CN109910851A - 基于iehb的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法及系统，所述方法包括下列步骤：1)构建运动学‑动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速；2)根据运动学‑动力学联合车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度，实现基于集成式电子液压制动系统(IEHB)的以滑移率‑车轮角加速度联合被控变量的车轮制动防抱死控制。与现有技术相比，本发明具有可以有效估计全轮制动时的车速、抑制由于车速估计误差以及由于轮胎模型的误差而引起的滑移率控制效果的降低、提升安全性、舒适性好等优点。

Description

基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车控制领域，尤其是涉及基于IEHB(集成式电子液压制动系统)的以车轮滑移率与轮加速度为联合控制变量的制动防抱死控制方法及系统。

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。根据电子液压制动系统结构的集成情况，又可分为集成式电子液压制动系统(IEHB)和分体式电子液压制动系统(SEHB)。

传统制动防抱死系统的压力调节器一般由蓄能器、液压泵、电磁阀(4个增压阀，4个减压阀)组成。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制动压力。现阶段的滑移率控制研究成果仍面临的三大问题：车速估计误差问题；由于估计、建模等误差而引起的动力学算法性能下降，导致滑移率控制效果恶化的问题；以及制动防抱死系统工作时，由于液压力快速变化引起的制动踏板抖动引起驾驶员紧张和踏板感觉差的问题。

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IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法及系统，其中的方法部分包括下列步骤：

1)构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速；

2)根据步骤1)得到的车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制。

优选地，所述步骤1)包括：

11)基于车轮滑移率的动态，设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者之间的切换条件以及具体的切换机制；

12)根据步骤11)得到的滑移率估计采用轮速反馈的方法进行车速估计；

13)根据步骤12)得到的四个车轮的估计车速通过采用四轮车速融合机制得到车辆纵向车速估计值；

优选地，所述步骤11)具体为：车轮处于纵向滑移率较小的范围内时，滑移率估计方法采用基于轮胎模型的动力学估计法。车轮处于纵向滑移率较大的范围内时，滑移率估计方法采用运动学估计法。并设计以轮加速度为主要判据，辅助以轮速门限值判断的切换机制。

优选地，所述步骤12)具体为：所述所估计车速的最终估计方程为：

其中，为车速v的估计值，为车辆纵向加速度a的测量值，L为轮速反馈增益，ω为车轮角速度，为滑移率λ的估计值，所述的滑移率的计算式为：

其中，r为车轮滚动半径。

优选地，所述步骤13)具体为：当四个车轮均采用运动学估计方法时，采用四个估计车速的均值作为整车纵向车速的估计值。当车轮应用动力学估计器时，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。具体四轮车速融合机制为：

其中，g_ij,miu_ij,s_ij,flag_ij,v_ij(ij＝fl,fr,rl,rr)分别为对应车轮的权重系数、轮胎-路面峰值附着系数、防抱死控制介入标志位、估计速度；v_est为估计车速。

优选地，所述步骤2)包括：

21)首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据；

22)设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性；

23)分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的抗积分饱和滑模变结构控制器。

优选地，所述步骤21)具体为：当滑移率处于稳态时，车轮角加速度和滑移率之间有一一对应关系。为方便表述，定义新的表征车辆加速度的变量为

可得到：

式中，的横线表征恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度，μ(λ)为Burckhardt轮胎模型计算的单位垂向载荷下的轮胎纵向力。

优选地，所述步骤22)具体为：在被控变量中加入轮加速度的部分，从而得到被控变量表达式：

ε＝αλ+(1-α)η0≤α≤1

可以观察得到，当α＝1时，被控变量即为车轮滑移率，当α＝0时，被控变量即为当量轮加速度。当0＜α＜1时，被控变量为二者的线性组合。

所定义的被控变量ε，在λ-η相图中表示为一条斜率为的直线。其与曲线相交的点，横坐标对应于最优滑移率时，此时的ε即为最优的ε_ref。

优选地，所述步骤23)具体为：对于控制算法，设计带前馈的抗积分饱和滑模变结构控制器：

式中，e＝ε-ε_ref为被控误差，ε_ref为最优滑移率时的新被控变量，P为控制器输出的需求轮缸液压力，为轮缸液压力上限值，k₀为积分比例函数，θ为设计的边界层的厚度，sat(·)为饱和函数。

所述的集成式电子液压制动系统(IEHB)包括：

制动踏板单元：包括制动踏板总成，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、加速度传感器、轮速传感器、液压力传感器、液压力传感器、踏板位移传感器、踏板力传感器以及相关的线路，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，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的制动轮缸压力与制动踏板行程解耦，即驾驶员对制动踏板操作只表征驾驶意图，轮缸的液压力值由控制器计算得到。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的方法，通过车速估计误差以及轮胎模型误差引起的滑移率控制效果降低的特性，构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速，进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制。充分考虑了速度估计误差及轮胎模型误差带来的影响，提高了控制精度。

(2)构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速过程中，充分考虑了滑移率的动态特性，根据滑移率的不同设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者切换的条件。提高了滑移率估计的准确度。

(3)通过四轮估计车速融合策略得到估计车速过程中，建立了四轮车速融合机制，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大，提高了车速估计的精度。

(4)在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制的过程中，首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据。

(5)在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制的过程中，设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性，且有利于提高控制鲁棒性。

(6)在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制的过程中，分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的抗积分饱和滑模变结构控制器，提高控制算法的鲁棒性，提高制动安全性。

(7)在进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制的过程中，作为执行单元的集成式电子液压制动系统的制动轮缸压力与制动踏板行程解耦，即驾驶员对制动踏板操作只表征驾驶意图，轮缸的液压力值由控制器计算得到，避免了液压力快速变化时带来的制动踏板抖动，提升舒适性。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为滑移率估计器切换模式逻辑图；

图3为不同路面下最优滑移率分析图；

图4为本实施例中滑移率与轮加速度联合的制动防抱死控制算法的流程简图；

图5为所使用的IEHB主要结构示意图；

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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示为本申请提出的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法及系统，包括下列步骤：

1)构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速：

11)基于车轮滑移率的动态，设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者之间的切换条件以及具体的切换机制；

12)根据步骤11)得到的滑移率估计采用轮速反馈的方法进行车速估计；

13)根据步骤12)得到的四个车轮的估计车速通过采用四轮车速融合机制得到车辆纵向车速估计值；

2)根据步骤1)得到的车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制：

21)首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据；

22)设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性；

23)分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的抗积分饱和滑模变结构控制器。

本实施例中，根据上述方法实现的制动防抱死控制流程如图4所示，具体为：

步骤一、构建运动学-动力学联合车速估计器，并且设计估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速，本实施例中，基于车轮滑移率的动态，设计了动力学与运动学一体化的滑移率控制器，并给出了二者之间的切换条件以及具体的切换机制。车轮处于纵向滑移率较小的范围内时，滑移率估计方法采用基于轮胎模型的动力学估计法。车轮处于纵向滑移率较大的范围内时，滑移率估计方法采用运动学估计法。并设计以轮加速度为主要判据，辅助以轮速门限值判断的切换机制。如图2所示。

根据得到的滑移率估计采用轮速反馈的方法进行车速估计，得到车速最终估计方程为：

其中，为车速v的估计值，为车辆纵向加速度a的测量值，L为轮速反馈增益，ω为车轮角速度，为滑移率λ的估计值，所述的滑移率的计算式为：

其中，r为车轮滚动半径。

当四个车轮均采用运动学估计方法时，采用四个估计车速的均值作为整车纵向车速的估计值。当车轮应用动力学估计器时，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。具体四轮车速融合机制为：

其中，g_ij,miu_ij,s_ij,flag_ij,v_ij(ij＝fl,fr,rl,rr)分别为对应车轮的权重系数、轮胎-路面峰值附着系数、防抱死控制介入标志位、估计速度；v_est为估计车速。

步骤二、根据步骤一得到的车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制。首先通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据。当滑移率处于稳态时，车轮角加速度和滑移率之间有一一对应关系。为方便表述，定义新的表征车辆加速度的变量为

可得到：

式中，的横线表征恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度，μ(λ)为Burckhardt轮胎模型计算的单位垂向载荷下的轮胎纵向力。

设计了以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性。在被控变量中加入轮加速度的部分，从而得到被控变量表达式：

ε＝αλ+(1-α)η0≤α≤1

可以观察得到，当α＝1时，被控变量即为车轮滑移率，当α＝0时，被控变量即为当量轮加速度。当0＜α＜1时，被控变量为二者的线性组合。

所定义的被控变量ε，在λ-η相图中表示为一条斜率为的直线。其与曲线相交的点，横坐标对应于最优滑移率时，此时的ε即为最优的ε_ref。

并分析了系统平衡点的稳定性，设计了带前馈的抗积分饱和滑模变结构控制器：

式中，e＝ε-ε_ref为被控误差，ε_ref为最优滑移率时的新被控变量，P为控制器输出的需求轮缸液压力，为轮缸液压力上限值，k₀为积分比例函数，θ为设计的边界层的厚度，sat(·)为饱和函数。

如图5所示，集成式电子液压制动系统(IEHB)包括：

制动踏板单元：包括制动踏板12总成，体现驾驶员的驾驶意图；

主动建压单元：包括电机(本实施例中为永磁同步电机2)、涡轮蜗杆和齿条(本实施例中为减速传动机构3)，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8、制动轮缸7、电磁阀(本实施例中为常开电磁阀5)、储液罐4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(本实施例中为电控单元1)、加速度传感器、轮速传感器、液压力传感器、液压力传感器6、踏板位移传感器11、踏板力传感器(本实施例中为踏板模拟器10)以及相关的线路，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，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的制动轮缸压力与制动踏板行程解耦(本实施例中为解耦缸9)，即驾驶员对制动踏板操作只表征驾驶意图，轮缸的液压力值由控制器计算得到，避免了液压力快速变化时带来的制动踏板抖动，提升舒适性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建运动学-动力学联合车速估计器和估计器切换机制，通过四轮估计车速融合策略得到估计车速；

步骤2：根据步骤1得到的车速估计器得到估计车速进而得到滑移率并结合轮加速度进行滑移率-车轮角加速度联合被控变量的制动防抱死控制。

2.根据权利要求1所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤11：基于车轮滑移率动态构建动力学与运动学一体化的滑移率控制器及相关的切换条件和切换机制；

步骤12：根据步骤11得到的滑移率控制器采用轮速反馈的方法进行车速估计；

步骤13：根据步骤12得到的四个车轮的估计车速通过采用四轮车速融合机制得到车辆纵向车速估计值。

3.根据权利要求2所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤11具体为：车轮处于纵向滑移率第一设定范围内时，滑移率估计方法采用基于轮胎模型的动力学估计法，车轮处于纵向滑移率第二设定范围内时，滑移率估计方法采用运动学估计法，切换机制为以轮加速度为主要判据，辅助以轮速门限值判断的切换机制。

4.根据权利要求2所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤12中的车速估计的估计计算方程为：

式中，为车速v的估计值，为车辆纵向加速度a的测量值，L为轮速反馈增益，ω为车轮角速度，为滑移率λ的估计值，所述滑移率λ的计算公式为：

其中，r为车轮滚动半径。

5.根据权利要求2所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤13具体为：当四个车轮均采用运动学估计方法时，采用四个估计车速的均值作为整车纵向车速的估计值。当车轮应用动力学估计器时，轮胎模型精度越高，动力学估计所占权重越大。

6.根据权利要求1所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤2包括以下分步骤：

步骤21：通过滑移率系统动态导出稳态下滑移率与车轮角加速度的对应关系，为控制变量的等效性给出依据；

步骤22：构建以目标滑移率和对应的轮加速度的线性组合的新被控变量，其与纯目标滑移率的被控变量具有等效性；

步骤23：构建带前馈的抗积分饱和滑模变结构控制器。

7.根据权利要求6所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤21具体为：当滑移率处于稳态时，车轮角加速度和滑移率之间有一一对应关系，定义新的表征加速度变量为：

式中，为车轮角加速度，g＝9.8m/s²为重力加速度常数，

恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度为：

式中：为恒定滑移率下对应的当量车轮角加速度，μ(λ)为Burckhardt轮胎模型计算的单位垂向载荷下的轮胎纵向力。

8.根据权利要求6所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤22中的新被控变量的计算公式为：

ε＝αλ+(1-α)η 0≤α≤1

式中，ε为新被控变量，α为权重系数。

9.根据权利要求6所述的基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法，其特征在于，所述步骤23中的抗积分饱和滑模变结构控制器的描述公式为：

式中，e＝ε-ε_ref为被控误差，ε_ref为最优滑移率时的新被控变量，P为控制器输出的需求轮缸液压力，为轮缸液压力上限值，k₀为积分比例函数，θ为设计的边界层的厚度，sat(·)为饱和函数。

10.一种采用如权利要求1～9其中任意一项所述基于IEHB的滑移率与加速度联合的防抱死控制方法的控制系统，其特征在于，该控制系统包括：

制动踏板单元：包括制动踏板总成，用于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，用于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，用于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、加速度传感器、轮速传感器、液压力传感器、液压力传感器、踏板位移传感器、踏板力传感器以及相关的线路，用于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，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；

所述制动轮缸压力与所述制动踏板单元行程解耦，所述制动轮缸的液压力值由所述抗积分饱和滑模变结构控制器计算得到。