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    基于輔助增壓系數(shù)補(bǔ)償?shù)腎EHB系統(tǒng)輪缸壓力控制研究*

    2019-10-11 05:15:22李玉善唐惟勝何祥坤季學(xué)武武健
    汽車技術(shù) 2019年10期
    關(guān)鍵詞:輪缸減壓閥階躍

    李玉善 唐惟勝 何祥坤 季學(xué)武 武健

    (1.山東科技大學(xué),青島 266590;2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;3.聊城大學(xué),聊城 252059)

    主題詞:集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng) 壓力分段控制 輔助增壓系數(shù) 試驗(yàn)分析

    1 前言

    集成式電子液壓制動(dòng)(Integrated Electro Hydraulic Braking,IEHB)系統(tǒng)(又稱集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng))將伺服電動(dòng)增壓裝置與主缸集成在一起,在保證整體結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí),通過聯(lián)合液壓調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)輸出制動(dòng)壓力[1-3]。與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)增壓、保壓、減壓過程有所不同,電動(dòng)主缸的引入需要更多的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合,且整個(gè)系統(tǒng)的非線性增強(qiáng)。所以,IEHB 系統(tǒng)的輪缸液壓力調(diào)節(jié)過程更加復(fù)雜。

    目前,不僅一些世界知名零部件企業(yè)推出了新型制動(dòng)系統(tǒng)[4-5],國(guó)內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)對(duì)電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(Electro-Hydraulic Braking System,EHB)也開展了大量的研究工作[6-8]。此外,Xiangkun He 等[9]基于IEHB 系統(tǒng)搭建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模車輛穩(wěn)定性控制策略,并考慮了模型不確定性、參數(shù)變化及外界干擾的影響。李靜等[10-12]對(duì)設(shè)計(jì)的集成電控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)、響應(yīng)特性分析及試驗(yàn)研究。Zhuoping Yu 等[13-14]提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)安全的I-EHB 系統(tǒng)方案,并進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究;針對(duì)I-EHB系統(tǒng)摩擦等非線性因素,采用顫振補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)了液壓力控制器。

    現(xiàn)有文獻(xiàn)中,針對(duì)IEHB系統(tǒng)控制的研究,尤其是輪缸液壓力控制研究還較少見。IEHB機(jī)電液系統(tǒng)本身響應(yīng)遲滯性、初始?jí)翰顚?duì)壓力控制精度的影響及制動(dòng)工況的多樣性導(dǎo)致壓力的精確控制難以實(shí)現(xiàn)。為解決上述問題,本文在對(duì)IEHB 系統(tǒng)電動(dòng)主缸進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)標(biāo)定及分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合壓力分段控制構(gòu)架,采用基于輔助增壓系數(shù)查表及反饋PID 的控制方法對(duì)電動(dòng)主缸進(jìn)行調(diào)控,同時(shí)利用邏輯門限值的方法控制增減壓閥及電動(dòng)泵,設(shè)計(jì)了基于IEHB 系統(tǒng)的輪缸壓力控制器。通過NI_PXI 搭建硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái),分別在不同幅值階躍和正弦工況下進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)研究,驗(yàn)證所提出控制策略的有效性。

    2 IEHB系統(tǒng)介紹

    2.1 系統(tǒng)組成

    本文所采用的IEHB系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、布置方便的新型線控制動(dòng)系統(tǒng),主要包括電動(dòng)主缸模塊(通過永磁同步電機(jī)帶動(dòng)滾柱絲杠機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)功能)、液壓控制單元及輪缸模塊等。

    圖1 IEHB系統(tǒng)方案

    2.2 系統(tǒng)工作原理

    增壓時(shí),電動(dòng)主缸(電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)+主缸)接收正的扭矩信號(hào)并前進(jìn),液壓控制單元(Hydraulic Control Unit,HCU)中增壓閥打開,減壓閥關(guān)閉;保壓時(shí),電動(dòng)主缸停止動(dòng)作,HCU中增壓閥、減壓閥同時(shí)關(guān)閉;減壓時(shí),電動(dòng)主缸接收負(fù)的扭矩信號(hào)并后退,HCU 中增壓閥關(guān)閉,減壓閥打開,電動(dòng)泵(驅(qū)動(dòng)電機(jī)+柱塞泵)工作。

    3 IEHB系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

    對(duì)IEHB 系統(tǒng)中的電動(dòng)主缸進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)標(biāo)定,提出一種協(xié)調(diào)IEHB 系統(tǒng)各部件的輪缸壓力控制策略,控制流程如圖2所示,其中,Pw、Pwd分別為實(shí)際壓力和目標(biāo)壓力。

    圖2 IEHB系統(tǒng)控制流程

    增壓模式下采用前饋+反饋的控制策略,前饋是指Pr<nPd(10%≤n≤20%)時(shí),向電動(dòng)主缸輸入較大的扭矩信號(hào),Pr≥nPd時(shí),根據(jù)目標(biāo)壓力查表得出當(dāng)前電動(dòng)主缸電壓,同時(shí),為了克服初始?jí)翰罴跋到y(tǒng)響應(yīng)遲滯問題,選擇一個(gè)試驗(yàn)標(biāo)定的輔助增壓系數(shù),兩種方式同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)快速響應(yīng),并采用反饋PID控制方法保證壓力響應(yīng)跟隨,此時(shí)增壓閥打開,減壓閥關(guān)閉,電動(dòng)泵不工作。保壓模式下,向電動(dòng)主缸輸入零信號(hào),增壓閥、減壓閥均關(guān)閉,電動(dòng)泵不工作。減壓模式下,向電動(dòng)主缸輸入一定的扭矩信號(hào),增壓閥關(guān)閉,減壓閥打開,電動(dòng)泵開始工作,并向電動(dòng)泵輸入一定的占空比及頻率,實(shí)現(xiàn)減壓。

    3.1 分段控制

    試驗(yàn)臺(tái)油壓傳感器量程為0~25 MPa,但實(shí)際車輛控制中施加10 MPa制動(dòng)壓力基本可達(dá)到0.8g的制動(dòng)減速度,且大部分制動(dòng)工況壓力為5~6 MPa,故本文驗(yàn)證的壓力范圍為0~10 MPa。鑒于IEHB 系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性特點(diǎn),在不同工況下(低壓、高壓)調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)特性變化大,導(dǎo)致相同控制參數(shù)很難響應(yīng)系統(tǒng)工況變化,考慮在不同區(qū)間采用壓力分段控制的方法對(duì)低壓工況與高壓工況進(jìn)行分層,選用不同的壓力調(diào)整系數(shù),實(shí)現(xiàn)壓力增、減速率的改變,達(dá)到壓力控制的目的。實(shí)際試驗(yàn)調(diào)試發(fā)現(xiàn),3段控制已能滿足制動(dòng)需求,故分為3層(Pd≤4 MPa、4 MPa<Pd<7 MPa、Pd≥7 MPa)進(jìn)行壓力控制研究。但具體分段方式應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)本身特性及控制方法來確定。

    基于分段壓力層,可以對(duì)每段壓力控制區(qū)的電動(dòng)主缸、電磁閥、電機(jī)泵控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),整個(gè)控制器可調(diào)節(jié)范圍增大,對(duì)不同工況適應(yīng)性更好。

    3.2 IEHB系統(tǒng)電動(dòng)主缸控制策略

    3.2.1 電動(dòng)主缸與輪缸壓力關(guān)系標(biāo)定

    采集的油壓傳感器信號(hào)為電壓信號(hào),其電壓量程為0.5~4.5 V,對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為0~25 MPa。表1所示為電動(dòng)主缸開環(huán)試驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù),其中M為輸入電動(dòng)主缸階躍信號(hào)的幅值,Pv為油壓傳感器電壓信號(hào)。

    表1 電動(dòng)主缸控制輸入與輪缸壓力關(guān)系標(biāo)定

    最后,利用MATLAB_cftool 以油壓傳感器采集的電壓信號(hào)換算為壓力信號(hào)進(jìn)行線性擬合:

    考慮到系統(tǒng)本身的非線性特點(diǎn),本文選用以油壓傳感器采集電壓信號(hào)換算為壓力信號(hào)進(jìn)行二次擬合:

    式中,Vm為電動(dòng)主缸控制輸入電壓。

    3.2.2 輔助增壓系數(shù)確定

    輔助增壓系數(shù)如表2 所示。其中,M為電動(dòng)主缸階躍控制輸入,M0為有一定初始?jí)翰顣r(shí)電動(dòng)主缸控制輸入。通過對(duì)表2 分析可知:如果從有一定初始?jí)翰铋_始增壓,增加到與階躍信號(hào)M對(duì)應(yīng)相同的壓強(qiáng)時(shí),所需的電動(dòng)主缸信號(hào)值明顯增大。例如:1.5 V 階躍信號(hào)下輪缸(初始?jí)毫榱悖┠軌蜻_(dá)到2.187 5 MPa 的壓強(qiáng),但如果輪缸初始?jí)翰顬?.812 5 MPa,達(dá)到與1.5 V 相近的壓力,則電動(dòng)主缸在1 V 信號(hào)基礎(chǔ)上需增加到1.7 V,而非1.5 V。

    表2 輔助增壓系數(shù)確定

    針對(duì)該IEHB系統(tǒng),上述現(xiàn)象的可能原因包括:初始?jí)翰畈煌瑫r(shí),同樣的目標(biāo)壓力,相同時(shí)間內(nèi)增壓,導(dǎo)致增壓速率減?。浑妱?dòng)主缸響應(yīng)遲滯及摩擦問題,使得系統(tǒng)增壓過程非線性特征增強(qiáng)。

    所以,為了使電動(dòng)主缸響應(yīng)更快,上述擬合的電動(dòng)主缸電壓與壓力信號(hào)可供控制時(shí)前饋查表使用。但這種方法忽略了電動(dòng)主缸響應(yīng)遲滯特性及壓差變化,導(dǎo)致電動(dòng)主缸的控制輸入不同。本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定方法,對(duì)表2 分析可得,選取輔助增壓調(diào)節(jié)系數(shù)K∈[1,1.4]來滿足更多的增壓工況,保證壓力響應(yīng)跟隨更快。同時(shí),為了防止壓力超調(diào)過大及實(shí)現(xiàn)壓力跟隨控制,以實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力作差,選取傳統(tǒng)PID控制方法控制電動(dòng)主缸。電動(dòng)主缸的電壓控制信號(hào)U可以表達(dá)為:

    式中,U1為前饋查表Vm與輔助增壓系數(shù)乘積所得電壓;U2為反饋PID控制所得電壓;U電動(dòng)主缸控制輸入;Kp為比例增益;KI為積分增益;Kd為微分增益。

    3.3 增壓閥、減壓閥及電動(dòng)泵控制策略

    制動(dòng)系統(tǒng)一般包括泵控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng),本文選擇電動(dòng)主缸加壓的方式(屬于泵控系統(tǒng)),由于其響應(yīng)及控制精度都較高,所以對(duì)于電磁閥及電動(dòng)泵僅采用邏輯門限值的方式進(jìn)行開環(huán)調(diào)控,控制原理如圖3所示。為了更好地實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)閥比例開關(guān)功能[8],占空比調(diào)制頻率選為2 kHz。

    圖3 增壓閥、減壓閥及電動(dòng)泵控制策略

    4 試驗(yàn)分析

    為驗(yàn)證IEHB系統(tǒng)壓力控制算法,搭建試驗(yàn)平臺(tái),試驗(yàn)方案及試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物分別如圖4、圖5所示,試驗(yàn)臺(tái)架主要由上位機(jī)HostPC單元、下位機(jī)控制器單元、驅(qū)動(dòng)器單元和執(zhí)行器單元等組成,控制器模型可以在LabView中搭建,完成信號(hào)采集及壓力控制驗(yàn)證。

    圖4 IEHB系統(tǒng)壓力控制試驗(yàn)執(zhí)行方案

    圖5 IEHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

    具體執(zhí)行過程為:通過PXI-LabView采集主缸傳感器及輪缸傳感器信號(hào),并將其傳送給IEHB 系統(tǒng)壓力控制器,獲得相應(yīng)執(zhí)行部件的控制信號(hào),通過PXI-Lab-View及驅(qū)動(dòng)板,將占空比信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給增壓閥、減壓閥及電動(dòng)泵,通過PXI-LabView將模擬電壓信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給電動(dòng)主缸,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)壓力的控制。

    圖6、圖7 所示為在不同幅值的階躍、正弦輸入工況下IEHB 系統(tǒng)輪缸壓力跟隨曲線。由圖6 可知,該系統(tǒng)階躍響應(yīng)在150 ms 左右可達(dá)到目標(biāo)壓力;由圖7 可知,該系統(tǒng)控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)壓力跟隨;但是,由圖6a、圖7a 可知,在低壓控制階段波動(dòng)較大,還有待完善。

    圖6 不同幅值下輪缸壓力階躍響應(yīng)跟隨曲線

    圖7 不同幅值下輪缸壓力正弦響應(yīng)跟隨曲線

    圖8 所示為正弦輸入幅值6 MPa 的目標(biāo)壓力下不同輔助增壓系數(shù)與輪缸壓力的關(guān)系。由圖8 可知,在一定范圍內(nèi),輔助增壓系數(shù)對(duì)壓力控制起關(guān)鍵作用。圖8 中,低壓處信號(hào)存在波動(dòng),主要原因是電磁干擾、噪聲及機(jī)電液系統(tǒng)內(nèi)部摩擦變化等,致使每次試驗(yàn)采集的油壓傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果稍有波動(dòng),但基本趨勢(shì)不變。

    圖8 輔助增壓系數(shù)對(duì)比

    5 結(jié)束語

    針對(duì)IEHB 系統(tǒng)本身響應(yīng)遲滯性、初始?jí)翰罴爸苿?dòng)工況的多樣性導(dǎo)致壓力難以精確控制的問題,本文通過對(duì)IEHB 系統(tǒng)開環(huán)試驗(yàn)分析,基于壓力分段構(gòu)架提出一種基于前饋的電動(dòng)主缸控制方法和基于邏輯門限值的電磁閥及電動(dòng)泵控制方法,并在不同階躍及正弦工況下進(jìn)行了試驗(yàn)分析,結(jié)果表明,該IEHB系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)150 ms左右,較好地實(shí)現(xiàn)了壓力跟隨控制。后續(xù)研究將考慮對(duì)電動(dòng)主缸或電磁閥進(jìn)行建模,并選擇魯棒性較強(qiáng)的控制算法完善壓力控制策略,以減小壓力控制偏差。

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