用于制動(dòng)壓力精確控制的進(jìn)液閥控制方法

初 亮，王彥波，祁富偉，張永生

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022；2.中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長春130011）

隨著汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS 的不斷完善，對(duì)增減壓控制精度的要求也越來越高［1］。ABS系統(tǒng)要求液壓單元的進(jìn)液閥可控，且4個(gè)通道的進(jìn)液閥特性具有良好的一致性［2］，確保ABS軟件標(biāo)定完成后的移植性，因此ABS系統(tǒng)對(duì)進(jìn)液閥的可控性具有明確要求。為避免車輪抱死，ABS工作過程中要求慢增壓、快減壓，控制系統(tǒng)主要控制增壓過程中輪缸的壓力變化速率［3］。傳統(tǒng)的開關(guān)控制方法，可以實(shí)現(xiàn)階梯增壓，壓力控制精度不高，頻繁的開關(guān)動(dòng)作影響了閥的壽命。本文利用脈寬調(diào)制（PWM）方法控制進(jìn)液閥動(dòng)作，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，完成對(duì)輪缸增壓過程的研究，并最終用基于雙壓差控制的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)增壓速率的控制，為壓力精細(xì)控制提供了依據(jù)。

1 進(jìn)液閥的結(jié)構(gòu)及控制方法

液壓制動(dòng)式ABS進(jìn)液閥一般使用高速開關(guān)閥。如圖1所示，由隔磁管、動(dòng)鐵、閥體、推桿、閥座、濾網(wǎng)座、濾網(wǎng)等組成［4］。

圖1 進(jìn)液閥示意圖Fig.1 Inlet valve construction

進(jìn)液閥是二位二通常開電磁閥。電磁線圈套在隔磁管和閥體外，線圈通電后，動(dòng)鐵在電磁力作用下，推動(dòng)推桿，使鋼珠密封閥座。在ABS工作中，當(dāng)保壓或減壓時(shí)，進(jìn)液閥通電關(guān)閉，隔斷主缸與輪缸的液流，增壓時(shí)通過控制進(jìn)液閥線圈的電流實(shí)現(xiàn)受控的進(jìn)液增壓速率。一般來說，高速開關(guān)電磁閥的響應(yīng)特性是由開、關(guān)的延遲時(shí)間和閥芯相對(duì)移動(dòng)時(shí)間來描述的，研究其快速響應(yīng)特性在工程中具有重要意義［5］。

基于PWM技術(shù)的高速開關(guān)電磁閥壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且工作可靠，通過單片機(jī)就能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作壓力的比例控制［6］，同時(shí)可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度［7］。通過控制電磁線圈中的電流可以改變閥芯所受的電磁力，從而調(diào)節(jié)閥口左右兩側(cè)的壓差。采用PWM方法控制線圈兩端的電壓，使得線圈中的有效電流達(dá)到目標(biāo)值。PWM就是在一定的脈沖周期T內(nèi)調(diào)節(jié)開啟時(shí)間的寬度Ton的大小來滿足控制要求。高速開關(guān)閥有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，閥口對(duì)污染不敏感等特點(diǎn)［4］，能將ON／OFF數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成流體脈沖信號(hào)，使得控制器無需D／A轉(zhuǎn)換接口便可實(shí)現(xiàn)與液壓系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。圖2為進(jìn)液閥的驅(qū)動(dòng)電路示意圖［8］。

圖2 進(jìn)液閥的驅(qū)動(dòng)電路（低邊驅(qū)動(dòng)示意圖Fig.2 Drive circuit of inlet valve（Low side drive）

2 進(jìn)液閥特性

2.1 不同PWM調(diào)制頻率對(duì)線圈電流的影響

調(diào)制頻率f的確定是輪缸壓力精細(xì)調(diào)節(jié)中應(yīng)用PWM控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2，9］。 本 文 利 用MATLAB／Simulink軟件建立線圈PWM的控制模型，計(jì)算線圈電流與PWM頻率和占空比的關(guān)系。將PWM頻率分別設(shè)為1，2，4kHz，占空比均為50%，觀察電流的變化。仿真結(jié)果如圖3所示，三種頻率下，線圈電流的平均值均為0.78A，但是幅值有著很大的區(qū)別，分別為0.055，0.027，0.013A。選擇較高的頻率4kHz，以保證PWM控制過程中壓力平穩(wěn)。

2.2 不同PWM占空比對(duì)線圈電流的影響

圖3 不同PWM頻率下的仿真電流Fig.3 Current simulated at kinds of PWM frequency

調(diào)制頻率同為4kHz，將占空比分別設(shè)為30%50%70% 觀察線圈電流變化。仿真結(jié)果如圖4所示，占空比為30%，50%，70%時(shí)線圈電流的波動(dòng)幅值相同，但是平均電流有很大區(qū)別，分別為0.47，0.78，1.09。因此，可以通過調(diào)節(jié)PWM的占空比調(diào)節(jié)平均電流，以得到不同的溢流壓力。

圖4 不同PWM占空比下的實(shí)測電流Fig.4 Measuring current of kinds of PWM duty ratio

ABS利用合適的PWM占空比對(duì)增壓過程進(jìn)行控制，能夠提高車身減速度，縮短剎車距離，減少系統(tǒng)工作噪聲，改善制動(dòng)踏板感覺［10－11］。

2.3 進(jìn)液閥靜態(tài)特性

通過控制進(jìn)液閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比可實(shí)現(xiàn)輪缸壓力調(diào)節(jié)過程中增壓速率的精細(xì)調(diào)節(jié)，形成不同的溢流壓力差［2，9］。調(diào)制不同的占空比進(jìn)行進(jìn)液閥的靜態(tài)溢流試驗(yàn)，壓力曲線如圖5所示，曲線的階梯代表每個(gè)占空比對(duì)應(yīng)一個(gè)溢流壓力。根據(jù)圖5，整理數(shù)據(jù)得出各占空比對(duì)應(yīng)的壓力差，見表1。

圖5 不同占空比下的壓力曲線Fig.5 Pressure curve at kinds of PWM duty ratio

表1 不同占空比對(duì)應(yīng)的溢流壓力Table 1 Overflow pressure at different PWM duty ratio

PWM控制的實(shí)質(zhì)，是通過占空比的變化，調(diào)節(jié)線圈的電流，從而改變進(jìn)液閥的電磁力，圖6為線圈電流與進(jìn)液閥溢流壓力的關(guān)系曲線。

由圖6可見，電流為200mA以下時(shí)，溢流壓力幾乎為0，此時(shí)線圈電流產(chǎn)生的電磁力不足以克服彈簧預(yù)緊力，進(jìn)液閥處于打開狀態(tài)。電流為400mA以上時(shí)，電流與溢流壓力基本成線性關(guān)系，這使PWM控制方法成為可能。

圖6 不同線圈電流對(duì)應(yīng)的溢流壓力Fig.6 Overflow pressure of inlet valve at different current

由上面的分析可知，PWM占空比、電流與溢流壓力之間存在單調(diào)增加的關(guān)系，因此確定PWM的調(diào)制頻率和占空比成為ABS控制的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。

2.4 進(jìn)液閥動(dòng)態(tài)特性

進(jìn)液閥動(dòng)態(tài)特性測試條件如表2所示。線圈中的電流如圖7所示。

表2 測試條件Table 2 Test conditions

試驗(yàn)在車輛點(diǎn)火狀態(tài)下進(jìn)行，由于發(fā)電機(jī)的饋電，實(shí)際的電壓會(huì)相對(duì)偏大，導(dǎo)致實(shí)際電流相對(duì)于目標(biāo)電流有所偏移，但不會(huì)影響試驗(yàn)的進(jìn)行。

實(shí)際測得的主缸與輪缸的壓力差隨電流變化的曲線如圖8所示，在有效的壓力區(qū)間表現(xiàn)出較為一致的線性度。曲線相對(duì)于圖6所示的靜態(tài)測試曲線向左偏移，這是由于動(dòng)態(tài)測試時(shí)壓差大于溢流壓差使得壓差能夠繼續(xù)變小。

圖7 試驗(yàn)中線圈通過的電流Fig.7 Current in valve coil during test

圖8 壓差與電流的變化曲線Fig.8 dpvs.current variation curve

在ABS控制中，希望能夠控制輪缸的壓力以期望的增長速率變化，但是靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)只能測得維持壓差（溢流壓力）所需的線圈電流。在增壓時(shí)，需要打破液壓力與電磁力的平衡，使制動(dòng)液流進(jìn)輪缸，導(dǎo)致了輪缸與主缸的壓差逐步減小，若進(jìn)液閥線圈中的電流保持不變，增壓速率也會(huì)逐步減小。若要輪缸的壓力以一個(gè)穩(wěn)定的速率增加，就需按一定的規(guī)律減小線圈中的電流，達(dá)到減小閥的電磁力、增大閥的開啟程度的目的。

下面研究不同的電流變化率下的壓差變化規(guī)律。試驗(yàn)中電流的變化率為－500～－100mA／s，梯度為50mA／s，得到9條壓差時(shí)變曲線如圖9所示。

由圖9看出，在每個(gè)恒速變化的電流下，輪缸的壓力增長也近乎線性，9條曲線之間呈現(xiàn)出一定規(guī)律，即電流越小的速率越小，壓力增長的就越慢?？紤]到實(shí)際的主缸的壓力也在發(fā)生變化，以及閥動(dòng)作的延遲，只取各曲線的線性段求得斜率，得到表3結(jié)果。

圖9 不同電流變化率下輪缸的壓力增長曲線Fig.9 Pressurization curve with kinds of current variation rate

圖10 壓力增長率與電流變化率的特性曲線Fig.10 Pressurization rate vs.current variation rate

圖10 為散點(diǎn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。可以看出輪缸的壓力增長速率相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電流的變化率有很好的單調(diào)線性度。在圖10中通過線性插值可以得到目標(biāo)增壓速率對(duì)應(yīng)的線圈電流變化率。在ABS控制中，壓力估算模塊根據(jù)車身狀態(tài)可以估算出主缸壓力和輪缸壓力，ABS控制器計(jì)算出能夠維持車輪處于穩(wěn)定狀態(tài)的目標(biāo)壓力，根據(jù)這三個(gè)壓力之間的關(guān)系可以得出增壓過程線圈的初始電流以及電流變化量，使得輪缸的壓力能夠以一個(gè)比較穩(wěn)定的增壓速率變化，即實(shí)現(xiàn)了進(jìn)液閥的可控。

3 增壓速率控制方法的驗(yàn)證

以10.0MPa／s的增壓速度為例，把壓力估算和增壓過程進(jìn)行整合并驗(yàn)證。根據(jù)圖10的擬合曲線插值得到增力壓長速率為10.0MPa／s時(shí)對(duì)應(yīng)的電流變化率為0.365A／s，按此規(guī)律設(shè)計(jì)試驗(yàn)，測得壓差電流曲線。圖11為初始?jí)翰?4.0MPa，電流變化率為0.365A／s時(shí)獲得的試驗(yàn)曲線。

進(jìn)液閥逐漸開啟過程，輪缸壓力幾乎按固定速度增長，每1.0MPa區(qū)間的壓力增長速率計(jì)算結(jié)果見表3。

圖11 增壓試驗(yàn)中的壓力變化曲線Fig.11 Pressure curves during pressurization test

表3 區(qū)間壓力增長速率Table 3 Section pressure growth rate

取3.0MPa和9.0MPa兩時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，求得整個(gè)壓力增長過程的平均壓力增長速率為9.945MPa／s。說明此種驅(qū)動(dòng)電磁閥的電流變化規(guī)律能夠獲得預(yù)期的壓力增長速度。

對(duì)上面試驗(yàn)中的電磁線圈的瞬時(shí)電流相對(duì)于主缸與輪缸之間的壓差的散點(diǎn)進(jìn)行三次曲線擬合，如圖12所示。

圖12 電流與壓差的散點(diǎn)及三次擬合曲線Fig.12 Current vs.dpscatters plot and cubic fitting curve

閥口兩端的壓差dp對(duì)應(yīng)的線圈電流I近似遵循：擬合方法采用了MATLAB軟件的cftool的cubic polynomial.結(jié)果如下：

根據(jù)式（1）及擬合曲線獲得的系數(shù)進(jìn)行進(jìn)液閥的控制方法設(shè)計(jì)，控制的目標(biāo)是獲取較穩(wěn)定的增壓速度。圖13所示為進(jìn)液閥控制的實(shí)現(xiàn)方法，主缸和輪缸的壓力由壓力估算模塊或壓力傳感器獲得，輪缸的目標(biāo)壓力由ABS控制器根據(jù)車輪狀態(tài)求得，因此可獲得當(dāng)前主缸與輪缸的壓力差，輪缸的目標(biāo)壓力與主缸壓力的差值，再由這兩個(gè)壓差和擬合公式求得進(jìn)液閥的需求電流。執(zhí)行器根據(jù)目標(biāo)電流輸出合適的PWM控制信號(hào)。

圖13 進(jìn)液閥控制的實(shí)現(xiàn)方法Fig.13 Control method for inlet valve

由于試驗(yàn)沒有整合ABS控制器，因此對(duì)輪缸的目標(biāo)壓力采用了模擬的方式，并按照圖14所示的方法，驗(yàn)證進(jìn)液閥的控制方法。試驗(yàn)的過程為踩下制動(dòng)踏板，輪缸的壓力伴隨主缸的壓力上升，輪缸的壓力升至9.0MPa后對(duì)輪缸減壓，輪缸的壓力低于3.0MPa之后保壓0.3s，之后按10.0 MPa／s的增壓速度控制進(jìn)液閥，輪缸的壓力超過5.0MPa之后再減壓、保壓、增壓，如此循環(huán)。

根據(jù)以上的試驗(yàn)方法，在 MATLAB／Simulink上搭建控制模型，通過RTI編譯器生成代碼并下載進(jìn)dSPACE－Autobox，進(jìn)行實(shí)車液壓制動(dòng)管路的試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛配備BOSCH公司的ABS8，對(duì)其ECU進(jìn)行改造，使用左前輪的制動(dòng)管路進(jìn)行試驗(yàn)。獲得壓力控制曲線如圖15所示，對(duì)應(yīng)的進(jìn)液閥的PWM控制信號(hào)的占空比記錄如圖16所示。

圖14 試驗(yàn)方法示意圖Fig.14 Test method chart

圖15 試驗(yàn)的壓力曲線Fig.15 Pressure curves during test

圖16 進(jìn)液閥的PWM占空比Fig.16 PWM duty ratio of inlet valve during test

由上面的曲線可以看出，在變占空比的PWM驅(qū)動(dòng)下，輪缸的壓力能很好的跟隨目標(biāo)壓力增長，且與估算壓力能很好地貼合，增長速度與預(yù)期一致。

4 結(jié)束語

通過對(duì)高速開關(guān)閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試，得到了壓差平衡狀態(tài)下的線圈電流，驅(qū)動(dòng)電流勻速變化時(shí)的壓力變化規(guī)律以及恒定壓力增長速率時(shí)的電流變化率。結(jié)果顯示高速開關(guān)閥適用于液壓式ABS控制系統(tǒng)，在PWM控制方法下，有良好的線性規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，比較精準(zhǔn)的線性度可以使ABS系統(tǒng)對(duì)輪缸的壓力的控制及估算更加簡易和準(zhǔn)確。通過控制閥線圈中電流的變化率，可以實(shí)現(xiàn)輪缸的壓力以需求的壓力增長速度變化。再者，在實(shí)際的進(jìn)液閥的生產(chǎn)中，可根據(jù)此種方法驗(yàn)證閥及裝配后的一致性，設(shè)定允許的偏差，控制閥的特性在偏差帶內(nèi)才能保證液壓單元裝車后能夠與控制軟件匹配，不至于影響ABS性能。

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