汽車防抱死系統(tǒng)電磁閥的階梯控制

初 亮，祁富偉，王彥波，蔡健偉，陳 晨

（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）

電磁閥作為ABS系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，主要用于ABS增壓階段［1］。對電磁閥有線性控制和開關(guān)控制兩種控制方式。在線性控制中，增壓比較平穩(wěn)，車輪較長時間處于穩(wěn)定階段，因此線性閥在ABS系統(tǒng)中較為普遍［2］。但電磁閥線性控制的精度較差，可調(diào)增壓速度范圍較小，且響應(yīng)較慢，不能滿足所有工況的要求［3］。而普通開關(guān)控制，雖然響應(yīng)較快，但控制精度較差，因此，本文提出一種基于開關(guān)控制的階梯增壓方式，既能滿足響應(yīng)速度要求，又有較高的控制精度。

1 電磁閥的階梯控制方式

對于圖1所示的電磁閥，如果采用普通的開關(guān)控制，增壓時電磁閥將完全打開，輪缸壓力增加較快，且由于閥芯兩端壓差處于變化之中，增壓速度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)沖擊。因此，可以將增壓需求拆分為多個增壓和保壓階段，使平均增壓速度與所要求的增壓速度一致，即實(shí)現(xiàn)了階梯控制。每個階段的增壓過程中閥芯兩端的壓差變化較小，增壓速度較為穩(wěn)定，改變每個階段增壓和保壓時間的比例，可以改變增壓速度。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)和受力分析Fig.1 Structure of valve and the forces acting on the valve

對于電磁閥的階梯控制，在所有增壓速度范圍內(nèi)，都有較高的控制精度，因此電磁閥的開關(guān)控制方式在分離路面控制和EBD（Electric brakeforce distribution）控制中有廣泛的運(yùn)用。

階梯控制的特點(diǎn)與普通開關(guān)控制相似，是在需要增壓時將進(jìn)液閥完全打開，此時采用很小的PWM占空比，閥芯停留在升程最大位置。當(dāng)需要減壓或保壓時，與線性控制相同，采用較大的PWM占空比，使閥芯完全關(guān)閉。

2 電磁閥特性和壓力模型

2.1 電磁閥的開關(guān)響應(yīng)特性

電磁閥的運(yùn)動部件為閥芯和動鐵，將其看作一個整體［4］，其質(zhì)量為mvs，因此其運(yùn)動方程為

式中：mvs表示閥芯和動鐵的總質(zhì)量；xvs表示閥芯位移；Fh表示所受液壓力的合力；Fs表示彈簧力；Ff表示摩擦力；Fv表示阻尼力；Fm表示電磁力。

在開關(guān)控制過程中，由于受到電磁閥電磁線圈感應(yīng)的響應(yīng)時間以及電磁閥運(yùn)動部件慣性等影響，使得實(shí)際閥芯位移曲線不能及時跟隨脈沖控制波形［5－7］，其電磁脈沖和閥芯位移響應(yīng)如圖2所示。閥芯的運(yùn)動分為閥芯開啟滯后、閥芯開啟運(yùn)動、閥口完全打開、閥芯關(guān)閉滯后、閥芯關(guān)閉運(yùn)動5個階段［4］。

圖2 電磁閥開關(guān)響應(yīng)曲線Fig.2 Switch response of solenoid valve

對于一個如圖2所示的增壓脈沖tdrive，其有效作用時間為teff＝tdrive－ton＋toff；取tresponse＝ton－toff，則有效作用時間為：

式中：tresponse表示電磁閥開啟和關(guān)閉過程導(dǎo)致的實(shí)際作用時間與驅(qū)動作用時間的差，其大小與彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度等電磁閥固定物理參數(shù)有關(guān)，在實(shí)際工作過程中還受到閥芯出入口壓差以及電磁力大小的影響，但在ABS工作范圍內(nèi)，其大小基本不變。

2.2 輪缸的體積壓力特性

由于制動液中存在少量氣體，輪缸內(nèi)包括密封圈等部件的變形也是非線性的，因此輪缸壓力和制動液體積呈非線性關(guān)系。如果將制動液剛度按固定值進(jìn)行計算，會有較大的偏差。對于確定的制動輪缸，其壓力和體積關(guān)系雖然是非線性的，但卻是固定的［8－9］。

圖3為國內(nèi)某一量產(chǎn)車型的汽車前軸盤式制動器的輪缸體積壓力特性示意圖。

圖3 輪缸體積壓力特性Fig.3 Volume-pressure characteristic of wheel cylinder

3 電磁閥匹配過程的關(guān)鍵參數(shù)

假定車輪的當(dāng)前壓力為pwheel，如圖3所示，根據(jù)車輛動態(tài)和車輪狀態(tài)計算出的車輪目標(biāo)壓力為ptarget，因此需要的增壓幅度為：

根據(jù)輪缸的壓力體積特性得到需要的制動液體積為：

在每個增壓階段內(nèi)，閥芯兩端的壓差變化較小，流量基本不變，因而需要的增壓時間為：

ttarget表示有效作用時間，根據(jù)式（2），需要的驅(qū)動時間為：

閥的流量為：

結(jié)合式（6）～（9），需要的驅(qū)動時間可以表示為：

上面的公式中：Cd表示節(jié)流孔流量系數(shù)；ρ表示制動液密度；Δpvalve表示閥口兩端壓差；d表示節(jié)流孔直徑。

4 階梯控制的控制方法

4.1 階梯控制的增壓過程

ABS控制過程中，進(jìn)液閥完全打開時其增壓速度較快，在緊急制動時遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需求的增壓速度，且增壓速度并不固定，因而不可能采用普通的開關(guān)控制，在整個增壓階段將進(jìn)液閥完全打開，一次性增壓到期望值。由于希望車輪在相對穩(wěn)定的階段停留較長的時間，需要較小的增壓速度，可以采用分段增壓的方式，其計算過程如圖4所示，當(dāng)增壓需求累計到一定門限pthreshold時，計算當(dāng)前壓差情況下需要的增壓時間ttarget，然后經(jīng)過響應(yīng)時間tresponse修正后輸出增壓脈沖tdrive，在增壓脈沖tdrive作用下，制動輪缸壓力剛好增加到目標(biāo)壓力ptarget，然后關(guān)閉電磁閥，執(zhí)行保壓過程，直到下一個增壓需求累計超過門限。如此循環(huán)，使平均增壓速度與目標(biāo)增壓速度相同。改變增壓脈沖的大小和保壓時間大小，即可調(diào)節(jié)增壓速度，一次階梯增壓過程如圖5所示。

圖4 階梯增壓計算過程Fig.4 Process of control

圖5 階梯控制方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of stepped control

4.2 階梯門限的確定

如果增壓過程中階梯門限pthreshold過大，可能導(dǎo)致車輪處于增壓階段時間過長，由于該階段增壓速度很快，車輪容易出現(xiàn)較大的加速度，控制不平順，車輪很容易進(jìn)入不穩(wěn)定階段；此外，過大的階梯門限可能導(dǎo)致當(dāng)累積增壓需求達(dá)不到增壓門限時，無法進(jìn)行增壓，得不到所需要的控制效果。

相反，如果每個增壓脈沖增壓幅度太小，可能導(dǎo)致因響應(yīng)時間所占增壓脈沖時間比例較大而使壓力估算不夠準(zhǔn)確，控制精度很難滿足要求。此外，頻繁進(jìn)行開關(guān)驅(qū)動會使ABS工作過程中的噪聲較大，閥芯磨損也比較嚴(yán)重，影響閥的壽命。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采用0.4 MPa的階梯門限（即在每個增壓脈沖增壓0.4 MPa），既能夠得到較精確的控制，又能把工作噪聲控制在較小的范圍內(nèi)。

5 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建和結(jié)果分析

結(jié)合文獻(xiàn)［10］的試驗(yàn)臺架方法，采用國內(nèi)某生產(chǎn)商自主開發(fā)的液壓調(diào)節(jié)單元HU（Hydraulic unit），在實(shí)車上搭建試驗(yàn)臺。控制單元采用Micro AutoBox，Rapid Prototype作為驅(qū)動單元，MicroAutoBox的ADC通道作為采集通道，主要采集主缸壓力和輪缸壓力，使用便攜式電腦記錄數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)制動系和液壓調(diào)節(jié)單元構(gòu)造示意圖如圖6所示，主缸壓力傳感器安裝在HU的入口處，輪缸壓力傳感器安裝在輪缸入口處。

圖6 試驗(yàn)臺架硬件示意圖Fig.6 Schematic diagram of test bench

5.1 關(guān)鍵參數(shù)的匹配

由于響應(yīng)時間僅僅影響每個增壓過程的偏差，因此需要首先匹配節(jié)流孔直徑，試驗(yàn)過程為：①使主缸和輪缸壓強(qiáng)同時達(dá)到13 MPa；②關(guān)閉需要進(jìn)行匹配的進(jìn)液閥，并打開對應(yīng)的出液閥，使輪缸減壓至4 MPa，同時啟動電機(jī)，將多余的制動液抽回主缸；③關(guān)閉出液閥，保壓200 ms，停止電機(jī)；④采用12 MPa／s的速度增壓直至輪缸壓力與主缸壓力差小于1 MPa，試驗(yàn)結(jié)束。

改變節(jié)流孔直徑d，重復(fù)上述試驗(yàn)過程，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)孔徑為0.7 mm時，實(shí)際輪缸壓強(qiáng)和目標(biāo)壓強(qiáng)吻合度較高，因而采用0.7 mm的孔徑進(jìn)行壓力估算和進(jìn)液閥驅(qū)動時間計算比較合理。

響應(yīng)時間tresponse的匹配試驗(yàn)過程與匹配節(jié)流孔直徑相同，采用固定的節(jié)流孔直徑d，不同的響應(yīng)時間tresponse，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7 節(jié)流孔直徑d匹配試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Result of orifice matching

圖8 響應(yīng)時間Tresponse匹配試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of response time matching

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用3 ms的響應(yīng)時間時，估算壓力和實(shí)際壓力有較高的吻合度，因而采用3 ms的響應(yīng)時間進(jìn)行估算能夠滿足控制要求。

5.2 階梯控制在分離路面的運(yùn)用

將階梯控制方式運(yùn)用于分離路面的控制算法，在分離路面進(jìn)行緊急制動觸發(fā)ABS，制動過程允許駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向角度修正，使車輛在整個制動過程中都位于分離路面。車輛參數(shù)如下：整車質(zhì)量為1290 kg；車輪半徑為307 mm；質(zhì)心至前軸距離為1053 mm；質(zhì)心至后軸距離為1059 mm；前輪距為1505 mm；后輪距為1489 mm。電磁閥的主要參數(shù)如下：閥口孔徑為0.7 mm；閥座開口角度為π／2 rad；閥芯球頭直徑為1.2 mm；閥芯最大升程為0.2 mm；彈簧剛度為1.2 N／mm。

前軸左右車輪壓力如圖9所示。高附著系數(shù)一側(cè)車輪的輪缸壓力增速能夠被穩(wěn)定控制在4 MPa／s左右。圖10為同一次制動下的車輛橫擺角度和制動強(qiáng)度，其中g(shù)＝9.8 m／s2。從圖10可以看出，車輛橫擺角速度能夠較容易地控制在合理的范圍內(nèi)，制動強(qiáng)度較大，能夠很好地滿足分離路面的控制要求。

圖9 在分離路面制動時的前軸輪缸壓力Fig.9 Pressure of front wheel cylinder on split road

圖10 分離路面制動時的車輛橫擺角速度和制動強(qiáng)度Fig.10 Yaw rate and braking rate on split road

6 結(jié) 論

（1）采用節(jié)流孔直徑d和響應(yīng)時間tresponse作為匹配參數(shù)，能夠充分體現(xiàn)電磁閥的響應(yīng)特點(diǎn)，為電磁閥的匹配提供了理論依據(jù)。

（2）基于開關(guān)控制的階梯增壓方式控制精度高，噪聲較小，能夠彌補(bǔ)線性控制的不足。

（3）由于采用實(shí)車制動系統(tǒng)搭建的試驗(yàn)臺，能夠最大程度地保持和實(shí)際車輛的一致性，使控制算法和參數(shù)有更高的可移植性。

（4）將階梯控制方法運(yùn)用于控制算法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法簡單可靠，且能夠達(dá)到較高的精度，為ABS算法的開發(fā)和匹配奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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