻值為17.6 Ω，驅(qū)動(dòng)電壓24V。加壓閥的壓力輸出具有遲滯特性，如圖2所示。從圖2可以看到，加壓閥控制信號(hào)打開(kāi)后，壓力開(kāi)始上升的遲滯時(shí)間為20ms；關(guān)閉加壓閥控制信號(hào)后，壓力會(huì)繼續(xù)上升50ms。在這段時(shí)間內(nèi)，壓力上升了0.7 bar。

使用占空比與頻率均可變的方波驅(qū)動(dòng)加壓閥，可以得到不同的進(jìn)氣速率曲線，如圖3所示。圖3中加壓速率最快可達(dá)40 bar/s，最慢為4 bar/s。

1.3 減壓閥特性

減壓閥為常閉開(kāi)關(guān)閥，其作用是打開(kāi)時(shí)使制動(dòng)氣室中的高壓氣體排放到大氣中，減小制動(dòng)壓力。減壓閥的阻值為17.6Ω，驅(qū)動(dòng)電壓24 V。加壓閥的壓力輸出具有遲滯特性，減壓閥打開(kāi)后，壓力開(kāi)始下降的延遲時(shí)間為15ms；關(guān)閉減壓閥控制信號(hào)后，氣壓仍會(huì)下降0.7 bar，如圖4所示。

使用占空比與頻率均可變的方波驅(qū)動(dòng)減壓閥得到不同的排氣速率曲線，如圖5所示。減壓閥一次打開(kāi)關(guān)閉的時(shí)間為10ms時(shí)，減壓閥的壓力下降約為0.7 bar，所以在慢減壓過(guò)程中曲線不夠平滑，有臺(tái)階出現(xiàn)。

高潮正欲擠過(guò)去再問(wèn)，手機(jī)突然響了，掏出一看，是“詩(shī)的妾”的短信息：老公，妾在去溫州的列車(chē)上呢。不知怎的，妾突然后悔了自己的這個(gè)行動(dòng)，妾現(xiàn)在最想見(jiàn)的人，是你。高潮回信息：一場(chǎng)突襲大戲的序幕，即將拉開(kāi)，未知的結(jié)局，會(huì)涂抹誰(shuí)生活的色彩？

2 壓力閉環(huán)控制方法及實(shí)車(chē)驗(yàn)證

衡量軸模塊壓力閉環(huán)控制效果的指標(biāo)主要有：壓力上升的快速性、壓力的穩(wěn)定性和壓力的準(zhǔn)確性。對(duì)于制動(dòng)來(lái)講，壓力上升的速度越快，則車(chē)輛制動(dòng)對(duì)制動(dòng)踏板的響應(yīng)越快，能夠提高制動(dòng)的安全性；制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)越穩(wěn)定，對(duì)于車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性和舒適性越有好處；制動(dòng)壓力的準(zhǔn)確性也影響著整車(chē)的減速度控制效果和駕駛員的感覺(jué)。

本文提出兩種壓力閉環(huán)控制方法，并將這兩種控制方法應(yīng)用在匹配的EBS樣車(chē)上。EBS壓力控制實(shí)現(xiàn)原理見(jiàn)圖6，根據(jù)樣車(chē)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)了兩種方法的優(yōu)劣。

2.1 邏輯門(mén)限值控制方法

軸模塊的制動(dòng)壓力僅由加減壓閥控制，因此，最易于實(shí)現(xiàn)的控制方法為邏輯門(mén)限值控制。邏輯門(mén)限控制原理簡(jiǎn)單，即在控制目標(biāo)附近設(shè)置上下兩個(gè)邏輯門(mén)限。當(dāng)壓力低于下門(mén)限時(shí)，則打開(kāi)加壓閥；當(dāng)壓力高于上門(mén)限時(shí)，則打開(kāi)減壓閥。邏輯門(mén)限控制方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)，而且所需參數(shù)少，易于匹配。在軸模塊壓力控制中，壓力超過(guò)門(mén)限則完全打開(kāi)相應(yīng)的電磁閥，壓力上升或下降非常迅速。邏輯門(mén)限控制的缺點(diǎn)是控制結(jié)果只能在控制目標(biāo)的附近，控制準(zhǔn)確性不夠，而且由于需要頻繁開(kāi)閉加減壓閥，容易引起壓力振蕩，控制的穩(wěn)定性也較差，不同門(mén)限值對(duì)于實(shí)車(chē)控制效果的影響見(jiàn)圖7。

綜合考慮壓力控制的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，最終選取雙門(mén)限的邏輯控制方法實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。所謂雙門(mén)限是指在壓力快速上升或下降過(guò)程中，設(shè)定一個(gè)較小的門(mén)限，小門(mén)限有助于提高壓力反應(yīng)的快速性；在壓力接近目標(biāo)壓力值、系統(tǒng)開(kāi)始振蕩調(diào)整過(guò)程中，適當(dāng)將門(mén)限值放大，有助于減少壓力振蕩時(shí)間，使壓力快速穩(wěn)定。根據(jù)多次試驗(yàn)調(diào)整，最后得出的控制門(mén)限值為壓力快速調(diào)整過(guò)程上門(mén)限1.4 bar，下門(mén)限1 bar；壓力振蕩過(guò)程中上門(mén)限0.16 bar，下門(mén)限0.14 bar，在樣車(chē)上實(shí)現(xiàn)壓力控制結(jié)果如圖8所示。圖8中虛線為樣車(chē)制動(dòng)踏板位移，可以看出這種雙門(mén)限邏輯控制可以通過(guò)較少振蕩將壓力穩(wěn)定在目標(biāo)值壓力附近，但是存在靜態(tài)誤差。

2.2 邏輯門(mén)限-離散化PID聯(lián)合控制方法

邏輯門(mén)限值控制雖然控制原理簡(jiǎn)單，但是存在著壓力振蕩過(guò)程，對(duì)于車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性及舒適性帶來(lái)不利影響，無(wú)法滿足壓力閉環(huán)控制靜態(tài)誤差小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的要求。此外，頻繁開(kāi)閉電磁閥也會(huì)對(duì)電磁閥的壽命產(chǎn)生影響。因此，考慮采用邏輯門(mén)限值與離散化PID聯(lián)合控制方法，實(shí)現(xiàn)軸模塊壓力閉環(huán)控制。

邏輯門(mén)限控制的目的是誤差較大時(shí)快速調(diào)整壓力，離散化PID控制的作用是在目標(biāo)壓力附近對(duì)壓力進(jìn)行微調(diào)，提高壓力控制的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。采用離散化PID而不是連續(xù)PID的原因是加減壓閥一次打開(kāi)關(guān)閉耗時(shí)近10ms，不易實(shí)現(xiàn)加減壓閥打開(kāi)時(shí)間的連續(xù)調(diào)節(jié)，故采用離散化PID控制。邏輯門(mén)限-離散化PID聯(lián)合控制的工作過(guò)程分為：

1）快速加減壓過(guò)程。當(dāng)實(shí)際壓力遠(yuǎn)離目標(biāo)壓力時(shí)，采用最優(yōu)時(shí)間控制，如加壓閥全開(kāi)，達(dá)到快速建立壓力的目的。

2）壓力微調(diào)過(guò)程。當(dāng)實(shí)際壓力處于目標(biāo)壓力上下門(mén)限之間時(shí)，采用離散化PID控制方法，通過(guò)調(diào)整控制方波的周期和占空比實(shí)現(xiàn)分段式慢加壓或慢減壓過(guò)程，在減小誤差的同時(shí)避免出現(xiàn)壓力超調(diào)及振蕩。

針對(duì)加減壓閥的遲滯特性設(shè)計(jì)了基于相位平移的前饋補(bǔ)償來(lái)改善壓力控制的效果[7-8]。將加入前饋補(bǔ)償?shù)倪壿嬮T(mén)限-離散化PID聯(lián)合控制應(yīng)用在樣車(chē)上，得到的樣車(chē)壓力控制效果如圖9所示。圖9中虛線為樣車(chē)制動(dòng)踏板位移，可以看出，聯(lián)合控制的壓力誤差小于5%，在80ms內(nèi)壓力即達(dá)到目標(biāo)壓力的90%，壓力無(wú)超調(diào)。加入前饋補(bǔ)償?shù)倪壿嬮T(mén)限-離散化PID聯(lián)合控制效果良好，滿足車(chē)輛制動(dòng)壓力準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速的需求，最終將該策略應(yīng)用在自主EBS系統(tǒng)上。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究EBS軸模塊壓力控制，根據(jù)電磁閥的遲滯特性，設(shè)計(jì)了帶有前饋補(bǔ)償?shù)倪壿嬮T(mén)限-離散化PID控制邏輯，并在試驗(yàn)樣車(chē)上驗(yàn)證了控制效果，得出以下結(jié)論：

1）電磁閥的壓力輸出具有遲滯特性，單一的邏輯門(mén)限控制不能滿足壓力平穩(wěn)、準(zhǔn)確的需求。

2）由于電磁閥打開(kāi)關(guān)閉時(shí)間的限制，采用離散化PID進(jìn)行壓力微調(diào)能夠減少壓力的超調(diào)與振蕩，提高制動(dòng)壓力的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

EBS未來(lái)必將成為商用車(chē)的標(biāo)配，壓力閉環(huán)控制是EBS一切控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，今后還將進(jìn)一步改進(jìn)壓力閉環(huán)控制的算法與參數(shù)，提高控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及精度。

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修改稿日期：2013-11-11

表2 軸承整體計(jì)算結(jié)果最大值匯總表MPa

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種不同球徑的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1）軸承整體最大的Von Mises應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨著軸承球徑的增大而增大；而最大接觸壓力隨著軸承球徑的增大而減小[7]。

2）根據(jù)第一強(qiáng)度理論S1≤[SL]或|S3|≤[SY]，兩種球徑的關(guān)節(jié)軸承整體承受的最大壓應(yīng)力都在許用壓應(yīng)力[SY]范圍內(nèi)，軸承155整體最大壓應(yīng)力絕對(duì)值為156.329 MPa，為兩種球徑中較小的，所以球徑155 mm為最優(yōu)直徑。

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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

樊秋實(shí)（1987-），男，碩士；研究方向：EBS系統(tǒng)控制策略。