一种集成式线控制动系统轮缸压力控制方法

技术领域

本发明属于智能汽车技术领域，具体的说是一种集成式线控制动系统轮缸压力控制方法。

背景技术

电动智能汽车的不断发展对汽车底盘制动系统提出了更高的安全性与稳定性需求，要求底盘制动系统具备快速、精准的轮缸压力调控能力。然而，传统的真空助力器和电子稳定控制系统在连续、主动的轮缸压力调控时存在响应速度衰退、压力控制误差波动等问题。因此，国内外各大机构提出了多种线控制动解决方案，例如集成式线控制动系统、电子液压线控制动系统、电子机械制动系统等，以满足电动智能汽车提出的新需求。

与电子液压制动系统不同，集成式线控制动系统采用高性能伺服电机作为动力源，避免了高压蓄能器带来的制动液泄露等问题。此外，集成式线控制动系统通过保留传统液压管路并将液压调节单元集成于一体，实现快速、精准且稳定的轮缸制动压力的调节，同时对液压回路进行合理布置即可实现安全可靠的制动冗余备份。然而，集成式线控制动系统在进行轮缸压力调控时，会受到液压系统刚度突变的问题，且液压回路内制动液会随轮缸压力调控流失而出现制动液不足的问题，因此有必要对此进行深入研究。

发明内容

本发明提供了一种集成式线控制动系统轮缸压力控制方法，为集成式线控制动系统轮缸压力控制功能奠定基础，匹配电动智能汽车高安全性、高稳定性的需求，解决了集成式线控制动系统在进行轮缸压力调控时，会受到液压系统刚度突变的问题，且液压回路内制动液会随轮缸压力调控流失而出现制动液不足的问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种集成式线控制动系统轮缸压力控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立面向控制器设计的集成式线控制动系统伺服电机、传动机构及液压系统模型；

步骤二、利用伺服缸液压力-活塞位置特性设计能够动态调节底层压力调控器的电机-电磁阀协同补液机制；

步骤三、设计包含液压系统变刚度前馈压力环、鲁棒滑模位置环及电机电流环的伺服缸压力调控器；

步骤四、基于由测试数据凝练出的轮缸进/出液阀增/减压特性设计轮缸压力调控器，实现轮缸压力调控。

进一步的，所述步骤一的具体方法如下：

11)所述伺服电机为表贴式永磁同步电机，其电磁转矩方程为：

式中，T

12)电机的转矩平衡方程表示为：

式中，J

13)两级传动机构将电机的输出转矩T

式中，F

14)根据电机的旋转运动及传动机构间的关系，得到伺服缸活塞水平位移为：

式中，θ

15)将集成式线控制动系统自电机后的机械部件质量和转动惯量转换为伺服缸活塞水平位移处的等效质量m

ω

式中，m

16)根据伺服缸活塞处的动力学平衡关系，得到：

式中，m

17)通过分段拟合的方式建立液压系统模型表现液压系统变刚度特性，表示为：

P

式中，P

18)将式(1)(3)(4)(5)(8)(10)(11)代入式(9)中，得到伺服缸活塞处完整的动力学平衡方程：

式中，m

进一步的，所述步骤二的具体方法如下：

21)设计压力仲裁逻辑，根据车辆控制层输出的各轮缸目标压力

22)基于无轮缸压力控制介入时的伺服缸液压力-活塞位移刚度特性曲线计算用于补液需求辨识的基准活塞位移Y

式中，Y

当伺服缸活塞位移Y大于伺服缸补液基准活塞位移Y

式中，i

23)当补液需求标志位信号i

进一步的，所述步骤21)的具体方法如下：

当上层输出的各轮缸目标压力

当上层输出的各轮缸目标压力

进一步的，所述步骤23)的具体方法如下：

动作一：通过输出吸入阀控制指令D

动作二：输出补液控制系数L

动作三：保持吸入阀与压力环关闭，监测伺服缸活塞的位移，当伺服缸活塞实际位移Y到达补液目标活塞位移

动作四：制动液补充完毕后，输出吸入阀控制指令D

进一步的，所述步骤三的具体方法如下：

所述伺服缸压力调控器由压力环、位置环和电流环组成；

31)根据液压系统变刚度特性模型设计压力环前馈控制律

式中，

引入反馈控制律

式中，

结合电机-电磁阀协同补液机制输出的补液控制系数L

式中，Y

32)位置环的跟踪误差e表示为：

e＝Y

式中，e为位置环跟踪误差；Y

根据位置环跟踪误差e定义滑模面，表示为：

式中，s为滑模面；c为滑模面参数；e为位置环跟踪误差；

结合伺服缸活塞水平方向的等效动力学平衡方程(9)得到滑模面微分，表示为：

式中，s为滑模面；c为滑模面参数；e为位置环跟踪误差；Y

设计指数趋近律，表示为：

式中，s为滑模面；ε

将式(21)结合电磁转矩方程(1)代入式(20)中，求解转矩轴目标电流

式中，

由于滑模面参数c，趋近律参数ε

33)基于励磁轴目标电流为零的控制方法，设计了电流环反馈控制器，表示为：

式中，u

进一步的，所述步骤四的具体方法如下：

41)进行进液阀增压特性试验，选择0.2-0.6作为轮缸进液阀的占空比调节区间；

42)进行出液阀减压特性试验，采用0.3为控制轮缸出液阀的临界占空比；

43)基于进液阀增压特性测试结果与出液阀减压特性测试结果设计轮缸压力调控器。

本发明的有益效果为：

1)本发明搭建的集成式线控制动系统模型考虑了制动系统轮缸压力控制时面临的液压系统变刚度特性问题；

2)本发明基于液压变刚度前馈设计级联式伺服缸压力调控器压力环，有效地克服了液压系统刚度突变的问题；

3)本发明基于鲁棒滑模理论及励磁轴目标电流为零方法设计伺服缸压力调控器位置环及电机电流环，有效地克服压力波动对伺服缸活塞位置控制造成的影响；

4)本发明基于实验测试数据凝练轮缸进液阀增压特性与出液阀减压特性设计前馈控制器，并结合反馈控制设计了轮缸压力调控器，有效地简化了轮缸与电磁阀间的压力调节逻辑；

5)本发明基于伺服缸液压力-活塞位置刚度特性设计的电机-电磁阀协同补液机制有效地克服了集成式线控系统轮缸压力调节过程中制动液不足的问题，保证了系统的稳定性与安全性；

6)本发明所提出的电机-电磁阀协同补液机制能够在不改变集成式线控制动系统结构的基础上，有效地保证系统内部制动液的充足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为集成式线控制动系统结构示意图；

图3为不同轮缸关闭情况下的P-V刚度特性示意图；

图4为压力仲裁逻辑示意图；

图5为电机-电磁阀协同补液机制示意图；

图6为不同占空比下进液阀增压特性曲线示意图；

图7为不同占空比下出液阀减压特性曲线示意图；

图8为轮缸压力调控器结构示意图；

图9a为轮缸压力曲线示意图；

图9b为轮缸压力误差曲线示意图；

图9c为伺服缸压力曲线示意图；

图9d为伺服缸活塞位移曲线示意图；

图10a为补液压力曲线示意图；

图10b为伺服缸活塞位移曲线示意图；

图10c为吸入阀是能信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

参阅图1，本发明提供了一种集成式线控制动系统轮缸压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立面向控制器设计的集成式线控制动系统伺服电机、传动机构及液压系统模型，具体如下：

图2所示为集成式线控制动系统结构简图。驾驶员踩下制动踏板后，常开隔离阀关闭，常闭踏板感模拟阀开启，控制主缸中的制动液流入踏板感觉模拟器以维持一定制动踏板感受；当系统接收到制动指令后，常闭吸入阀开启，电机开始转动，电机输出轴通过由齿轮和滚珠丝杠组成的二级传动机构，将电机的输出转矩转化为伺服缸活塞的水平推力；当不存在轮缸压力独立调节需求时，轮缸常开进液阀与常闭出液阀保持初始状态，制动液经过常开进液阀流入制动轮缸形成制动压力；当存在轮缸压力独立调节需求时，对应轮缸的进液阀与出液阀协调工作，配合伺服电机实现轮缸压力精准调节。

11)所述伺服电机为表贴式永磁同步电机，其电磁转矩方程为：

式中，T

12)电机的转矩平衡方程表示为：

式中，J

13)两级传动机构将电机的输出转矩T

式中，F

14)根据电机的旋转运动及传动机构间的关系，得到伺服缸活塞水平位移为：

式中，θ

15)以伺服缸活塞为研究对象，将集成式线控制动系统自电机后的机械部件质量和转动惯量转换为伺服缸活塞水平位移处的等效质量m

ω

式中，m

16)根据伺服缸活塞处的动力学平衡关系，得到：

式中，m

17)由于集成式线控制动系统的液压系统特性受轮缸开闭数量的影响，通过对液压P-V刚度特性曲线进行多项式拟合完成液压系统建模。图3表示不同轮缸轮缸关闭情况下的伺服缸活塞位移与制动液压力间的关系曲线。图中，NONE代表无轮缸关闭；WC

P

式中，P

18)将式(1)(3)(4)(5)(8)(10)(11)代入式(9)中，得到伺服缸活塞处完整的动力学平衡方程：

式中，m

步骤二、利用伺服缸液压力-活塞位置特性设计能够动态调节底层压力调控器的电机-电磁阀协同补液机制，具体如下：

21)根据车辆控制层输出的各轮缸目标压力

当上层输出的各轮缸目标压力

当上层输出的各轮缸目标压力

22)基于无轮缸压力控制介入时的伺服缸液压力-活塞位移刚度特性曲线计算用于补液需求辨识的基准活塞位移Y

式中，Y

分析图3可以知道，当轮缸减压并且制动液流回出液壶后，集成式线控制动系统伺服缸内建立相同的压力需要更多的伺服缸活塞位移，因此，当伺服缸活塞位移Y大于伺服缸补液基准活塞位移Y

式中，i

23)当补液需求标志位信号i

动作一：通过输出吸入阀控制指令D

动作二：输出补液控制系数L

动作三：保持吸入阀与压力环关闭，监测伺服缸活塞的位移，当伺服缸活塞实际位移Y到达补液目标活塞位移

动作四：制动液补充完毕后，输出吸入阀控制指令D

步骤三、设计包含液压系统变刚度前馈压力环、鲁棒滑模位置环及电机电流环的伺服缸压力调控器；所述伺服缸压力调控器由压力环、位置环和电流环组成，具体如下：

31)根据液压系统变刚度特性模型设计压力环前馈控制律

式中，

仅通过前馈控制难以实现伺服缸压力的精确调节，引入反馈控制律

式中，

结合电机-电磁阀协同补液机制输出的补液控制系数L

式中，Y

32)本发明基于鲁棒滑模控制理论设计了位置环控制律。那么，位置环的跟踪误差e表示为：

e＝Y

式中，e为位置环跟踪误差；Y

根据位置环跟踪误差e定义滑模面，表示为：

式中，s为滑模面；c为滑模面参数；e为位置环跟踪误差；

结合伺服缸活塞水平方向的等效动力学平衡方程(9)得到滑模面微分，表示为：

式中，s为滑模面；c为滑模面参数；e为位置环跟踪误差；Y

设计指数趋近律，表示为：

式中，s为滑模面；ε

将式(21)结合电磁转矩方程(1)代入式(20)中，求解转矩轴目标电流

式中，

由于滑模面参数c，趋近律参数ε

33)本发明基于励磁轴目标电流为零的控制方法，设计了电流环反馈控制器，表示为：

式中，u

步骤四、基于由测试数据凝练出的轮缸进/出液阀增/减压特性设计轮缸压力调控器，实现轮缸压力调控，考虑到集成式线控制动系统轮缸压力控制受到对应轮缸进液阀与出液阀开关状态的影响，对轮缸进液阀的增压特性及出液阀的减压特性展开测试，具体如下：

41)以前右轮为例，首先进行进液阀增压特性测试，实验开始前关闭其他轮缸进液阀，在1000Hz的控制基频下，对前右轮进液阀输出不同大小的PWM占空比信号，同时控制伺服电机跟随恒定的阶跃伺服缸目标活塞位移进行制动增压。

图6为不同PWM占空比下的进液阀增压特性曲线，根据测试结果可知PWM占空比在0-0.2之间时，增压速率基本一致，进液阀几乎完全开启；当PWM占空比在0.2-0.55之间时，进液阀增压速率随PWM占空比的增加逐渐减小；当PWM占空比大于0.6时，进液阀增压速率为零，说明进液阀已经完全关闭，制动液无法经过进液阀流入制动轮缸。因此，本发明选择0.2-0.6作为轮缸进液阀的占空比调节区间。通过对图6的增压特性拟合，可以得到如表1的轮缸增压速率与PWM占空比的映射关系。

表1轮缸增压速率与进液阀PWM占空比映射关系

42)对前右轮缸进行出液阀减压特性测试，实验开始前关闭其他轮缸进液阀，控制前右轮缸压力保持为7MPa。当前右轮缸压力到达目标压力后，控制伺服缸活塞位置保持不变，关闭常开进液阀，在1000Hz的基频下给定前右轮缸出液阀不同大小的PWM占空比，测得图7所示的轮缸出液阀减压特性曲线；

从图7中可以知道，PWM占空比为0.3时，轮缸出液阀处于关闭状态，轮缸压力保持不变；当PWM占空比大于0.3时，各PWM占空比条件下的减压速率基本一致。基于出液阀PWM占空比可调区间较小的特点，本发明采用0.3为控制轮缸出液阀的临界占空比；

43)以前右轮为例，基于进液阀增压特性测试结果与出液阀减压特性测试结果设计如图8所示的轮缸压力调控器。当轮缸目标压力

D

式中，D

当轮缸目标压力

当轮缸目标压力

D

式中，D

实施例

本实施例在基于MATLAB/Simulink、dSpace搭建的仿真平台中对本发明设计的基于电机-电磁阀协同补液机制的集成式线控制动系统轮缸压力控制方法进行了测试。

图9a、9b、9c和9d表现了前右轮缸与后右轮缸目标压力频率为0.5Hz，幅值为2MPa，偏置为2MPa，存在170°相位差的正弦曲线的跟踪效果。可以从性能测试结果中明显看出，伺服缸活塞位移跟踪误差几乎为零，前右轮缸与后右轮缸能够准确跟随各自目标，压力最大值仅在1.4s，后右轮缸目标压力第一次增加时出现，但本发明提出的控制方法能够控制集成式线控制动系统在100ms内消除该压力波动，此后仅在2.4s、3.4s、4.4s、5.4s、6.4s、7.4s、8.4s、9.4s开启目标压力低的轮缸进液阀时，FR轮缸与RR轮缸出现压力误差波动，但平均压力跟随误差和跟随滞后时间始终能够控制在0.25MPa和20ms以内，能有效满足智能电动汽车对制动系统提出的轮缸压力精准控制需求。

图10a、10b和10c表现了集成式线控制动系统存在补液需求时的补液执行测试结果。从图中可以看到，伺服缸活塞位移在调节前右轮缸压力过程中不断增加，在3.4s及20.4s时达到补液触发位移，并成功触发电机-电磁阀协同补液机制。此时，电机-电磁阀协同补液机制控制吸入阀关闭，并控制伺服缸目标活塞位移跳变至6mm。伺服缸活塞在100ms内回抽至目标位置并迅速推出重新建压，然后吸入阀再次开启。从图10a中可看到伺服缸压力在100ms内完成压力的降低与恢复，且整个过程对前右轮缸压力的调节未造成影响。证明了电机-电磁阀协同补液机制能够辅助集成式线控制动系统完成伺服缸内制动液补充，保证系统制动压力调控能力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。