開(kāi)關(guān)控制模式下ABS液壓控制單元流量特性的研究*

張永輝，于良耀，王偉瑋，魏文若，張永生

(1.清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011)

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2015054

開(kāi)關(guān)控制模式下ABS液壓控制單元流量特性的研究*

張永輝1，于良耀1，王偉瑋1，魏文若2，張永生2

(1.清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 2.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011)

為改善車(chē)輛防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的匹配質(zhì)量，對(duì)液壓控制單元(HCU)的流量特性進(jìn)行研究。首先根據(jù)所建的HCU閥口流量模型，分析了閥口在開(kāi)關(guān)控制模式下的工作原理。接著結(jié)合ABS控制策略，設(shè)定了閥的理論流量分辨率特性，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了HCU增、減壓閥的實(shí)際流量分辨率特性。最后根據(jù)ABS壓力控制原則確定了HCU匹配時(shí)增、減壓閥流量分辨率的要求，并對(duì)減壓閥的流量特性進(jìn)行了仿真與實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，流量分辨率可較好地描述HCU特性，有助于ABS的匹配應(yīng)用。

防抱制動(dòng)系統(tǒng)；液壓控制單元；開(kāi)關(guān)控制；流量特性；流量分辨率

前言

液壓控制單元(HCU)是防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其液壓特性是進(jìn)行ABS控制優(yōu)化的基礎(chǔ)[1-2]。根據(jù)ABS理論和試驗(yàn)研究，ABS匹配的主要任務(wù)之一就是調(diào)節(jié)ABS工作過(guò)程中的制動(dòng)系統(tǒng)壓力變化速率[3-5]。在ABS壓力調(diào)節(jié)控制研究中，通常都將HCU和基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)作為整體進(jìn)行液壓特性分析[6-8]，對(duì)HCU獨(dú)立液壓特性的研究不多。

在ABS實(shí)際匹配過(guò)程中，通過(guò)對(duì)HCU流量特性的研究，可以指導(dǎo)HCU與整車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的匹配選型，并為ABS控制參數(shù)的匹配提供參考。

本文中通過(guò)分析HCU閥口在開(kāi)關(guān)控制模式下的工作原理，試驗(yàn)測(cè)量得到增、減壓閥的流量分辨率特性，并針對(duì)ABS減壓過(guò)程進(jìn)行HCU的匹配驗(yàn)證。

1 HCU閥口的開(kāi)關(guān)控制流量模式

1.1 閥口理論流量模型

ABS增壓時(shí)，制動(dòng)液流出總泵出口，流經(jīng)制動(dòng)硬管進(jìn)入HCU，流過(guò)增壓閥的節(jié)流孔和閥口，再流出HCU。ABS減壓時(shí)，制動(dòng)液流出制動(dòng)分泵，流過(guò)減壓閥節(jié)流孔和閥口，流到低壓蓄能器，經(jīng)回流泵返回到總泵與HCU增壓閥間的管路。增壓閥和減壓閥采用節(jié)流孔與閥口串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，可以等效為一個(gè)圓截面的節(jié)流孔。

考慮閥全開(kāi)時(shí)制動(dòng)液在節(jié)流孔處的流動(dòng)為紊流，節(jié)流孔的流量為

(1)

式中：q為閥全開(kāi)時(shí)的制動(dòng)液流量；Cq為流量系數(shù)；ρ為制動(dòng)液密度；Δp為節(jié)流孔兩端壓力差；A為節(jié)流孔截面積；d為節(jié)流孔直徑。

流體的流量系數(shù)Cq在實(shí)際應(yīng)用中可以近似為定值，因此，通過(guò)改變節(jié)流孔直徑d就可以改變HCU閥口的固有流量特性。

1.2 ABS控制中的閥口動(dòng)態(tài)響應(yīng)流量模型

常規(guī)制動(dòng)增減壓時(shí)，增、減壓閥控制線圈均為斷電狀態(tài)，增壓閥全開(kāi)，減壓閥全關(guān)。分泵增壓特性的影響主要來(lái)于增壓閥的閥口結(jié)構(gòu)；減壓時(shí)制動(dòng)液大部分會(huì)通過(guò)與增壓閥并聯(lián)的反向單向閥回流，因此減壓時(shí)不用考慮增、減壓閥結(jié)構(gòu)的影響。

ABS控制的增壓、減壓過(guò)程與常規(guī)制動(dòng)差異很大。ABS增壓閥驅(qū)動(dòng)線圈主要工作在通電狀態(tài)，增壓閥關(guān)閉使系統(tǒng)處于保壓，增壓時(shí)通過(guò)增壓閥線圈間斷性地?cái)嚯娛归y口間斷性打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)壓力的緩慢增加。減壓時(shí)減壓閥線圈間斷性地通電打開(kāi)減壓閥，制動(dòng)液從制動(dòng)分泵經(jīng)減壓閥閥口流到低壓蓄能器。因此，除閥口的影響外，增、減壓閥的控制參數(shù)對(duì)ABS的影響也較大。

ABS增、減壓閥的開(kāi)關(guān)控制參數(shù)是控制策略的一部分，其作用效果與閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有關(guān)。閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性主要由閥的結(jié)構(gòu)與其驅(qū)動(dòng)電路的物理參數(shù)決定，包括產(chǎn)生電磁力的電路電氣參數(shù)、線圈參數(shù)、閥芯運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量和回位彈簧的參數(shù)等，一般通過(guò)定義閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間參數(shù)來(lái)綜合反映閥的動(dòng)態(tài)特性。

增、減壓閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間τi和τd代表開(kāi)關(guān)狀態(tài)完全切換所用的時(shí)間，都分為通電響應(yīng)時(shí)間τion和斷電響應(yīng)時(shí)間τioff，具體見(jiàn)表1。

表1 閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

ABS高速開(kāi)關(guān)控制閥普遍采用PWM驅(qū)動(dòng)方式，即在固定的載波周期T下，調(diào)節(jié)閥通電的占空比，實(shí)現(xiàn)閥的開(kāi)啟面積與開(kāi)啟時(shí)間的控制。ABS控制變量包括載波周期T和時(shí)間分辨率τ，時(shí)間分辨率τ一般是控制中進(jìn)行周期定時(shí)計(jì)數(shù)的最小時(shí)間單元，T與τ的關(guān)系為

T=Nτ

(2)

式中：N為正整數(shù)，是載波周期所含最小時(shí)間單元的個(gè)數(shù)。

ABS控制中，一般以一個(gè)載波周期T中的流量作為控制的基本流量單位，并組合連續(xù)多個(gè)載波周期里的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)不同總流量的調(diào)節(jié)。

為研究ABS控制與閥流量特性的關(guān)系，定義閥在一個(gè)載波周期T里的平均流量為流量分辨率qres，下面研究ABS控制與閥口流量特性的關(guān)系。

在ABS一個(gè)載波周期的控制中，閥的通電時(shí)間ton只可能有N+1個(gè)取值，即ton=0,τ,2τ,…,Nτ，相應(yīng)的閥的斷電時(shí)間toff=T-ton。由于時(shí)間取值的離散性，閥的流量調(diào)節(jié)就是非連續(xù)的，因此流量調(diào)節(jié)分辨率qres也是非連續(xù)的。

以增壓閥為例，假定理想閥的動(dòng)作極快，響應(yīng)時(shí)間可以忽略。在一個(gè)PWM載波周期T里，對(duì)應(yīng)非連續(xù)的N+1個(gè)toff，利用式(1)，以閥全開(kāi)時(shí)的流量q作為基準(zhǔn)，可以計(jì)算閥的N+1個(gè)流量分辨率qresi為

(3)

式中：qresi為toff=iτ時(shí)閥的流量分辨率。

因此理想閥在全開(kāi)狀態(tài)下，qresi將以q/N的整數(shù)倍實(shí)現(xiàn)。

由于實(shí)際閥存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在未全開(kāi)的情況下也會(huì)有液體流過(guò)，因此閥口動(dòng)作時(shí)間不能忽略。這種工況下的流量分辨率會(huì)與全開(kāi)狀態(tài)下的差別較大。由于閥口未全開(kāi)，式(1)中的流量系數(shù)Cq與截面積A都難以確定，因而難以準(zhǔn)確描述系統(tǒng)流量特性。

在閥部分開(kāi)啟的情況下，閥的工作狀態(tài)與閥PWM控制的斷電占空比toff/T關(guān)系密切，閥PWM載波周期T=ton+toff?？紤]增壓閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間τi和動(dòng)作的延遲時(shí)間τidy，分析閥的響應(yīng)與運(yùn)動(dòng)形式主要分為以下3種。

(1) 在閥斷電時(shí)間toff長(zhǎng)于斷電動(dòng)作延遲時(shí)間τioffdy后，閥口才開(kāi)始開(kāi)啟。在toff<τioff時(shí)，閥都處于部分開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)閥開(kāi)始通電，則經(jīng)過(guò)τiondy時(shí)間后，閥開(kāi)始關(guān)閉。在ton>τion時(shí)，可以保證增壓閥徹底關(guān)閉，但實(shí)際根據(jù)閥斷電時(shí)間toff里部分開(kāi)啟的大小，在ton<τion的情況下也能關(guān)閉增壓閥。

(2) 在toff>τioff時(shí)，閥全開(kāi)啟，當(dāng)閥開(kāi)始通電，則經(jīng)過(guò)時(shí)間τiondy后，閥開(kāi)始關(guān)閉。在ton>τion時(shí)，增壓閥徹底關(guān)閉。

(3) 如果時(shí)間toff較長(zhǎng)，而時(shí)間ton較短，則有可能在一個(gè)載波周期里，閥的關(guān)閉控制執(zhí)行不完，通常須在控制中將操縱延續(xù)到下一周期繼續(xù)執(zhí)行。

以閥驅(qū)動(dòng)電壓、閥芯位移與時(shí)間的關(guān)系來(lái)表示上述響應(yīng)狀態(tài)，如圖1所示。

2 閥的理論與實(shí)際流量分辨率特性

閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生了閥的部分開(kāi)啟工作狀態(tài)。由于閥芯位移對(duì)流量的影響并非線性，在一定位移之后，其流量與全開(kāi)時(shí)就基本一致，即存在開(kāi)度飽和流量。但由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間τioff很短，在toff比τioff大得多時(shí)，可近似認(rèn)為流量與位移呈線性關(guān)系，此時(shí)可以圖1中位移-時(shí)間曲線下的面積來(lái)衡量閥口開(kāi)啟的流量，則從圖中(1)→(3)的演變可以看出，流量隨著斷電占空比toff/T增大而逐漸增大。由于toff的取值是離散的，在toff=0,τ,2τ,…,Nτ時(shí)，可以分別得到閥的N+1個(gè)流量分辨率qresi,i=0～N，以全開(kāi)時(shí)的流量q作為基準(zhǔn)，可以得到流量分辨率為

qresi=ξiq,ξi≤1，i=0～N

(4)

式中：ξi為閥對(duì)應(yīng)斷電占空比i/N的流量分辨率系數(shù)。

在PWM載波周期T內(nèi)的N+1個(gè)ξi隨著斷電占空比的增大而增大。另一方面，結(jié)合式(1)和式(4)，流量分辨率qresi與閥兩端壓力差Δp有關(guān)系，Δp越大則qresi越大。式(3)和式(4)分別是理想閥和實(shí)際閥的流量分辨率的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算得到的流量分辨率，可以得到理論流量分辨率系數(shù)。

理想閥與實(shí)際閥的理論流量分辨率系數(shù)隨斷電占空比的變化示意如圖2所示。在PWM載波周期T內(nèi)的N+1個(gè)ξi隨著斷電占空比的增大而增大。實(shí)際閥由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性影響，相應(yīng)的理論流量分辨率系數(shù)要比理想閥的小。

閥的實(shí)際流量分辨率qresi可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，需要測(cè)量高低不同壓差水平下的曲線。方法是采用同一制動(dòng)分泵，在設(shè)定壓差水平下，在一個(gè)載波周期T以不同的PWM占空比控制閥，測(cè)量分泵壓力變化，再根據(jù)分泵液壓特性計(jì)算流量。

某一增壓閥的實(shí)際流量分辨率的部分試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

增壓閥的實(shí)際流量分辨率總體隨著斷電占空比和壓差的增大而增大。在小壓差情況下閥的流量分辨率不夠穩(wěn)定，壓差在6MPa以上時(shí)閥的流量分辨率隨壓差的變化較小，相同斷電占空比下特性比較穩(wěn)定。這表明在壓差較大時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)流量分辨率的影響較小，原因是壓差大時(shí)閥口出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象[9]，流量趨于恒定，因而粗略地說(shuō)，流量分辨率主要隨斷電占空比增大而增大。

減壓閥與增壓閥的工作原理類(lèi)似，主要區(qū)別是減壓閥在通電時(shí)開(kāi)啟，在斷電時(shí)關(guān)閉。某一減壓閥的實(shí)際流量分辨率部分試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。減壓閥的實(shí)際流量分辨率總體隨著通電占空比和壓差的增大而增大。與增壓閥類(lèi)似，減壓閥也存在小壓差情況下閥的流量分辨率不夠穩(wěn)定的情況，而在壓差高于6MPa時(shí)，流量分辨率相對(duì)比較穩(wěn)定，受壓差的影響較小，這也是因流量飽和現(xiàn)象所致。

3 ABS閥流量特性的應(yīng)用要求

增、減壓閥的流量分辨率qres特性須根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，綜合ABS的控制要求來(lái)選擇。制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)主要是分泵的液壓特性，由分泵壓力與需液量的關(guān)系決定，ABS控制要求則要考慮系統(tǒng)的增、減壓工況的特點(diǎn)。

(5)

3.1 增壓閥流量特性要求

(6)

在緊急制動(dòng)情況下，通常要求分泵的增壓速度越快越好，但實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮制動(dòng)系統(tǒng)的操控性，尤其是在系統(tǒng)存在控制滯后的情況下，增壓速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致壓力超調(diào)問(wèn)題。因此，常規(guī)制動(dòng)增壓特性要求的分泵壓力變化率主要滿足兩個(gè)條件，一是在希望的增壓時(shí)間內(nèi)壓力能夠增高到使車(chē)輪在高附著路面抱死的水平，二是在系統(tǒng)滯后時(shí)間內(nèi)壓力的超調(diào)量要小，且至少要小于ABS在一個(gè)PWM載波周期T內(nèi)的減壓修正量，即

(7)

式中：T0為希望的增壓時(shí)間；phigh為高附著路面車(chē)輪抱死的分泵壓力水平；τc為系統(tǒng)滯后時(shí)間；Δpdec為ABS在一個(gè)PWM載波周期T內(nèi)的減壓修正量。

進(jìn)行估算時(shí)，可以假定總泵壓力遠(yuǎn)高于分泵壓力，認(rèn)為q變化不大，將式(6)代入式(7)，則可以得到閥口全開(kāi)時(shí)流量分辨率的要求為

(8)

ABS增壓工況要求的是增壓閥部分開(kāi)度下的流量特性。ABS控制的增壓過(guò)程普遍采用的是階梯增壓方式，目的是限制平均流量，控制增壓速率。在連續(xù)的多個(gè)控制周期T內(nèi)，只有前一兩個(gè)周期有流量，后幾個(gè)控制周期的流量為0。

階梯增壓中閥的流量分辨率須滿足在設(shè)定的增壓次數(shù)下能升高一定的壓力幅值Δpi，以低附著路面為例，流量分辨率產(chǎn)生的增壓應(yīng)小于附著系數(shù)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)壓力，但也應(yīng)滿足在設(shè)定的幾次增壓里就使車(chē)輪抱死。另外，從控制的穩(wěn)健性考慮，流量分辨率在不同壓差下的差別應(yīng)較小，這樣才能減少駕駛員制動(dòng)力操控差異的影響。綜合以上要求，流量分辨率須滿足

(9)

式中：Δpi為增壓的壓力波動(dòng)幅值；N1為設(shè)定的階梯增壓次數(shù)。

式(9)中閥的流量分辨率qres既是進(jìn)行HCU選型時(shí)需要考慮的一個(gè)因素，也是ABS參數(shù)標(biāo)定時(shí)需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)。

3.2 減壓閥流量特性要求

ABS減壓工況對(duì)系統(tǒng)減壓特性要求有兩種：一種是連續(xù)減壓工況下在減壓閥全開(kāi)時(shí)的減壓特性；另一種是階梯減壓時(shí)減壓閥在部分開(kāi)度下的減壓特性。

PWM階梯減壓工況一般應(yīng)用在高附著路面，此時(shí)附著系數(shù)沒(méi)有突變，因此不需要特別大的減壓。通常設(shè)定正常減壓波動(dòng)幅值為Δpd，為實(shí)現(xiàn)快速減壓，要求閥口最大的流量分辨率應(yīng)在一個(gè)載波周期內(nèi)即能實(shí)現(xiàn)這一減壓要求。另一方面，為適應(yīng)更細(xì)致的減壓控制，閥的流量分辨率要足夠小，可以Δpd/3作為分辨率的最小要求，同時(shí)在最大與最小的分辨率之間應(yīng)有足夠的調(diào)節(jié)級(jí)別，通常不少于4級(jí)調(diào)節(jié)?？偟囊鬄?/p>

(10)

(11)

式中：qresN為減壓閥的最大流量分辨率；qresm為減壓閥的最小流量分辨率；ξm為對(duì)應(yīng)qresm的流量分辨率系數(shù)。

通過(guò)分析常規(guī)制動(dòng)與ABS控制的制動(dòng)增、減壓特性的要求，即可根據(jù)流量分辨率對(duì)增、減壓閥進(jìn)行選型。

4 減壓閥流量特性仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

(12)

對(duì)式(12)分離變量，可得到連續(xù)減壓時(shí)間的積分公式為

(13)

式中：Tdec為減壓持續(xù)時(shí)間，對(duì)應(yīng)Thigh、Tlow；p0為連續(xù)減壓的降壓要求，對(duì)應(yīng)phigh、plow；p1為連續(xù)減壓的最終壓力要求，一般接近0，或?yàn)樾钅芷髌鹗級(jí)毫?；ξp為持續(xù)減壓中對(duì)應(yīng)壓差的流量分辨率系數(shù)。

某減壓閥的流量分辨率系數(shù)與壓差的關(guān)系曲線和相應(yīng)的擬合曲線如圖5所示。

根據(jù)式(13)，利用上述的減壓閥配對(duì)某一分泵構(gòu)成的ABS，采用擬合的流量分辨率系數(shù)與壓差曲線仿真計(jì)算持續(xù)減壓工況下的壓力時(shí)間曲線，并與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。在持續(xù)減壓時(shí)，相同的減壓時(shí)間下，計(jì)算與實(shí)測(cè)的最終壓力相差不超過(guò)0.5MPa，系統(tǒng)從12MPa減壓到0.3MPa所用時(shí)間都在0.16s左右，可見(jiàn)仿真有較高精度。

5 結(jié)論

(1) ABS高速開(kāi)關(guān)控制閥的固有流量特性與節(jié)流孔直徑有關(guān)。

(2) ABS開(kāi)關(guān)閥采用固定載波周期T的PWM控制方式時(shí)，其控制流量特性可用流量分辨率qres和流量分辨率系數(shù)ξ來(lái)描述。

(3) 增壓閥的實(shí)際qres總體隨著斷電占空比和壓差的增大而增大，在壓差較大時(shí)，由于飽和流量特性的影響，qres主要隨斷電占空比變化。

(4) 減壓閥的實(shí)際qres總體隨著通電占空比和壓差的增大而增大，在壓差較大時(shí)，由于飽和流量特性的影響，qres主要隨通電占空比變化。

(5)qres可用于HCU選型和ABS匹配時(shí)的控制參數(shù)選取。

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A Research on the Flow Characteristics of ABSHydraulic Control Unit Under Switch Control Mode

Zhang Yonghui1, Yu Liangyao1, Wang Weiwei1, Wei Wenruo2& Zhang Yongsheng2

1.TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084;2.R&DCenter,ChinaFAWGroupCorporation,Changchun130011

For improving the matching quality of vehicle anti-lock braking system (ABS), the flow characteristics of hydraulic control unit (HCU) is studied. Firstly based on the HCU valve port flow model built, the working principle of valve port in switch control mode is analyzed. Then combined with ABS control strategy, the theoretical flow resolution characteristics of valve port are defined, and the real flow resolution characteristics of inlet and outlet valves of HCU are measured by test. Finally the requirements of flow resolution of inlet and outlet valves in HCU matching are determined according to ABS pressure control principle，and the flow characteristics of outlet valves are simulated and validated by real vehicle testing. The results show that the flow resolution can be used to better describe the characteristics of HCU, conducive to the matching and application of ABS system.

ABS; hydraulic control unit; switch control; flow characteristics; flow resolution

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111204,2012AA110903)、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711205)和中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(20110490386)資助。

原稿收到日期為2013年5月5日，修改稿收到日期為2013年9月23日。