交互型雙回路駐車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司文奎，李小菊，張凱旋

交互型雙回路駐車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司文奎1，李小菊2，張凱旋3

（1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118；2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123；3.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙410082）

以比亞迪電動(dòng)客車為例，針對客車普遍存在的起步溜坡、駐車制動(dòng)自動(dòng)化程度偏低及節(jié)能效果較差等現(xiàn)象，引入扭矩駐車和可變氣壓控制的概念，詳細(xì)介紹雙回路制動(dòng)系統(tǒng)信息交互設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)最大程度的安全和節(jié)能效果。

電動(dòng)客車；扭矩解鎖；雙回路；駐車制動(dòng)；可變氣壓

1　引言

客車制動(dòng)系統(tǒng)一般由“行車制動(dòng)回路”和“駐車制動(dòng)回路”構(gòu)成［1］。前者主要用于車輛行駛減速，后者主要用于駐車及短暫制動(dòng)。該系統(tǒng)控制策略普遍采用“氣動(dòng)-手動(dòng)-電控”方案，因其清潔安全、動(dòng)力大，且技術(shù)成熟、成本較低，故在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。但不同廠家對該系統(tǒng)的理解程度不同，所做的邏輯方案也不盡相同，相當(dāng)一部分車輛均存在不同程度的起步溜坡及自動(dòng)化程度偏低的現(xiàn)象。

比亞迪K9系列電動(dòng)客車針對此類不足做了改進(jìn)。圖1為K9大客車所配備的制動(dòng)系統(tǒng)（雙通單向閥之后的氣路通向繼動(dòng)閥及制動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)），其中，“腳剎制動(dòng)氣路”受腳剎深度控制，為基本配置；“駐車制動(dòng)氣路”受整車控制器控制，提供額外的可控制動(dòng)功能。

圖1中，雙通單向閥接收兩路氣壓輸入，且將較大者輸送至下一級(jí)（繼動(dòng)閥）；比例電磁閥接受整車控制器的連續(xù)、模擬電壓，產(chǎn)生連續(xù)、可控的氣壓值［2］。

車輛減速停止的制動(dòng)力受腳剎制動(dòng)氣路控制［3］。車輛停穩(wěn)之后，整車控制器控制比例電磁閥開始工作，比例電磁閥產(chǎn)生一定氣壓值，并通過駐車制動(dòng)氣路提供額外的制動(dòng)力信號(hào)，從而使駕駛員在“短暫制動(dòng)”的情形下無需持續(xù)踩腳剎或頻繁切換手剎。

本文詳細(xì)介紹此雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，并針對此系統(tǒng)在駐車制動(dòng)方面的若干難點(diǎn)，提出反饋?zhàn)孕Ｕ桨?，提高客車制?dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)其安全性和節(jié)能性。

2　雙回路制動(dòng)系統(tǒng)介紹

2.1扭矩互鎖和扭矩解鎖

K9電動(dòng)大客車車速報(bào)文信號(hào)和扭矩報(bào)文信號(hào)均來自電機(jī)控制器，精度較高。車輛即將停下時(shí)的車速曲線和車輛即將停止輸出扭矩時(shí)的扭矩曲線如圖2所示。

由圖2可見，K9車速信號(hào)和扭矩信號(hào)較為理想，不存在靜態(tài)波動(dòng)，可作為“車輛停穩(wěn)”的判定條件。故設(shè)定整車控制器控制比例電磁閥駐車制動(dòng)生效的條件：“車速為零且扭矩為零，持續(xù)500 ms”，實(shí)現(xiàn)“車輛停止-駐車”的無縫銜接。駐車制動(dòng)解除的時(shí)刻由電機(jī)控制器判定，電機(jī)控制器處理加速踏板信號(hào)，綜合考慮車輛所在坡度等信息，在其扭矩輸出曲線的某一時(shí)刻向整車控制器發(fā)送“駐車制動(dòng)解除”指令。整車控制器收到此信號(hào)后，在50 ms之內(nèi)取消比例電磁閥的輸入電壓，從而完全取消整車制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)“駐車制動(dòng)解除-起步”的無縫銜接。

2.2“駐車氣路”可變氣壓控制

圖1中，雙通單向閥最重要特征：取兩路氣信號(hào)的較大值作為輸出送至下一級(jí)。此特征對進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的安全性和節(jié)能性具有很強(qiáng)的意義。

在章節(jié)2.1的基礎(chǔ)上，當(dāng)車輛停穩(wěn)時(shí)，整車控制器首先檢測腳剎制動(dòng)氣路的氣壓值，若腳剎制動(dòng)氣路氣壓小于1個(gè)大氣壓（與大氣的壓差，下同）時(shí)，通過比例電磁閥控制駐車制動(dòng)氣路的氣壓值為1個(gè)大氣壓。若腳剎制動(dòng)氣路氣壓大于1個(gè)大氣壓，則控制駐車制動(dòng)氣路的氣壓值和腳剎制動(dòng)氣路氣壓值相等（考慮到雙通單向閥工作原理，“相等”的定義為前者比后者大0.2 bar，下同）。

整車控制器控制駐車制動(dòng)氣路氣壓之后，持續(xù)監(jiān)測腳剎制動(dòng)氣路氣壓值，若其有高于駐車制動(dòng)氣路的氣壓出現(xiàn)，則立刻增大駐車制動(dòng)氣路氣壓至該氣壓值。

駐車制動(dòng)“解除”的條件保持不變，由電機(jī)控制器發(fā)送命令請求。

2.3實(shí)際應(yīng)用的缺陷

理論上講，章節(jié)2.1和2.2所介紹的制動(dòng)系統(tǒng)方案，自動(dòng)化程度很高，無需持續(xù)踩腳剎且無需頻繁操作手剎，能保障基本制動(dòng)力、避免不必要的排氣，且能自動(dòng)刷新增大制動(dòng)氣壓［4］。但是在實(shí)際應(yīng)用中，氣動(dòng)元件及氣動(dòng)系統(tǒng)本身固有的特征也導(dǎo)致其有先天性的不足，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）氣信號(hào)的傳遞較慢，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性降低。

2）氣動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，誤差容易累積，不利于做精密控制。

3）氣動(dòng)元件參數(shù)精度低，時(shí)間一致性較差，老化速度快。

以上缺陷會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)際效果的偏差，致使本方案無法充分發(fā)揮其節(jié)能性。國內(nèi)亦有個(gè)別整車廠嘗試過類似的方案，但都停留在了此階段之前，并停止相關(guān)的開發(fā)研究。下面詳細(xì)介紹該偏差產(chǎn)生的根源和“反饋”校正方法在該系統(tǒng)的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對該比例電磁閥的精準(zhǔn)控制。

3　反饋?zhàn)孕Ｕp回路制動(dòng)系統(tǒng)

3.1“反饋”基本原理

“反饋”又稱回饋［5］，是控制論的基本概念，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的進(jìn)程。

本系統(tǒng)方法使用的為“負(fù)反饋”，反饋原理如圖3所示。其中輸入為目標(biāo)氣壓值，輸出為實(shí)際氣壓值。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測實(shí)際氣壓值，并根據(jù)矯正因子確定矯正量，直至實(shí)際氣壓和目標(biāo)氣壓相等。

應(yīng)用實(shí)例中，當(dāng)車停穩(wěn)時(shí)，整車控制器須控制駐車制動(dòng)氣路氣壓值與腳剎制動(dòng)氣路氣壓值相等。若車停穩(wěn)后兩者偏差較大，系統(tǒng)即可進(jìn)入自矯正流程，自動(dòng)調(diào)整比例電磁閥的輸入電壓并記錄該電壓值，確保目標(biāo)氣壓值準(zhǔn)確。

3.2方案詳解

3.2.1產(chǎn)品參數(shù)介紹

WABCO某款氣壓傳感器函數(shù)關(guān)系為

WABCO某款比例電磁閥函數(shù)關(guān)系為

（x單位：mA；f（x）單位：bar）。

由參數(shù)手冊可知，整車控制器的D/A轉(zhuǎn)換模塊的等效輸出電阻為1Ω，比例電磁閥的輸入電阻為10 Ω。D/A轉(zhuǎn)換模塊參考電壓為8 V；八位控制寄存器，即最大輸出為Vcc，最小為Vss，精度為Vcc/（28-1）［6］。

所謂“相等”，即通過氣壓傳感器采集“腳剎制動(dòng)氣路”的氣壓值。通過理論計(jì)算，輸出一電壓至比例電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)對“駐車制動(dòng)氣路”氣壓值的控制，并使兩者相等。

圖1中，氣壓傳感器1和氣壓傳感器2均為WABCO同款氣壓傳感器，可認(rèn)為參數(shù)完全一樣（本文以下論述均建立在此假設(shè)之上），其輸出至整車控制器的模擬電壓分別為U（i）和U（i2）。D/A模塊輸出電壓（輸出至比例電磁閥）為U（o），整車控制器填充到D/A轉(zhuǎn)換模塊控制寄存器的值為C（o）。

由理論計(jì)算可知［7］，若要控制“駐車制動(dòng)氣路”氣壓值和“腳剎制動(dòng)氣壓值”相等，需有：

U（i）單位：V；C（o）單位：“1”。C（o）的計(jì)算結(jié)果向下取整。

由以上計(jì)算公式可知，理論上講，監(jiān)測到氣壓傳感器的輸出電壓，填充相應(yīng)的C（o）值至D/A轉(zhuǎn)換模塊控制寄存器，即可控制“駐車制動(dòng)氣路”氣壓值和“腳剎制動(dòng)氣壓值”相等（即為無反饋）。但由于其為開環(huán)控制，無法對各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差做有效處理，故控制精度并不理想。

3.2.2“映射數(shù)組”初始化

為支持反饋校正方案的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)［8］，整車控制器需在自身存儲(chǔ)區(qū)初始化一數(shù)組，用于存儲(chǔ)U（i）和C（o）的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1　U（i）-C（o）映射數(shù)組

該表格均勻地體現(xiàn)了U（i）和C（o）的對應(yīng)關(guān)系，整車控制器根據(jù)檢測到的U（i），快速索引并填充對應(yīng)的C （o），其中C（o）的實(shí)際有效范圍為51-210（該表格初始數(shù)據(jù)來源于理論計(jì)算）。

3.2.3矯正算法

系統(tǒng)以整車控制器為控制核心，構(gòu)建負(fù)反饋型線性離散控制系統(tǒng)。本方案運(yùn)用迭代算法，可充分發(fā)揮MCU的運(yùn)算功能。

t=0 s（互鎖生效的時(shí)刻）時(shí)，整車控制器采集到U（i）=2.694 V，索引數(shù)組獲得C（o）=160，將此C（o）值填充至D/A模塊控制寄存器。t=0.5 s時(shí)，整車控制器采集U（i2）的值，發(fā)現(xiàn)U（i2）和2.694 V偏差較大，兩個(gè)回路氣壓不相等，理論計(jì)算和實(shí)際不一致。進(jìn)一步推測，比例電磁閥的特征參數(shù)發(fā)生了漂變，需要校正。

該“負(fù)反饋”校正系統(tǒng)的流程如圖4所示［9］。當(dāng)U （i2）相比U（i）偏大時(shí)，即氣壓傳感器2監(jiān)測到的氣壓高于目標(biāo)值，此反饋因子可使C（o）減少，從而減少U（i2），反之，則增大C（o）及U（i2），最終使U（i2）等于U（i）。

該“負(fù)反饋”校正流程進(jìn)入的時(shí)刻為互鎖生效之后，假設(shè)比例電磁閥輸入電阻漂變?yōu)?2.2 Ω，代入初始值U （i）=2.694及C（o）=160。經(jīng)過11次運(yùn)算后，便得到了C （o）更新之后的值應(yīng)為193?？梢?，整車控制器經(jīng)過自校正之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓U（i）=2.694時(shí)，原有C（o）=160已不能滿足要求，需將該輸入電壓重新對應(yīng)至C（o）=193，直接修改映射數(shù)組即可（把本行第二列160修改成193，把第三列0修改為1）。

本例中假設(shè)比例電磁閥的輸入電阻發(fā)生了漂變，U （i）=2.694對應(yīng)的C（o）值即從160調(diào)整至193。實(shí)際上電阻漂移后的值是未知的，且系統(tǒng)會(huì)有多個(gè)誤差來源。但其仍必有一單調(diào)遞增的函數(shù)關(guān)系U（i2）=f（C（o））。整車控制器可以且只能通過迭代算法，找出其對應(yīng)的最佳C（o）值，從而使氣壓控制在最適宜狀態(tài)。

車輛下次停穩(wěn)時(shí)，整車控制器立即從該數(shù)組中索引對應(yīng)關(guān)系，從而以最快速度驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓，控制氣壓輸出。制動(dòng)動(dòng)作完成后，若有必要，再進(jìn)行自校正和更新數(shù)組。

3.3總結(jié)討論

本文所述校正方案，把整個(gè)系統(tǒng)所有誤差因子均包含在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了“從源頭到源頭”的迭代及數(shù)組映射，對比例電磁閥的技術(shù)要求大幅降低，只需保證氣壓相對于電壓的單調(diào)性以及D/A模塊電壓波動(dòng)幅度不引起其充/放氣即可，簡單可靠。

本方案中所提到的零件特性及數(shù)組映射方法，若理論計(jì)算較難將其完全覆蓋，應(yīng)適當(dāng)采用數(shù)學(xué)插值［10］的方法，以簡化系統(tǒng)，增強(qiáng)可靠性。方案中所設(shè)定的定時(shí)及延時(shí)，應(yīng)根據(jù)零部件的實(shí)際性能盡可能縮短，以優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

若比例電磁閥精度較差，可適當(dāng)增大映射數(shù)組第二列的步進(jìn)值，減少氣壓梯度。

氣動(dòng)元件［11］的參數(shù)漂移程度一般較小，校正所需次數(shù)一般也較少。實(shí)際校正過程中，迭代次數(shù)一般在5以內(nèi)。氣動(dòng)元件的參數(shù)漂移一般也需要經(jīng)歷較長的使用時(shí)間后才會(huì)出現(xiàn)。因此，頻繁的自校正并不必要。設(shè)計(jì)者可在實(shí)際應(yīng)用中對“自校正”的頻率進(jìn)行調(diào)整，比如整車控制器采集系統(tǒng)日歷時(shí)間信息，在每月的某幾天啟動(dòng)自校正，或者由售后人員對整車控制器發(fā)送特定報(bào)文，整車控制器收到有效報(bào)文命令后再啟動(dòng)自檢校正。

4　結(jié)束語

本文以客車制動(dòng)系統(tǒng)為著眼點(diǎn)，詳細(xì)介紹了一種低成本高性能的交互型雙回路制動(dòng)系統(tǒng)方案，且針對氣動(dòng)元件的特點(diǎn)，引入了一種“反饋?zhàn)孕Ｕ钡膮?shù)自檢方法。通過末端反饋，該方案很好地消除了“多環(huán)節(jié)串聯(lián)”控制系統(tǒng)的累計(jì)誤差，且克服了不同原理、不同型號(hào)的氣動(dòng)元件之間參數(shù)不一致所帶來的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，確保了系統(tǒng)的實(shí)際輸出與最初設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

［1］于俊峰，郝新平.國產(chǎn)商用車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展［J］.重型汽車，2008，（5）：12-14.

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修改稿日期：2015-04-07

Design of Alternative Double-pipe Park Braking System

Si Wenkui1，Li Xiaoju2，ZhangKaixuan3
（1.BYDAutoIndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China；2.State Grid ChongqingElectric Power Research Institute，Chongqing 401123，China；3.College ofElectrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Taking a BYD electric bus for example，the authors aim at the common phenomena of starting slip slope，park brake automation lower，and energysaving-effect worse，and introduce the concepts oftorque park and variable air pressure control，and detailedly present the message alternative design of double-pipe park braking system.As a result，theyachieve the great degree ofsafetyand energysavingeffects.

electric bus；torque unlock；double-pipe；park braking；variable air pressure

U469.72；U463.5

B

1006-3331（2015）06-0024-04

司文奎（1988-），男，研究方向：制動(dòng)系統(tǒng)、仿真分析、測試工具開發(fā)、系統(tǒng)方案規(guī)劃。