汽車主動(dòng)制動(dòng)控制過程分析

陳海淼

（浙江正飛科技有限公司，浙江 紹興 312366）

前言

汽車主動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在制動(dòng)期間監(jiān)視和控制車輪旋轉(zhuǎn)方向上的滑移程度，防止由于制動(dòng)過大而造成車輪抱死（尤其在濕滑及冰雪路面上），從而充分利用地面和車輪的摩擦力進(jìn)行制動(dòng)并保持車輛的橫向穩(wěn)定性（有效的防止車輛側(cè)滑甩尾）和可操作性。

毫無疑問，主動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要取決于制動(dòng)系統(tǒng)的特性以及執(zhí)行器的性能。而裝備傳統(tǒng)液壓執(zhí)行器的輪式車輛的標(biāo)準(zhǔn)ABS主要基于規(guī)則的控制邏輯。因此，不得不涉及液壓驅(qū)動(dòng)制動(dòng)（HAB）系統(tǒng)的開/關(guān)（ON/OFF）動(dòng)態(tài)特性問題。

1 技術(shù)參數(shù)及其控制原理

液壓驅(qū)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)一般由電子控制單元控制二位三通高速開關(guān)電磁閥來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)輪缸壓力的增壓、保壓和減壓三種狀態(tài)控制。制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)

在常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)中，駕駛?cè)送ㄟ^制動(dòng)踏板施加制動(dòng)壓力并通過加壓電磁閥傳遞到液壓系統(tǒng)，加壓電磁閥與制動(dòng)輪缸相通，減壓電磁閥用于降低制動(dòng)壓力并與低壓儲(chǔ)液器連接。制動(dòng)力作用于輪缸，將其傳遞到制動(dòng)塊并最終到達(dá)制動(dòng)盤。增壓制動(dòng)時(shí)，加壓電磁閥打開，減壓電磁閥關(guān)閉；保壓制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電磁閥都關(guān)閉；減壓制動(dòng)時(shí)，加壓電磁閥關(guān)閉，減壓電磁閥打開。液壓驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行器制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)特性可描述為：

式中：Tb為制動(dòng)力矩，N·m ；t為時(shí)間，s；U為控制變量，，N· m/s；K為執(zhí)行器速率極限值，kN/s，K決定了執(zhí)行器性能，制動(dòng)壓力的增大或降低受到K的限制。其中U=-K對(duì)應(yīng)減壓控制特性，u=0對(duì)應(yīng)保壓控制特性，U=K對(duì)應(yīng)增壓控制特性。

圖2 電子控制單元有限狀態(tài)機(jī)描述

圖3 平面狀態(tài)圖（λ,Tb）

電子控制單元采用混合控制的有限狀態(tài)機(jī)（FSM）控制方法，使車輪滑移率控制在縱向附著系數(shù)最大的理想滑移率附近的狹小范圍內(nèi)，保證車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的可操縱性，有效提高制動(dòng)安全性能。圖2表示出了電子控制單元有限狀態(tài)機(jī)由4個(gè)離散狀態(tài)q={0,1,2,3}組成，每一個(gè)狀態(tài)有一個(gè)相關(guān)的控制作用，即U={-K,0,k} 。圖3表示縱向滑移率λ與制動(dòng)力矩Tb平面狀態(tài)圖，狀態(tài)圖中的方框區(qū)域表示制動(dòng)系統(tǒng)切換面，當(dāng)系統(tǒng)軌跡到達(dá)切換面時(shí)，這些離散狀態(tài)之間就發(fā)生轉(zhuǎn)換，并且切換流形根據(jù)當(dāng)前控制單元狀態(tài)q變化而變化。此外，在正常工作條件下，電子控制單元在激活狀態(tài)下進(jìn)入q=0狀態(tài)，這是由于當(dāng)制動(dòng)操作開始時(shí)，電子控制單元通常在車輪滑移率λ達(dá)到預(yù)先設(shè)定的門限值（低于λmin）時(shí)被激活。轉(zhuǎn)換狀態(tài)如下：

1）制動(dòng)操作開始時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)（FSM）處于離散狀態(tài)q=0，然后系統(tǒng)隨著U=k動(dòng)態(tài)特性變化，即增壓控制，制動(dòng)力矩Tb增加，直到制動(dòng)力矩達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的控制門限值Tbmax，系統(tǒng)發(fā)生第一次切換，切換極限點(diǎn)為Tb=Tbmax；2）系統(tǒng)切換到離散狀態(tài)q=1，這時(shí)U=0，即保壓控制，從這一初始條件開始并在這一狀態(tài)下演變，λ逐漸增加，電子控制單元時(shí)時(shí)計(jì)算比較與設(shè)定的滑移率門限值，直到λ≥λmax，系統(tǒng)發(fā)生第二次切換，切換極限點(diǎn)為λ≥λmax；3）系統(tǒng)切換到離散狀態(tài)q=2，此時(shí)U=-K，即減壓控制，制動(dòng)壓力下降，制動(dòng)力矩由Tb=Tbmax-kt可知，Tb隨時(shí)間增加而減小，直至Tb≤Tbmin，第三次切換極限點(diǎn)為Tb≤Tbmin；4）系統(tǒng)切換到離散狀態(tài)q=3，即U=0，保壓控制，滑移率λ變小至系統(tǒng)設(shè)定的門限值極限點(diǎn)λmin，系統(tǒng)再次切換。當(dāng)離散狀態(tài)q=0重新進(jìn)入時(shí)，重復(fù)循環(huán)上述過程。注意：系統(tǒng)設(shè)定的門限值的極限點(diǎn)是根據(jù)不同車型在各種車速和路面條件下，通過反復(fù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，并基于對(duì)控制變量的估計(jì)精度的可信度，對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步調(diào)整后獲得的。當(dāng)然，若汽車上裝有輪胎—路面附著力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電子控制單元就根據(jù)當(dāng)前道路條件及時(shí)調(diào)整門限值 Tbmin和 Tbmax，令控制邏輯達(dá)到最佳，汽車制動(dòng)也能達(dá)到最期望的性能水平。

2 控制過程

從離散狀態(tài)q轉(zhuǎn)換過程可以看出，電子控制單元需要縱向車輪滑移率λ的測(cè)量以及制動(dòng)力矩Tb的測(cè)量。縱向車輪滑移率可以對(duì)輪速傳感器（電磁式輪速傳感器或數(shù)字式輪速傳感器，主要元件為帶齒的或帶槽的轉(zhuǎn)動(dòng)部分和能夠檢測(cè)到每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒或槽就能輸出一個(gè)脈沖的固定傳感器）測(cè)試結(jié)果進(jìn)行正確處理，得到輪速wr的估計(jì)值，車輪縱向滑移率有：

式中：v為車速，m/s；w為車輪角速度，rad/s；r為輪胎半徑，m。

制動(dòng)力矩可以通過測(cè)量制動(dòng)壓力p并由如下方程得到：

式中：rd為制動(dòng)盤半徑，m；γ為制動(dòng)塊摩擦系數(shù)；A為制動(dòng)活塞面積，m2。

需要注意的是，由于制動(dòng)壓力p不是總能得到測(cè)量值，制動(dòng)力矩的門限值往往被車輪減速度的門限值取代。電子控制單元控制邏輯轉(zhuǎn)化為車輪減速帶、加速度和車輪滑移率。車輪減速度有：

式中：g為重力加速度，m/s2。

圖4表示高附著系數(shù)路面上ABS電子控制單元控制過程，制動(dòng)控制過程如下：

在制動(dòng)的最初階段，隨著制動(dòng)壓力p增大，車輪減速帶也隨之增大，當(dāng)減速度低于系統(tǒng)設(shè)定的門限值（-a）時(shí)，二位三通高速開關(guān)電磁閥進(jìn)入保壓階段，以使車輪充分地制動(dòng)。此時(shí)，電子控制單元計(jì)算并判斷車輪的

滑移率是否超過系統(tǒng)設(shè)定的滑移率門限值，若低于滑移率門限值λmax，則電磁閥轉(zhuǎn)到減壓狀態(tài)，由于制動(dòng)壓力下降，車輪減速度也會(huì)變小，直至（-a）信號(hào)出現(xiàn)。在后續(xù)的保壓狀態(tài)下，由于車輪慣性作用，車輪加速度增加直至超過門限值（+a）（該門限值用于判斷低附著系數(shù)路面），隨后制動(dòng)壓力一直保持不變。只有在加速度超過較高的門限值（+A）（表明是高附著系數(shù)路面），制動(dòng)壓力再次增加，當(dāng)車輪加速度再次回到（+A）時(shí)，電磁閥進(jìn)入保壓狀態(tài)，車輪加速度逐漸回落到（+a）值，由于此時(shí)在滑移率附著系數(shù)曲線峰值附近，制動(dòng)壓力進(jìn)入緩慢升壓階段，以便保持在滑移率穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，直到車輪加速度再一次低于門限值（-a），系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)制動(dòng)壓力循環(huán)。由于第一個(gè)循環(huán)已經(jīng)識(shí)別路面狀況，下一個(gè)循環(huán)電磁閥立即進(jìn)入減壓方式。在制動(dòng)過程中，如果車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，附著系數(shù)低，同時(shí)制動(dòng)壓力增加緩慢（小心地制動(dòng)，如在冰滑路面上制動(dòng)），則車輪對(duì)減速度門限值還沒有反應(yīng)過來就可能抱死。在這種情況下，車輪滑轉(zhuǎn)也用于制動(dòng)控制。

圖4 高附著系數(shù)路面上ABS控制過程

3 結(jié)束語

綜上分析可知，電子控制單元以車輪減速度、加速度以及滑移率作為控制參數(shù)，采用邏輯門限值控制方式，能適應(yīng)路面附著系數(shù)變化的能力，實(shí)施不同的制動(dòng)控制，將車輪滑移率保持在可以接受的范圍內(nèi)，避免車輪抱死,同時(shí)縮短制動(dòng)距離。

最后，需要特別指出的是：圖2所示的ABS電子控制單元是當(dāng)前液壓ABS實(shí)際應(yīng)用的切換邏輯的核心，即使它只提供了對(duì)實(shí)際應(yīng)用的整套規(guī)則的簡單的描述。當(dāng)然，這樣的控制邏輯在實(shí)際應(yīng)用中必須處理除了正常功能以外的所有可能的功能，這將導(dǎo)致需要的邏輯規(guī)則大量增加。