基于電控助力制動級聯(lián)制動防抱死控制策略*

陳志成，趙 健，朱 冰，吳 堅

（吉林大學汽車工程學院，長春 130022）

前言

近年來，為適應汽車智能化與電動化要求，汽車制動系統(tǒng)也向線控化方向發(fā)展［1-2］，出現(xiàn)了多種不同構型的線控制動解決方案。其中，以 BOSCH iBooster為代表的電控助力制動系統(tǒng)（electro-booster brake system，Ebooster）替代傳統(tǒng)真空助力器，通過與改進型的汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（electronic stability program，ESP）配合，可實現(xiàn)主動制動和制動能量回收等線控功能［3-4］。這種方案在液壓制動系統(tǒng)配置了兩個執(zhí)行器，二者可互相實現(xiàn)部分冗余功能。當前汽車上普遍裝備的傳統(tǒng)制動防抱死系統(tǒng)（ABS）通過各輪缸的進出液電磁閥控制輪缸壓力，將車輪滑移率調(diào)整至最佳值附近，避免車輪抱死的同時提高汽車制動穩(wěn)定性。當傳統(tǒng)電磁閥式ABS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，Ebooster可借助自身配備的高性能伺服電機通過調(diào)節(jié)主缸壓力控制車輪滑移率，實現(xiàn)制動防抱死的冗余功能。

目前已有一些基于主缸壓力調(diào)節(jié)的制動防抱死控制研究。文獻［5］中基于線性參數(shù)化制動系統(tǒng)模型設計了一種靜態(tài)反饋魯棒ABS控制器，對于道路附著系數(shù)和車速的變化具有較好的魯棒性。同濟大學針對自行設計的集成式I-EHB系統(tǒng)設計了安全優(yōu)先式和主缸定頻調(diào)壓式兩種ABS控制策略［6］。文獻［7］中采用制動防抱死分級式控制結構用于電子液壓制動的電動車，在緊急制動工況下實現(xiàn)了液壓力的調(diào)節(jié)與車輪滑移率的控制。上述研究都是基于解耦式的線控制動系統(tǒng)構型開展的，基于非解耦式Ebooster開展制動防抱死冗余控制研究，還須解決駕駛員踏板力與電機助力的耦合問題。此外，基于Ebooster實現(xiàn)制動防抱死功能，須考慮液壓制動的強非線性特性和Ebooster機構本身的摩擦特性，以解決控制過程中的抖動和遲滯等問題。

本文中基于自主設計的非解耦式Ebooster系統(tǒng)，建立一種級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略。首先構建基于Ebooster的級聯(lián)制動防抱死冗余控制架構；在此基礎上，設計3層級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略，包括滑模變結構控制層、壓力-伺服控制層和電機控制層；最后通過硬件在環(huán)（hardware-inthe-loop，HiL）試驗進行了算法驗證。結果表明，所設計的級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略能穩(wěn)定地將車輪滑移率控制在最佳值附近，提高車輛制動穩(wěn)定性。

1 基于Ebooster的級聯(lián)制動防抱死冗余控制架構

圖1 為自主設計的非解耦式Ebooster與液壓制動系統(tǒng)結構簡圖［8-9］。駕駛員踩下制動踏板，助力電機控制助力閥體跟隨踏板行程，電機伺服力通過齒輪與滾珠絲杠的傳動轉換為助力閥體推力，與駕駛員踏板力在反饋盤上耦合輸出，助力器推桿推動制動主缸活塞，制動液經(jīng)過制動管路與ESP的液壓控制單元（hydraulic control unit，HCU）進入制動輪缸，產(chǎn)生車輪制動。

當ESP／ABS處于故障狀態(tài)且汽車車輪發(fā)生抱死趨勢時，Ebooster可通過電機控制減小施加在助力閥體上的推力，調(diào)整制動主缸壓力，同步改變4個輪缸的制動壓力，將車輪滑移率維持在最佳值附近，實現(xiàn)一定程度的制動防抱死冗余控制。需要指出的是，由于這種非解耦式Ebooster構型中，駕駛員制動踏板力能通過機械連接直接施加于制動主缸，當車輛處于較低附著路面時，由于駕駛員的制動踏板力所產(chǎn)生的車輪制動力本身會超過路面附著極限，而Ebooster無法對該部分力進行調(diào)控，因此本文中所提出的冗余算法僅適用于中高附著路面。

圖2為基于Ebooster的級聯(lián)制動防抱死冗余控制架構。常規(guī)制動時，駕駛員踩下制動踏板后，Ebooster控制助力閥體位移跟隨制動踏板位移實現(xiàn)助力控制，期望助力閥體位移y*與制動踏板位移yPts之間的關系可由標定得到［10］。當車輪產(chǎn)生抱死趨勢且須由Ebooster實現(xiàn)冗余控制時，級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略激活，通過制動主缸壓力調(diào)節(jié)實現(xiàn)車輪滑移率控制。

級聯(lián)控制采用3層架構，第1層為低選滑模變結構車輪滑移率控制層，根據(jù)最佳滑移率λref和車輛信息計算得到期望主缸壓力p*，最終將車輪滑移率控制在最佳滑移率附近；第2層為壓力-伺服控制層，主要解決液壓系統(tǒng)與機構摩擦特性帶來的非線性問題，其中的壓力環(huán)根據(jù)p*和實際主缸壓力p通過前饋和反饋控制得到期望助力閥體位移y*，伺服環(huán)根據(jù)實際助力閥體位移y和y*通過速度環(huán)、位置環(huán)和誤差消除計算得到期望電流i*s；第3層為電機控制層，根據(jù)i*s通過弱磁與電流控制計算得到期望勵磁軸和轉矩軸電壓ud和uq。最終ud和uq經(jīng)過電流轉換和空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse widthmodulation，SVPWM）控制驅(qū)動器驅(qū)動Ebooster工作，進行主缸壓力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)車輛車輪防抱死冗余控制。

2 基于Ebooster的級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略

2.1 低選滑模變結構車輪滑移率控制層

由于Ebooster不能實現(xiàn)對單個車輪的制動壓力調(diào)節(jié)，根據(jù)車輪抱死的危險程度評估，本文中采用后輪低選一同控制，即

式中：λmax和ωmin分別為后橋較小輪速車輪的滑移率與輪速；ωrl和ωrr分別為后橋左、右側車輪輪速；v為實際車速；r為后輪半徑。

設最佳滑移率為λref，設計切換函數(shù)：

由式（1）和式（2）可得

針對先趨于抱死的后車輪，基于圖3所示的單輪車輛模型設計控制律。

忽略滾動阻力和空氣阻力，得到簡化的車輛動力學方程：

式中：m為 1／4汽車質(zhì)量；Ftf為地面制動力；μ（λmax）為車輪與路面間的附著系數(shù)；Fz為地面對車輪的反作用力；Jt為車輪轉動慣量；Tb為制動器制動力矩，KEr為后輪的制動效能系數(shù)。

圖3 單輪車輛模型

根據(jù)經(jīng)典的Burckhardt經(jīng)驗輪胎模型可得

式中c1，c2，c3為與路面條件有關的常數(shù)。

采用指數(shù)趨近律：

式中ε1和ε2為設計的指數(shù)趨近整定參數(shù)且均為正數(shù)。則s·s·＜0，滿足滑模變結構控制的可達性條件。

通過聯(lián)立式（3）～式（8），可求得滑模變結構控制器的控制律：

其中：p1＝r·μ（λmax）·Fz／KEr

2.2 壓力-伺服控制層

壓力-伺服控制層由壓力環(huán)和伺服環(huán)組成。

（1）壓力環(huán)輸入為期望壓力p*，輸出為期望助力閥體位移y*，由前饋和反饋環(huán)節(jié)組成。

反饋控制采用壓力誤差PI控制

式中kp1和ki1為壓力環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)。

前饋控制能更快地實現(xiàn)壓力控制。圖4為助力閥體速率40 mm／s下增壓段的制動壓力-助力閥體行程的關系曲線。期望制動壓力p*經(jīng)查表可得期望的前饋助力閥體位移yff*。

最終，壓力環(huán)輸出的期望助力閥體位移為

（2）伺服環(huán)輸入為期望助力閥體位移y*，輸出為期望電流

圖4 液壓制動系統(tǒng)增壓段特性曲線

Ebooster伺服環(huán)控制策略如圖5所示，通過助力閥體的位置控制和速度控制，解決由于Ebooster機構本身摩擦特性導致的位置控制過程中的誤差和遲滯。

圖5 Ebooster伺服環(huán)控制策略

伺服環(huán)總控制律為

其中，伺服環(huán)位置調(diào)節(jié)控制律為

式中：比例項的增益Kp使助力閥體迅速地達到指定位置；微分項的增益Kd根據(jù)位置誤差的變化率調(diào)節(jié)輸出相的幅值。

伺服環(huán)轉速調(diào)節(jié)控制律為

式中：前饋項增益Kff提高助力閥體動態(tài)響應；同時加入阻尼項增益Kdp，抑制大慣量系統(tǒng)的振蕩。

最后，通過積分項增益Ki，消除助力閥體位移跟隨誤差，得到伺服環(huán)誤差消除控制律：

2.3 電機控制層

電機控制層為永磁同步電機控制器，主要包含弱磁控制和電流控制兩部分，分別用于提升電機轉速和電流跟隨能力，其控制策略如圖6所示。經(jīng)典的Park和Clark變換可以將電機實際三相電流ia，ib，ic轉換成電機實際勵磁軸電流id和轉矩軸電流iq；其逆變換可將期望勵磁軸和轉矩軸電壓ud和uq轉換成電機期望三相電壓ua，ub，uc。最終SVPWM將ua，ub，uc轉換成6路脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號，以控制驅(qū)動器帶動電機轉動［11］。

圖6 永磁同步電機控制策略

弱磁控制通過工程標定轉速n與弱磁前饋角θw的關系，即θw＝f（n），實現(xiàn)對期望勵磁軸電流 i*d和轉矩軸電流i*q的分配，可表示為

電流控制器采用PI控制，即

式中：id和iq分別為實際勵磁軸和轉矩軸電流；kp2，ki2，kp3，ki3為電流環(huán)的 PI調(diào)節(jié)參數(shù)。

3 硬件在環(huán)試驗

3.1 硬件在環(huán)試驗臺

為測試和驗證級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略，搭建了Ebooster硬件在環(huán)試驗臺，圖7和圖8分別為試驗臺的結構簡圖和實物圖。試驗臺主要由上位機Host PC、下位機控制器MicroAutoBox II、實時仿真器Simulator、驅(qū)動器 RapidPro和執(zhí)行器 Ebooster等5部分組成。

圖7 Ebooster硬件在環(huán)試驗臺簡圖

圖8 Ebooster硬件在環(huán)試驗臺實物圖

試驗臺工作原理如下：（1）Host PC通過常規(guī)以太網(wǎng) Ethernet與 MicroAutoBox II連接，將 Matlab／Simulink的控制模型載入控制器中，在上位機Controldesk界面中實時觀測控制器標定和采集的各類信號；（2）Host PC通過光纖與 Simulator連接，將CarSim模型載入其中實時運行，Simulator與Micro-AutoBox II之間通過CAN總線進行通信，互相傳遞車輛運動狀態(tài)和制動壓力信號；（3）MicroAutoBox II采集Ebooster的制動踏板位移信號、電機轉角信號和電流信號，根據(jù)所設計的控制策略，對RapidPro發(fā)送電機PWM信號；（4）RapaidPro對Ebooster的伺服電機發(fā)送三相電帶動電機轉動；（5）電機帶動Ebooster工作，推動主缸推桿，在液壓系統(tǒng)中形成制動壓力，調(diào)節(jié)CarSim車輛車輪滑移率。

3.2 硬件在環(huán)試驗測試工況設置

選取均一路面、對接路面和對開路面對基于Ebooster的級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略進行測試驗證，具體工況如表1所示，表中：v0表示初始車速；μ和λref含義同前。對接路面在距離車輪運動初始點85m處由路面附著系數(shù)0.8變換至0.35；對開路面兩側路面附著系數(shù)分別為0.35和0.8。表2為CarSim整車動力學模型相關參數(shù)。試驗結果如圖9～圖14所示。

表1 試驗測試工況

表2 Carsim整車動力學模型參數(shù)

3.3 均一路面工況測試

圖9為均一路面無制動防抱死冗余控制時的車速和輪速試驗曲線，圖10為制動防抱死冗余控制開啟后的車速、輪速、車輪滑移率和制動壓力試驗曲線。由圖可見：無制動防抱死冗余控制時，車輪迅速抱死；有冗余控制時，駕駛員開始制動后，車輪滑移率隨著制動壓力升高而增大，并觸發(fā)制動防抱死冗余控制，主缸壓力得到控制，后輪滑移率穩(wěn)定在最佳滑移率0.08附近，此時前輪制動壓力與后輪壓力一致，前輪也未發(fā)生抱死。雖然在制動末期后輪滑移率出現(xiàn)一定的抖動，但此時車速較低，安全隱患不大。

圖9 均一路面無制動防抱死冗余控制試驗曲線

圖10 均一路面制動防抱死冗余控制開啟試驗曲線

3.4 對接路面工況測試

圖11 為對接路面無制動防抱死冗余控制時的車速和輪速試驗曲線，圖12為制動防抱死冗余控制開啟后的車速、輪速、車輪滑移率和制動壓力試驗曲線。由圖可見：制動防抱死策略未開啟時，在高附著路面上后輪和前輪先后發(fā)生抱死；制動防抱死策略開啟時，制動壓力首先被控制在5 MPa左右，后輪滑移率穩(wěn)定在0.17附近；車輛進入中附著路面后，車輪滑移率再次增大，制動壓力迅速被調(diào)節(jié)至2.3 MPa左右，后輪滑移率穩(wěn)定在0.08附近，此時由于車輛制動壓力分配特性使前輪滑移率明顯高于后輪，但仍未完全抱死，符合冗余控制要求。

圖11 對接路面無制動防抱死冗余控制試驗曲線

3.5 對開路面工況測試

圖13 為對開路面無制動防抱死冗余控制時的車速、輪速和車輛航向角的試驗曲線，圖14為制動防抱死冗余控制開啟后的車速、輪速、車輪滑移率、制動壓力和車輛航向角試驗曲線。由圖可見：制動防抱死策略未開啟時，4個車輪先后抱死，且車輛發(fā)生甩尾，嚴重威脅駕駛員的行車安全；制動防抱死策略開啟時，駕駛員開始制動后，左后輪首先出現(xiàn)明顯抱死趨勢，迅速激活制動防抱死冗余控制策略，制動主缸壓力基于后輪低選方式進行控制，保持左后輪滑移率穩(wěn)定在0.08附近，其他車輪的制動力矩雖未充分利用路面能提供的附著力，但整體保持行車制動過程中車輛航向角始終穩(wěn)定不變，提高了車輛制動穩(wěn)定性，達到了冗余控制要求。

圖12 對接路面制動防抱死冗余控制開啟試驗曲線

圖13 對開路面無制動防抱死冗余控制試驗曲線

4 結論

本文中基于自主設計的非解耦式Ebooster，提出了一種在ESP／ABS系統(tǒng)故障時的級聯(lián)制動防抱死冗余控制架構，分別設計了低選滑模變結構車輪滑移率控制層、壓力-伺服環(huán)控制層和電機控制層3層級聯(lián)制動防抱死冗余控制策略。建立了Ebooster硬件在環(huán)試驗臺，選取多種典型工況進行了測試。結果表明，所設計的冗余控制策略可在中高附著路面上將車輪滑移率控制在最佳值附近，有效保證了汽車制動的穩(wěn)定性。

圖14 對開路面制動防抱死冗余控制開啟試驗曲線