液壓ABS 回油泵的控制策略及其對制動特性的影響

鄭太雄，馮國雨，龔 磊

(1.重慶郵電大學(xué)汽車電子與嵌入式系統(tǒng)工程研究中心，重慶400065;2.中國兵器工業(yè)第五九研究所彈藥中心，重慶400039)

0 引言

液壓制動系統(tǒng)中回油泵的主要作用是將低壓蓄能器中的制動液及時泵回至主缸，實(shí)現(xiàn)制動液的循環(huán)工作和制動壓力的調(diào)節(jié)作用［1］。如果蓄能器容納的制動液過多，對后續(xù)控制過程中的壓力調(diào)節(jié)會產(chǎn)生不利影響［2］，造成增壓不足或者減壓過慢等情況。此外，回油泵在將制動液泵回至主缸的過程中，會引起主缸壓力的變化，若變化過大，則會有明顯的踏板反沖現(xiàn)象，造成駕乘舒適性不良。因此，及時開啟回油泵將低壓蓄能器中的制動液及時泵出，實(shí)現(xiàn)制動液的循環(huán)工作并對回油泵進(jìn)行合理地控制，對制動壓力調(diào)節(jié)和提高制動舒適性有著關(guān)鍵的作用。但是回油泵開啟時刻以及轉(zhuǎn)速的控制不當(dāng)會造成輪缸壓力不能得到有效的調(diào)節(jié)，最終影響車輛的制動效果。因此，對回油泵開啟時刻和轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究有一定的必要性。

目前，國內(nèi)外對于液壓ABS的研究主要集中在控制算法方面，包括邏輯門限值法［3］和基于古典及現(xiàn)代控制理論提出的一些新的控制方法，如PID控制、滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制與模糊控制［4-6］等。對于液壓調(diào)節(jié)器的研究主要集中在開關(guān)電磁閥的控制和制動壓力的調(diào)節(jié)等方面［7-9］。對于回油泵的研究［2，10］，主要集中在回油泵工作特性的分析，泵電機(jī)工作對輪缸壓力的影響和泵電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)等方面。其中，對于回油泵的控制大多采用了減壓即工作的控制方法。

由國內(nèi)外對回油泵的研究情況來看，作為影響車輛制動性能和駕乘舒適性能的關(guān)鍵部件，研究和評價回油泵的性能和相關(guān)技術(shù)是十分重要的，對回油泵的控制策略進(jìn)行研究也具有一定的實(shí)際意義。本文從回油泵的結(jié)構(gòu)和工作原理入手，通過仿真實(shí)驗(yàn)研究回油泵的開啟時間和轉(zhuǎn)速及其對制動特性的影響，進(jìn)而提出回油泵的控制策略。

1 液壓ABS關(guān)鍵部件模型搭建及驗(yàn)證

1.1 回油泵

回油泵為徑向自吸式柱塞泵，主要由單向閥、缸體、工作腔、彈簧、柱塞、偏心軸、凸輪等組成，如圖1所示。

圖1 ABS回油泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Scheme of ABS oil pump

相關(guān)文獻(xiàn)中對于回油泵的建模［2］主要是通過分析其結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，本文對回油泵進(jìn)行研究，主要是通過分析其工作情況，研究制動液流量。本文從回油泵結(jié)構(gòu)出發(fā)，推導(dǎo)出回油泵流量的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)如下。

在低壓狀況下，制動液為不可壓縮流體介質(zhì)，忽略泄漏量，可得柱塞泵在某一時刻的流量Q為

(1)式中:dz為柱塞的直徑;ηv為柱塞泵的容積效率;d為柱塞頂部的半徑;r為凸輪的半徑;h為偏心軸與凸輪軸的軸距;θ為兩軸連線與水平方向的夾角;ω為偏心軸的旋轉(zhuǎn)角速度。

對于確定的單向定量液壓泵，其排量一定，為Vdis，泵的轉(zhuǎn)速為ηs，則該液壓泵的理論流量qnom為

泵的實(shí)際輸出流量q0為

(3)式中:ρ(p)為等效壓力下制動液密度;ρ(0)為常壓下制動液密度。

1.2 輪 缸

對于輪缸的建模［10］，相關(guān)文獻(xiàn)中往往通過忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失，忽略輪缸壓力變形等來進(jìn)行建模。本文將輪缸模型簡化成輸入量和輸出量的關(guān)系，其中，制動輪缸的輸入量為制動液壓力，輸出量為制動液流量和活塞壓力，其模型如圖2所示。

圖2 輪缸結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of wheel cylinder

(4)式中:Qw為制動液在進(jìn)出油口處的流量;νw為活塞的移動速度;dw為活塞直徑;ρ為制動液密度;Fw為活塞壓力;pw為制動液壓力。為比例因子，表示了輪缸內(nèi)壓力從0到pw狀態(tài)時，液體密度的變化對輪缸流量的影響。

1.3 模型驗(yàn)證

液壓調(diào)節(jié)器主要由主缸、輪缸、低壓蓄能器、回油泵組成?；赜捅煤洼喐资茿BS液壓調(diào)節(jié)器的主要組成部分，對于其模型的驗(yàn)證，本文通過對液壓調(diào)節(jié)器整體的壓力調(diào)節(jié)效果來驗(yàn)證。

設(shè)定主缸壓力為40 bar，輪缸先增壓，后減壓，結(jié)果如下。

圖3 輪缸壓力調(diào)節(jié)效果圖Fig.3 Structure diagram of pressure regulation effection of wheel cylinder

輪缸壓力最大達(dá)到40 bar左右，和主缸壓力保持一致，保壓0.2 s后開始減壓。模型建立正確。

2 液壓ABS回油泵對制動特性的影響分析

回油泵電機(jī)的開啟時間和轉(zhuǎn)速快慢對低壓蓄能器的活塞位移有一定影響，進(jìn)而影響回油泵能否及時向液壓模塊提供制動液和輪缸能否快速減壓，最終影響主缸、輪缸的壓力變化，影響壓力調(diào)節(jié)效果。回油泵轉(zhuǎn)速控制不當(dāng)，會出現(xiàn)增壓不足和車輪抱死等現(xiàn)象，影響車輛的制動性能。對回油泵電機(jī)的開啟時間進(jìn)行控制，可以降低踏板的抖動率，增加制動舒適性。

本文借助AMESim軟件，在AMESim中建立液壓系統(tǒng)模型，通過5個仿真實(shí)驗(yàn)來對回油泵的轉(zhuǎn)速和開啟時間進(jìn)行分析研究，進(jìn)而提出回油泵的控制策略并驗(yàn)證。

2.1 回油泵的轉(zhuǎn)速分析

分析在一個增壓－保壓－減壓控制周期內(nèi)，不同回油泵轉(zhuǎn)速對制動的影響。

實(shí)驗(yàn)1 不同回油泵轉(zhuǎn)速對制動的影響。仿真結(jié)果如圖4所示。

分析圖4所示的仿真結(jié)果，回油泵的轉(zhuǎn)速對輪缸、主缸的壓力都有影響，可得如下結(jié)論。

圖4 不同回油泵轉(zhuǎn)速對制動的影響仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the influence of different oil pump rotating speed on the brake

1)回油泵的轉(zhuǎn)速僅僅影響增壓穩(wěn)定狀態(tài)下的系統(tǒng)壓力，對建立壓力時間的影響并無明顯差異;

2)由蓄能器彈簧位移曲線可知，回油泵轉(zhuǎn)速越高，減壓時，制動液在蓄能器中儲存得越少，彈簧變形壓縮越小。在3 000 r/min的高轉(zhuǎn)速時，減壓過程中的制動液直接通過回油泵泵出，不在蓄能器中存儲。此時，蓄能器并未起到減小壓力脈動的作用，對比主缸壓力曲線可知，此時，主缸壓力的波動也較大;

3)由主缸壓力曲線可知，回油泵轉(zhuǎn)速越高，主缸壓力的波動越大。

由以上結(jié)論可知，回油泵的轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)響應(yīng)越快，波動也越大，在轉(zhuǎn)速降到一定值時，在一個較短的控制周期內(nèi)，回油泵并未起到泵油的作用，僅僅用來克服靜態(tài)摩擦和自身慣量。

為了排出泵在增壓時對系統(tǒng)的干擾，探討減壓時泵的轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)的影響，有如下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)2 減壓時，不同回油泵轉(zhuǎn)速對制動的影響實(shí)驗(yàn)。

回油泵只在減壓時工作，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 減壓時，不同回油泵轉(zhuǎn)速對制動的影響的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the influence of different oil pump rotating speed on the brake when having a decompression

分析圖5所示的仿真結(jié)果，可得如下結(jié)論。

1)在相同壓力下進(jìn)行減壓，在較短的減壓時間內(nèi)回油泵的轉(zhuǎn)速對輪缸的減壓速率無影響，若減壓時間較長，回油泵轉(zhuǎn)速越高，輪缸的壓力降到0 bar越快。

2)由主缸壓力曲線可知，回油泵轉(zhuǎn)速越高，主缸壓力的波動越大。在2 500—400 r/min的轉(zhuǎn)速內(nèi)，主缸的波動較小，波動幅度相差不大。因此，減壓時，回油泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在2 500 r/min以下。

對比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2有以下結(jié)果。

1)對比蓄能器彈簧位移曲線知，回油泵在增壓和減壓階段一直以高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，蓄能器不能很好發(fā)揮減小壓力脈動的作用，應(yīng)避免回油泵長期高速運(yùn)行。

2)回油泵的啟動對主缸壓力產(chǎn)生波動，轉(zhuǎn)速越高，波動越大。

其他仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)1相同，不再重復(fù)討論。通過實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)2，可以得出結(jié)論:應(yīng)盡量減少泵的頻繁啟動帶來的主缸壓力波動，在進(jìn)入ABS控制時，回油泵首先應(yīng)保持低速運(yùn)轉(zhuǎn)，以克服靜態(tài)摩擦和減小自身慣量。減壓時，再加快轉(zhuǎn)速，以達(dá)到快速泵油的目的。

2.2 回油泵的開啟時間分析

實(shí)驗(yàn)3 首次保壓時低速開啟。

設(shè)置回油泵在制動時不工作，在進(jìn)入首次保壓時開啟，以500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，進(jìn)入首次減壓后以2 500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，后續(xù)的增壓、保壓階段保持500 r/min的轉(zhuǎn)速，減壓階段保持2 500 r/min的轉(zhuǎn)速，直至仿真結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)4 首次保壓時高速開啟。

設(shè)置回油泵在制動時不工作，在進(jìn)入首次保壓時開啟，以2 500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在后續(xù)的增壓、保壓階段保持500 r/min的轉(zhuǎn)速，減壓階段保持2 500 r/min的轉(zhuǎn)速。其他實(shí)驗(yàn)條件不變，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3。

實(shí)驗(yàn)5 低速開啟。

設(shè)置回油泵在制動時即以500 r/min的轉(zhuǎn)速開啟運(yùn)行，進(jìn)入減壓后以2 500 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，后續(xù)的增壓、保壓階段保持500 r/min的轉(zhuǎn)速，減壓階段保持2 500 r/min的轉(zhuǎn)速。其他實(shí)驗(yàn)條件不變，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3。

以上3個實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6a可知，回油泵在制動時低速開啟使車輛的角加速度更大，一定的輪角加速度有利于充分制動，但過高的角加速度也會造成過度增壓，不利于輪速的恢復(fù)。由圖6b所示的仿真結(jié)果可知，在合理的回油泵轉(zhuǎn)速控制下，泵在保壓時低速開啟、保壓時高速開啟和制動時低速開啟3種開啟方式下都未出現(xiàn)抱死情況，均能滿足制動性能的要求。因此，可以選擇首次保壓時回油泵啟動的方式。由圖6c所示的主缸壓力曲線表明，首次保壓時以2 500 r/min的高速啟動，主缸的壓力波動要大于以500 r/min的低速啟動方式。而保壓低速啟動與制動時低速啟動2種方式下的主缸壓力波動幅度相差不大，只在波動發(fā)生的時間上有所不同。綜上分析，兼顧制動性能和舒適性能，選擇如實(shí)驗(yàn)3所述的首次保壓時低速開啟的啟動方式。

3 基于邏輯門限值的回油泵控制策略

邏輯門限值法是應(yīng)用比較廣泛的ABS控制策略。本文采用項(xiàng)目組經(jīng)過長期研究和大量的臺架與實(shí)車道路試驗(yàn)開發(fā)出的、具有良好控制效果的ABS邏輯門限值控制方法［3］。此控制方法將整個ABS的控制過程分為首次控制和常規(guī)控制循環(huán)。首次控制包括首次增壓狀態(tài)和減壓狀態(tài)，常規(guī)控制循環(huán)包括保壓狀態(tài)、增壓狀態(tài)和減壓狀態(tài)。

3.1 回油泵控制策略

結(jié)合本文對回油泵的開啟時間和轉(zhuǎn)速的分析研究，在此基礎(chǔ)上提出基于邏輯門限值的回油泵控制策略，詳細(xì)控制策略如下:首次控制回油泵不工作，盡量減少對首次控制的影響。當(dāng)車輪角加速度A大于保壓門限值時，由首次控制進(jìn)入常規(guī)控制循環(huán)的保壓階段，此時，增壓閥和減壓閥均關(guān)閉，回油泵與輪缸間的油路關(guān)斷，回油泵電機(jī)開始以低速ηL(回油泵的低轉(zhuǎn)速值)啟動，以克服靜態(tài)摩擦和自身慣量，同時彌補(bǔ)控制信號與電機(jī)啟動間的時間滯后。在進(jìn)入增壓階段后，增壓閥打開，減壓閥關(guān)閉，回油泵保持轉(zhuǎn)速ηL，直到參考滑移率S高于設(shè)定的減壓門限值，進(jìn)入減壓狀態(tài)，此時，關(guān)閉增壓閥，打開減壓閥，回油泵開始加速至高速ηH(回油泵的高轉(zhuǎn)速值)運(yùn)轉(zhuǎn)，將減壓時的制動液及時泵回至制動主缸。當(dāng)滿足相關(guān)門限值，控制由減壓進(jìn)入保壓階段時，回油泵轉(zhuǎn)速再次減速至ηL。后續(xù)控制重復(fù)此循環(huán)。

3.2 回油泵控制策略對比驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所述的回油泵控制策略，現(xiàn)對ABS在高附著系數(shù)路面下的緊急制動進(jìn)行仿真試驗(yàn)。參照GB/T 13594－2003《機(jī)動車和掛車防抱制動性能和試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，設(shè)置增壓閥增壓，使輪缸建立一定的壓力，然后關(guān)閉增壓閥，以模擬增壓過程。后續(xù)的增壓閥、減壓閥與回油泵受控制策略的控制。

對文獻(xiàn)［1］中提到的減壓即工作的回油泵控制策略進(jìn)行相同條件下的仿真，對比2種控制策略下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同回油泵開啟狀態(tài)下的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results under different open position of the oil pum

由圖7a可以看出，在本文的回油泵控制策略下，主缸壓力的波動更小。在減壓即工作的回油泵控制策略下，回油泵首次啟動帶給主缸壓力的波動比在本文控制策略下的主缸壓力的波動要大，而且在后續(xù)的控制過程中，壓力波動也要更加劇烈。由圖7b可以看出，在減壓即工作的回油泵控制策略下，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)這種情況是由于出現(xiàn)了蓄能器彈簧位移為0的情況，出現(xiàn)這種情況是由于回油泵只在減壓時工作，蓄能器中的制動液未能及時排出。此時，蓄能器被制動液充滿，減壓時輪缸里面的制動液不能存儲到蓄能器中，影響輪缸的減壓效果，如圖7c所示，彈簧位移為0時的減壓速率要小。在本文控制策略中未出現(xiàn)此情況，蓄能器彈簧位移始終大于0。整個實(shí)驗(yàn)過程中，輪缸的減壓速率變化較小。

圖7 不同回油泵控制策略下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experiment results under different control strategy of the oil pump

以上結(jié)果證明了本文所述控制策略的有效性?；赜捅玫目刂撇呗詫σ种浦鞲讐毫Φ牟▌佑行В哂休^好的制動效果，提高了制動舒適性。

4 總結(jié)

本文對回油泵的開啟時間和轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析研究，提出了首次保壓時低速開啟和回油泵高低速配合控制的控制方式。在邏輯門限值基礎(chǔ)上提出了回油泵的控制策略，通過實(shí)驗(yàn)證明了控制策略的有效性。

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