CN108501911A - 一种车辆集成式电子液压制动系统及稳定性控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆集成式电子液压制动系统及稳定性控制方法，包括：上层直接横摆力矩控制：根据车辆参考横摆角速度和实际横摆角速度构建横摆力矩控制器，获取当前车辆维持稳定状态所需的横摆力矩，并转化为各轮需求制动力，并获得轮缸目标液压力；下层轮缸液压力控制：接收车辆上层直接横摆力矩控制得到的轮缸目标液压力，根据当前车轮所处的实际工作位置，得到电磁阀的实际控制指令，同时监测当前轮缸的实际压力和目标压力，调整电机力矩和电磁阀的控制指令与工作状态，使轮缸实际压力达到目标压力。与现有技术相比，本发明具有结构简单、成本低、响应和控制效果好等优点。

Description

一种车辆集成式电子液压制动系统及稳定性控制方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域、车辆制动系统和稳定性控制技术，尤其是涉及一种基于集成式电子液压制动系统的车辆稳定性控制方法。
背景技术
新能源汽车尤其是电动汽车的推广普及，推动了制动系统朝着线控制动方向发展，不仅与现代汽车向模块化、集成化和机电一体化发展的趋势一致，也符合了汽车对制动系统的新需求。
线控制动系统可以分为两类，电子液压制动系统(EHB)及电子机械制动系统(EMB)。其中，EHB将传统制动系统中的部分机械部件用电子元件替代，仍保留了原有成熟可靠的液压制动系统，保证了制动系统的可靠性；同时，EHB系统仍可采用12V的车载电源，现有车辆的电路系统即可满足要求。此外，EHB系统具有安全、舒适、响应快、易于实现再生制动、制动力可精确控制等优点。而对于EHB系统，液压力控制的平稳、精确、快速是汽车对于制动系统的基本要求。
此外，传统的车辆稳定性控制(ESC)系统是由12个电磁阀组成的。由于采用了集成式电子液压制动系统，如果沿用原有的ESC系统从结构功能和成本上都是冗余的、浪费的。因为，不同于传统制动系统，EHB能完全与制动踏板解耦，从而实现在不影响踏板感觉的前提下任意控制主缸压力。因此传统ESC中的转换阀，高压阀，液压泵和泄压阀在EHB的轮缸液压力控制中将不再需要。本发明中的电子液压制动系统仅通过四个独立的电磁阀实现对轮缸液压力的控制。虽然其结构相较于传统的ESC系统有较明显的优势，但同时对轮缸的液压力精确控制提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于集成式电子液压制动系统的车辆稳定性控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车辆集成式电子液压制动系统，用以实现车辆的稳定性控制，该系统包括：
制动踏板单元：包括制动踏板总成和踏板模拟器，用以为驾驶员提供合理的制动踏板感觉，并体现驾驶员的驾驶意图；
主动建压单元：包括电机、涡轮蜗杆和齿条，用以将电机的转动力矩转化为齿条上的平动推力，从而推动主缸产生相应的制动液压力；
制动执行单元：包括制动主缸、制动轮缸、电磁阀、储液罐和液压管路，用以将主动建压单元齿条上的推力转化为各轮轮缸的液压力，并且通过制动轮缸端的摩擦衬块作用在制动盘上产生相应的制动力矩；
控制单元：包括整车控制器、液压力传感器、液压力传感器、踏板位移传感器、踏板力传感器及连接线路，用以在整车控制器获取踏板力及踏板行程信号后解算出驾驶员驾驶意图，并产生目标制动压力，并通过压力传感器的反馈信号实现压力闭环控制。
一种稳定性控制方法，包括：
上层直接横摆力矩控制：根据车辆参考横摆角速度和实际横摆角速度构建横摆力矩控制器，获取当前车辆维持稳定状态所需的横摆力矩，并根据车辆的速度、路面附着系数将所需的横摆力矩转化为各轮需求制动力，并获得轮缸目标液压力；
下层轮缸液压力控制：接收车辆上层直接横摆力矩控制得到的轮缸目标液压力，根据当前车轮所处的实际工作位置，结合电磁阀的工作特性以及集成式电子液压制动系统的压力特性，得到电磁阀的实际控制指令，同时监测当前轮缸的实际压力和目标压力，调整电机力矩和电磁阀的控制指令与工作状态，使轮缸实际压力达到目标压力。
所述的上层直接横摆力矩控制具体包括以下步骤：
1)构建参考模型：采用线性二自由度单轨车辆模型，获取车辆状态变量，包括横摆角速度和质心侧偏角，为稳定性控制提供跟踪目标；
2)设计横摆力矩控制器，采用增量式PID离散控制算法，将横摆角速度与实际横摆角速度的偏差作为输入，并调整控制参数得到横摆力矩需求；
3)横摆转矩分配：以轮胎利用率平方和最小为优化目标，采用广义逆法与数学规划法相结合，并转化为加权最小二乘问题，求解得到目标轮缸液压力，并采用转矩分配方法，进行转矩分配。
所述的步骤1)中，参考模型为：
其中，V为车辆质心处的纵向车速，a、b为前后轴到质心处的距离，K为车辆的不足转向系数，δf为前轮转向角，μ为轮胎路面附着系数，g为重力加速度，λd为参考横摆角速度。
所述的步骤2)中，横摆力矩控制器采用增量式PID离散控制算法，其表达式为：
u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
其中，Kp为比例增益，Ki为积分系数，Kd为微分系数，u(k)为当前k时刻作用量，e(k)为当前时刻k的误差，u(k-1)为上一时刻k-1的作用量，e(k-1)为上一时刻k-1的误差，e(k-2)为上上一时刻k-2的误差。
所述的步骤3)中，优化目标的表达式为：
车轮纵向力的约束为：
其中，μ为轮胎路面附着系数，Fx,k为各车轮纵向力，Fz,k为各车轮垂向载荷，Fy,k为侧向力。
所述的步骤1)构建参考模型中，在车辆具有高横摆角速度的情况下，当路面不能够提供足够的附着力时，设定参考横摆角速度的上限值。
所述的步骤3)中，转矩分配方法为对角分配或全轮分配；
所述的对角分配为同一时间段控制单个轮缸液压力，当车辆具有不足转向特性时，对内后轮施加一定的制动力，当车辆具有过多转向特性是，对外前轮施加一定的制动力；
所述的全轮分配为同一时间段控制两个轮缸液压力，当车辆具有不足转向特性时，对内后轮和内前轮施加一定的制动力，当车辆具有过多转向特性，对外前轮和外后轮施加一定的制动力。
所述的下层轮缸液压力控制控制采用主缸定频调压法，采用四个电磁阀分别控制四个轮缸液压力实现车辆横摆稳定性控制功能，同时设置用以分别独立监控轮缸液压力的液压力传感器，通过压力传感器的反馈信号实现压力闭环控制。
，所述的制动执行单元中的电磁阀为通过PWM控制的高速开关电磁阀或通过位置反馈控制的线性电磁阀。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、结构简单、成本低：本发明不再需要传统ESC中的转换阀，高压阀，液压泵和泄压阀在机械电子式电子液压制动系统的轮缸压力控制，精简了制动系统的结构，节省了成本。
二、响应和控制效果好：在控制算法方面，分别考虑了对角分配和全轮分配策略，通过对转矩分配策略和液压力控制策略的合理设计，实现车辆稳定性控制的同时降低轮缸液压力控制的难度，经过台架硬件在环试验验证，该控制方法工作可靠且具有良好的响应和控制效果，能够满足车辆在高低附路面的稳定性要求。
附图说明
图1为本发明的车辆稳定性控制框架。
图2为所使用的集成式电子液压系统结构。
图3为高附路面未施加稳定性方法的车辆响应图。
图4为高附路面施加上述的车辆稳定性方法所得到的控制效果图。
图5为高附路面有控制时各车轮轮缸压力响应曲线。
图中，1、电控单元，2、永磁同步电机，3、减速传动机构，4、储液罐，5、常开电磁阀，6、液压力传感器，7、制动轮缸，8、制动主缸，9、解耦缸，10、踏板模拟器，11、踏板位移传感器，12、制动踏板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，本发明提供一种集成式电子液压制动系统以及车辆稳定性控制方法，车辆稳定性控制方法具体包括：
上层直接横摆力矩控制，根据车辆参考横摆角速度和实际横摆角速度设计横摆力矩控制器，求得当前车辆维持稳定状态所需的横摆力矩，转矩分配模块根据车辆的速度、路面附着系数等信息将横摆力矩转化为各轮需求制动力，由此即可获得轮缸目标液压力。
下层轮缸液压力控制，接收车辆稳定性控制上层算法计算得到的轮缸目标压力，根据当前车轮所处的实际工作位置，结合电磁阀的工作特性以及包含制动管路和制动轮缸在内的集成式电子液压制动系统的压力特性，得到电磁阀的实际控制指令。同时不断监测当前轮缸的实际压力和目标压力，以便及时调整电机力矩和电磁阀的控制指令与工作状态，使轮缸实际压力尽快地达到目标压力。
车辆稳定性控制方法中的上层横摆力矩控制包括：
1)参考模型设计，选用线性二自由度单轨车辆模型，得到理想的车辆状态变量，常见有横摆角速度、质心侧偏角，为稳定性控制提供跟踪目标。在车辆具有高横摆角速度的情况下，此时路面不能够提供足够的附着力，对参考横摆角速度设定上限值。设计后的参考模型如下式所示：
式中：V——车辆质心处的纵向车速，m/s；
a，b——为前后轴到质心处的距离，m；
K——为车辆的不足转向系数；
δf——前轮转向角，rad；
μ——轮胎路面附着系数；
g——重力加速度；
λd——参考横摆角速度，rad/s；
2)横摆力矩控制器设计，采用工程上常用的PI控制方法，将横摆角速度与实际横摆角速度的偏差作为控制器输入，调整PI控制参数得到横摆力矩需求。由于控制器硬件要求控制算法离散化，本发明采用的是增量式PID离散控制算法，其表达式如下所示：
u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (2)
其中，Kp为比例增益，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
3)横摆转矩分配，分配策略为对角分配或者全轮分配，然后以轮胎利用率为优化目标，采用广义逆法与数学规划法相结合，转化为加权最小二乘问题，得到目标轮缸液压力。
控制分配问题一般可以描述为
v＝B·u (3)
其中B为效率矩阵，u为控制量，v为广义合力。
广义逆法是从控制分配问题的数学角度考虑，如果能求出效率矩阵B的逆矩阵，问题则得到解决，但是B通常不是方阵，其逆矩阵并不存在，因而人们顺着这个思路提出广义逆法。由于矩阵B的维数通常是m＜n，则v＝B·u为超定方程，理论上有很多组解，在B为满秩矩阵时，
u＝BT[BBT]-1v (4)
取控制量的二范数为优化目标从而得到式(4)所描述的最小二乘解。
利用计算机求解广义逆法是很简单高效的，但该方法并不能很好地考虑实际中存在的约束，仅仅从数学层面解决问题，因此往往采用改进的广义逆法通过迭代使解始终在约束范围内。
数学规划法包括目标函数、等式约束和不等式约束。若目标函数为一次、约束条件为线性，该数学规划是线性规划；若目标函数为二次、约束条件为线性，该数学规划是二次规划。二次规划可以在有限步内求解，还可以方便地转化为序列最小二乘和权重最小二乘问题，加快求解速度，在控制分配领域应用较广泛。
基于以上分析，本发明将广义逆法与数学规划法结合起来设计转矩分配方法，既便于计算机求解，又能较好地处理约束条件。
考虑车辆所受的合力(本文中为横摆力矩)在四个车轮之间如何分配最合理这一问题时，需要选择一个优化目标。本发明中以轮胎利用率平方和最小为目标分配广义力，轮胎利用率表述为单个轮胎上的路面附着力与所能获得的最大附着力的比值，如下式所示：
式中：μ——车轮所处路面的附着系数；
Fx,k——各车轮纵向力，Nm；
Fz,k——各车轮垂向载荷，Nm；
在广义逆法基础上采用数学规划法中的二次规划法实现分配算法的具体计算，并转化为最小二乘问题。
通过有效集算法求解加权最小二乘问题。考虑带有约束范围的最小二乘问题：
其中，车辆控制所需的广义合力：
v＝[MD] (7)
控制变量为四个车轮的纵向力：
u＝[Fx,fl Fx,fr Fx,rl Fx,rr]T (8)
效率矩阵：
车轮纵向力受路面附着系数u、垂向载荷Fz,k以及侧向力Fy,k耦合的约束：
同时umin、umax制定的转矩分配策略有关
各控制变量的权重矩阵：
Wv为广义合力的权重矩阵，由于本课题不考虑车辆施加驱动力，所研究问题中广义合力仅横摆力矩一项，取Wv为1维单位矩阵。
矩阵矩阵求解得到各轮缸目标液压力。
横摆转矩分配策略包括两种：
同一时间段控制单个轮缸液压力称之为对角分配，经判别车辆具有不足转向特性，给内后轮施加一定的制动力；车辆具有过多转向特性，给外前轮施加一定的制动力。
同一时间段控制两个轮缸液压力称之为全轮分配，经判别车辆具有不足转向特性，给内后轮和内前轮施加一定的制动力；车辆具有过多转向特性，给外前轮和外后轮施加一定的制动力。
下层轮缸液压力控制与传统制动系统有所不同的是，仅利用四个电磁阀分别控制四个轮缸液压力实现车辆横摆稳定性控制功能。同时设置有四个独立监控四个轮缸液压力的液压力传感器，通过压力传感器的反馈信号实现压力闭环控制。采用的是主缸定频调压法。主缸定频调压法的工作原理如下：当4个轮缸提出各自的目标压力时，令电机推动主缸活塞作往复抖动，从而使主缸压力不断抖动，令主缸的压力幅值范围覆盖4个轮缸的目标压力，且其抖动的压力频率大大高于各轮缸目标压力的频率，每当主缸压力靠近轮缸的目标压力时，适时地开闭电磁阀以使轮缸压力跟踪目标压力变化。
如图2所示，集成式电子液压制动系统包括：
制动踏板单元，包括制动踏板总成、踏板模拟器等。其作用是为驾驶员提供合理的制动踏板感觉，同时体现驾驶员的驾驶意图。
主动建压单元，包括电机，涡轮蜗杆，齿条等。其作用是将电机的转动力矩转化为齿条上的平动推力，从而推动主缸产生相应的制动液压力。
制动执行单元，包括制动主缸、制动轮缸、电磁阀、储液罐、液压管路等。其作用是负责将主动建压单元齿条上的推力转化为各轮轮缸液压力，最后通过制动轮缸端的摩擦衬块作用在制动盘上产生相应的制动力矩。
控制单元，包括整车控制器、液压力传感器、液压力传感器、踏板位移传感器、踏板力传感器及相关的线路。其作用是整车控制器获取踏板力及踏板行程信号后解算出驾驶员驾驶意图，与整车其他系统协调后得出目标制动压力，并通过压力传感器的反馈信号实现压力闭环控制。
集成式电子液压制动系统制动执行单元中的电磁阀为通过PWM控制的高速开关电磁阀或通过位置反馈控制的线性电磁阀。
为了验证提出的车辆稳定性优化控制算法的有效性，基于搭建的硬件在环试验台架分别在高、低附路面上进行蛇行工况试验。高附路面附着系数为0.8，车速为106km/h。如图3所示，未施加车辆横摆稳定性控制的车辆响应图，由图可知，在高附路面无控制时，横摆角速度误差越来越大，会导致车辆失稳不可控。如图4所示，搭载基于集成式电子液压制动系统的车辆稳定性控制后，横摆角速度跟踪误差较小，相比于无控制提高了车辆稳定性和安全性。如图5所示，搭载控制算法时实际液压力能够快速跟随目标液压力，超调压力较小，并且波形稳定，能够满足车辆稳定性控制的要求。
本发明为了解决传统ESC结构冗余问题以及结构精简后带来的控制问题，开发了一种基于集成式电子液压制动系统的车辆稳定性控制方法。通过对转矩分配策略和液压力控制策略的合理设计，实现车辆稳定性控制的同时降低轮缸液压力控制的难度，节省了成本并提升车辆行驶的安全性。

Claims (10)

1.一种车辆集成式电子液压制动系统，用以实现车辆的稳定性控制，其特征在于，该系统包括：
制动踏板单元：包括制动踏板总成和踏板模拟器，用以为驾驶员提供合理的制动踏板感觉，并体现驾驶员的驾驶意图；
主动建压单元：包括电机、涡轮蜗杆和齿条，用以将电机的转动力矩转化为齿条上的平动推力，从而推动主缸产生相应的制动液压力；
制动执行单元：包括制动主缸、制动轮缸、电磁阀、储液罐和液压管路，用以将主动建压单元齿条上的推力转化为各轮轮缸的液压力，并且通过制动轮缸端的摩擦衬块作用在制动盘上产生相应的制动力矩；
控制单元：包括整车控制器、液压力传感器、液压力传感器、踏板位移传感器、踏板力传感器及连接线路，用以在整车控制器获取踏板力及踏板行程信号后解算出驾驶员驾驶意图，并产生目标制动压力，并通过压力传感器的反馈信号实现压力闭环控制。
2.一种应用如根据权利要求1所述的车辆集成式电子液压制动系统的稳定性控制方法，其特征在于，包括：
上层直接横摆力矩控制：根据车辆参考横摆角速度和实际横摆角速度构建横摆力矩控制器，获取当前车辆维持稳定状态所需的横摆力矩，并根据车辆的速度、路面附着系数将所需的横摆力矩转化为各轮需求制动力，并获得轮缸目标液压力；
下层轮缸液压力控制：接收车辆上层直接横摆力矩控制得到的轮缸目标液压力，根据当前车轮所处的实际工作位置，结合电磁阀的工作特性以及集成式电子液压制动系统的压力特性，得到电磁阀的实际控制指令，同时监测当前轮缸的实际压力和目标压力，调整电机力矩和电磁阀的控制指令与工作状态，使轮缸实际压力达到目标压力。
3.根据权利要求2所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的上层直接横摆力矩控制具体包括以下步骤：
1)构建参考模型：采用线性二自由度单轨车辆模型，获取车辆状态变量，包括横摆角速度和质心侧偏角，为稳定性控制提供跟踪目标；
2)设计横摆力矩控制器，采用增量式PID离散控制算法，将横摆角速度与实际横摆角速度的偏差作为输入，并调整控制参数得到横摆力矩需求；
3)横摆转矩分配：以轮胎利用率平方和最小为优化目标，采用广义逆法与数学规划法相结合，并转化为加权最小二乘问题，求解得到目标轮缸液压力，并采用转矩分配方法，进行转矩分配。
4.根据权利要求3所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，参考模型为：
其中，V为车辆质心处的纵向车速，a、b为前后轴到质心处的距离，K为车辆的不足转向系数，δf为前轮转向角，μ为轮胎路面附着系数，g为重力加速度，λd为参考横摆角速度。
5.根据权利要求3所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，横摆力矩控制器采用增量式PID离散控制算法，其表达式为：
u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
其中，Kp为比例增益，Ki为积分系数，Kd为微分系数，u(k)为当前k时刻作用量，e(k)为当前时刻k的误差，u(k-1)为上一时刻k-1的作用量，e(k-1)为上一时刻k-1的误差，e(k-2)为上上一时刻k-2的误差。
6.根据权利要求3所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，优化目标的表达式为：
车轮纵向力的约束为：
其中，μ为轮胎路面附着系数，Fx,k为各车轮纵向力，Fz,k为各车轮垂向载荷，Fy,k为侧向力。
7.根据权利要求3所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的步骤1)构建参考模型中，在车辆具有高横摆角速度的情况下，当路面不能够提供足够的附着力时，设定参考横摆角速度的上限值。
8.根据权利要求3所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，转矩分配方法为对角分配或全轮分配；
所述的对角分配为同一时间段控制单个轮缸液压力，当车辆具有不足转向特性时，对内后轮施加一定的制动力，当车辆具有过多转向特性是，对外前轮施加一定的制动力；
所述的全轮分配为同一时间段控制两个轮缸液压力，当车辆具有不足转向特性时，对内后轮和内前轮施加一定的制动力，当车辆具有过多转向特性，对外前轮和外后轮施加一定的制动力。
9.根据权利要求2所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的下层轮缸液压力控制控制采用主缸定频调压法，采用四个电磁阀分别控制四个轮缸液压力实现车辆横摆稳定性控制功能，同时设置用以分别独立监控轮缸液压力的液压力传感器，通过压力传感器的反馈信号实现压力闭环控制。
10.根据权利要求2所述的车辆稳定性控制方法，其特征在于，所述的制动执行单元中的电磁阀为通过PWM控制的高速开关电磁阀或通过位置反馈控制的线性电磁阀。
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