基于邏輯門限控制的EPB坡道起步仿真與試驗研究?

王洪亮，彭 湃，谷文豪

(南京理工大學機械工程學院，南京 210000)

前言

坡道起步是汽車行駛中較復雜的工況，要求駕駛員對制動器、離合器和油門等機構進行協(xié)調(diào)控制，若操作不當會造成發(fā)動機熄火、離合器磨損、起步?jīng)_擊大甚至溜車等不良現(xiàn)象[1-3]。坡道起步輔助系統(tǒng)(hill start assistance，HSA)通過延緩解除車輪制動，有效避免上述情況，提高了坡道起步操作安全性、舒適性與簡便性[4]。

國內(nèi)外研究人員對坡道起步輔助系統(tǒng)進行了大量研究，并開發(fā)出不同類型的坡道起步輔助系統(tǒng)。

葛安林等[5]在車輛制動主缸與制動輪缸之間加裝隔離閥，用于截斷制動輪缸與制動主缸之間的通路。當駕駛員松開制動踏板之后，隔離閥開啟，保持制動壓力；當離合器傳遞的轉矩足以使車輛安全起步時，關閉隔離閥釋放制動。

崔海峰等[6]基于ABS/ASR集成控制系統(tǒng)在坡道起步時對非驅動輪的制動力進行主動干預。通過加裝轉矩傳感器來判斷坡道起步輔助釋放條件；當轉矩傳感器信號大于正力矩信號時，立即解除制動干預控制，實現(xiàn)坡道起步。

DELVECCHIO等[7]在裝有電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)的商用車上，通過引入轉矩傳遞檢測控制策略來判斷駕駛員的起步意圖；根據(jù)加速度傳感器測得坡道角度并將其分為大坡道與小坡道。小坡道起步時，檢測到有效輸出轉矩則立即釋放制動；大坡道起步時，檢測到足夠的輸出轉矩時則釋放制動。

由此可見，坡道起步的關鍵在于制動釋放時機的選擇，釋放過早，車輛驅動力不足以克服坡道阻力則會引起車輛后溜；釋放過晚，制動力成為阻礙車輛前進的力則會造成車輛起步滯后甚至熄火。在前期的研究中，文獻[8]中提出了EPB坡道起步的Bang-Bang控制方法，在坡道起步過程中控制駐車制動氣室氣壓跟隨驅動轉矩上升而上升，即隨驅動轉矩上升而逐步釋放駐車制動。但隨著氣壓的升高，Bang-Bang控制的兩門限值之差增大，控制間隔變長，導致控制精度降低，使制動釋放延遲較大。

本文中基于氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)，提出一種坡道起步控制方法對駐車制動的釋放進行控制，在保證車輛安全起步的情況下，減少制動釋放延遲，實現(xiàn)坡道起步輔助功能，并達到良好的起步控制效果。

1 氣壓式EPB系統(tǒng)工作原理

圖1 氣壓式EPB系統(tǒng)模型

氣壓式EPB系統(tǒng)如圖1所示，在原車制動系統(tǒng)基礎上，加裝電磁閥和ECU，并用電子開關取代傳統(tǒng)手制動；結合 CAN總線信息與傳感器信息，通過ECU來控制電磁閥動作，實現(xiàn)駐車制動管路的氣壓控制[9]。解除駐車時，ECU控制電磁閥開啟將儲氣罐通過繼動閥控制口與駐車制動氣室的通道導通，儲氣罐內(nèi)的壓縮氣體由繼動閥進入駐車制動氣室，實現(xiàn)駐車釋放；施加駐車時，ECU控制電磁閥將繼動閥控制口中的壓縮氣體排入大氣，儲氣罐與駐車制動氣室的通路被切斷，駐車制動氣室內(nèi)的壓縮氣體經(jīng)繼動閥出氣口排入大氣，實現(xiàn)駐車制動。氣壓傳感器用于檢測制動氣室中氣體壓力，間接判斷出制動力大小。

2 坡道起步過程與控制目標

2.1 坡道起步過程

坡道起步過程的示意圖如圖2所示。由圖可見，車輛在坡道起步時，制動器提供的駐車制動力FXb隨車輛的驅動力Ft的增大而減小[10]。理想狀態(tài)下，在t1時刻驅動力Ft等于坡道阻力Fi，即驅動力剛好克服坡道阻力時，駐車制動完全解除。但實際上為了避免因過早釋放制動而造成的后溜現(xiàn)象，且考慮到解除駐車過程中駐車制動氣室充氣的遲滯，在t2時刻才開始釋放制動，此后開始有了車速v，到t3時刻制動完全釋放；圖中t1～t3時刻陰影區(qū)域的大小即代表了制動釋放延遲的程度。制動力釋放延遲會阻礙車輛起步，造成離合器滑摩功和起步?jīng)_擊度增大甚至使車輛熄火。因此，為了提高坡道起步的控制效果，須在保證安全的情況下，減小甚至消除制動釋放延遲。為此，在驅動力未克服坡道阻力時，就提前釋放駐車制動；且為避免車輛后溜，須隨著驅動力的上升逐步釋放制動。

圖2 坡道起步過程

2.2 坡道起步控制目標

為便于研究，對車輛駐車制動系統(tǒng)模型進行簡化。GB7258—2012[11]規(guī)定:在空載狀態(tài)下，駐車制動裝置應保證機動車在坡度為20%、輪胎與路面間的附著系數(shù)大于等于0.7的坡道上正、反兩個方向保持固定不動，時間應大于等于5min。因此制動系的最大制動力FXbmax應等于空載時車輛在20%坡道上所受的坡道阻力，此時，駐車制動氣室內(nèi)的氣壓為0。

式中:m0為空載質(zhì)量；g為重力加速度。

當完全解除駐車制動，即制動力FXb為0時，所需氣壓值為p0，則車輛氣壓制動系統(tǒng)模型可簡化為

式中:δ＝FXbmax/p0；p為駐車制動氣室氣壓。

當車輛在坡度為α(α＜20%)的坡道上起步時，最大制動力FXbmax大于坡道阻力Fi。為減小制動力釋放延遲，可向駐車制動氣室提前充入一定量的壓縮氣體，且保證車輛不會后溜，此時的需求氣壓p1為

當驅動力Ft恰好克服坡道阻力Fi時，制動力FXb為 0，此時有

式中:Tt為驅動轉矩，N·m；ig和i0分別為變速器和主減速器傳動比；r為輪胎滾動半徑，m；ηT為傳動效率。

為便于控制研究與軟件實現(xiàn)，將坡道阻力Fi等效為坡道阻力矩Ti:

在坡道起步過程中，隨著驅動轉矩Tt的增大，逐步向駐車制動氣室內(nèi)充氣以釋放制動力。由以上分析可得當前驅動轉矩Tt下的需求氣壓pn為

由此可見，坡道起步控制的關鍵問題在于采用適當?shù)碾姶砰y控制策略，在保證安全的前提下，使駐車制動氣室氣壓p跟隨坡道起步需求氣壓pn上升而上升，實現(xiàn)坡道起步隨動控制。

3 控制方法研究

3.1 電磁閥工作特性與控制方法

EPB系統(tǒng)中所使用的電磁閥為開關閥，通過電磁閥的開關狀態(tài)控制駐車制動氣室的進氣量。圖3為試驗車上的EPB電磁閥在不同開啟時間下，駐車制動氣室氣壓的時間歷程，即升壓特性。由圖可見，駐車制動氣室初始壓力p為0.08MPa，電磁閥分別開啟20，30和40ms后關閉；開啟相應時間后，由于電磁閥的延遲特性和壓縮氣體的慣性作用，產(chǎn)生過充和遲滯現(xiàn)象，經(jīng)過反復試驗，得到電磁閥的充氣遲滯穩(wěn)定時間在40ms左右。同樣可以看出，電磁閥開啟時間越長，氣壓上升越高；且在一個開閉周期內(nèi)，駐車制動氣室的升壓值處于一定范圍之內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)的隨動控制要求。

圖3 電磁閥不同開啟時間下駐車制動氣室升壓特性

根據(jù)電磁閥工作時的駐車制動氣室升壓特性，采用脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM)方式來控制電磁閥的開閉。由于電磁閥的充氣遲滯穩(wěn)定時間在40ms左右，將此作為電磁閥一個控制周期的關閉時間，PWM-PFM控制即為保持電磁閥關閉時間不變，通過電磁閥開啟時間的變化來調(diào)節(jié)電磁閥控制信號的頻率與占空比，以控制駐車制動氣室的充氣速率和增壓值。

3.2 邏輯門限控制方法

在2.2節(jié)的分析中已知，坡道起步控制的關鍵問題是使駐車制動氣室氣壓p跟隨坡道起步需求氣壓pn上升而上升，因此應采用一種能快速響應的控制方法。邏輯門限控制[12]只須根據(jù)系統(tǒng)特性設定合理的門限值，無須建立復雜的控制模型，適用于非線性系統(tǒng)，確定合理的門限值能獲得較理想的控制效果。因此，本文中選擇邏輯門限控制作為氣壓式EPB坡道起步的控制方法。

選擇需求氣壓pn與駐車制動氣室氣壓p的壓差pd作為邏輯門限值來控制駐車制動氣室升壓或保壓，以獲得良好的跟隨效果。設置壓差pd的3個門限值為0.03，0.05和0.07MPa，每個門限值對應相應的電磁閥PWM-PFM控制方法。如圖4所示，邏輯門限控制方法利用3個等差的門限值，將控制精度始終保持在較高的范圍，克服了Bang-Bang控制方法控制間隔變長的缺點。

圖4 邏輯門限及對應的電磁閥PWM-PFM控制示意圖

氣壓式EPB坡道起步的邏輯門限控制方法流程圖如圖5所示。

4 坡道起步仿真與試驗分析

4.1 坡道起步仿真

在Matlab/Simulink 中搭建電磁閥模型和邏輯門限控制模型，在TruckSim中建立車輛的整車模型，聯(lián)合仿真模型如圖6所示。利用Matlab/Simulink和TruckSim對氣壓式EPB的邏輯門限控制方法的坡道起步過程進行聯(lián)合仿真，以檢驗該控制方法的控制效果。

模型中的驅動轉矩來自實車采集轉矩，需求氣壓根據(jù)式(6)計算，邏輯門限控制器根據(jù)需求氣壓pn與駐車制動氣室氣壓p的壓差pd進入不同的門限，對電磁閥進行PWM-PFM控制；電磁閥根據(jù)控制信號開啟或關閉，對駐車制動氣室充氣和保壓；TruckSim中的制動器模型根據(jù)氣壓升高而釋放制動力，輸出車速、位移等，并輸出變速器傳動比到控制模塊。

圖5 邏輯門限控制方法流程圖

圖6 邏輯門限控制方法的坡道起步聯(lián)合仿真

仿真條件為:車輛空載，整車質(zhì)量為5 760kg，在17.6%的坡道上起步。仿真結果如圖7所示。

根據(jù)整車質(zhì)量和坡道角度計算出坡道阻力矩Ti為145N·m，在保證安全的前提下，可向駐車制動氣室提前充入0.046MPa氣體，在t＝0時，電磁閥首次開啟向駐車制動氣室充氣。隨著驅動轉矩Tt的上升，需求氣壓pn也隨之上升，駐車制動氣室氣壓p按照邏輯門限控制方法進入不同的門限，觸發(fā)相應的電磁閥PWM-PFM控制，跟隨需求氣壓pn上升。t＝1.01s時，驅動轉矩Tt克服坡道阻力矩Ti，此時駐車制動氣室氣壓p為0.348MPa，制動力未完全釋放，電磁閥開啟充氣以快速釋放制動力。t＝1.04s時，車輛開始沿坡道向前移動；t＝1.07s時，駐車制動氣室氣壓p為0.4MPa，駐車制動完全釋放，坡道起步完成。

圖7 仿真結果

坡道起步過程中，車輛后溜距離僅為0.5cm，極其微小，可以忽略。制動力延遲釋放時間為0.06s，說明邏輯門限控制方法能在保證起步安全的情況下有效進行坡道起步控制，且制動力延遲釋放時間較短。

4.2 整車試驗分析

采用邏輯門限控制方法對某裝有氣壓式EPB的試驗車在20%坡道上進行坡道起步試驗，試驗車質(zhì)量為15 100kg，試驗曲線如圖8所示。須要指出的是，本節(jié)的整車試驗是事后進行的，所使用的車型和某些試驗條件與第4.1節(jié)的仿真不同，故其結果不能直接對比。

69.03 s之前，試驗車停駐在坡道上，驅動轉矩Tt＝0，系統(tǒng)計算出坡道阻力矩 Ti＝566N·m；隨后，駕駛員繼續(xù)踩油門，車輛驅動轉矩Tt隨之上升，在69.26s時，系統(tǒng)確定駕駛員的起步意圖，開啟電磁閥充氣以釋放制動力。隨著油門開度的不斷增加，驅動轉矩Tt持續(xù)上升，解除駐車制動力的需求氣壓pn隨驅動轉矩Tt升高；電磁閥在駐車制動氣室氣壓p觸發(fā)不同的門限值時，進行相應的PWMPFM控制，使駐車制動氣室氣壓p跟隨需求氣壓pn升高而升高。71.33s時，驅動轉矩Tt克服坡道阻力矩Ti，此時駐車制動氣室氣壓p為0.35MPa，駐車制動力未完全釋放；71.40s時，電磁閥常開充氣以快速釋放制動力；71.43s時開始有車速，車輛沿坡道向上移動；71.49s時，駐車制動氣室氣壓p達到0.4MPa，此時駐車制動力完全釋放，坡道起步控制結束。

值得注意的是，由于貨物的裝卸或人員的上下車，商用車的質(zhì)量變化較為頻繁和劇烈，在當前的研究過程中采用一種傳感器通過測量懸架撓度來間接計算汽車質(zhì)量[13]，所測質(zhì)量較為準確；在裝有EPB的各型商用車坡道起步試驗中，本文中提出的邏輯門限控制方法均取得了較為理想的坡道起步控制效果，具有優(yōu)良的魯棒性。

5 結論

圖8 坡道起步實車試驗

本文中針對氣壓式EPB的坡道起步問題，通過分析研究EPB坡道起步的控制目標和電磁閥的工作特性，提出了基于邏輯門限控制方法的EPB坡道起步控制策略。并通過Matlab/Simulink與TruckSim聯(lián)合仿真和實車試驗，得到以下結論:

(1)采用邏輯門限控制方法作為氣壓式EPB坡道起步的控制策略能實現(xiàn)車輛坡道起步輔助功能，保證車輛安全起步；

(2)在邏輯門限控制方法下的制動氣室氣壓對需求氣壓的跟隨效果良好，制動力延遲釋放的時間較短。

為提高商用車質(zhì)量識別精度和減小成本，下一步將研究一種在坡道起步過程中進行質(zhì)量識別并用于控制的方法，以期進一步提高商用車的坡道起步控制效果。