基于EPB的應(yīng)急制動(dòng)后輪防抱死控制策略

初亮， 馬文濤， 祁富偉， 陳箭，， 楊小雨

(1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吉林，長(zhǎng)春 130022；2.蘇州薩克汽車科技有限公司, 江蘇，蘇州 215000)

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基于EPB的應(yīng)急制動(dòng)后輪防抱死控制策略

初亮1， 馬文濤1， 祁富偉1， 陳箭1，2， 楊小雨2

(1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吉林，長(zhǎng)春 130022；2.蘇州薩克汽車科技有限公司, 江蘇，蘇州 215000)

為避免車輛行車制動(dòng)系統(tǒng)失效后用駐車制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的后輪抱死甩尾等危險(xiǎn)工況，對(duì)EPB應(yīng)急制動(dòng)時(shí)的防抱死控制策略進(jìn)行研究. 通過(guò)分析EPB的構(gòu)成及工作原理明確基于EPB系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)后輪防抱死控制功能. 通過(guò)對(duì)EPB執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及工作特性分析并進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)來(lái)確定執(zhí)行器零部件的特性，根據(jù)其特性確定執(zhí)行器的控制方式，從而編寫(xiě)了EPB在應(yīng)急制動(dòng)時(shí)的控制軟件. 同時(shí)在裝備了EPB的試驗(yàn)車輛上對(duì)控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

電子駐車制動(dòng)；應(yīng)急制動(dòng)；防抱死；實(shí)車試驗(yàn)；控制策略

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車電子智能化的程度越來(lái)越高，X-By-Wire(線控控制)以其先進(jìn)的智能化控制可以減少駕駛員操作同時(shí)達(dá)到精確的車輛控制. EPB(電子駐車制動(dòng)系統(tǒng))是基于原來(lái)傳統(tǒng)純機(jī)械手剎制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的一個(gè)新興的線控制動(dòng)的電子控制系統(tǒng). EPB取消了傳統(tǒng)手剎的拉桿，一方面節(jié)省了由手剎拉桿布置占用的車內(nèi)空間減少了駕駛員操縱手剎的負(fù)擔(dān)，另一方面精確控制了EPB所提供的制動(dòng)力大小，延長(zhǎng)了執(zhí)行器的使用壽命同時(shí)在有車速的時(shí)候提供相應(yīng)的制動(dòng)力提高車輛的主動(dòng)安全性.

本文依據(jù)集成式EPB系統(tǒng)，詳細(xì)研究了僅依靠EPB系統(tǒng)在應(yīng)急制動(dòng)時(shí)的控制策略. EPB的應(yīng)急制動(dòng)只依靠車輛的后制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)如果發(fā)生抱死時(shí)車輛外部的側(cè)向擾動(dòng)車輛則會(huì)造成甩尾現(xiàn)象從而造成嚴(yán)重的交通事故. 基于EPB的應(yīng)急制動(dòng)控制策略具有卡鉗夾緊力調(diào)整以及車輪防抱死功能，并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)車試驗(yàn)，使制動(dòng)參數(shù)達(dá)到GB21670—2008中關(guān)于應(yīng)急制動(dòng)距離以及制動(dòng)減速度的規(guī)定[1-2].

1 EPB組成及工作原理

1.1 EPB的系統(tǒng)組成

EPB是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)包括傳感器輸入信號(hào)、控制器、執(zhí)行器[3]. 具體組成如圖1所示.

EPB系統(tǒng)的輸入信號(hào)系統(tǒng)包括EPB按鈕的按鈕狀態(tài)信號(hào)以及EPB通過(guò)CAN通信網(wǎng)關(guān)得到的信號(hào). EPB的控制器包含執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)芯片以及控制執(zhí)行器電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)作的H橋電路；主芯片用于EPB控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行；通信模塊處理EPB與外部的CAN信號(hào)交換以及EPB控制器內(nèi)部的SPI總線數(shù)據(jù)交換；按鈕識(shí)別電路用來(lái)識(shí)別按鈕的狀態(tài)；寄存器用來(lái)存儲(chǔ)EPB系統(tǒng)的狀態(tài)信息.

1.2 EPB系統(tǒng)的工作原理

EPB系統(tǒng)作為車輛電控系統(tǒng)其中的一個(gè)，其控制器與其他車輛控制器的通信是依據(jù)CAN2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)完成信號(hào)的交換[4-5]. EPB系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)，信號(hào)從整車動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)獲得的信號(hào)具體為：變速箱檔位信號(hào)、離合器接合程度信號(hào)從TCU(變速箱控制系統(tǒng))獲得；輪速信號(hào)、輪速脈沖信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、制動(dòng)主缸壓力信號(hào)、車輛加速度信號(hào)是從ESP(電子穩(wěn)定性系統(tǒng))控制器獲得；發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)速型號(hào)、發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)是從EMS(發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng))獲得.

EPB 通過(guò)按鈕狀態(tài)、制動(dòng)踏板信號(hào)、主缸壓力信號(hào)來(lái)識(shí)別駕駛員的意圖，再通過(guò)輪速信號(hào)、車輛加速度信號(hào)來(lái)判斷車輛的當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比駕駛員的意圖以及當(dāng)前車輛狀態(tài)的差別EPB實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制，從而使車輛避免危險(xiǎn)的工況達(dá)到駕駛員的需求狀態(tài).

2 集成式EPB的零部件特性

2.1 集成式EPB執(zhí)行器的特性

EPB的執(zhí)行器是指電機(jī)與卡鉗集成的一體式卡鉗，其中包括電機(jī)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星排減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、以及傳統(tǒng)卡鉗的各部分機(jī)構(gòu).

其中EPB執(zhí)行器動(dòng)作部分的參數(shù)如表1所示.

表1 EPB執(zhí)行器參數(shù)

EPB執(zhí)行器的電氣特性試驗(yàn)臺(tái)主要由以下五部分組成：① EPB執(zhí)行器中的電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)的集成MGU(motor gear unit)部分，是EPB執(zhí)行器的動(dòng)力單元；② 轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)量MGU發(fā)出的轉(zhuǎn)矩；③ 聯(lián)軸器，負(fù)責(zé)連接傳遞動(dòng)力；④ 測(cè)功機(jī)，可以對(duì)MGU施加負(fù)載；⑤ 轉(zhuǎn)速傳感器，可以測(cè)量MGU的轉(zhuǎn)速.

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)得出的MGU的特性如圖2所示.

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)MGU內(nèi)的電流與輸出的轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，如圖3所示.

以此為基礎(chǔ)可以進(jìn)行曲線擬合.

(1)

式中：Mmgu為MGU輸出轉(zhuǎn)矩；K為比例系數(shù)；I為通過(guò)MGU電流；D為常數(shù). EPB可以通過(guò)控制MGU兩端的電流來(lái)調(diào)節(jié)后輪上的制動(dòng)力矩的大小.

2.2 EPB按鍵特性

EPB按鍵是根據(jù)特定的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)后得到輸出信號(hào)來(lái)判斷EPB按鍵的狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)EPB按鍵狀態(tài)的識(shí)別，如圖4所示.

脈沖輸入信號(hào)通過(guò)輸入端口1、2向EPB按鍵來(lái)輸入脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)EPB按鍵的不同狀態(tài)顯示出不同的脈沖信號(hào)的組合，實(shí)現(xiàn)EPB按鍵狀態(tài)的識(shí)別.

3 EPB應(yīng)急制動(dòng)的控制策略

3.1 EPB應(yīng)急制動(dòng)后輪防抱死的必要性

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB21670—2008中關(guān)于車輛制動(dòng)系統(tǒng)的定義，車輛在應(yīng)急制動(dòng)時(shí)MFDD(為充分發(fā)揮的平均加速度)要大于1.5 m·s-2. MFDD的計(jì)算公式為

(2)

式中：aMFDD為充分發(fā)揮的平均加速度；vb為0.8v的試驗(yàn)車速；ve為0.1v的試驗(yàn)車速；de為試驗(yàn)車速?gòu)膙～ve的制動(dòng)距離；db為試驗(yàn)車速?gòu)膙～vb的制動(dòng)距離.

制動(dòng)距離應(yīng)滿足以下公式提供的制動(dòng)距離

(3)

式中：db為制動(dòng)距離；v為開(kāi)始計(jì)算制動(dòng)距離時(shí)的車速. 當(dāng)車輛在形式過(guò)程中液壓制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí)只能依靠駐車制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)停車. 但是駐車制動(dòng)是車輛的后輪制動(dòng)，如果沒(méi)有控制防止后輪抱死車輛會(huì)導(dǎo)致甩尾造成事故. 所以依靠電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)的后輪防抱死功能.

3.2 EPB應(yīng)急制動(dòng)后輪防抱死進(jìn)入條件分析

根據(jù)實(shí)際的車輛情況，車輛觸發(fā)后輪防抱死的條件如圖5所示.

當(dāng)EPB控制器檢測(cè)到EPB按鈕處于長(zhǎng)期拉起狀態(tài)，車輛的CAN總線從ESP得到車輪速信號(hào)以及輪速脈沖信號(hào)處理有效得出車速并達(dá)到應(yīng)急制動(dòng)的門(mén)限，從而進(jìn)EPB行應(yīng)急制動(dòng).

3.3 EPB應(yīng)急制動(dòng)后輪防抱死控制策略

當(dāng)前制動(dòng)器制動(dòng)力的估算是根據(jù)上述的分析可以得出EPB執(zhí)行器的電流大小對(duì)應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系. 執(zhí)行器所輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)一個(gè)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞到摩擦片與制動(dòng)盤(pán)上進(jìn)行制動(dòng). 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(4)

式中：FN為絲杠螺母軸向力；η為絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)效率；Mmgu為絲杠上的轉(zhuǎn)矩；P為絲杠導(dǎo)程.

作用到后輪上的制動(dòng)器制動(dòng)力計(jì)算過(guò)程為

(5)

式中：Mb_L為單側(cè)后輪制動(dòng)力矩；Fμ2為后制動(dòng)器制動(dòng)力；FN_L為左后輪絲杠螺母軸向力；CL為左后輪制動(dòng)效能因數(shù)；RL為左后輪有效摩擦半徑；rd為車輛滾動(dòng)半徑. 右側(cè)車輪類似左側(cè)車輪受力狀態(tài)從而得到輪加速度與制動(dòng)器制動(dòng)力矩關(guān)系為

(6)

控制策略的流程圖如圖6所示.

其中控制門(mén)限的定義如圖7所示.

圖中為控制門(mén)限的定義，其中區(qū)域1對(duì)應(yīng)的車輪滑移率與角加速度說(shuō)明車輪處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)要控制EPB進(jìn)行減小夾緊力操作；區(qū)域2對(duì)應(yīng)的車輪滑移率與角加速度說(shuō)明車輪處于穩(wěn)定狀態(tài)這時(shí)EPB可以進(jìn)行增加夾緊力操作；區(qū)域5對(duì)應(yīng)最佳滑移率區(qū)域這時(shí)可以保持夾緊力不變；圖中的虛線門(mén)限是指首次觸發(fā)應(yīng)急制動(dòng)時(shí)減小夾緊力的門(mén)限這時(shí)的門(mén)限比正常的門(mén)限要大這樣可以減小應(yīng)急制動(dòng)的誤觸發(fā)；區(qū)域3是指在低輪角加速度時(shí)放大滑移率的門(mén)限；區(qū)域4是指在低滑移率時(shí)角加速度值在一定范圍下不觸發(fā)應(yīng)急制動(dòng).

4 EPB應(yīng)急制動(dòng)的實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)采取裝有EPB系統(tǒng)的一款B級(jí)車實(shí)車測(cè)量得到[6]，數(shù)據(jù)如圖8所示.

圖中表示的是實(shí)車測(cè)試的車速與輪速的試驗(yàn)信號(hào). 從圖中可以看出本試驗(yàn)的車速與兩前輪輪速一致，后輪輪速呈現(xiàn)周期性的增減過(guò)程. 說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)是由后輪制動(dòng)使車輛減速靜止的. 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算車輛的MFDD為1.6 m·s-2，大于國(guó)標(biāo)的1.5 m·s-2要求. 同時(shí)車輛的制動(dòng)距離為45.46 m，根據(jù)式(3)計(jì)算的為47.92 m. 所以本次制動(dòng)滿足國(guó)標(biāo)對(duì)于應(yīng)急制動(dòng)的要求.

圖9為車輛在制動(dòng)時(shí)EPB的MGU內(nèi)的電流曲線. 通過(guò)曲線的第一個(gè)循環(huán)可以看出電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流有一個(gè)較大的峰值但是很快衰減，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的電流保持后又增加直到減小到0. 其中啟動(dòng)電流后的保持階段是電機(jī)卡鉗消除空行程的過(guò)程，隨后的電流增加時(shí)MGU控制摩擦片對(duì)制動(dòng)盤(pán)夾緊的過(guò)程. 隨后的負(fù)向尖峰為反向啟動(dòng)電流，電流的緩慢減小是MGU控制摩擦片釋放制動(dòng)盤(pán)的過(guò)程.

圖10為EPB的MGU控制卡鉗對(duì)制動(dòng)盤(pán)的夾緊力，通過(guò)周期性的夾緊釋放使后輪的滑移率控制在一個(gè)比較合適的范圍內(nèi)，使車輛快速減速停車而不發(fā)生抱死.

5 結(jié) 論

分析了EPB系統(tǒng)的構(gòu)成以及工作原理，并對(duì)其工作特性進(jìn)行詳細(xì)的研究. 在此基礎(chǔ)上得出汽車EPB后輪防抱死控制策略的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：執(zhí)行器的特性、防抱死的進(jìn)入門(mén)限以及防抱死的控制門(mén)限.

并對(duì)EPB工作過(guò)程中夾緊力估算算法進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了基于EPB的應(yīng)急制動(dòng)控制策略，并據(jù)此編寫(xiě)了EPB控制軟件. 通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)對(duì)EPB系統(tǒng)的應(yīng)急制動(dòng)部分功能進(jìn)行驗(yàn)證表明文中的控制策略滿足國(guó)標(biāo)的要求.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Control Strategy of Emergency Brake Rear-Wheel Anti-Lock Based on EPB

CHU Liang1， MA Wen-tao1， QI Fu-wei1， CHEN Jian1，2， YANG Xiao-yu2

(1.State Key Laboratory of Automotive Dynamic Simulation and Control， Jilin University， Changchun，Jilin 130022， China; 2.Suzhou SAC Auto Technology Co.， LTD， Suzhou， Jiangsu 215000， China)

A control strategy of emergency brake anti-lock was investigated based on electronic parking brake (EPB) to avoid the dangerous working conditions of vehicle tail swing caused from the rear wheel lock, when the vehicle was stopped with a failed braking system. First of all, through the analysis of the composition and working principle of EPB, it was showed that the system based on EPB could realize the rear wheel anti-lock control function. And then, the characteristics of the EPB actuator components were determined through the analysis of the EPB actuator structure, parameters and the working characteristic, as well as bench test. Finally, an actuator control mode and emergency braking control software were developed according to its characteristics. At the same time, the control strategy was validated on the test vehicle equipped with EPB.

electronic parking brake(EPB)；emergency brake；unti-lock; real vehicle test；control strategy

2015-07-02

國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2012DFA61010)

初亮(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：liangchu@jlu.edu.cn.

馬文濤(1988—)，男，博士生，E-mail：mawentao-mawentao@163.com.

U 463.5

A

1001-0645(2016)11-1136-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.008