CN1104350C - 防抱死制动器 - Google Patents

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Abstract

在一种防抱死制动装置中,设定决定函数和开关函,当车轮滑动率等于目标值时决定决函数的符号改变,开关函数包括一个积分项,积分项是决定函数的时间积分,制动转矩目标值的确定使其与开关函数成正比。或者,按照决定函数计算的制动转矩目标值根据车轮加速度进行修正,以这种方式使制动转矩及路面和轮胎之间的车轮滑动率得以精确的控制。

Description

防抱死制动器
本发明涉及在汽车制动过程中产生需要的制动转矩的控制技术。
为防止汽车车轮在制动中抱死,以车轮速度和车速之间的差为基础反馈控制制动转矩的防滑制动器,例如,公开在下述文件中:
(1)Tan和Chin著:“车辆牵引控制:可变结构控制研究”美国机械工程师协会会刊“动力系统、测量和控制”113,223/230(1991)
(2)Chin,William,Sidlosky,Rule和Sparsehu著:“滑动模式ABS车轮滑动控制”Am.控制会议会刊1/5(1992)
在上述文件中公开的装置中,作为论点提出包括车速和轮速的函数,按照图13的曲线(b)所示,函数是否为正或负来改变制动转矩,从而将路面和轮胎之间的车轮滑动率控制在目标值上。但是由于产生制动转矩的致动器的延滞或由于计算函数所需要的时间,在产生制动转矩时存在延滞,这倾向于引起制动转矩或车轮滑动率的摆动。
为了抑制摆动,可以设定函数特征,使制动转矩不突然变换,而是如图13的曲线(a)所示从最大值向最小值平滑变化。但是,当制动转矩逐渐变化时,控制误差增加,从而使车轮滑动率的目标值和实际值不能精确相互重合。
因此,本发明的目的是精确地控制路面和轮胎间的车轮滑动率。
本发明的另一个目的是缩短制动距离。
为了实现上述目的,本发明提供一种防抱死制动装置,它包括用于检测轮速的机构,用于检测车速的机构,用于根据轮速和车速计算车轮滑动率的机构,以及用于控制制动转矩使车轮滑动率等于预定目标值的机构。
该装置还包括用于设定关于当车轮滑动率等于目标值时符号改变的决定函数(determining function)的机构,用于设定包括一个具有决定函数的时间积分的积分项的开关函数(switchingfunction)的机构,用于按照开关函数的值决定制动转矩的目标值的机构,以及用于将制动转矩控制在制动转矩的目标值的机构。
决定函数和开关函数最好分别由下面的(A)和(B)式限定:
(A):σ(t)=η·Xv(t)+Xw(t)
其中:η=λ0-1 λ = X v ( t ) - X w ( t ) X v ( t )
      σ(t):决定函数
      Xv(t):车速
      Xw(t):轮速
      λo:目标车轮滑动率
      λ:车轮滑动率 ( B ) : s ( t ) = σ ( t ) + k 1 · ∫ t 0 t σ ( t ) dt
其中:S(t):开关函数
      K1:常数
而且,制动转矩目标值最好由下面的(C)式限定:
      (C):ucmd(t)=Jw·q(t)
其中:
      Jw,q+,q-,δ:常数
      Ucmd(t):制动转矩目标值
      f(s):当f(0)=q-,f(δ)=q+时的单调
        增加函数
按照本发明的另一个方面,防抱死制动装置包括用于设定关于当车轮滑动率等于目标值时符号改变的决定函数的机构,用于按照决定函数的值计算制动转矩目标值的机构,用于测定车轮角加速度的机构,用于通过角加速度的修正值修正制动转矩目标值的机构,以及用于将制动转矩控制于制动转矩目标值的机构。
决定函数最好由下式(D)限定:
(D):S(t)=η·Xv(t)+Xw(t)
         其中:η=λo-1 λ = X v ( t ) - X w ( t ) X v ( t )
         S(t):决定函数
         Xv(t):车速
         Xw(t):轮速
         λo:目标车轮滑动率
         λ:车轮滑动率
另外,制动转矩目标值的计算和修正最好通过下式(E)进行: ( E ) : U cmd ( t ) = J w { V ( t ) + K w · X · w }
         其中:
Figure C9611019000073
         Jw,V+,V-,Kw:常数
         Xw:车轮角加速度
         Ucmd(t):制动转矩目标值
本发明的细节以及其它的特征和优点将对照附图在下文中详述。
图1是按照本发明的防抱死制动装置的结构示意图;
图2是表示按照本发明的防抱死控制的基本程序的流程图;
图3是表示按照本发明的制动转矩控制程序的流程图;
图4是表示按照本发明的开关函数的特征的曲线图;
图5A至5F是表示按照本发明的防抱死制动控制特征的模拟效果的曲线图;
图6A至6F与图5A至5F类似,但是表示当积分项被分离时的模拟效果;
图7A至7F与图6A至6F类似,但是表示常数δ是0时的模拟效果;
图8是按照本发明第二实例的防抱死制动装置的结构示意图;
图9是表示按照本发明第二实施例的基本防抱死程序的示意图;
图10是表示按照本发明第二实施例的Vi(t)的特征的曲线图;
图11A至11F是表示当反馈增益Kw为0时按照本发明第二实施例的防抱死制动控制特性的模拟效果;
图12A至12F与图11A至11F类似,但表示当反馈增益Kw是0.3时的模拟效果;
图13是表示按照现有技术的制动转矩控制特性的曲线图。
现参阅图1至图7,制动器1通过制动压力调节机构2借助油压使车轮10制动。制动压力调节机构2包括例如一个油压泵和伺服泵或类似装置,它与控制组件3的信号输出成正比地向制动器1供应压力。
来自检测车轮10的转速Xw(t)的轮速传感器4,检测车辆底盘的速度Xv(t)的车速传感器5,以及检测制动踏板8的压下角θ(t)的制动踏板压下角传感器6的信号被输入控制组件3。车速传感器5例如可以包括一个检测作用在车上的正,反向加速度的加速度传感器和一个积分该输出的积分器。
控制组件3例如可以包括一个根据输入信号,即,轮速Xw(t)、车速Xv(t)和制动踏板压下角θ(t),使用下式(1)(7)计算目标制动转矩Ucmd(t)并向制动压力调节机构2输出信号的微计算机。制动器1和轮速传感器4安装在每个车轮10上,制动压力信号向每个车轮10输出。
  σi(t)=η·Xv(t)+Xwi(t)           (1)
其中,i是表示车轮号的下标。例如,当有四个车轮时,令右前轮#1的轮速为Xw1(t),左前轮#2的轮速为Xw2(t),右后轮#3的轮速为Xw3(t)左后轮#4的轮速为Xw4(t)。为每个车轮计算决定函数σi。η是一个预定值,它是根据路面和轮胎间的车轮滑动率的目标值λo,使用下式计算的:
      η=λo-1
路面和轮胎间的车轮滑动率λi是由下式限定的: λ i = X v ( t ) - X wi ( t ) X v ( t )
根据定义,σi(t)=0表示车轮滑动率等于目标值λo。σi(t)>0表示车轮滑动率小于目标值。σi(t)<0表示车轮滑动率大于目标值。
接着,根据下式计算开关函数Si(t): s i ( t ) = σ i ( t ) + k 1 · ∫ t 0 t σ i ( t ) dt - - - - ( 3 )
其中,t为现在的时刻,K1为预定的正整数。
每个车轮的制动转矩的目标值Ucmd(t)是根据下式计算的:
    Ucmd(t)=Jw·qi(t)                         (4)
其中,f(Si)是满足f(0)=qi -,f(δ)=qi +的光滑单调增加函数。δ是一个正预定值。qi +,qi -是满足下述条件的常数: q i + > &eta; &CenterDot; X &CenterDot; v ( t ) + f &mu;i - f resisti + K 1 &CenterDot; &sigma; i ( t ) - - - - ( 6 ) q i - < &eta; &CenterDot; X &CenterDot; v ( t ) + f &mu;i - f resisti + K 1 &CenterDot; &sigma; i ( t ) - - - - ( 7 )
其中,fμi是路面作用在第i个车轮上的正/反方向上的力,fresisti第i个车轮的滚动阻力。在所有情形中,fμi,fresisti,Xv,σi具有一定的值,因此,总是存在满足式(6)和(7)的值q+,q-。图4的曲线(a)是从式(5)得到的。
现对照图2和3的流程图描述由控制组件3进行的计算和控制。
首先,图2的流程图是基本程序。在步骤S1中,确定时间是否为抽样时间。该步骤中程序是以一定间隔进行的。在抽样时间,在步骤S2中确定制动踏板压下角θ(t)是否等于或大于预定值θo。一般来说,当制动踏板压下得大于一个预定量时需要进行防抱死控制。在其它情形中,无需防抱死控制,因而终止程序而不进行其后的制动转矩控制。
当制动滑板压下角θ(t)等于或大于θo时,在步骤S3中进行图3所示的制动控制程序。
这里,轮速Xwi(t)和车速Xv(t)是在步骤11中阅读的。然后,在步骤S12-S15中进行计算(1)-(7),计算出每个车轮的制动转矩目标值Ucmdi(t)。然后,在步骤S15中向制动压力调节机构2输出制动转矩目标值Ucmdi(t)。
制动压力调节机构2调节送往每个车轮的制动器1的油压,以便获得制动转矩目标值Ucmdi(t)。
此处,当车辆上的车轮数为ηw时,制动运动公式可以表示为: x &CenterDot; v ( t ) = - c 1 &CenterDot; &Sigma; i = 1 &eta; w f &mu;i - f aero - c 1 &CenterDot; &Sigma; i = 1 &eta; w f resist i + f g - - - - ( 8 ) x &CenterDot; w i ( t ) = f &mu; i - f resist i - q i ( t ) ( x v > 0 , x w i > 0 ) - - - - ( 9 )
其中, f &mu;i = R w J w &CenterDot; F vi &CenterDot; &mu; i ( &lambda; i ) f aero = R w J w &CenterDot; B v &CenterDot; X v 2 q i ( t ) = 1 J w &CenterDot; U i f resisti = R w J w &CenterDot; F vi &CenterDot; B ri f g = g &CenterDot; Sin&theta; R w C 1 = J w R w 2 &CenterDot; M v &lambda; i = X v - X wi ( t ) X v ( t )
其中:
Xv:车速(转动角速度转换值)
ui:第i个车轮的制动转矩
Bv:空气阻力系数
Jw:车轮的惯性矩
μi(λi):第i个车轮和路面间的摩擦系数
Fvi:第i个车轮的车轮负载
θ:路面倾角
Xwi:车辆的质量
Bri:第i个车轮的滚动阻力系数
Rw:车轮半径
λi:第i个车轮的车轮滑动率
ηw:车轮数
现在考虑量Vi(t)=Si(t)2。根据定义,显然Vi(t)≥0。当Vi(t)时间增量 保持为 V &CenterDot; i ( t ) &le; 0 时,Vi(t)减少而且 lim t = &infin; V i ( t ) = C (常数)
那么Si(t)也是常值。根据定义,只有当λi=λo时Si(t)可以为常值。
现在找出Vi(t)≤0总是成立的条件。
由于: V &CenterDot; i ( t ) = 2 &CenterDot; S &CenterDot; i ( t ) &CenterDot; S i ( t ) &le; 0
Si(t)当Si(t)≥0时应小于0,当Si(t)≤0时Si(t)≥0时Si(t)≥0。首先考虑当Si(t)<0时的情况。重写Si(t): S i ( t ) = &eta; X &CenterDot; v ( t ) + X &CenterDot; wi ( t ) + K 1 &CenterDot; &sigma; i ( t ) = &eta; X v ( t ) + f &mu;i - f resisti - q i ( t ) + K 1 &CenterDot; &sigma; i ( t ) - - - - ( 10 )
在式10中替代式(5)的qi(t),显然 S &CenterDot; i ( t ) > 0 。同样,当Si(t)>δ时,显然 S &CenterDot; i ( t ) < 0 .
根据式(10),显然在范围0≤Si(t)≤δ内,存在一个当qi(t)=Uio(qi -<Uio<qi +)时Si(t)=0的平衡点P。因此,当Si(t)<0且Si(t)>δ时,Vi(t)单调减小,且在平衡点P稳定在范围0≤Si(t)≤δ内。当Vi(t)稳定时,Si(t)也稳定于常值。这意味着λi=λo。以这种方式,车轮滑动率λi被精确地控制在目标值λo上。
图5A至5F表示当目标车轮滑动率为0.2时,模拟前述控制的效果。
这里,车轮滑动率λ被迅速地控制在0.2的目标值上,制动时的停止距离为100米。
图6A至6F表示当式(3)的积分项被分离时,在相同的条件下的模拟效果。图7表示当式(5)中的δ为0时,即,当开关函数的特性被设定得如图4的曲线(b)所示时的模拟效果。
当式(3)中的积分项被分离且式(5)中的δ设定为0时,如图7所示出现车轮滑动率λ的摆动,如图7D所示,制动转矩相应有大的变化。如图7E所示,当制动时停止距离为110米。
在δ不为0,只是式(3)中的积分项被分离时的控制过程中,如图6C所示,不出现车轮滑动率λ的摆动,但是在与目标车轮滑动率λo=0.2偏离的位置上车轮滑动率稳定时,停止距离显著增至140米。
因此,通过在开关函数中设置积分项,制动距离得以减小,可以实现稳定的制动。
下面对照图8至图12F描述本发明的第二实施例。
与图1所示第一实施例在硬件方面的差别在于,增设了角加速度传感器7,其用于检测每个车轮10的角加速度 并将其输出至控制组件3。
控制组件3根据输入信号,即,轮速Xw(t),车速Xv(t),制动踏板压下角θ(t)和角加速度 ,使用下式(11)-(17)计算目标制动转矩Ucmd(t),并向制动压力调节机构2输出一个信号。
  Si(t)=η·Xv(t)+Xwi(t)                       (11)
这里,i是表示轮号的下标。例如,当有四个车轮时,令右前轮#1的轮速为Xw1(t),左前轮#2的轮速为Xw2(t),右后轮#2的轮速为Xw3(t),左后轮#4的轮速为Xw4(t)。为每个轮速计算决定函数Si(t)。η是一个预定值,它是根据路面和轮胎间的车轮滑动率,使用下式算出的:
    η=λo-1
路面和轮胎间的车轮滑动率λI由下式限定: &lambda; i = X v ( t ) - X wi ( t ) X v ( t ) - - - - ( 12 )
根据定义,σi(t)=0表示车轮滑动率λi等于目标值λo
Si(t)>0表示车轮滑动率小于目标值,Si(t)<0表示车轮滑动率大于目标值。
每个车轮的制动转矩目标值是根据下式确定的: u cmd i ( t ) = J w &CenterDot; q i = J w { V i ( t ) + K w &CenterDot; X &CenterDot; w i } - - - - ( 13 )
Figure C9611019000133
其中,Kw是正预定值,车轮角加速度Xw是反馈至制动转矩的反馈增益。Vi +,Vi -是满足下式的常量:
Vi +>(1+Kw)·η·Xv(t)+fμi-fresisti           (15)
Vi ->(1+Kw)·η·Xv(t)+fμi-fresisti           (16)
其中,fμi是在正/反方向上路面作用在第i个车轮上的力,fresisti是第i个车轮的滚动阻力。在所有情形中,fμi,fresisti,Xv,Si都具有一定的值,因此,总量存在满足式(15)和(16)的值Vi +,Vi -。图10的曲线是根据式(14)得到的。
由控制组件3进行的处理的基本程序与图2所示第一实施例的程序相同。但是,在本实施例中,在步骤S3中进行的制动控制程序有所不同。
下面描述这个差别。现参阅图9,在步骤S21中首先阅读轮速Xwi(t)和车速Xv(t)。然后,在步骤S22-S25中进行计算(11)-(16),计算每个车轮的制动转矩目标值Ucmdi(t)。然后在步骤S25中向制动压力调节机构2输出制动转矩目标值Ucmdi(t)。
制动转矩调节机构2调节送至每个车轮的制动器1的油压,从而获得制动转矩目标值Ucmdi(t)。
这里,当制动转矩是由式(14)限定时,车轮滑动率λi趋近于目标值λo
为了解释其原因,当车辆的车轮数为ηw时,制动运动方程可以表示为: x &CenterDot; v ( t ) = - c 1 &CenterDot; &Sigma; i = 1 &eta; w f &mu; i - f aero - c 1 &CenterDot; &Sigma; i = 1 &eta; w f resist i + f g - - - - ( 17 ) x w i ( t ) = f &mu; i - f resist i - q i ( t ) ( x v > 0 , x w i > 0 ) - - - - ( 18 )
其中: f &mu;i = R w J w &CenterDot; F vi &CenterDot; &mu; i ( &lambda; i ) f resisti = R w J w &CenterDot; F vi &CenterDot; B ri f aero = R w J w &CenterDot; B v &CenterDot; X v 2 f g = g &CenterDot; sin ( &theta; ) R w q i ( t ) = 1 J w &CenterDot; U i C 1 = J w R w 2 &CenterDot; M v &lambda; i = X v ( t ) - X wi ( t ) X v ( t )
其中:
Xv:车速(转动角速度转换值)
Ui:第i个车轮的制动转矩
Bv:空气阻力系数
Jw:车轮的惯性矩
μii):第i个车轮的负载
θ:路面倾角
Xwi:第i个车轮的轮速
Mv:车辆的质量
Bri:第i个车轮的滚动阻力系数
Rw:车轮半径
λi:第i个车轮的车轮滑动率
ηw:车轮数
现在定义量Vi(t)=Si(t)2。根据定义,显然Vi(t)≥0。当Vi(t)的时间增量 总是 V &CenterDot; ( t ) < 0 时,Vi(t)减小且 lim t = &infin; V i ( t ) = 0 Si(t)则趋近于0,即,λi=λo。更具体来说,现在找出Vi(t)=0保持成立的条件。由于: V i ( t ) = 2 &CenterDot; S &CenterDot; i ( t ) &CenterDot; S i ( t )
当Si(t)>0时, 应小于0,当Si(t)<0时, (t)>0。
首先考虑当Si(t)>0时的情况。重写Si(t): s &CenterDot; i ( t ) = &eta; &CenterDot; x &CenterDot; v ( t ) + x &CenterDot; w i ( t ) = &eta; &CenterDot; x &CenterDot; v ( t ) + 1 1 + k w &CenterDot; { f &mu; i - f resist i - v i ( t ) } - - - - ( 19 )
这是由于,当在式(18)中替代qi=Kw·Xwi+Vi时,得到: X wi = 1 1 + K w &CenterDot; { f &mu;i - f resisti - V i ( t ) } - - - - ( 20 )
在式(19)中替代Vi(t),显然,由于与式(16)的关系,S(t)>0。同样,当Si(t)>0时,显然S(t)<0。
因此,如果这种制动转矩的变换是可能的,那么,Vi(t)单调减小且λi=λo
但是,轮速和车速的检测值和其真实值相比总存在检测延滞。另外,当使用数字处理机作为计算装置时,控制是以角间隔进行的,在控制期之间不输出信号。另外,在产生制动转矩的致动器中也有延滞。因此,在产生制动转矩时总是存在延滞的。
因此,车轮滑动率与目标值相比不是过大就是过小,制动转矩会浮动,车轮滑动率会在目标值附近摆动。
图11A至11F和图12A至12F表示当目标车轮滑动率λo为0.2时,按照本发明的这个实施例的制动转矩控制的模拟效果。
图11A至11F表示当式(13)中的Kw为0.3时的模拟效果。这里,车轮滑动率的摆动被减小,制动时的停止距离为102米。
图12A至12F表示当Kw为0时的模拟效果。在这种情形中,车轮滑动率λ出现摆动,如图12C所示,制动压力相应地显著变化,如图12D所示。制动时的停止距离为110米,如图12E所示。
按照本发明,车轮角加速度Xw被反馈至制动转矩,车轮转动惯性矩变大一个相当的量,相对于fμi,fresisti的轮速变化减小。从式(20): X &CenterDot; w = 1 1 + K w &CenterDot; { f &mu;i - f resisti - V i ( t ) }
可以清楚看出当Kw>0时比当Kw=0时 较小。
因此,当年轮滑动率在目标值附近时,即使当Vi(t)看来有延滞时,Xw也没有大的浮动,而且减轻了摆动。
本发明并不局限于上述各实施例,显然,对其可以作各种修改和变化而并不超出本发明的范围。

Claims (6)

1.一种防抱死制动装置,包括用于检测轮速的装置(4),用于检测车速的装置(5),用于根据所述轮速和车速计算车轮滑动率的装置(3),以及用于控制制动转矩而使所述车轮滑动率等于预定目标值的装置(2,3),其特征在于:
所述制动装置还包括用于设定一个关于当所述车轮滑动率等于所述目标值时符号改变的决定函数的装置(S12);用于设定一个开关函数的装置(S13),该开关函数包括一个具有所述决定函数的时间积分的积分项;以及用于将所述制动转矩控制在所述制动转矩目标值上的装置(S15)。
2.如权利要求1所述的防抱死制动装置,其特征在于:所述决定函数和开关函数分别由下式(A)和(B)限定:
(A):σ(t)=η·Xv(t)+Ww(t)
其中η=λo-1 &lambda; = X v ( t ) - X w ( t ) X v ( t )
    σ(t):决定函数
    Xv(t):车速
    Xw(t):轮速
    λo:目标车轮滑动率
    λ:车轮滑动率 ( B ) : S ( t ) = &sigma; ( t ) + K 1 &CenterDot; &Integral; t o t &sigma; ( t ) dt 其中:S(t):开关函数
    K1:常数
3.如权利要求2所述的防抱死制动装置,其特征在于:所述制动转矩目标值是由下式(C)确定的:
(C):Ucmd(t)=Jw·q(t)
其中
Figure C9611019000031
Jw,q+,q-,δ:常数
Ucmd(t):制动转矩目标值
f(s):单调增加函数,f(0)=q-,f(δ)=q+
4.一种防抱死制动装置,包括用于检测轮速的装置(4),用于检测车速的装置(5),用于根据所述轮速和车速计算车轮滑动率的装置(3),以及用于控制制动转矩而使所述车轮滑动率等于预定目标值的装置(2,3),其特征在于:
所述防抱死制动装置还包括用于设定一个关于当所述车轮滑动率等于所述目标值时符号改变的决定函数的装置(S22),用于按照所述决定函数的值计算制动转矩目标值的装置(S24),用于检测车轮角加速度的装置(7),用于通过按照所述角加速度的修正值修正所述制动转矩目标值的装置(S24),以及用于将所述制动转矩控制在所述制动转矩目标值上的装置(S25)。
5.如权利要求4所述的防抱死制动装置,其特征在于:所述决定函数是由下式(D)决定的:
(D):S(t)=η·Xv(t)+Xw(t)
其中:η=λo-1 &lambda; = X v ( t ) - X w ( t ) X v ( t )
      S(t):决定函数
      Xv(t):车速
      Xw(t):轮速
      λo:目标车轮滑动率
      λ:车轮滑动率
6.如权利要求5所述的防抱死制动装置,其特征在于:所述制动转矩目标值的计算和修正是通过下式(E)进行的: ( E ) : U cmd ( t ) = J w { V ( t ) + K w &CenterDot; X &CenterDot; w }
其中:
      Jw,V+,V-,Kw:常数
      Xw:车轮角加速度
      Ucmd(t):制动转矩目标值
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