汽车电子液压制动系统跟随特性的实验研究 ----意义与名词解释

admin

1.1.1汽车线控制动技术的研究背景
          随着中国汽车工业的飞速发展和人们生活水平的提高，汽车在人们生活中扮演的角色越来越重要，它已经成为人类生活中不可缺少的一部分。人们在享受汽车带来舒适，方便的同时，也开始越来越关注汽车行驶的安全性。汽车安全性能很大程度取决于汽车制动系统，良好的汽车制动系统可以保证车辆的安全行驶。因此如何设计可靠的制动系统，改善汽车的制动性能，始终是汽车研究机构的重要任务。
       
        环顾汽车制动系统的发展历史，汽车制动系统发展之初，实现制动的过程是驾驶员通过操作一组简单的机械系统，将作用力传递给制动器，但要求车辆质量小，低速行驶的情况。随着汽车自重的增加，车速的提高，对于机械制动器来说需要一种助力装置，这时出现了真空助力装置。1923年凯迪拉克公司在其生产的V16车上开始大量装配真空助力器。随后液压制动技术的出现，是继机械制动后的一制动系统的重大突破。通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。
       
        80年代，随着汽车电子技术的成熟与发展，被称为汽车史上的三大发明之一防抱制动系统ABS（Anti-lock Braking System）开始使用和推广。由于汽车制动时会导致车轮与路面之间产生滑移，而滑移率会影响到汽车制动的效果。ABS系统根据轮速传感器传送的信号实时调节对应车轮的制动力，使制动过程中车轮滑移率控制在合适的范围内，提高车轮侧向附着力，取得了最佳的制动效果。1954年FORD公司开始在林肯轿车装备ABS，到了80年代ABS走向成熟。20世纪80年代中期，BOSCH公司研发了驱动防滑系统ASR（Anti-Skidding Restraint），它可以在起步或弯道中速度发生急剧变化时，将滑转率控制在一定的范围内，改善车轮与地面的附着力，例如，车辆在冰雪路面或湿滑路面行驶时，当汽车加速时驱动轮容易打滑，ASR系统会自动减低发动机马力并制动受影响的车轮，ASR系统挺高了车辆的牵引力和行驶稳定性。1985年VOLOVO汽车公司将这项技术转化为产品，并将其安装在Volvo760 Turbo上。由于车轮的驱动打滑与制动抱死讲的是同一类问题，所以在ABS的基础上，增加了驱动防滑系统ASR来检测采集驱动轮的转速，将两者集成为一体，发展成为ABS/ASR系统。1980年12月Bosch公司第一次将ABS/ASR技术结合应用在Mercedes S级轿车上。随着智能控制技术的发展，国外已经由ABS控制系统发展到TCS（牵引力控制系统），在此基础上发展到VDC（汽车动态控制系统）。VDC系统是把汽车总成的控制系统（制动系统、驱动系统、悬架系统、转向系统、发动机等）集成在一起，大大提高了汽车控制系统的集成度和行驶安全性。九十年代中期出现的ESP（Electronic StabilityProgram）系统，是提高汽车主动安全性的又一重大飞跃。ESP主要是在轮胎与地面处于附着极限工况下，对汽车的行驶状态进行实时监测，如果汽车行驶轨道和驾驶员所期望的轨道不一致时，ESP系统会对制动压力进行调节，或者通过改变发动机输出转矩，实时的对车辆的行驶状态进行调节，使汽车的实际行驶状态更接近驾驶员的驾驶意图，大大提高了汽车的行驶稳定性。
       
        由于传统制动系统主要由制动踏板、真空助力器、主缸、轮缸、制动鼓（或制动盘）及管路等构成。制动系统使用气体或液体作为力的传递介质以液压能的形式施加在各车轮上，对车辆进行直接制动。对于长轴距控制车辆，由于制动管路较长、响应速度慢、易产生滞后现象、安全性降低，并且踏板感觉差、装配维护难度大、成本也较高。
       
        随着汽车电子科技和汽车控制技术的发展，出现了高效节能的线控技术，线控技术（x-by-wire）首先应用于航空航天领域，经过发展成熟后将这种控制方式引入到汽车驾驶上，线控技术利用将传感器获知驾驶员踩制动，换挡，打转向盘等驾驶意图，转化为电信号输入电子控制单元，电子控制单元再发送指令给相应的执行机构完成相关操作。线控技术中（by-wire）可理解为电控方式，这里的“x”类似于方程式中的变量，代表着传统上汽车中由机械或液压控制的各个控制单元，例如线控转向（steer-by-wire）、线控制动（brake -by-wire）系统、线控悬架（suspension-by-wire）系统、线控油门（throttle-by-wire）系统[9]，结合线控技术和汽车制动系统而形成的线控制动系统，将传统液压或气压制动执行元件改为了电驱动元件，提高了可控性和响应速度，同时易实现底盘集成控制。宝马汽车公司在2000年巴黎车展上参展的概念车BMW Z22应用了steer-by-wire技术，并将在2005年以后正式付诸批量生产。在欧洲Daimler-Chrysler，Ford和Volvo等汽车公司联合发起了“Brite-EuRam‘x-by-wire’”计划，进行线控驱动系统的实现以及安全性和可靠性方面的研究。在第届日内瓦国际汽车展览会上，意大利Bertone汽车设计及开发公司展示了新型概念车“FILO”。“FILO”采用了“Drive-By-Wire”系统[11]。随后国外开始将高效、节能、环保的线控技术与车辆制动系统相结合，由此线控制动系统（brake-by-wire）应运而生，成为各大汽车研究机构的研究热点。
       
        1.1.2搭建EHB实验台的意义
          在开发新产品的初期，将新产品装配到量产的实车上后进行检测和系统调试，如果实验过程中发现缺陷，要重新测试并对其进行改进，这样做不但成本较高并且安装拆卸困难，为此搭建实验台有着较大优势。本文中的实验台是一种集合系统性能评价和开发调试检测综合功能于一体的车辆电子系统开发和改进的重要工具，大大促进了车辆电子系统的研究和开发，并加快了系统控制逻辑和执行机构的设计开发。
       
        本课题中要搭建的EHB实验台，目的是要对目标轮缸压力进行跟随控制，对于不同形式的目标压力输入，应用PID控制算法进行控制，使实际轮缸压力响应快速稳定。如果对输入目标轮缸压力跟随情况良好，就可以更好的实现下一步各种制动功能如ABS（制动防抱死系统）功能，EBD（电子制动力分配）功能；ESP（电子稳定性控制）功能；TCS（牵引力控制系统）功能等，通过EHB实验平台的实验，可对制动系统的各项性能进行检验，有效地改进EHB系统的性能及可靠性，并为实车实验做好准备，在汽车制动系统开发上有着不可替代的作用和意义。
       
        1.2 EHB系统简介及性能特点
          1.2.1 EHB系统简介
          EHB（Electronic Hydraulic Brake System）系统是线控制动两类系统中的一种。由于传统制动系统主要由制动踏板、真空助力器、主缸、轮缸、制动鼓（或制动盘）及管路等构成。制动系统对车辆进行直接制动。制动管路较长、响应速度慢、易产生滞后现象、安全性降低。
       
        EHB系统除去了巨大的真空助力器，以及一些液压管路等传统制动系统的部分机械元件并用一些电子元件替代，该系统用一个电子式制动踏板替代了传统的液压制动踏板，电子踏板单元识别出驾驶人员踩踏制动踏板的制动意图，通过数据采集系统将传感器采集的车辆状态信号传递给电子控制单元，同时电子控制单元根据不同的驾驶工况决策出车轮的最佳制动压力。这一系统缩短了制动反应时间，减小了系统响应时间，同时也避免了因液压机械制动系统反作用力引起震动而使驾驶员不自觉地减小制动力带来的危险[13]。线控制动两种系统中的EMB（Electronic Mechanical Brake System）系统是一种电子机械制动系统，它用线控制动系统代替了整个液压系统，并用踏板力模拟单元替代了传统液压制动系统中真空助力器和机械式传力机构。EMB系统根据数采系统采集的车辆状态信号，经过电子控制单元的分析和处理，向车轮制动模块的电机发出信号，进而产生所需的制动力，达到制动的目的。但是EMB没有备用系统，其可靠性需要得到很好的实践验证，此外执行器的散热，耐高温，抗干扰等方面的条件要求严格，因此距EMB技术成熟期还有很长的路要走。
       
        1.2.2 EHB系统的性能特点
          （1）传统的制动系统，驾驶员通过踏板，制动主缸，真空助力器等将踏板力传递产生制动压力，制动器制动时间较长。而对于EHB系统，电机泵和蓄能器充当系统的压力源，通过高速开关阀的调节控制制动液进入制动轮缸，制动过程平顺柔和，制动压力上升梯度大。轮缸制动压力通过轮缸压力传感器的实时监测，将信号传递给电子控制单元，可对轮缸压力精确调节，此过程中还可以消除制动噪声，缩短制动时间。
       
        （2）传统的制动系统，制动主缸通过活塞运动，将等量的制动液传递给各个制动轮缸，只能在一定程度上实现前后制动力的分配，不能很好地对各个制动轮单独控制，难以充分利用地面制动力，而EHB系统是通过闭环反馈的控制方式，对每个制动轮缸的压力进行单独控制，它将传感器所采集到的各种信息传递给电子控制单元，电子控制单元通过分析判断决策出各制动器所需最佳制动力，达到良好制动效果。
       
        （3）传统的制动系统，制动踏板与制动轮缸之间是通过一些机械装置直接相连接的，若长时间制动，系统的机械特性会发生变化，会影响制动性能。而EHB控制系统，可通过对电子控制单元加入相应的控制算法对制动踏板部件机械特性的变化进行补偿，弥补传统机械特性对系统影响的不足，使踏板行程和制动压力等级保持一致。EHB系统通过传感器采集的踏板的运动速度和踏板的行程，将信号传递给ECU，ECU通过对驾驶员意图的识别，判断不同的制动行为，计算并提供最佳的压力变化特性。由于踏板力独立于制动轮缸，制造商可以根据车型的不同，驾驶者年龄段、性别以及驾驶习惯的不同进行统计，通过调整可靠的控制算法和对踏板模拟器进行主动控制，给驾驶者提供最合适的踏板感觉。
       
        （4）此外由于EHB系统在结构上取消了传统制动系统中的部分管路系统及液压阀，真空助力器等元件。使系统更加紧凑，节省了车内制动系统的布置空间；制造、装配简单快捷；由于模块化程度高，提高了车辆设计过程中的灵活性；同时改善了发动机性能，提高了汽车燃油经济性。
       
        1.3 EHB系统的研究现状和发展方向
        从1993年开始到2000年是EHB技术发展初期。这个时期各大汽车公司都针对EHB系统进行了技术研发，主要装配在试验车型上。1993年FORD公司、通用公司开始采用EHB制动系统，在此期间最具有代表性的属Bosch公司推出的“Brake 2000”项目。1999年法兰克福车展上，Bosch公司展出了新的EHB系统。由于其结构上崭新的设计思路，使汽车制动过程中不仅缩短了制动距离而且保证了车辆稳定性，该系统刚一问世便得到了市场的认可，立刻成为各大汽车研发部门争相学习的对象。
       
        从2000年前后到2007年左右，EHB技术走向成熟，并过度到商用阶段，许多公司将其进行了产品化，Bosch（博世）和Daimler-Chrysler公司在量产奔驰第七代e级轿车SL500上的装配；1997年日本的丰田（TOYOTA）公司推出世界上第一款量产化的混合动力车Prius，并发布混合动力系统“THS”。2002年韩国最大的汽车配件生产企业Mando公司开发出了新一代HCU，并为各大公司提供此产品。同年在法兰克福车展上，美国通用汽车公司展示了Hy-Drive燃料电池概念车，该车应用由瑞典SKF公司开发的X-Drive电子线控操纵系统。还有就是Continental Teves（大陆）公司的MK系列产品。在此阶段比较有代表性有以下几个公司的技术
           
         
           
          Bosch公司在2001年的法兰克福车展上，展出了感应制动控制系统SBC（Sensotronic Brake Control）。2005年Bosch公司与戴姆勒－克莱斯勒公司共同合作，开始批量生产ABS 8.0，TCS 8.0，ESP 8.0第一阶段的ESP plus等EHB系统，并装备在各式中高档车型上，使“ESP premium”达到实用水平。到2009年，Bosch公司已经推出了ESP 9.0版本。
           
         
        丰田公司于2003年1月在北美国际车展上展出了一款混合动力概念车SU-HV，装备了改进后的的混合动力系统“Hybrid Synergy Drive*1”。同年4月丰田公司将搭载了既有良好动力性能又节能环保的第二代混合动力系统“THSⅡ”应用在第二代Prius普锐斯上。此后，搭载车型扩大到了MPV、SUV、以及FR轿车。同年10月丰田公司在第37届东京车展上展出了全新的概念混合动力车，该车搭载了新型E-Four（电动四轮驱动）动力和SU-HV1混合动力系统。大陆公司从2000年开始在电子刹车系统应用EBS [27]技术，已经有了比较成型的产品，推出了MK20，MK25，MK50，MK60，MK70等型号的电子机械式制动执行器。其中MK60结构更紧凑，更轻便能够提供新能较强的液压制动力，已经装配到从紧凑型车到轻型卡车等各种级别的车中。而Mk25则装配在顶级车以及轻卡上，MK50则装配在重型客车上。
       
        从2007年左右开始到现在，EHB技术开始进入网络整合时代。制动系统不再是一个独立的系统，电子控制单元将它和转向系统、动力系统及辅助驾驶系统通过网络进行集中控制。其中以日本丰田公司提出的车身动态综合管理系统（VDIM）以及Bosch公司的主被动安全整合（CAPS）系统最为有代表性。
       
        丰田提出了整合管理系统（VDIM），该系统对动力系统、转向系统和制动系统等主要总成进行集中控制，通过传感器采集驾驶员的驾驶状况和汽车行驶状态，在汽车动态达到不稳定行驶临界状态前就开始控制，以便保持汽车的稳定性，进一步提高了该车的驾驶稳定性能和主动安全性能。
       
        Bosch公司认为未来汽车电子产品的智能功能将以主、被动安全系统与预测型辅助驾驶系统的紧密结合为基础，Bosch为所有这些功能打造了共同的名称—“主被动安全整合”（CAPS）。从2007年4月起，Bosch已经成功将主动、被动安全系统及辅助驾驶系统建立成一个网络。如2007年投产的将偏航传感器及加速度传感器与油压组件设计为一体的“ESP8i ”，在2008年投产支持新一代通信网络FlexRay的“ESP premium with FlexRay”以及轻型车专用组件“ABS8k”，还有面向摩托车的“ABS8ME”。在2009年投产的支持混合动力车的“ESP premium for HEV ”。该CAPS系统为实现先进的安全功能提供了基础，更能有效地防止事故发生。预计Bosch公司将在2010年开始推出ESP和ABS的第9代产品，该产品将在实现小型轻量化的同时降低噪音及振动。并且Bosch的第一代CAPS功能整合了自适应巡航控制系统（ACC）和ESP 。第二阶段的开发成果是预测性碰撞警告系统，目前已经在奥迪Q7上实现了批量生产。第三阶段的开发将推出预测性紧急制动系统，能够使车辆在紧急状况下自行紧急刹车。
           
          1.4国内外EHB试验台的发展
          汽车线性制动系统作为一种先进的线性控制系统，引起了国内外许多大学和研究机构的关注，并为此搭建起实验平台进行研究。
         
       
         
        图1.3为都灵理工大学搭建的ABS/ESC 实验台，主要由可载入汽车车辆模型的主机控制器和液压回路系统组成，实验台配置有：单板dSPACE DS1103 PPC控制板，可应用Matlab-Simulink软件建立的车辆模型，多块dSPACE-ControlDesk板卡来控制处理实验结果，后置处理器可以为用户提供良好的图形演示的结果。液压动力单元由SL真空助力器和串联双腔制动主缸组成。第二液压回路与制动踏板单元连接，由PID控制器控制，可实现踏板力的模拟，得知驾驶员的制动意图。压力传感器分别安装在主缸处和助力器出液端，用来测量主缸压力和助力器压力。位移传感器用来测量活塞杆位置，输出状态反馈信号给电控单元从而对液压执行机构进行控制，继电器可以驱动的ESC电磁阀，可以实现ABS主动控制，ESC（Electronic Stability Control）电子稳定程序控制。
           
         
           
          都灵理工大学在此基础上搭建了EHB硬件在环试验台（如图1.4），该试验台主要用来分析和研究线性制动系统，因为系统配备有高压蓄能器，由其为系统提供高压油液，使整个系统响应速度更快，可产生更大的制动力矩，并且可对各个轮缸独立进行控制。可对开发电磁阀控制策略进行开发，以减小压力震荡，缩短响应时间。编辑和调整控制逻辑可增强驾驶员制动时的舒适性，还可以基于此实验台进行能量回收。该试验台配置有：两个鼓式制动器，两个盘式制动器，装高速开关阀四路液压回路与制动轮缸相连，与串联双腔制动主液相连的液压踏板单元用于模拟驾驶员制动意图。压力传感器安装在蓄能器出液端和四个轮缸进液端，可实时监测蓄能器和轮缸压力，储液器与蓄能器之间装有电机泵，为蓄能器提供高压稳定的油液。
       
        图1.5布莱顿大学搭建的EHB实验台。主要对踏板力模拟单元进行了详细的讨论。对转角传感器所测转角与轮缸压力之间的关系进行了标定。应用AMESim联合Simulink软件建立起了车辆动力学模型，利用实验台对轮缸压力跟随特性进行了研究，得出制动压力跟随的曲线与传统的制动系统压力曲线进行了对比，表明系统的响应时间更快，压力波动跟小，并能明显改善驾驶员制动时的感觉。此实验台还可以进行EHB容错控制。
           
         
           
          与国外研究水平相比，国内的EHB系统实验台的建设还处于起步阶段，吉林大学的刘溧建立起了适于进行ABS性能评价与控制方法的混合仿真实验台（简称MST）
           
         
           
          MST将可将ABS的关键部件嵌入仿真回路，扩展了传统仿真的研究方式。由于液压系统动态特性对ABS的控制品质有较大的影响，通过对电磁阀的开关响应过程分析，对电磁阀进行了理论建模和仿真。将ABS液压系统简化为液压阀口、液压缸和液压管路三个基本液压元件构成，利用此实验台进行了液压系统动态特性的研究，包括电磁阀开关响应时间、管路的传输滞后时间及增、减压过程中的轮缸压力变化率等。验证了理论研究结论的正确性，通过实验结果的分析，得到了电磁阀响应时间、管路传输滞后时间和轮缸压力变化率的经验模型。并对建立的模型进行了实验验证，模型参数进行了辨识。
       
        最后对ABS控制逻辑与液压系统相结合，进行防抱制动过程的混合仿真试验研究，通过液压系统嵌入的混合仿真实验对控制逻辑进行了验证。实验结果表明：控制逻辑与实际液压系统结合后，具有良好的防抱制动效果。