硬件在環(huán)臺架制動性能精度影響研究

吳 君，楊洪福，張 斌

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201315）

0 引言

汽車研發(fā)尤其是更快的車輛開發(fā)及智能駕駛技術(shù)的運(yùn)用，都可以利用硬件在環(huán) （Hardware In Loop，HIL）臺架的便捷及快速迭代特性。制動性能是車輛底盤核心功能之一，以往開發(fā)時間較長、需要進(jìn)行不斷的調(diào)校和功能驗證。制動性能開發(fā)包括常規(guī)制動及需要制動控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行介入的ABS、ESC、TCS等功能開發(fā)。以ABS性能開發(fā)為例，人員需要在不同車速、不同路面如瀝青路面、冰雪路面、對開路面 （車輛左右輪位于不同特征路面上）上進(jìn)行最大減速度制動測試，并對制動性能進(jìn)行評估。基于HIL臺架的制動控制性能開發(fā)具有不限場地、不限使用時間窗口的特征，利用HIL臺架可以解決上述開發(fā)痛點，不僅可以優(yōu)化車輛試驗需求，而且極大改善底盤制動控制系統(tǒng)開發(fā)體驗，系統(tǒng)開發(fā)更加高效。

使用HIL臺架進(jìn)行制動控制性能開發(fā)關(guān)鍵點在于需要確保在同樣的制動操作工況下，HIL測試結(jié)果與整車測試結(jié)果具有一致性，確保臺架測試結(jié)果可以用來進(jìn)行整車性能評估。本文作者提出一種模型解耦分析方法，通過將制動過程進(jìn)行模型解耦，分析實車與臺架數(shù)據(jù)并對制動卡鉗、輪胎等模型參數(shù)進(jìn)行研究，從而確定影響制動性能精度關(guān)鍵因子并進(jìn)行優(yōu)化，減小實車與臺架測試誤差。

1 制動系統(tǒng)HIL臺架組成

制動系統(tǒng)HIL測試臺架組成如圖1所示，由線性電機(jī)、踏板、真空助力器、制動管、制動控制模塊及卡鉗組成。此外，臺架還通過輪速模擬器以發(fā)送脈沖形式向制動控制模塊提供輪速信息。臺架上制動系統(tǒng)均為實物零件，卡鉗壓力作為輸入傳遞到車輛模型，模型輸出的輪速信息經(jīng)過輪速模擬器轉(zhuǎn)化為脈沖后輸出到制動控制模塊，從而組成閉環(huán)HIL臺架。

圖1 制動控制系統(tǒng)HIL示意

2 制動性能優(yōu)化目標(biāo)

制動分成常規(guī)制動和制動控制系統(tǒng)介入后的ABS制動兩種。前者制動力未達(dá)到輪胎與地面附著力極限，施加的制動壓力轉(zhuǎn)換成地面制動力，使車輛減速；后者由于制動壓力產(chǎn)生的制動力使車輪發(fā)生了抱死，制動控制模塊對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)使輪胎在不抱死前提下讓汽車從地面獲得盡量多的制動力以減小制動距離。

ABS制動測試主要包括高附路面 （瀝青路面）、低附路面（如冰面）和對開路面 （車輛左側(cè)與右側(cè)車輪位于不同路面）最大減速度制動測試。

根據(jù)控制目標(biāo)，制動減速度、制動距離是首要觀察目標(biāo)。此外，ABS工作時臺架上車輪響應(yīng)趨勢是否與實車一致也是目標(biāo)之一。理想的趨勢是經(jīng)過ABS控制算法不斷的壓力調(diào)壓后，車輪輪速與車輛的車速曲線不斷貼近。通過HIL臺架與實車制動效率對比分析可以表征臺架測試工況下ABS的控制介入邏輯與實車測試偏離程度。故本文作者以ABS制動減速度、制動距離及制動時響應(yīng)趨勢為優(yōu)化目標(biāo)。

結(jié)合HIL臺架的組成及車輛模型輸入為卡鉗壓力、輸出為輪速，因此根據(jù)制動過程將分析分成踏板力-真空助力器形成制動主缸壓力、卡鉗壓力至制動扭矩、制動扭矩至輪胎制動力三部分對實車與HIL臺架測試進(jìn)行分析，實現(xiàn)各個物理模型之間一定的解耦。

2.1 制動踏板力與主缸壓力建壓過程優(yōu)化

針對踏板力至真空助力器部分。由于該部分HIL臺架均為實物硬件，力與主缸壓力輸出值依賴于零件本身，但是由于HIL臺架部分并無類似整車提供真空部分，會導(dǎo)致主缸壓力建壓速度慢、影響制動控制模塊進(jìn)行壓力控制［1］，因此該部分的優(yōu)化目標(biāo)是在輸入一定踏板力后主缸輸出的制動壓力建壓需要響應(yīng)迅速。通過試驗，額外真空補(bǔ)助裝置使主缸建壓過程達(dá)到15 MPa／s，滿足制動測試需求。

2.2 制動卡鉗模型優(yōu)化

針對制動卡鉗壓力與制動扭矩部分。一般制動卡鉗壓力與扭矩具有線性關(guān)系，該線性系數(shù)稱為制動效能系數(shù)。常規(guī)制動可以利用該系數(shù)計算出車輛的制動力，從而計算出制動減速度。但是，當(dāng)ABS制動時，由于制動卡鉗壓力在受到ABS模塊控制進(jìn)行增壓、泄壓與保壓過程切換，會導(dǎo)致卡鉗制動效能系數(shù)存在遲滯，造成卡鉗壓力與制動扭矩存在非線性部分，如圖2所示。為了更好地反映ABS介入時車輪制動扭矩，通過使用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)帶延遲的模型制動效能系數(shù)，如圖3所示，輸入為卡鉗壓力，輸出為制動扭矩，擬合了增壓、減壓階段制動效能參數(shù)，狀態(tài)機(jī)根據(jù)作用在卡鉗端壓力處于增壓或減壓計算制動扭矩。

圖2 ABS制動時制動卡鉗壓力與扭矩曲線

圖3 制動卡鉗狀態(tài)機(jī)優(yōu)化模型

2.3 輪胎模型優(yōu)化

針對制動扭矩與輪胎制動力部分。根據(jù)仿真測試用途輪胎模型有多種類型，本文作者采用了Pacejka輪胎模型［2］。這是一種基于輪胎試驗測試數(shù)據(jù)擬合的輪胎模型，用于表達(dá)車輪在制動時的力學(xué)特征，能夠滿足在一定側(cè)偏角下的測試精度。由于ABS控制邏輯與輪胎滑移率相關(guān)，需要輪胎模型針對車輪縱向運(yùn)動進(jìn)行重點建模。圖4是某車型17寸輪胎車輪滑移率與Fx／Fz（車輛縱向力與垂直力之比）曲線，反映了在不同滑移率下車輪提供的縱向制動力。

圖4 車輪輪胎滑移率與制動力曲線

2.4 輪速輸出模型優(yōu)化

針對輪速模型部分，與上文提及的ABS的控制邏輯與滑移率有關(guān)。制動控制模塊根據(jù)接收到的車輪輪速信號計算滑移率等，并據(jù)此進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)控制。圖5為模型優(yōu)化前直接使用車輛模型輸出輪速曲線，圖中在低速段部分存在輪速大于車速等異常情況，表示在制動時車輪的滑移率為負(fù)值。

圖5 輪速異常曲線

為了避免該異常情況，使用車輛車速與輪胎滑移率信號作為輸出。通過公式 （1）計算出不同車輪的輪速值，能夠避免車輛模型內(nèi)部運(yùn)算過程導(dǎo)致制動過程中輪速高于車速的異?，F(xiàn)象。

式中：vwheel為車輪輪速；λ為車輪滑移率；vveh為車輛車速。

2.5 模型優(yōu)化后制動性能指標(biāo)

在對制動過程進(jìn)行分段式數(shù)據(jù)分析及模型優(yōu)化后，以車輛在高附瀝青路面進(jìn)行100 km／h ABS測試工況為例，良好的HIL臺架模型制動響應(yīng)趨勢應(yīng)當(dāng)是車輛制動過程中，車輪輪速曲線不斷貼近車輛車速曲線。圖6所示為制動過程中實車與模型優(yōu)化后輪速曲線，達(dá)到了上述的預(yù)期。

圖6 ABS工況下模型與車輛輪速曲線

此外，為了客觀衡量實車與臺架測試數(shù)據(jù)偏離度，通過引入均方差來表達(dá)實車與臺架測試減速度及制動距離數(shù)據(jù)差異（3）， 如式 （2） 所示

式中：xveh為整車測試結(jié)果；xHIL，i為第i次HIL測試結(jié)果。

在進(jìn)行多組同樣制動工況測試后，測試車輛與模型優(yōu)化后臺架減速度、制動距離均值及及標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實車與臺架制動性能指標(biāo)數(shù)據(jù)對比

基于模型優(yōu)化后實車與臺架數(shù)據(jù)誤差均小于5%，滿足預(yù)期，在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步執(zhí)行低附及對開路面制動測試。圖7所示為不同路面下減速度曲線變化趨勢，其中對開路面由于車輛在制動后會出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，故只選取車輛跑偏前的一段數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析。從數(shù)據(jù)變化趨勢看，模型在不同路面下減速度表現(xiàn)也有較好一致性。

圖7 不同路面下臺架與車輛ABS制動減速度曲線

3 小結(jié)

經(jīng)過模型精度分析及優(yōu)化，ABS性能在減速度、制動距離達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，車輪與HIL數(shù)據(jù)在不同路面上的減速度曲線吻合，經(jīng)過優(yōu)化后的模型可以用于臺架級性能評估及分析，支持性能開發(fā)。通過模型的分解及優(yōu)化對標(biāo)，為更多的實車與臺架性能對標(biāo)及模型優(yōu)化提供了一個有效的方法。