CN103909912B - 基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法及装置。其中方法包括用电学器件模拟汽车液压制动系统轮缸模型，模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成；选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动模拟的汽车液压制动系统轮缸模型；测量模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在控制指令下的各电参量；根据测得的电参量，利用机电相似关系得到液压制动机械系统的轮缸压力。本发明实施例，省去了建立动力学、能量方程和搭建具体的液压调节系统实验台架的复杂过程，用相对简单的电路模拟建立理论模型，提高控制精度、缩短开发周期、降低生产成本。

Description

基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法及装置

技术领域

本发明涉及汽车轮缸压力估算技术领域，尤其涉及一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法及装置。

背景技术

目前，国内外主要采用汽车防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，简称“ABS”）来增强汽车制动的安全性。防抱死制动系统中，在小步长增压、小步长减压，以及保压过程中对电磁阀进行PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制时，作为主要执行单元的轮缸，其制动压力需要精确调节，这就需要进行制动压力的反馈控制，而制动压力只能通过压力传感器测得或者压力估计算法得到。

实际中，为了降低系统成本，往往不用压力传感器来测量车轮上的制动压力，一般根据制动系统的结构和工作原理对制动压力进行估计来保证压力调节的实时性和精确性，以及对防抱死制动系统进行压力估计来计算实时控制循环过程中高速开关阀和回油泵的有效控制时间，从而实现制动压力的自动调节。

目前，对轮缸压力进行估计时，一般思路是采用把汽车液压调节系统看成一个“黑箱”的方法，研究其输入与输出之间的关系或者分别考虑各部件的特性，最后把它们组合成一个整体然后进行研究，然而大多需要搭建汽车液压调节系统的台架，但是搭建液压调节系统台架耗材耗力，只能针对某一特定型号的液压调节系统，不利于二次开发，不具普遍性通用性，并且机械系统复杂不易数据测量与分析。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法及装置，用以解决现有的汽车液压制动轮缸压力估计方式需搭建液压调节系统的台架，不利于二次开发，不具普遍性通用性，且机械系统复杂不易数据测量与分析的问题。

本发明提供了一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法，包括：

用电学器件模拟汽车液压制动系统轮缸模型，所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成；

选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型；

测量所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在所述控制指令下的各电参量；

根据所述测得的电参量，利用机电相似关系得到所述液压制动机械系统的轮缸压力。

进一步，所述制动工况包括：增压工况、减压工况和保压工况。

进一步，所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成，包括：

将汽车液压制动系统的增压、减压、保压三种可调模式的数学关系分别转化为相应的电学关系；

将每一可调模式下转化得来的电学关系组合成一个完整的电学系统，从而将液压制动机械系统转化为电学系统；

由液压制动机械系统和电学系统的相似关系推导出液压制动系统各元件与电学系统各器件之间的等效关系。

本发明还提供了一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计装置，包括：

电学系统模块，用于以电学器件模拟汽车液压制动系统轮缸模型，所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成；

控制器模块，用于选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型；

电参量测量模块，测量所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在所述控制指令下的各电参量；

所述控制器模块，还用于根据所述测得的电参量，利用机电相似关系得到所述液压制动机械系统的轮缸压力。

进一步，所述制动工况包括：增压工况、减压工况和保压工况。

本发明的有益效果：

本发明利用机电相似理论将液压制动的机械系统转化为电学系统，并通过对电学系统的分析以及数值计算来模拟汽车液压制动的机械系统特性，从而对汽车液压防抱死制动系统的制动轮缸压力进行估计，从而省去了建立动力学、能量方程和搭建具体的液压调节系统实验台架的复杂过程，用相对简单的电路模拟建立理论模型，提高控制精度、缩短开发周期、降低生产成本、为以后更加深入的研究奠定基础，既容易实现又便于推广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法的实施例的流程示意图。

图2是本发明提供的液压制动系统结构示意图。

图3是本发明提供的液压制动机械系统与电学系统的相似对应关系示意图。

具体实施方式

运用传统方式在估算汽车轮缸压力时，由于需要搭建汽车液压调节系统的台架，因此耗材耗力，并且只能针对某一特定型号的液压调节系统，不利于二次开发，不具普遍性和通用性，并且机械系统复杂不易数据测量与分析，因此传统的方式存在许多的问题。而电学系统易于测量且有一套完整的电路理论，因此，若能采用电学系统实现汽车轮缸压力的估算，将有望克服上述问题。而汽车液压制动系统属于有液压传动的机械系统，而机械与电路之间有着相互的对应关系，因此可以考虑通过机械电路相似的方法，将汽车液压制动系统相似成对应的电路系统，并通过分析电路系统的方法来分析汽车液压制动系统，从而对汽车液压防抱死制动系统的制动轮缸压力进行估计。

鉴于此，本发明实施例提出了一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法，通过运用机电相似理论将液压制动的机械系统转化为电学系统，推导出液压制动系统各元件与电学系统各器件之间的等效关系，在对电学系统进行电学分析的基础上，结合两系统的机电相似关系反推得出液压制动机械系统中有关轮缸的参量关系，进一步通过电学器件搭建相似过来的电学系统硬件平台，由控制器模拟制动工况，并通过对电学系统中电参量的测量由机电相似关系得到机械系统中相对应的参量，从而实现对汽车液压防抱死制动系统中轮缸压力的估计。

具体的，如图1所示，是本发明提供的基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法的实施例的流程示意图，其包括：

步骤S11、用电学器件模拟汽车液压制动系统轮缸模型，该模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成。

步骤S12、选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动步骤S11模拟的汽车液压制动系统轮缸模型。

步骤S13、测量步骤S11模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在控制指令下的各电参量。

步骤S14、根据步骤S13测得的电参量，利用机电相似关系反推出液压制动机械系统的轮缸压力。

本实施例，利用机电相似理论将液压制动的机械系统转化为电学系统，并通过对电学系统的分析以及数值计算来模拟汽车液压制动的机械系统特性，从而对汽车液压防抱死制动系统的制动轮缸压力进行估计。本实施例的方法省去了建立动力学、能量方程和搭建具体的液压调节系统实验台架的复杂过程，用相对简单的电路模拟建立理论模型，提高控制精度、缩短开发周期、降低生产成本、为以后更加深入的研究奠定基础，既容易实现又便于推广。本实施例，除了可以实现轮缸压力估计以外，还可为后续研究牵引力控制系统和电子稳定性控制系统时提供理论参考和技术指导。

另外，本发明还提供了一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计装置，该装置包括：

电学系统模块，用于以电学器件模拟汽车液压制动系统轮缸模型，所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成；

控制器模块，用于选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型；

电参量测量模块，测量所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在所述控制指令下的各电参量；

其中控制器模块，还用于根据所述测得的电参量，利用机电相似关系得到所述液压制动机械系统的轮缸压力。

下面主要以增压时为例，对本发明实施例进行详细说明。

1、计算出汽车液压制动系统轮缸的数学关系。

如图2所示，是液压制动系统的实施例的结构示意图，其示包括：制动踏板1、制动主缸2、轮速传感器3、单向阀I4、单向阀II5、增压阀6、减压阀7、制动轮缸8、ABS电机9、低压蓄能器10、ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元)11和回油泵12。由于4路轮缸调压回路在结构上是类似的，故可通过单回路液压系统模型对液压制动进行研究。

为建立单回路液压制动系统模型，首先做如下假设：

A、制动过程中制动液流量较小，液压管路内壁较光滑，可以忽略管路的沿程压力损失和局部压力损失。

B、忽略电磁阀切换时制动液的瞬时冲击。

C、忽略制动油管、轮缸缸体的弹性变形。

记主缸和轮缸的压力分别为P_m、P_s，根据流量动力学特性和假设A-C，增压、减压、保压三种可调方式的流量方程为式（1）：

其中，C_d6、C_d7为流入增压阀的制动液体积流量系数(为简化起见，流入与流出流量系数假设相同为C_d)，A₆为增压阀开口等效截面积，A₇为减压阀开口等效截面积，u₆、u₇分别为增压阀和减压阀的控制量，ρ为制动液密度，P_a为低压储油槽压力。

由式（1）知，增压与减压控制方式的流量方程形式相同，仅参数不一致。保压时，与控制量为0等价。故在此仅讨论增压控制工况，此时Q为增压工况时的流量方程，其它工况可以类推。

根据液压传动原理，轮缸的油压变化率为式（2）：

$\frac{{\mathrm{dP}}_s}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}(Q-A_s\·\stackrel{\·}{x})---\left(2\right)$

其中β_s为系统的有效弹性模量，V_s为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总容积，A_s为轮缸活塞截面积，x_s为轮缸活塞的位移。将式（1）中增压时的流量方程代入式（2）中，得到轮缸的压力变化率。

采用目前广泛使用的盘式制动器，若忽略制动轮缸活塞空行程，则可得到汽车液压制动系统为一个非线性系统，其数学描述为：

${\stackrel{\·}{P}}_s=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}{C}_d{A}_{6\max }\·u_6\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(P_m-P_s)}---\left(3\right)$

$M_s{\stackrel{\·\·}{x}}_s=-C_s{\stackrel{\·}{x}}_s-k_{\mathrm{cap}}{x}_s+A_s{P}_s---\left(4\right)$

其中，k_cap为刹车片等效弹簧刚度，M_s为轮缸活塞质量，C_s为等效阻尼系数，β_s为系统的有效弹性模量，V_s为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总容积，A_s为轮缸活塞面积，x_s为轮缸活塞施向刹车盘的位移。

2、利用机电相似理论，通过汽车液压制动系统的数学关系，将液压制动机械系统转化为对应的电学系统

对数学描述（4）进行变换，可得可将其改写成如下形式：

$\begin{array}{c}{P}_s=\frac{M_s}{A_s}\frac{{\mathrm{dV}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{C_s}{A_s^2}{V}_s{A}_s+\frac{K_{\mathrm{cap}}}{A_s^2}\∫V_s{A}_s\mathrm{dt}\\ =\frac{M_s}{A_s^2}\frac{{\mathrm{dQ}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{C_s}{A_s^2}{Q}_s+\frac{K_{\mathrm{cap}}}{A_s^2}\∫Q_s\mathrm{dt}\end{array}---\left(5\right)$

Q_s为轮缸移动产生的流量，Q_s=V_sA_s。

令： ${P_s}^1=\frac{M_s}{A_s^2}\frac{{\mathrm{dQ}}_s}{\mathrm{dt}},{P_s}^2=\frac{C_s}{A_s^2}{Q}_s,{P_s}^3=\frac{K_{\mathrm{cap}}}{A_s^2}{\∫Q}_s\mathrm{dt},$ 很显然，三式与电学系统中电感元件上的感应电压电阻元件上的电压降u(t)=Ri，电容上的电压降 $u\left(t\right)=\frac{1}{c}\∫\mathrm{idt}$ 的形式完全相同，因此式（5） $P_s=\frac{M_s}{A_s^2}\frac{{\mathrm{dQ}}_s}{\mathrm{dt}}+\frac{C_s}{A_s^2}{Q}_s+\frac{K_{\mathrm{cap}}}{A_s^2}\∫Q_s\mathrm{dt}$ 与形式完全相同，可将其转换为电学系统。其对应关系见表1：

表1盘式制动器机械量与电学量的相似对应关系

由流量连续性方程：Q=Q_s+Q_c+Q_r，即可知，Q_r=C_tpP_s，其中Q为进入液压防抱死制动系统常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的流量，Q_c用于补充油液压缩，Q_r为损失泄露的部分，Q_s推动轮缸活塞移动，克服负载做功。C_tp为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总的损失泄漏系数。

补充油液压缩的流量为由液压传动原理可知，轮缸的油压变化率为忽略制动轮缸活塞空行程，代入增压时流量方程即为数学描述（3）。

对进行变换，可将其改写成如下形式：

$P_s=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}\∫Q_c\mathrm{dt}=\frac{1}{\frac{V_s}{{\mathrm{\β}}_s}}\∫Q_c\mathrm{dt}---\left(6\right)$

可见，式（6）与电容上的电压降形式相同。其对应关系见表2：

表2补充油液压缩机械量与电学量的相似对应关系

总损失泄露的流量为Q_r=C_tpP_s，经变换可改写成如下形式：

$P_s=\frac{1}{C_{\mathrm{tp}}}{Q}_r---\left(7\right)$

可见，式（7）与电阻元件上的电压降u(t)=Ri形式相同。其对应关系见表3：

表3损失泄露的部分机械量与电学量的相似对应关系

由增压时流量方程为：经变换可改写成如下形式：

$P_m-P_s=\frac{1}{C_{d6}^2{A}_6^2{u}_6^2\frac{2}{\mathrm{\ρ}}}\·Q^2,$ 令P_△=P_m-P_s，即： $P_{\mathrm{\Δ}}=\frac{1}{C_{d6}^2{A}_6^2{u}_6^2\frac{2}{\mathrm{\ρ}}}\·Q^2---\left(8\right)$

由此可见，式（8）与电阻元件的功率形式P=R·i²形式相同。其对应关系见表4：

表4增压时流量机械量与电学量的相似对应关系

上述即为增压控制工况时的机械系统到电学系统的相似转化过程，其它工况（减压、保压）相似过程可以此类推。

具体的，减压、保压工况时，盘式制动器机械量与电学量的相似对应关系、补充油液压缩机械量与电学量的相似对应关系、损失泄露的部分机械量与电学量的相似对应关系均与增压工况时形式相同，其中Q分别为减压、保压工况时的流量方程。

减压时流量机械量与电学量的相似对应关系见表5：

表5减压时流量机械量与电学量的相似对应关系

保压时，与控制量为0时等价。

据此，可将液压制动系统的机械系统转化为电学系统，其相互对应关系如图3所示。

3、对转化来的电学系统进行电学分析，由两系统的机电相似关系反推得出汽车液压制动机械系统中轮缸的主要参量关系。

利用完善的电学理论以及相应的分析方法，利用对电学系统相应参量的直接测量以及电学计算，分析不同控制工况下的汽车液压制动机械系统关于轮缸压力的参量。

例如，液压机械系统中的流量相当于电学系统中的电流，各支路的电流之和等于总电流。流量连续性方程：Q=Q_s+Q_c+Q_r。Q为进入液压防抱死制动系统常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的流量，Q_c表达式可构造电学系统中支路1，支路电流大小即为i₁，Q_r表达式可构造电学系统中支路2，支路电流大小为i₂，Q_s表达式可构造电学系统中的支路3，支路电流大小为i₃。各支路电流构成电路总电流i，i=i₁+i₂+i₃。通过对电学系统中各支路电流的测量可反推得出每部分在机械系统中流量的大小，由式（1）结合流量动力学特性，可得出此时轮缸压力。其他电学系统与机械系统关系可依此类推。

4、搭建相似转化来的电学系统装置，对汽车液压防抱死制动系统中轮缸压力进行估计。

据汽车液压制动机械系统各元件的实际参数用可调的电学器件搭建相似转化来的电学系统的软硬件平台，可解决只能针对特定的液压制动系统搭建相应的机械系统问题。由控制器通过电信号量模拟制动工况，测量增压、减压、以及保压时电学系统的参量，运用电学系统中的电参量推出机械系统中对应的参量，从而对汽车液压防抱死制动系统中的流量、轮缸压力等参量进行观测，并对轮缸压力进行估计。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计方法，其特征在于：包括：

用电学器件模拟的汽车液压制动系统轮缸模型，所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成；

选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型，所述制动工况包括：增压工况、减压工况和保压工况，增压、减压、保压三种可调方式的流量方程为：

其中，P_m为主缸的压力、P_s为轮缸的压力，Q为进入液压防抱死制动系统常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的流量，C_d6、C_d7为流入增压阀的制动液体积流量系数，流入与流出流量系数假设相同为C_d，A₆为增压阀开口等效截面积，A₇为减压阀开口等效截面积，u₆、u₇分别为增压阀和减压阀的控制量，ρ为制动液密度，P_a为低压储油槽压力；

测量所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在所述控制指令下的各电参量；

根据测得的电参量，利用机电相似关系得到所述液压制动机械系统的轮缸压力；

轮缸的油压变化率为

$\frac{{\mathrm{dP}}_s}{dt}=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}(Q-A_s\·\stackrel{\·}{x})$

其中β_s为系统的有效弹性模量，V_s为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总容积，A_s为轮缸活塞截面积，x_s为轮缸活塞的位移；

得到汽车液压制动系统为一个非线性系统，其描述为：

${\stackrel{\·}{P}}_s=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}{C}_d{A}_{6max}\·u_6\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(P_m-P_s)}$

$M_s{\stackrel{\·\·}{x}}_s=-C_s{\stackrel{\·}{x}}_s-k_{cap}{x}_s+A_s{P}_s$

其中，k_cap为刹车片等效弹簧刚度，M_s为轮缸活塞质量，C_s为等效阻尼系数，β_s为系统的有效弹性模量，V_s为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总容积，A_s为轮缸活塞面积，x_s为轮缸活塞施向刹车盘的位移。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成，包括：

将汽车液压制动系统的增压、减压、保压三种可调模式的数学关系分别转化为相应的电学关系；

将每一可调模式下转化得来的电学关系组合成一个完整的电学系统，从而将液压制动机械系统转化为电学系统；

由液压制动机械系统和电学系统的相似关系推导出液压制动系统各元件与电学系统各器件之间的等效关系。

3.一种基于机电相似理论的液压制动轮缸压力估计装置，其特征在于：包括：

电学系统模块，用于以电学器件模拟汽车液压制动系统轮缸模型，模拟的汽车液压制动系统轮缸模型由对应的液压制动机械系统结合流量特性通过机电相似关系相似转化而成；

控制器模块，用于选择制动工况，并通过电信号量模拟电磁阀控制指令驱动所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型；

电参量测量模块，测量所述模拟的汽车液压制动系统轮缸模型在所述控制指令下的各电参量；

所述控制器模块，还用于根据测得的电参量，利用机电相似关系得到所述液压制动机械系统的轮缸压力；

所述制动工况包括：增压工况、减压工况和保压工况；

增压、减压、保压三种可调方式的流量方程为：

其中，P_m为主缸的压力、P_s为轮缸的压力，Q为进入液压防抱死制动系统常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的流量，C_d6、C_d7为流入增压阀的制动液体积流量系数，流入与流出流量系数假设相同为C_d，A₆为增压阀开口等效截面积，A₇为减压阀开口等效截面积，u₆、u₇分别为增压阀和减压阀的控制量，ρ为制动液密度，P_a为低压储油槽压力；

轮缸的油压变化率为

$\frac{{\mathrm{dP}}_s}{dt}=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}(Q-A_s\·\stackrel{\·}{x})$

其中β_s为系统的有效弹性模量，V_s为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总容积，A_s为轮缸活塞截面积，x_s为轮缸活塞的位移；

得到汽车液压制动系统为一个非线性系统，其描述为：

${\stackrel{\·}{P}}_s=\frac{{\mathrm{\β}}_s}{V_s}{C}_d{A}_{6max}\·u_6\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(P_m-P_s)}$

$M_s{\stackrel{\·\·}{x}}_s=-C_s{\stackrel{\·}{x}}_s-k_{cap}{x}_s+A_s{P}_s$

其中，k_cap为刹车片等效弹簧刚度，M_s为轮缸活塞质量，C_s为等效阻尼系数，β_s为系统的有效弹性模量，V_s为常开阀与常闭阀之间的管路加上制动轮缸的总容积，A_s为轮缸活塞面积，x_s为轮缸活塞施向刹车盘的位移。