淺談磁流變和液壓聯(lián)合制動(dòng)控制策略

徐斐

摘 要：相比于傳統(tǒng)的液壓盤式制動(dòng)器，磁流變制動(dòng)器具有能耗低、制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制動(dòng)延遲短、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)液壓式制動(dòng)器技術(shù)成熟，安全、可靠。創(chuàng)新性地將2種制動(dòng)器聯(lián)合在一起，制定了多種工況下的聯(lián)合控制方案，根據(jù)磁流變制動(dòng)器觀測到的路面附著系數(shù)，確定了高、低附著系數(shù)路面防抱死聯(lián)合控制策略。

關(guān)鍵詞：磁流變制動(dòng)；液壓制動(dòng)；聯(lián)合制動(dòng)；防抱死控制

中圖分類號：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.081

1 磁流變和液壓聯(lián)合制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)主缸、ABS/ES液壓控制單元、制動(dòng)輪缸等部件組成，制動(dòng)力靠液力傳輸。由于管路復(fù)雜、制動(dòng)液慣性等因素而導(dǎo)致制動(dòng)力傳輸延遲，特別是防抱死系統(tǒng)工作時(shí)，需要根據(jù)多種路面多種工況匹配閥體開啟時(shí)間，匹配較繁雜，但傳統(tǒng)液壓式制動(dòng)器技術(shù)成熟、安全、可靠。相比于傳統(tǒng)的液壓盤式制動(dòng)器，磁流變制動(dòng)器有著能耗低、制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制動(dòng)延遲短、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。長春工業(yè)大學(xué)張賀、武漢理工大學(xué)華文林等人已完成乘用車車用磁流變制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱等仿真分析、制動(dòng)力矩計(jì)算等，制作出模型。本文創(chuàng)新性地將2種制動(dòng)器結(jié)合在一起。

結(jié)合方式：每個(gè)車輪包含一個(gè)傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器和一個(gè)磁流變制動(dòng)器，2個(gè)制動(dòng)器都套在輪轂上，并列放置。以常見A級車為例，車重約1.2 t，輪胎型號為205/55 R16。因本文以磁流變制動(dòng)器為輔助制動(dòng)，據(jù)分析，單個(gè)磁流變制動(dòng)器只需提供最大200 NM左右的制動(dòng)力矩，根據(jù)張賀、華文林等人設(shè)計(jì)的磁流變制動(dòng)器模型和計(jì)算公式，計(jì)算出本文所需磁流變制動(dòng)器外形是半徑12 cm、高5 cm的圓柱體，車輛輪轂只需稍加改動(dòng)，完全可以集成安裝液壓制動(dòng)器的旁邊。

2 磁流變和液壓聯(lián)合制動(dòng)控制策略

2.1 制動(dòng)模式切換過程分析

磁流變制動(dòng)器外圈繞有多股漆包線，當(dāng)通電時(shí)，周圍會產(chǎn)生磁場，電流越強(qiáng)，穿過磁流變液中的磁通量越多，載液類固態(tài)現(xiàn)象越明顯，制動(dòng)力也就越大。根據(jù)賓漢模型，在顆粒磁化飽和之前，摩擦力和電流是線性關(guān)系，而最大的3 A電流遠(yuǎn)小于磁化飽和電流，因此控制器調(diào)節(jié)漆包線電流大小就能精確、迅速地調(diào)整磁流變制動(dòng)器制動(dòng)力大小。液壓制動(dòng)器和磁流變制動(dòng)器可以單獨(dú)地控制制動(dòng)力，所以制動(dòng)模式一共分為3種，即液壓制動(dòng)器單獨(dú)工作、磁流變制動(dòng)器單獨(dú)工作、液壓制動(dòng)和磁流變制動(dòng)器協(xié)調(diào)工作。

2.2 制動(dòng)模式切換控制策略

本文所討論的聯(lián)合制動(dòng)器設(shè)計(jì)方案中磁流變制動(dòng)器提供較小的制動(dòng)力矩，不承擔(dān)主要的制動(dòng)作用，但因磁流變制動(dòng)器反應(yīng)極快，制動(dòng)力變化快，滯后時(shí)間短，因此可作為液壓制動(dòng)的輔助制動(dòng)。

具體控制策略如下：①當(dāng)非緊急狀態(tài)制動(dòng)且無ABS介入時(shí)，磁流變制動(dòng)器不工作，僅液壓制動(dòng)器工作。其優(yōu)點(diǎn)是提供線性的剎車腳感，讓駕駛員更好地控制剎車狀態(tài)。②當(dāng)剎車位置傳感器探測到剎車踏板初始位移速度超過一定的門限值并且主缸壓力傳感器探測到壓力上升速率超過一定的門限值時(shí)，邏輯判斷駕駛員為緊急制動(dòng)，電磁制動(dòng)控制單元以最快的速度提供系統(tǒng)允許的最大電流，增加整體制動(dòng)力矩，減少進(jìn)入ABS控制門限的時(shí)間。此控制策略特別適合女性等腳力較小的人群。③當(dāng)ABS介入時(shí)，液壓制動(dòng)和磁流變制動(dòng)開始聯(lián)合制動(dòng)。這時(shí)的控制策略會在下一節(jié)討論。

2.3 ABS工況下，聯(lián)合制動(dòng)的控制策略

由汽車?yán)碚撝R可知，隨著車輪滑移率的增加，縱向附著系數(shù)有一個(gè)峰值，制動(dòng)時(shí)地面制動(dòng)力就會有一個(gè)峰值。當(dāng)?shù)孛嬷苿?dòng)力趨向于峰值時(shí)，制動(dòng)力對時(shí)間的倒數(shù)趨向于零。而此時(shí)滑移率不大，地面制動(dòng)力和制動(dòng)器制動(dòng)力是線性關(guān)系?；谶@個(gè)原理，當(dāng)進(jìn)入ABS工況時(shí)，逐步加大磁流變制動(dòng)器中的勵(lì)磁電流，控制器實(shí)時(shí)觀測地面對車輪產(chǎn)生最大制動(dòng)力的時(shí)刻。一旦制動(dòng)力對時(shí)間的倒數(shù)趨向于零，立刻計(jì)算此時(shí)的磁流變制動(dòng)器制動(dòng)力，再根據(jù)這時(shí)的輪缸壓力傳感器測出的輪缸壓力，結(jié)合附著系數(shù)和車輪滑移率的曲線圖，即可估算出此時(shí)的路面附著系數(shù)。

如果估算的附著系數(shù)屬于高附著狀態(tài)，此時(shí)ABS控制進(jìn)入循環(huán)式控制。開始制動(dòng)到車輪減速度超過了ECU估算的門限值-a時(shí)，液壓單元里的進(jìn)液閥關(guān)閉，液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入保壓狀態(tài)，磁流變系統(tǒng)開始增加電流，再次估算路面附著系數(shù)，并與之前的估算作對比。第一階段結(jié)尾到達(dá)滑移率門限值時(shí)，液壓單元出液閥開啟，輪缸開始減壓，磁流變系統(tǒng)關(guān)閉。第二階段結(jié)尾到車輪減速度大于門限值-a時(shí)，出液閥關(guān)閉，輪缸保壓，可以算出第二階段末尾輪缸壓力和現(xiàn)在輪缸壓力之差，再算出此壓力差產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，磁流變系統(tǒng)把這個(gè)制動(dòng)力矩再轉(zhuǎn)換為所需電流并立刻產(chǎn)生此電流。此時(shí)，如果路面附著系數(shù)不變，此制動(dòng)力為最佳滑移率制動(dòng)力，但通常路面會有擾動(dòng)，后續(xù)應(yīng)通過模糊PID控制讓電磁制動(dòng)調(diào)節(jié)的制動(dòng)壓力不斷變化，產(chǎn)生盡量接近于最佳滑移率的制動(dòng)力。

如果估算的附著系數(shù)屬于低附著狀態(tài)，與良好的路面相比，在光滑路面上制動(dòng)時(shí)，對制動(dòng)踏板稍加一點(diǎn)制動(dòng)力就很容易使車輪抱死，從高滑移率到車輪再加速就需要很長一段時(shí)間。從第一階段到第三階段與高附著系數(shù)路面的控制過程一致。當(dāng)?shù)谌A末尾車輪減速度大于門限值-a時(shí)，磁流變系統(tǒng)算出所需電流I，但不立刻增加至I，而是分多次增加至I，每增加一點(diǎn)后電流不變，持續(xù)一段固定的時(shí)間。當(dāng)輪速仍小于滑移率門限值時(shí)，再增加一點(diǎn)電流，保持一段時(shí)間，直到車輪加速超過門限值+a，后續(xù)再通過模糊PID控制調(diào)節(jié)磁流變電流，使輪胎滑移率在最佳滑移率處波動(dòng)。

3 總結(jié)與展望

本文在充分調(diào)研和了解了傳統(tǒng)制動(dòng)和磁流變制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，先闡述了合理的聯(lián)合制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布置方案，然后給出了制動(dòng)模式切換策略，再通過電磁觀測確定路面附著系數(shù)，分高、低附路面詳細(xì)介紹了聯(lián)合控制策略。

本文雖給出了高、低附兩種典型工況下的控制策略，但路面附著系數(shù)瞬息萬變。當(dāng)附著系數(shù)有所變化時(shí)，控制策略也應(yīng)及時(shí)調(diào)整，如何在附著系數(shù)突變的情況下，平滑地切換控制策略是未來研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]張賀.磁流變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]華文林.磁流變液制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

[3]何仁.電磁與摩擦制動(dòng)集成系統(tǒng)切換控制策略[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（2）：125，129.

〔編輯：劉曉芳〕