汽車電子液壓制動系統(tǒng)跟隨特性的實驗研究 ----意義與名詞解
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隨著中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車在人們生活中扮演的角色越來越重要，它已經(jīng)成為人類生活中不可缺少的一部分。人們在享受汽車帶來舒適，方便的同時，也開始越來越關注汽車行駛的安全性。汽車安全性能很大程度取決于汽車制動系統(tǒng)，良好的汽車制動系統(tǒng)可以保證車輛的安全行駛。因此如何設計可靠的制動系統(tǒng)，改善汽車的制動性能，始終是汽車研究機構的重要任務。
環(huán)顧汽車制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史，汽車制動系統(tǒng)發(fā)展之初，實現(xiàn)制動的過程是駕駛員通過操作一組簡單的機械系統(tǒng)，將作用力傳遞給制動器，但要求車輛質量小，低速行駛的情況。隨著汽車自重的增加，車速的提高，對于機械制動器來說需要一種助力裝置，這時出現(xiàn)了真空助力裝置。1923年凱迪拉克公司在其生產的V16車上開始大量裝配真空助力器。隨后液壓制動技術的出現(xiàn)，是繼機械制動后的一制動系統(tǒng)的重大突破。通用和福特分別于1934年和1939年采用了液壓制動技術。
80年代，隨著汽車電子技術的成熟與發(fā)展，被稱為汽車史上的三大發(fā)明之一防抱制動系統(tǒng)ABS(Anti-lock Braking System)開始使用和推廣。由于汽車制動時會導致車輪與路面之間產生滑移，而滑移率會影響到汽車制動的效果。ABS系統(tǒng)根據(jù)輪速傳感器傳送的信號實時調節(jié)對應車輪的制動力，使制動過程中車輪滑移率控制在合適的范圍內，提高車輪側向附著力，取得了最佳的制動效果。1954年FORD公司開始在林肯轎車裝備ABS，到了80年代ABS走向成熟。20世紀80年代中期，BOSCH公司研發(fā)了驅動防滑系統(tǒng)ASR(Anti-Skidding Restraint)，它可以在起步或彎道中速度發(fā)生急劇變化時，將滑轉率控制在一定的范圍內，改善車輪與地面的附著力，例如，車輛在冰雪路面或濕滑路面行駛時，當汽車加速時驅動輪容易打滑，ASR系統(tǒng)會自動減低發(fā)動機馬力并制動受影響的車輪，ASR系統(tǒng)挺高了車輛的牽引力和行駛穩(wěn)定性。1985年VOLOVO汽車公司將這項技術轉化為產品，并將其安裝在Volvo760 Turbo上。由于車輪的驅動打滑與制動抱死講的是同一類問題，所以在ABS的基礎上，增加了驅動防滑系統(tǒng)ASR來檢測采集驅動輪的轉速，將兩者集成為一體，發(fā)展成為ABS/ASR系統(tǒng)。1980年12月Bosch公司第一次將ABS/ASR技術結合應用在Mercedes S級轎車上。隨著智能控制技術的發(fā)展，國外已經(jīng)由ABS控制系統(tǒng)發(fā)展到TCS(牽引力控制系統(tǒng))，在此基礎上發(fā)展到VDC(汽車動態(tài)控制系統(tǒng))。VDC系統(tǒng)是把汽車總成的控制系統(tǒng)(制動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、發(fā)動機等)集成在一起，大大提高了汽車控制系統(tǒng)的集成度和行駛安全性。九十年代中期出現(xiàn)的ESP(Electronic StabilityProgram)系統(tǒng)，是提高汽車主動安全性的又一重大飛躍。ESP主要是在輪胎與地面處于附著極限工況下，對汽車的行駛狀態(tài)進行實時監(jiān)測，如果汽車行駛軌道和駕駛員所期望的軌道不一致時，ESP系統(tǒng)會對制動壓力進行調節(jié)，或者通過改變發(fā)動機輸出轉矩，實時的對車輛的行駛狀態(tài)進行調節(jié)，使汽車的實際行駛狀態(tài)更接近駕駛員的駕駛意圖，大大提高了汽車的行駛穩(wěn)定性。
由于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)主要由制動踏板、真空助力器、主缸、輪缸、制動鼓(或制動盤)及管路等構成。制動系統(tǒng)使用氣體或液體作為力的傳遞介質以液壓能的形式施加在各車輪上，對車輛進行直接制動。對于長軸距控制車輛，由于制動管路較長、響應速度慢、易產生滯后現(xiàn)象、安全性降低，并且踏板感覺差、裝配維護難度大、成本也較高。
隨著汽車電子科技和汽車控制技術的發(fā)展，出現(xiàn)了高效節(jié)能的線控技術，線控技術(x-by-wire)首先應用于航空航天領域，經(jīng)過發(fā)展成熟后將這種控制方式引入到汽車駕駛上，線控技術利用將傳感器獲知駕駛員踩制動，換擋，打轉向盤等駕駛意圖，轉化為電信號輸入電子控制單元，電子控制單元再發(fā)送指令給相應的執(zhí)行機構完成相關操作。線控技術中(by-wire)可理解為電控方式，這里的“x”類似于方程式中的變量，代表著傳統(tǒng)上汽車中由機械或液壓控制的各個控制單元，例如線控轉向(steer-by-wire)、線控制動(brake -by-wire)系統(tǒng)、線控懸架(suspension-by-wire)系統(tǒng)、線控油門(throttle-by-wire)系統(tǒng)[9]，結合線控技術和汽車制動系統(tǒng)而形成的線控制動系統(tǒng)，將傳統(tǒng)液壓或氣壓制動執(zhí)行元件改為了電驅動元件，提高了可控性和響應速度，同時易實現(xiàn)底盤集成控制。寶馬汽車公司在2000年巴黎車展上參展的概念車BMW Z22應用了steer-by-wire技術，并將在2005年以后正式付諸批量生產。在歐洲Daimler-Chrysler，F(xiàn)ord和Volvo等汽車公司聯(lián)合發(fā)起了“Brite-EuRam‘x-by-wire’”計劃，進行線控驅動系統(tǒng)的實現(xiàn)以及安全性和可靠性方面的研究。在第屆日內瓦國際汽車展覽會上，意大利Bertone汽車設計及開發(fā)公司展示了新型概念車“FILO”。“FILO”采用了“Drive-By-Wire”系統(tǒng)[11]。隨后國外開始將高效、節(jié)能、環(huán)保的線控技術與車輛制動系統(tǒng)相結合，由此線控制動系統(tǒng)(brake-by-wire)應運而生，成為各大汽車研究機構的研究熱點。
1.1.2搭建EHB實驗臺的意義
在開發(fā)新產品的初期，將新產品裝配到量產的實車上后進行檢測和系統(tǒng)調試，如果實驗過程中發(fā)現(xiàn)缺陷，要重新測試并對其進行改進，這樣做不但成本較高并且安裝拆卸困難，為此搭建實驗臺有著較大優(yōu)勢。本文中的實驗臺是一種集合系統(tǒng)性能評價和開發(fā)調試檢測綜合功能于一體的車輛電子系統(tǒng)開發(fā)和改進的重要工具，大大促進了車輛電子系統(tǒng)的研究和開發(fā)，并加快了系統(tǒng)控制邏輯和執(zhí)行機構的設計開發(fā)。
本課題中要搭建的EHB實驗臺，目的是要對目標輪缸壓力進行跟隨控制，對于不同形式的目標壓力輸入，應用PID控制算法進行控制，使實際輪缸壓力響應快速穩(wěn)定。如果對輸入目標輪缸壓力跟隨情況良好，就可以更好的實現(xiàn)下一步各種制動功能如ABS(制動防抱死系統(tǒng))功能，EBD(電子制動力分配)功能;ESP(電子穩(wěn)定性控制)功能;TCS(牽引力控制系統(tǒng))功能等，通過EHB實驗平臺的實驗，可對制動系統(tǒng)的各項性能進行檢驗，有效地改進EHB系統(tǒng)的性能及可靠性，并為實車實驗做好準備，在汽車制動系統(tǒng)開發(fā)上有著不可替代的作用和意義。
1.2 EHB系統(tǒng)簡介及性能特點
1.2.1 EHB系統(tǒng)簡介
EHB(Electronic Hydraulic Brake System)系統(tǒng)是線控制動兩類系統(tǒng)中的一種。由于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)主要由制動踏板、真空助力器、主缸、輪缸、制動鼓(或制動盤)及管路等構成。制動系統(tǒng)對車輛進行直接制動。制動管路較長、響應速度慢、易產生滯后現(xiàn)象、安全性降低。
EHB系統(tǒng)除去了巨大的真空助力器，以及一些液壓管路等傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的部分機械元件并用一些電子元件替代，該系統(tǒng)用一個電子式制動踏板替代了傳統(tǒng)的液壓制動踏板，電子踏板單元識別出駕駛人員踩踏制動踏板的制動意圖，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器采集的車輛狀態(tài)信號傳遞給電子控制單元，同時電子控制單元根據(jù)不同的駕駛工況決策出車輪的最佳制動壓力。這一系統(tǒng)縮短了制動反應時間，減小了系統(tǒng)響應時間，同時也避免了因液壓機械制動系統(tǒng)反作用力引起震動而使駕駛員不自覺地減小制動力帶來的危險[13]。線控制動兩種系統(tǒng)中的EMB(Electronic Mechanical Brake System)系統(tǒng)是一種電子機械制動系統(tǒng)，它用線控制動系統(tǒng)代替了整個液壓系統(tǒng)，并用踏板力模擬單元替代了傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)中真空助力器和機械式傳力機構。EMB系統(tǒng)根據(jù)數(shù)采系統(tǒng)采集的車輛狀態(tài)信號，經(jīng)過電子控制單元的分析和處理，向車輪制動模塊的電機發(fā)出信號，進而產生所需的制動力，達到制動的目的。但是EMB沒有備用系統(tǒng)，其可靠性需要得到很好的實踐驗證，此外執(zhí)行器的散熱，耐高溫，抗干擾等方面的條件要求嚴格，因此距EMB技術成熟期還有很長的路要走。
1.2.2 EHB系統(tǒng)的性能特點
(1)傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，駕駛員通過踏板，制動主缸，真空助力器等將踏板力傳遞產生制動壓力，制動器制動時間較長。而對于EHB系統(tǒng)，電機泵和蓄能器充當系統(tǒng)的壓力源，通過高速開關閥的調節(jié)控制制動液進入制動輪缸，制動過程平順柔和，制動壓力上升梯度大。輪缸制動壓力通過輪缸壓力傳感器的實時監(jiān)測，將信號傳遞給電子控制單元，可對輪缸壓力精確調節(jié)，此過程中還可以消除制動噪聲，縮短制動時間。
(2)傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，制動主缸通過活塞運動，將等量的制動液傳遞給各個制動輪缸，只能在一定程度上實現(xiàn)前后制動力的分配，不能很好地對各個制動輪單獨控制，難以充分利用地面制動力，而EHB系統(tǒng)是通過閉環(huán)反饋的控制方式，對每個制動輪缸的壓力進行單獨控制，它將傳感器所采集到的各種信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元通過分析判斷決策出各制動器所需最佳制動力，達到良好制動效果。
(3)傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，制動踏板與制動輪缸之間是通過一些機械裝置直接相連接的，若長時間制動，系統(tǒng)的機械特性會發(fā)生變化，會影響制動性能。而EHB控制系統(tǒng)，可通過對電子控制單元加入相應的控制算法對制動踏板部件機械特性的變化進行補償，彌補傳統(tǒng)機械特性對系統(tǒng)影響的不足，使踏板行程和制動壓力等級保持一致。EHB系統(tǒng)通過傳感器采集的踏板的運動速度和踏板的行程，將信號傳遞給ECU，ECU通過對駕駛員意圖的識別，判斷不同的制動行為，計算并提供最佳的壓力變化特性。由于踏板力獨立于制動輪缸，制造商可以根據(jù)車型的不同，駕駛者年齡段、性別以及駕駛習慣的不同進行統(tǒng)計，通過調整可靠的控制算法和對踏板模擬器進行主動控制，給駕駛者提供最合適的踏板感覺。
(4)此外由于EHB系統(tǒng)在結構上取消了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的部分管路系統(tǒng)及液壓閥，真空助力器等元件。使系統(tǒng)更加緊湊，節(jié)省了車內制動系統(tǒng)的布置空間;制造、裝配簡單快捷;由于模塊化程度高，提高了車輛設計過程中的靈活性;同時改善了發(fā)動機性能，提高了汽車燃油經(jīng)濟性。
1.3 EHB系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向
從1993年開始到2000年是EHB技術發(fā)展初期。這個時期各大汽車公司都針對EHB系統(tǒng)進行了技術研發(fā)，主要裝配在試驗車型上。1993年FORD公司、通用公司開始采用EHB制動系統(tǒng)，在此期間最具有代表性的屬Bosch公司推出的“Brake 2000”項目。1999年法蘭克福車展上，Bosch公司展出了新的EHB系統(tǒng)。由于其結構上嶄新的設計思路，使汽車制動過程中不僅縮短了制動距離而且保證了車輛穩(wěn)定性，該系統(tǒng)剛一問世便得到了市場的認可，立刻成為各大汽車研發(fā)部門爭相學習的對象。
從2000年前后到2007年左右，EHB技術走向成熟，并過度到商用階段，許多公司將其進行了產品化，Bosch(博世)和Daimler-Chrysler公司在量產奔馳第七代e級轎車SL500上的裝配;1997年日本的豐田(TOYOTA)公司推出世界上第一款量產化的混合動力車Prius，并發(fā)布混合動力系統(tǒng)“THS”。2002年韓國最大的汽車配件生產企業(yè)Mando公司開發(fā)出了新一代HCU，并為各大公司提供此產品。同年在法蘭克福車展上，美國通用汽車公司展示了Hy-Drive燃料電池概念車，該車應用由瑞典SKF公司開發(fā)的X-Drive電子線控操縱系統(tǒng)。還有就是Continental Teves(大陸)公司的MK系列產品。在此階段比較有代表性有以下幾個公司的技術
Bosch公司在2001年的法蘭克福車展上，展出了感應制動控制系統(tǒng)SBC(Sensotronic Brake Control)。2005年Bosch公司與戴姆勒-克萊斯勒公司共同合作，開始批量生產ABS 8.0，TCS 8.0，ESP 8.0第一階段的ESP plus等EHB系統(tǒng)，并裝備在各式中高檔車型上，使“ESP premium”達到實用水平。到2009年，Bosch公司已經(jīng)推出了ESP 9.0版本。
豐田公司于2003年1月在北美國際車展上展出了一款混合動力概念車SU-HV，裝備了改進后的的混合動力系統(tǒng)“Hybrid Synergy Drive*1”。同年4月豐田公司將搭載了既有良好動力性能又節(jié)能環(huán)保的第二代混合動力系統(tǒng)“THSⅡ”應用在第二代Prius普銳斯上。此后，搭載車型擴大到了MPV、SUV、以及FR轎車。同年10月豐田公司在第37屆東京車展上展出了全新的概念混合動力車，該車搭載了新型E-Four(電動四輪驅動)動力和SU-HV1混合動力系統(tǒng)。大陸公司從2000年開始在電子剎車系統(tǒng)應用EBS [27]技術，已經(jīng)有了比較成型的產品，推出了MK20，MK25，MK50，MK60，MK70等型號的電子機械式制動執(zhí)行器。其中MK60結構更緊湊，更輕便能夠提供新能較強的液壓制動力，已經(jīng)裝配到從緊湊型車到輕型卡車等各種級別的車中。而Mk25則裝配在頂級車以及輕卡上，MK50則裝配在重型客車上。
從2007年左右開始到現(xiàn)在，EHB技術開始進入網(wǎng)絡整合時代。制動系統(tǒng)不再是一個獨立的系統(tǒng)，電子控制單元將它和轉向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及輔助駕駛系統(tǒng)通過網(wǎng)絡進行集中控制。其中以日本豐田公司提出的車身動態(tài)綜合管理系統(tǒng)(VDIM)以及Bosch公司的主被動安全整合(CAPS)系統(tǒng)最為有代表性。
豐田提出了整合管理系統(tǒng)(VDIM)，該系統(tǒng)對動力系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等主要總成進行集中控制，通過傳感器采集駕駛員的駕駛狀況和汽車行駛狀態(tài)，在汽車動態(tài)達到不穩(wěn)定行駛臨界狀態(tài)前就開始控制，以便保持汽車的穩(wěn)定性，進一步提高了該車的駕駛穩(wěn)定性能和主動安全性能。
Bosch公司認為未來汽車電子產品的智能功能將以主、被動安全系統(tǒng)與預測型輔助駕駛系統(tǒng)的緊密結合為基礎，Bosch為所有這些功能打造了共同的名稱—“主被動安全整合”(CAPS)。從2007年4月起，Bosch已經(jīng)成功將主動、被動安全系統(tǒng)及輔助駕駛系統(tǒng)建立成一個網(wǎng)絡。如2007年投產的將偏航傳感器及加速度傳感器與油壓組件設計為一體的“ESP8i ”，在2008年投產支持新一代通信網(wǎng)絡FlexRay的“ESP premium with FlexRay”以及輕型車專用組件“ABS8k”，還有面向摩托車的“ABS8ME”。在2009年投產的支持混合動力車的“ESP premium for HEV ”。該CAPS系統(tǒng)為實現(xiàn)先進的安全功能提供了基礎，更能有效地防止事故發(fā)生。預計Bosch公司將在2010年開始推出ESP和ABS的第9代產品，該產品將在實現(xiàn)小型輕量化的同時降低噪音及振動。并且Bosch的第一代CAPS功能整合了自適應巡航控制系統(tǒng)(ACC)和ESP 。第二階段的開發(fā)成果是預測性碰撞警告系統(tǒng)，目前已經(jīng)在奧迪Q7上實現(xiàn)了批量生產。第三階段的開發(fā)將推出預測性緊急制動系統(tǒng)，能夠使車輛在緊急狀況下自行緊急剎車。
1.4國內外EHB試驗臺的發(fā)展
汽車線性制動系統(tǒng)作為一種先進的線性控制系統(tǒng)，引起了國內外許多大學和研究機構的關注，并為此搭建起實驗平臺進行研究。
圖1.3為都靈理工大學搭建的ABS/ESC 實驗臺，主要由可載入汽車車輛模型的主機控制器和液壓回路系統(tǒng)組成，實驗臺配置有：單板dSPACE DS1103 PPC控制板，可應用Matlab-Simulink軟件建立的車輛模型，多塊dSPACE-ControlDesk板卡來控制處理實驗結果，后置處理器可以為用戶提供良好的圖形演示的結果。液壓動力單元由SL真空助力器和串聯(lián)雙腔制動主缸組成。第二液壓回路與制動踏板單元連接，由PID控制器控制，可實現(xiàn)踏板力的模擬，得知駕駛員的制動意圖。壓力傳感器分別安裝在主缸處和助力器出液端，用來測量主缸壓力和助力器壓力。位移傳感器用來測量活塞桿位置，輸出狀態(tài)反饋信號給電控單元從而對液壓執(zhí)行機構進行控制，繼電器可以驅動的ESC電磁閥，可以實現(xiàn)ABS主動控制，ESC(Electronic Stability Control)電子穩(wěn)定程序控制。
都靈理工大學在此基礎上搭建了EHB硬件在環(huán)試驗臺(如圖1.4)，該試驗臺主要用來分析和研究線性制動系統(tǒng)，因為系統(tǒng)配備有高壓蓄能器，由其為系統(tǒng)提供高壓油液，使整個系統(tǒng)響應速度更快，可產生更大的制動力矩，并且可對各個輪缸獨立進行控制。可對開發(fā)電磁閥控制策略進行開發(fā)，以減小壓力震蕩，縮短響應時間。編輯和調整控制邏輯可增強駕駛員制動時的舒適性，還可以基于此實驗臺進行能量回收。該試驗臺配置有：兩個鼓式制動器，兩個盤式制動器，裝高速開關閥四路液壓回路與制動輪缸相連，與串聯(lián)雙腔制動主液相連的液壓踏板單元用于模擬駕駛員制動意圖。壓力傳感器安裝在蓄能器出液端和四個輪缸進液端，可實時監(jiān)測蓄能器和輪缸壓力，儲液器與蓄能器之間裝有電機泵，為蓄能器提供高壓穩(wěn)定的油液。
圖1.5布萊頓大學搭建的EHB實驗臺。主要對踏板力模擬單元進行了詳細的討論。對轉角傳感器所測轉角與輪缸壓力之間的關系進行了標定。應用AMESim聯(lián)合Simulink軟件建立起了車輛動力學模型，利用實驗臺對輪缸壓力跟隨特性進行了研究，得出制動壓力跟隨的曲線與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)壓力曲線進行了對比，表明系統(tǒng)的響應時間更快，壓力波動跟小，并能明顯改善駕駛員制動時的感覺。此實驗臺還可以進行EHB容錯控制。
與國外研究水平相比，國內的EHB系統(tǒng)實驗臺的建設還處于起步階段，吉林大學的劉溧建立起了適于進行ABS性能評價與控制方法的混合仿真實驗臺(簡稱MST)
MST將可將ABS的關鍵部件嵌入仿真回路，擴展了傳統(tǒng)仿真的研究方式。由于液壓系統(tǒng)動態(tài)特性對ABS的控制品質有較大的影響，通過對電磁閥的開關響應過程分析，對電磁閥進行了理論建模和仿真。將ABS液壓系統(tǒng)簡化為液壓閥口、液壓缸和液壓管路三個基本液壓元件構成，利用此實驗臺進行了液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，包括電磁閥開關響應時間、管路的傳輸滯后時間及增、減壓過程中的輪缸壓力變化率等。驗證了理論研究結論的正確性，通過實驗結果的分析，得到了電磁閥響應時間、管路傳輸滯后時間和輪缸壓力變化率的經(jīng)驗模型。并對建立的模型進行了實驗驗證，模型參數(shù)進行了辨識。
最后對ABS控制邏輯與液壓系統(tǒng)相結合，進行防抱制動過程的混合仿真試驗研究，通過液壓系統(tǒng)嵌入的混合仿真實驗對控制邏輯進行了驗證。實驗結果表明：控制邏輯與實際液壓系統(tǒng)結合后，具有良好的防抱制動效果。
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