基于輔助增壓系數(shù)補(bǔ)償?shù)腎EHB系統(tǒng)輪缸壓力控制研究＊

李玉善 唐惟勝 何祥坤 季學(xué)武 武健

（1.山東科技大學(xué)，青島 266590；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.聊城大學(xué)，聊城 252059）

主題詞：集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng) 壓力分段控制 輔助增壓系數(shù) 試驗(yàn)分析

1 前言

集成式電子液壓制動(dòng)（Integrated Electro Hydraulic Braking，IEHB）系統(tǒng)（又稱集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)）將伺服電動(dòng)增壓裝置與主缸集成在一起，在保證整體結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，通過聯(lián)合液壓調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)輸出制動(dòng)壓力[1-3]。與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)增壓、保壓、減壓過程有所不同，電動(dòng)主缸的引入需要更多的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，且整個(gè)系統(tǒng)的非線性增強(qiáng)。所以，IEHB 系統(tǒng)的輪缸液壓力調(diào)節(jié)過程更加復(fù)雜。

目前，不僅一些世界知名零部件企業(yè)推出了新型制動(dòng)系統(tǒng)[4-5]，國(guó)內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)對(duì)電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)（Electro-Hydraulic Braking System，EHB）也開展了大量的研究工作[6-8]。此外，Xiangkun He 等[9]基于IEHB 系統(tǒng)搭建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模車輛穩(wěn)定性控制策略，并考慮了模型不確定性、參數(shù)變化及外界干擾的影響。李靜等[10-12]對(duì)設(shè)計(jì)的集成電控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)、響應(yīng)特性分析及試驗(yàn)研究。Zhuoping Yu 等[13-14]提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)安全的I-EHB 系統(tǒng)方案，并進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究；針對(duì)I-EHB系統(tǒng)摩擦等非線性因素，采用顫振補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)了液壓力控制器。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)IEHB系統(tǒng)控制的研究，尤其是輪缸液壓力控制研究還較少見。IEHB機(jī)電液系統(tǒng)本身響應(yīng)遲滯性、初始?jí)翰顚?duì)壓力控制精度的影響及制動(dòng)工況的多樣性導(dǎo)致壓力的精確控制難以實(shí)現(xiàn)。為解決上述問題，本文在對(duì)IEHB 系統(tǒng)電動(dòng)主缸進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)標(biāo)定及分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓力分段控制構(gòu)架，采用基于輔助增壓系數(shù)查表及反饋PID 的控制方法對(duì)電動(dòng)主缸進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)利用邏輯門限值的方法控制增減壓閥及電動(dòng)泵，設(shè)計(jì)了基于IEHB 系統(tǒng)的輪缸壓力控制器。通過NI_PXI 搭建硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，分別在不同幅值階躍和正弦工況下進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證所提出控制策略的有效性。

2 IEHB系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

本文所采用的IEHB系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、布置方便的新型線控制動(dòng)系統(tǒng)，主要包括電動(dòng)主缸模塊（通過永磁同步電機(jī)帶動(dòng)滾柱絲杠機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)功能）、液壓控制單元及輪缸模塊等。

圖1 IEHB系統(tǒng)方案

2.2 系統(tǒng)工作原理

增壓時(shí)，電動(dòng)主缸（電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)+主缸）接收正的扭矩信號(hào)并前進(jìn)，液壓控制單元（Hydraulic Control Unit，HCU）中增壓閥打開，減壓閥關(guān)閉；保壓時(shí)，電動(dòng)主缸停止動(dòng)作，HCU中增壓閥、減壓閥同時(shí)關(guān)閉；減壓時(shí)，電動(dòng)主缸接收負(fù)的扭矩信號(hào)并后退，HCU 中增壓閥關(guān)閉，減壓閥打開，電動(dòng)泵（驅(qū)動(dòng)電機(jī)+柱塞泵）工作。

3 IEHB系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

對(duì)IEHB 系統(tǒng)中的電動(dòng)主缸進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)標(biāo)定，提出一種協(xié)調(diào)IEHB 系統(tǒng)各部件的輪缸壓力控制策略，控制流程如圖2所示，其中，Pw、Pwd分別為實(shí)際壓力和目標(biāo)壓力。

圖2 IEHB系統(tǒng)控制流程

增壓模式下采用前饋+反饋的控制策略，前饋是指Pr＜nPd（10%≤n≤20%）時(shí)，向電動(dòng)主缸輸入較大的扭矩信號(hào)，Pr≥nPd時(shí)，根據(jù)目標(biāo)壓力查表得出當(dāng)前電動(dòng)主缸電壓，同時(shí)，為了克服初始?jí)翰罴跋到y(tǒng)響應(yīng)遲滯問題，選擇一個(gè)試驗(yàn)標(biāo)定的輔助增壓系數(shù)，兩種方式同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)快速響應(yīng)，并采用反饋PID控制方法保證壓力響應(yīng)跟隨，此時(shí)增壓閥打開，減壓閥關(guān)閉，電動(dòng)泵不工作。保壓模式下，向電動(dòng)主缸輸入零信號(hào)，增壓閥、減壓閥均關(guān)閉，電動(dòng)泵不工作。減壓模式下，向電動(dòng)主缸輸入一定的扭矩信號(hào)，增壓閥關(guān)閉，減壓閥打開，電動(dòng)泵開始工作，并向電動(dòng)泵輸入一定的占空比及頻率，實(shí)現(xiàn)減壓。

3.1 分段控制

試驗(yàn)臺(tái)油壓傳感器量程為0～25 MPa，但實(shí)際車輛控制中施加10 MPa制動(dòng)壓力基本可達(dá)到0.8g的制動(dòng)減速度，且大部分制動(dòng)工況壓力為5～6 MPa，故本文驗(yàn)證的壓力范圍為0～10 MPa。鑒于IEHB 系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性特點(diǎn)，在不同工況下（低壓、高壓）調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)特性變化大，導(dǎo)致相同控制參數(shù)很難響應(yīng)系統(tǒng)工況變化，考慮在不同區(qū)間采用壓力分段控制的方法對(duì)低壓工況與高壓工況進(jìn)行分層，選用不同的壓力調(diào)整系數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓力增、減速率的改變，達(dá)到壓力控制的目的。實(shí)際試驗(yàn)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，3段控制已能滿足制動(dòng)需求，故分為3層（Pd≤4 MPa、4 MPa＜Pd＜7 MPa、Pd≥7 MPa）進(jìn)行壓力控制研究。但具體分段方式應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)本身特性及控制方法來確定。

基于分段壓力層，可以對(duì)每段壓力控制區(qū)的電動(dòng)主缸、電磁閥、電機(jī)泵控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個(gè)控制器可調(diào)節(jié)范圍增大，對(duì)不同工況適應(yīng)性更好。

3.2 IEHB系統(tǒng)電動(dòng)主缸控制策略

3.2.1 電動(dòng)主缸與輪缸壓力關(guān)系標(biāo)定

采集的油壓傳感器信號(hào)為電壓信號(hào)，其電壓量程為0.5～4.5 V，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為0～25 MPa。表1所示為電動(dòng)主缸開環(huán)試驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，其中M為輸入電動(dòng)主缸階躍信號(hào)的幅值，Pv為油壓傳感器電壓信號(hào)。

表1 電動(dòng)主缸控制輸入與輪缸壓力關(guān)系標(biāo)定

最后，利用MATLAB_cftool 以油壓傳感器采集的電壓信號(hào)換算為壓力信號(hào)進(jìn)行線性擬合：

考慮到系統(tǒng)本身的非線性特點(diǎn)，本文選用以油壓傳感器采集電壓信號(hào)換算為壓力信號(hào)進(jìn)行二次擬合：

式中，Vm為電動(dòng)主缸控制輸入電壓。

3.2.2 輔助增壓系數(shù)確定

輔助增壓系數(shù)如表2 所示。其中，M為電動(dòng)主缸階躍控制輸入，M0為有一定初始?jí)翰顣r(shí)電動(dòng)主缸控制輸入。通過對(duì)表2 分析可知：如果從有一定初始?jí)翰铋_始增壓，增加到與階躍信號(hào)M對(duì)應(yīng)相同的壓強(qiáng)時(shí)，所需的電動(dòng)主缸信號(hào)值明顯增大。例如：1.5 V 階躍信號(hào)下輪缸（初始?jí)毫榱悖┠軌蜻_(dá)到2.187 5 MPa 的壓強(qiáng)，但如果輪缸初始?jí)翰顬?.812 5 MPa，達(dá)到與1.5 V 相近的壓力，則電動(dòng)主缸在1 V 信號(hào)基礎(chǔ)上需增加到1.7 V，而非1.5 V。

表2 輔助增壓系數(shù)確定

針對(duì)該IEHB系統(tǒng)，上述現(xiàn)象的可能原因包括：初始?jí)翰畈煌瑫r(shí)，同樣的目標(biāo)壓力，相同時(shí)間內(nèi)增壓，導(dǎo)致增壓速率減?。浑妱?dòng)主缸響應(yīng)遲滯及摩擦問題，使得系統(tǒng)增壓過程非線性特征增強(qiáng)。

所以，為了使電動(dòng)主缸響應(yīng)更快，上述擬合的電動(dòng)主缸電壓與壓力信號(hào)可供控制時(shí)前饋查表使用。但這種方法忽略了電動(dòng)主缸響應(yīng)遲滯特性及壓差變化，導(dǎo)致電動(dòng)主缸的控制輸入不同。本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定方法，對(duì)表2 分析可得，選取輔助增壓調(diào)節(jié)系數(shù)K∈[1,1.4]來滿足更多的增壓工況，保證壓力響應(yīng)跟隨更快。同時(shí)，為了防止壓力超調(diào)過大及實(shí)現(xiàn)壓力跟隨控制，以實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力作差，選取傳統(tǒng)PID控制方法控制電動(dòng)主缸。電動(dòng)主缸的電壓控制信號(hào)U可以表達(dá)為：

式中，U1為前饋查表Vm與輔助增壓系數(shù)乘積所得電壓；U2為反饋PID控制所得電壓；U電動(dòng)主缸控制輸入；Kp為比例增益；KI為積分增益；Kd為微分增益。

3.3 增壓閥、減壓閥及電動(dòng)泵控制策略

制動(dòng)系統(tǒng)一般包括泵控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)，本文選擇電動(dòng)主缸加壓的方式（屬于泵控系統(tǒng)），由于其響應(yīng)及控制精度都較高，所以對(duì)于電磁閥及電動(dòng)泵僅采用邏輯門限值的方式進(jìn)行開環(huán)調(diào)控，控制原理如圖3所示。為了更好地實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)閥比例開關(guān)功能[8]，占空比調(diào)制頻率選為2 kHz。

圖3 增壓閥、減壓閥及電動(dòng)泵控制策略

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證IEHB系統(tǒng)壓力控制算法，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物分別如圖4、圖5所示，試驗(yàn)臺(tái)架主要由上位機(jī)HostPC單元、下位機(jī)控制器單元、驅(qū)動(dòng)器單元和執(zhí)行器單元等組成，控制器模型可以在LabView中搭建，完成信號(hào)采集及壓力控制驗(yàn)證。

圖4 IEHB系統(tǒng)壓力控制試驗(yàn)執(zhí)行方案

圖5 IEHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

具體執(zhí)行過程為：通過PXI-LabView采集主缸傳感器及輪缸傳感器信號(hào)，并將其傳送給IEHB 系統(tǒng)壓力控制器，獲得相應(yīng)執(zhí)行部件的控制信號(hào)，通過PXI-Lab-View及驅(qū)動(dòng)板，將占空比信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給增壓閥、減壓閥及電動(dòng)泵，通過PXI-LabView將模擬電壓信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給電動(dòng)主缸，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)壓力的控制。

圖6、圖7 所示為在不同幅值的階躍、正弦輸入工況下IEHB 系統(tǒng)輪缸壓力跟隨曲線。由圖6 可知，該系統(tǒng)階躍響應(yīng)在150 ms 左右可達(dá)到目標(biāo)壓力；由圖7 可知，該系統(tǒng)控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)壓力跟隨；但是，由圖6a、圖7a 可知，在低壓控制階段波動(dòng)較大，還有待完善。

圖6 不同幅值下輪缸壓力階躍響應(yīng)跟隨曲線

圖7 不同幅值下輪缸壓力正弦響應(yīng)跟隨曲線

圖8 所示為正弦輸入幅值6 MPa 的目標(biāo)壓力下不同輔助增壓系數(shù)與輪缸壓力的關(guān)系。由圖8 可知，在一定范圍內(nèi)，輔助增壓系數(shù)對(duì)壓力控制起關(guān)鍵作用。圖8 中，低壓處信號(hào)存在波動(dòng)，主要原因是電磁干擾、噪聲及機(jī)電液系統(tǒng)內(nèi)部摩擦變化等，致使每次試驗(yàn)采集的油壓傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果稍有波動(dòng)，但基本趨勢(shì)不變。

圖8 輔助增壓系數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語

針對(duì)IEHB 系統(tǒng)本身響應(yīng)遲滯性、初始?jí)翰罴爸苿?dòng)工況的多樣性導(dǎo)致壓力難以精確控制的問題，本文通過對(duì)IEHB 系統(tǒng)開環(huán)試驗(yàn)分析，基于壓力分段構(gòu)架提出一種基于前饋的電動(dòng)主缸控制方法和基于邏輯門限值的電磁閥及電動(dòng)泵控制方法，并在不同階躍及正弦工況下進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，該IEHB系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)150 ms左右，較好地實(shí)現(xiàn)了壓力跟隨控制。后續(xù)研究將考慮對(duì)電動(dòng)主缸或電磁閥進(jìn)行建模，并選擇魯棒性較強(qiáng)的控制算法完善壓力控制策略，以減小壓力控制偏差。