硬件在環(huán)制動(dòng)控制系統(tǒng)主缸壓力建壓設(shè)計(jì)優(yōu)化

崔海峰，吳君，楊春偉

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

汽車電氣化、智能化發(fā)展重構(gòu)車輛開發(fā)驗(yàn)證體系，工程開發(fā)難度顯著提升，而硬件在環(huán)技術(shù)在提高驗(yàn)證可靠性及加速車輛研發(fā)等方面的優(yōu)勢日益凸顯。車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)是車輛的核心安全系統(tǒng)之一，它與眾多周邊系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)，以及整車幾何參數(shù)、質(zhì)量分布等存在強(qiáng)耦合，而車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)高度依賴實(shí)車來確認(rèn)和不同周邊系統(tǒng)和不同車型搭配的兼容性，因此系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜度隨著車型變量的多樣化而呈幾何增長。制動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)對車輛、場地資源需求高，且需要在各種不同附著路面上進(jìn)行測試，其中低附路面更受季節(jié)因素限制。通過建立硬件在環(huán)制動(dòng)控制系統(tǒng)能夠使零件的開發(fā)驗(yàn)證擺脫時(shí)間及空間的限制，降低對車輛資源的占用，提高開發(fā)效率及可靠性。利用硬件在環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)測試時(shí)，首先需要使臺(tái)架能實(shí)現(xiàn)在踏板力輸入后，主缸壓力能及時(shí)響應(yīng)輸出，這樣后續(xù)的制動(dòng)控制系統(tǒng)壓力控制過程才能有準(zhǔn)確的響應(yīng)。

1 硬件在環(huán)制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于硬件在環(huán)制動(dòng)控制系統(tǒng)中，用真實(shí)的制動(dòng)系統(tǒng)零件作為被測硬件，而與之有耦合關(guān)系的車輛系統(tǒng)及測試環(huán)境則使用車輛模型代替，模型與被測零件之間由測試機(jī)柜進(jìn)行連接，車輛模型通過機(jī)柜將測試所需力或位移作用到零件，通過傳感器等將零件的響應(yīng)反饋給模型，實(shí)現(xiàn)在環(huán)測試過程。圖1所示為制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)測試機(jī)構(gòu)組成原理圖[1]。

測試系統(tǒng)主要由4個(gè)主要部分構(gòu)成：(1)真實(shí)制動(dòng)系統(tǒng)，由實(shí)際車輛的整套制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，包含制動(dòng)踏板、助力器、制動(dòng)主缸、制動(dòng)液壺、制動(dòng)控制模塊、前后輪制動(dòng)盤及輪缸、前后輪制動(dòng)盤及制動(dòng)管路。整套制動(dòng)系統(tǒng)里充滿了制動(dòng)液，和真實(shí)車輛制動(dòng)系統(tǒng)保持一致。為了監(jiān)控制動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力，分別在4個(gè)輪缸和2個(gè)主缸中接入壓力傳感器。(2)駕駛員踏板模擬系統(tǒng)，利用一個(gè)高速線性電機(jī)模擬駕駛員制動(dòng)動(dòng)作，可以按照要求的制動(dòng)力或者制動(dòng)位移進(jìn)行控制。同時(shí)在線性電機(jī)和制動(dòng)踏板之間串接了力傳感器監(jiān)控模擬駕駛員的踏板力，從線性電機(jī)同時(shí)可以監(jiān)控到制動(dòng)踏板位移信號。(3)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，是利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真器提供制動(dòng)控制模塊所需的各種硬件信號和軟件信號。該套系統(tǒng)可以模擬4個(gè)輪速的脈沖信號，提供制動(dòng)控制模塊的電源和總線信號。同時(shí)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能，可以實(shí)時(shí)采集來自制動(dòng)系統(tǒng)的6個(gè)壓力信號、踏板力和踏板位移信號，并將傳感器測得數(shù)據(jù)快速傳遞給車輛模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體硬件與虛擬模型的交互。(4)HIL(Hardware in Loop)模型，主要包括車輛動(dòng)力學(xué)模型、總線通信模型等。該模型利用MATLAB/Simulink進(jìn)行集成和編譯，并下載到dSPACE實(shí)時(shí)模擬器中進(jìn)行毫秒級的實(shí)時(shí)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)和虛擬模型在環(huán)測試驗(yàn)證[2]。

圖1 制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)測試機(jī)構(gòu)組成原理

2 制動(dòng)控制系統(tǒng)在環(huán)臺(tái)架設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)臺(tái)架優(yōu)化路徑

制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)臺(tái)架能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)制動(dòng)、不同附著路面緊急制動(dòng)性能測試、故障注入測試等功能測試及驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制系統(tǒng)測試從依賴整車驗(yàn)證向臺(tái)架驗(yàn)證轉(zhuǎn)變，提高開發(fā)效率，能夠在項(xiàng)目前期發(fā)現(xiàn)問題。然而，制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)臺(tái)架準(zhǔn)確度是判斷上述測試是否具有實(shí)際意義的核心要素，精準(zhǔn)的硬件在環(huán)臺(tái)架可以為系統(tǒng)模塊開發(fā)提供助力。根據(jù)硬件在環(huán)臺(tái)架組成，將精度優(yōu)化過程分成三部分，如圖2所示。在前期臺(tái)架的校準(zhǔn)過程中，仍然需要將整車測試數(shù)據(jù)和零件理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)，在明確目標(biāo)參數(shù)后，再針對臺(tái)架進(jìn)行優(yōu)化。在環(huán)臺(tái)架準(zhǔn)確性影響因素包括測試工況模型精度、臺(tái)架執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度及車輛系統(tǒng)模型精度，從3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)臺(tái)架優(yōu)化。文中以執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)優(yōu)化為主要討論對象。

圖2 硬件在環(huán)臺(tái)架優(yōu)化路線示意圖

2.2 制動(dòng)控制系統(tǒng)臺(tái)架優(yōu)化因子

分析圖1發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)控制系統(tǒng)在環(huán)臺(tái)架通過響應(yīng)直線電機(jī)作用的力到制動(dòng)踏板后，經(jīng)過真空助力器、主缸產(chǎn)生制動(dòng)壓力，并通過制動(dòng)控制模塊、制動(dòng)管路后對4個(gè)制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)壓力。制動(dòng)盤壓力數(shù)值反饋給車輛模型，模型根據(jù)反饋的四輪制動(dòng)盤輪缸壓力計(jì)算出制動(dòng)扭矩，車輛模型輸出車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在上述環(huán)節(jié)中，從電機(jī)施加制動(dòng)力后到主缸輸出制動(dòng)壓力的響應(yīng)是硬件在環(huán)臺(tái)架輸入-輸出響應(yīng)優(yōu)化關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)的精度直接影響到后續(xù)制動(dòng)零件、車輛模型的響應(yīng)輸出特性。

根據(jù)真空助力器輸入與輸出的力學(xué)關(guān)系公式[3]，可以獲得制動(dòng)時(shí)踏板力輸入與主缸壓力輸出公式(1)，并可計(jì)算制動(dòng)踏板力與真空助力器產(chǎn)生的助力之和，共同作用推動(dòng)主缸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓力

(1)

式中：Fp為制動(dòng)踏板力；i為制動(dòng)踏板杠桿比；Δpv為真空助力器內(nèi)部前后腔壓力的壓力差；Sv為真空助力器內(nèi)部有效膜片面積；f為助力器活塞體回位抵抗力；Sm為推動(dòng)主缸活塞面積。

根據(jù)公式(1)，踏板力Fp、真空助力器內(nèi)部前后腔體壓力差為變量，其余參數(shù)為制動(dòng)系統(tǒng)零件設(shè)計(jì)參數(shù)。因此制動(dòng)力輸入至主缸壓力輸出性能優(yōu)化目標(biāo)是制動(dòng)踏板力Fp加載及真空壓力差Δpv兩個(gè)因子。第一個(gè)因子踏板力Fp受直線電機(jī)加載影響，需通過優(yōu)化使電機(jī)施加制動(dòng)踏板力準(zhǔn)確、波動(dòng)小及響應(yīng)快；另一個(gè)因子真空助力器壓力差Δpv是制動(dòng)時(shí)其腔體內(nèi)部壓力與大氣壓形成的壓力差值，需要使真空助力器在制動(dòng)時(shí)保持與整車一致的真空度，且在制動(dòng)過程中壓力真空助力器內(nèi)部壓力也要保持在設(shè)計(jì)目標(biāo)水平。通過這兩個(gè)因子優(yōu)化可以確保主缸在受到踏板力后，能準(zhǔn)確和快速地使主缸壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 制動(dòng)踏板力響應(yīng)及優(yōu)化

踏板電機(jī)在收到來自于模型的制動(dòng)力及制動(dòng)力速度要求后，電機(jī)會(huì)推動(dòng)制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)，通過在電機(jī)踏板處安裝力傳感器檢測實(shí)際作用力，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出力的穩(wěn)定響應(yīng)。其中PID控制是常用的經(jīng)典方法，尤其當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便[4]。通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)使實(shí)際作用在踏板的力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如式(2)建立離散系統(tǒng)的PI控制公式，并利用MATLAB建立模型，如圖3所示。另外，在實(shí)際的加載過程中，往往在測試前使電機(jī)對踏板施加預(yù)壓力，既能夠克服真空助力器內(nèi)部的間隙，又能夠保證電機(jī)在加載過程中不會(huì)因?yàn)槲唇佑|到踏板、因?yàn)镻I補(bǔ)償產(chǎn)生過大的沖擊和超調(diào)，避免電機(jī)在施加制動(dòng)力前制動(dòng)力加載過程的波動(dòng)。

ui(t-1)

(2)

式中：Ts為采樣周期；e(k)為誤差；u(t)為第t秒輸出；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)。

圖3 直線電機(jī)踏板力優(yōu)化控制模型

圖4為在0.1 s內(nèi)使踏板力達(dá)到667 N電機(jī)響應(yīng)曲線。電機(jī)在0.4 s內(nèi)即可到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，滿足1 s內(nèi)穩(wěn)定建壓的要求。

圖4 優(yōu)化后電機(jī)理論與實(shí)際響應(yīng)曲線

2.4 臺(tái)架真空度建壓及穩(wěn)定優(yōu)化

對于圖1所示使用常規(guī)真空助力器進(jìn)行制動(dòng)控制的系統(tǒng)，制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)臺(tái)架真空助力器部分并未安裝發(fā)動(dòng)機(jī)以向真空助力器提供穩(wěn)定真空壓力，為了確保真空助力器能起到助力作用，需要安裝額外供能裝置實(shí)現(xiàn)上述作用。增加真空罐+真空助力泵方案實(shí)現(xiàn)臺(tái)架真空度補(bǔ)充功能。真空助力泵進(jìn)行抽真空時(shí)，由于功率限制造成真空助力建壓到預(yù)定值需要較長時(shí)間，響應(yīng)性能差，不能夠及時(shí)補(bǔ)充制動(dòng)踏板作用后，真空助力器內(nèi)部壓力會(huì)下降。通過在真空助力器旁額外增加一個(gè)真空罐起到儲(chǔ)能作用，補(bǔ)償真空助力器建壓響應(yīng)延遲，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速建壓作用。

引入真空儲(chǔ)能罐解決了制動(dòng)時(shí)真空度補(bǔ)充不足問題，并通過設(shè)置真空助力器開閉閾值及時(shí)補(bǔ)充制動(dòng)主缸內(nèi)部壓力，但是給整個(gè)系統(tǒng)帶來了非確定因子，使系統(tǒng)更加非線性，制動(dòng)時(shí)主缸壓力存在波動(dòng)?？紤]到零件設(shè)計(jì)階段主缸輸入力與主缸壓力輸出曲線已經(jīng)確定，在圖3所示的閉環(huán)控制模型前，再增加一個(gè)主缸壓力閉環(huán)控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)主缸壓力的精準(zhǔn)控制，如圖5所示。當(dāng)確定目標(biāo)制動(dòng)力后，可以通過查表法確定主缸輸出壓力目標(biāo)值，再結(jié)合傳感器反饋的實(shí)際主缸壓力值，通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)，使系統(tǒng)更快達(dá)到預(yù)期的主缸壓力值。

圖5 優(yōu)化后主缸壓力建壓模型

2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案測試驗(yàn)證

以ABS制動(dòng)測試為例，需要對制動(dòng)踏板施加6 670 N/s速度使制動(dòng)力達(dá)到667 N，評估主缸達(dá)到穩(wěn)定建壓所需時(shí)間及主缸壓力。圖6為優(yōu)化前狀態(tài)，主缸的輸出存在遲滯3.5 s，該延遲將極大影響制動(dòng)控制模塊壓力控制響應(yīng)。圖7為優(yōu)化后狀態(tài)，在t=0.8 s時(shí)主缸輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖8、圖9分別為優(yōu)化前、后的臺(tái)架制動(dòng)力輸入及主缸壓力響應(yīng)曲線，其中實(shí)線為理論設(shè)計(jì)值，不難發(fā)現(xiàn)臺(tái)架的輸入于輸出響應(yīng)能夠于理論輸入具有一致性，其誤差波動(dòng)小于3%。

圖6 優(yōu)化前制動(dòng)系統(tǒng)主缸壓力建立曲線

圖8 優(yōu)化前助力器輸入力與主缸壓力輸出曲線

圖9 優(yōu)化后助力器輸入力與主缸壓力輸出曲線

3 小結(jié)

通過真空罐及真空泵的組合設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了硬件在環(huán)臺(tái)架無發(fā)動(dòng)機(jī)等額外補(bǔ)充真空裝置，并通過使用雙PID控制方法實(shí)現(xiàn)了高精度臺(tái)架主缸壓力快速建壓過程，為后續(xù)臺(tái)架進(jìn)行制動(dòng)測試如ABS、ESC等測試建立基礎(chǔ)。此外，通過準(zhǔn)確的主缸壓力建壓控制，也支持臺(tái)架級制動(dòng)踏板感覺測試評估。