CN111122176A - 一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车辆制动技术领域，具体的说一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统及控制方法。该系统包括可调节式座椅、实验台架主体、制动踏板、电控助力制动系统、储液壶、电子稳定控制系统、液压管路、第一制动轮缸、第二制动轮缸、第三制动轮缸、第四制动轮缸、钳盘式制动器支承板、制动主缸、实验台架支承轮、PC机、底层控制器和功率驱动器；本发明提供了一种能够装配在智能车辆上的双制动执行器系统及控制方法，并且基于这两个执行器的特性，能够实现车辆的制动助力和主动制动等功能，在双执行器制动系统中的一个制动执行器发生失效时另一个制动可立即介入工作，完成制动请求，提高车辆制动冗余安全性能。

Description

一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统及控制方法
技术领域
本发明属于车辆制动技术领域，具体的说一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统及控制方法。
背景技术
随着汽车工业的变革，使用真空助力器的传统助力制动系统不能满足主动制动、复合制动等先进制动功能的要求。因此，旨在取代真空助力器的电控助力制动系统开始逐渐装配在各种新车型上。当前，已经出现的各种电控助力制动系统可以分为1-Box、2-Box和3-Box方案，其中对于2-Box方案，其配备了两个制动执行器，一个是负责基础制动助力的电控助力制动系统，另一个是负责实现制动防抱死、车辆横向稳定性控制等功能的电子稳定控制系统(ESP)。
正常情况下，接收到驾驶员的制动意图后，ECU发出控制指令，电控助力制动系统完成驾驶员制动助力功能；电子稳定控制系统(ESP)则在车辆处于极端工况时工作，如车轮抱死或者横向失稳等工况，确保车辆的纵横向稳定性，提升车辆的主动安全性，在一定程度上避免交通事故。但是，利用电机+减速机构作为动力源推动主缸推杆从而建立轮缸压力或者利用高压蓄能器建立轮缸压力的电控助力制动系统也会存在制动失效问题，此时车辆的制动助力系统会出现建压能力不足或者完全失去建压能力的情况，在驾驶员需要进行制动时极易造成严重的交通事故。与此同时，电子稳定控制系统(ESP)在工作过程中能独立完成车辆的制动功能，具有较强的建压能力，因此当电控助力制动系统发生故障时，能利用电子稳定控制系统(ESP)进行制动压力补偿，这对提升车辆的制动冗余安全性具有实际的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种能够装配在智能车辆上的双制动执行器系统及控制方法，并且基于这两个执行器的特性，能够实现车辆的基础制动助力和主动制动等功能，同时具有制动冗余的功能，解决了现有助力制动系统存在的上述问题。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种具有失效冗余功能的双制动执行器车辆制动系统，该系统包括可调节式座椅1、实验台架主体2、制动踏板3、电控助力制动系统4、储液壶5、电子稳定控制系统6、液压管路7、第一制动轮缸8、第二制动轮缸9、第三制动轮缸10、第四制动轮缸11、钳盘式制动器支承板12、制动主缸13、实验台架支承轮14、PC机、底层控制器和功率驱动器；所述实验台架主体2的下端安装有实验台架支承轮14并且放置在水平地面上；所述实验台架主体2的后端固定有可调节式座椅1；所述制动踏板3设置在可调节式座椅1的前端并且固定在实验台架主体2上；所述电控助力制动系统4设置在制动踏板3的前端并且固定在实验台架主体2上；所述制动踏板3通过输入推杆和电控助力制动系统4连接；所述电控助力制动系统4通过输出推杆和制动主缸13连接；所述制动主缸13上安装有储液壶5；所述电子稳定控制系统6设置在电控助力制动系统4的前端并且固定在实验台架主体2上；所述制动主缸13通过两路液压管路7与电子稳定控制系统6的两个液压入口连接；所述第一制动轮缸8、第二制动轮缸9、第三制动轮缸10、第四制动轮缸11分别安装在对应的左前盘式制动器、右前盘式制动器、右后盘式制动器、左后制盘式制动器上；所述左前盘式制动器、右前盘式制动器、右后盘式制动器、左后制盘式制动器通过四个钳盘式制动器支承板12固定在实验台架主体2的前部；所述PC机和底层控制器通过以太网线TCP/IP协议连接；所述底层控制器通过信号线束采集电控助力制动系统4的电机转角位置信号和输入推杆位置信号；所述底层控制器通过信号线束与功率驱动器连接；所述功率驱动器通过线束与电控助力制动系统4和电子稳定控制系统6连接。
所述底层控制器为MicroAutoBox 1401或MicroAutoBox1512或MicroAutoBox1513。
所述功率驱动器为RapidPro。
所述实验台架主体2采用铝质型材。
一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、所述PC机及安装在PC机上的上位机软件ControlDesk初始化；
步骤二、给底层控制器及各个传感器供电，供电电源选择12V蓄电池，并检查各部件连接状态是否正确。然后在上位机PC中打开上位机软件ControlDesk，将编写好的控制程序下载到控制器MicroAutoBox 1401中，通过控制程序使电控助力制动系统4和电子稳定控制系统6进入工作状态，控制程序具体流程如下：
步骤三、首先设定电控助力制动系统4未失效的情况下进行实验，驾驶员脚踩制动踏板3，产生基础制动助力请求；此时，电控助力制动系统4内部的踏板位移传感器读取到踏板位移，控制器发出驱动信号，电控助力制动系统4内部电机转动，完成基础制动助力；其次设定电控助力制动系统4失效的情况下进行基础制动助力冗余实验；驾驶员脚踩制动踏板，产生基础制动助力请求，此时电控助力制动系统4完全不能响应制动请求，无法完成制动助力功能；因此，控制程序将立刻使电子稳定控制系统6介入工作，其处于基础制动助力模式，完成制动压力补偿，实现制动失效冗余功能；对于电子稳定控制系统6，对其中电磁阀采用脉冲宽度调节即PWM控制，其压力补偿控制算法，采用比例积分即PI反馈控制算法，具体为：
PWM＝Kp(P*-P)+Ki∫(P*-P)
式中，PWM为控制变量，Kp、Ki为控制参数，P*为目标压力，P为实际压力；当驾驶员脚踩制动踏板3时，根据踏板位移传感器读取到的位移信号，会产生一个基础制动助力请求，也就是会产生一个目标制动压力P*，经过压力补偿控制算法决策出响应的PWM值，通过底层控制器发送到电磁阀，进而完成制动失效冗余功能。
本发明的有益效果为：
1)本发明所述车辆制动系统采用高性能永磁同步电机经过传动机构推动主缸推杆建立主缸压力，在正常的基础制动助力模式下，可提供迅速、准确的建压能力，确保车辆的制动的可靠性。
2)本发明基于实际车辆的制动请求，在双执行器制动系统中的一个制动执行器发生失效时另一个制动可立即介入工作，完成制动请求，提高车辆制动冗余安全性能。
3)本发明采用了基于实车尺寸的液压制动系统，包括制动主缸，液压管路，及制动轮缸等，算法开发过程中考虑了实际的车辆液压制动系统的液压特性，对于实际制动系统研究具有实用意义。
4)对于当前车辆制动系统的发展趋势，针对广泛配备了真空助力制动器和电子稳定控制系统(ESP)构型，也可以在真空助力制动器失效时利用另一制动执行器来完成制动失效冗余功能。
5)本发明采用的底层控制器使用dSPACE公司的MicroAutoBox 1401，能结合台架的硬件进行快速原型控制实验，可方便地将编写的控制程序下载到控制器中，方便控制算法的开发和完善，提升工作效率。
6)相对于当前广泛使用的真空助力器制动系统，本发明采用的电控助力制动系统不依赖发动机的真空源，能应用在各类新能源车上，并且其制动踏板脚感可调，能匹配在更多的车型上。
7)本发明采用的电控助力制动系统使用12V蓄电池供电，能和现有的乘用车辆供电系统良好匹配，为后续的车辆实验创造良好的前提条件。
8)本发明的车辆制动系统台架使用铝质型材，具有搭建方便，结构紧凑，可灵活调整等优点，适合科研院校及企业作为算法开发，匹配测试及教学展示等用途。
附图说明
图1为发明所述具有失效冗余功能的双执行器车辆制动系统的整体结构示意图；
图2为本发明所述具有失效冗余功能的双执行器车辆制动系统的部分结构示意图；
图3为本发明所述具有失效冗余功能的双执行器车辆制动系统控制逻辑示意图。
图中：1、可调节式座椅；2、实验台架主体；3、制动踏板；4、电控助力制动系统；5、储液壶；6、电子稳定控制系统；7、液压管路；8、第一制动轮缸；9、第二制动轮缸；10、第三制动轮缸；11、第四制动轮缸；12、钳盘式制动器支承板；13、制动主缸；14、实验台架支承轮。
具体实施方式
参阅图1、图2，一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统，该系统包括可调节式座椅1、实验台架主体2、制动踏板3、电控助力制动系统4、储液壶5、电子稳定控制系统6、液压管路7、第一制动轮缸8、第二制动轮缸9、第三制动轮缸10、第四制动轮缸11、钳盘式制动器支承板12、制动主缸13、实验台架支承轮14、PC机、底层控制器和功率驱动器。
所述底层控制器为MicroAutoBox 1401或MicroAutoBox1512或MicroAutoBox1513，所述控制程序存储在底层控制器中。
所述功率驱动器为RapidPro。
所述电控助力制动系统4为本装置的控制对象之一，可以选用公开号为CN205440327U的产品。本发明利用安装在其内部的踏板位移传感器来获得制动踏板的位移进而控制其内部的电机产生期望的制动压力。
所述电子稳定控制系统6为本装置的控制对象之一，可以选用大陆公司生产的MK60电子稳定控制系统。
所述的上位机软件ControlDesk为德国dSPACE公司的实验管理软件。
一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统的搭建如下：
根据各个部件实际尺寸，设计实验台架的实际尺寸，选择合适的位置在实验台架主体2上安装各部件。在实验台架主体2前部安装四个钳盘式制动器，其中包含了四个制动轮缸即第一制动轮缸8、第二制动轮缸9、第三制动轮缸10、第四制动轮缸11。然后考虑到驾驶员踩制动踏板3时的舒适性及合理性，在实验台架主体2上安装电控助力制动系统4，并将其与制动主缸13相连。再电子稳定控制系统6即ESP安装在实验台架主体2上，接着用液压管路7依次将制动主缸13，电子稳定控制系统6，第一制动轮缸8、第二制动轮缸9、第三制动轮缸10、第四制动轮缸11相连，形成真实的车辆液压制动系统。最后，将电控助力制动系统4，控制器，P C机等连接，完成本发明所述的实验台架搭建。
一种具有失效冗余功能的双制动执行器车辆制动系统的控制方法如下：
步骤一、所述PC机及安装在PC机上的上位机软件ControlDesk初始化。
步骤二、给底层控制器及各个传感器供电，供电电源选择12V蓄电池，并检查各部件连接状态是否正确。然后在上位机PC中打开上位机软件ControlDesk，将编写好的控制程序下载到控制器MicroAutoBox 1401中，通过控制程序使电控助力制动系统4和电子稳定控制系统6进入工作状态，控制程序具体流程如下：
步骤三、首先设定电控助力制动系统4未失效的情况下进行实验，驾驶员脚踩制动踏板3，产生基础制动助力请求。此时，电控助力制动系统4内部的踏板位移传感器读取到踏板位移，控制器发出驱动信号，电控助力制动系统4内部电机转动，完成基础制动助力。其次设定电控助力制动系统4失效的情况下进行基础制动助力冗余实验。驾驶员脚踩制动踏板，产生基础制动助力请求，此时电控助力制动系统4完全不能响应制动请求，无法完成制动助力功能。因此，控制程序将立刻使电子稳定控制系统6介入工作，其处于基础制动助力模式，完成制动压力补偿，实现制动失效冗余功能。对于电子稳定控制系统6，对其中电磁阀采用脉冲宽度调节(PWM)控制，其压力补偿控制算法，采用比例积分(PI)反馈控制算法，具体为：
PWM＝Kp(P*-P)+Ki∫(P*-P)
式中，PWM为控制变量，Kp、Ki为控制参数，P*为目标压力，P为实际压力。当驾驶员脚踩制动踏板3时，根据踏板位移传感器读取到的位移信号，会产生一个基础制动助力请求，也就是会产生一个目标制动压力P*，经过压力补偿控制算法决策出响应的PWM值，通过底层控制器发送到电磁阀，进而完成制动失效冗余功能。

Claims (5)

1.一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统，其特征在于，该系统包括可调节式座椅(1)、实验台架主体(2)、制动踏板(3)、电控助力制动系统(4)、储液壶(5)、电子稳定控制系统(6)、液压管路(7)、第一制动轮缸(8)、第二制动轮缸(9)、第三制动轮缸(10)、第四制动轮缸(11)、钳盘式制动器支承板(12)、制动主缸(13)、实验台架支承轮(14)、PC机、底层控制器和功率驱动器；所述实验台架主体(2)的下端安装有实验台架支承轮(14)并且放置在水平地面上；所述实验台架主体(2)的后端固定有可调节式座椅(1)；所述制动踏板(3)设置在可调节式座椅(1)的前端并且固定在实验台架主体(2)上；所述电控助力制动系统(4)设置在制动踏板(3)的前端并且固定在实验台架主体(2)上；所述制动踏板(3)通过输入推杆和电控助力制动系统(4)连接；所述电控助力制动系统(4)通过输出推杆和制动主缸(13)连接；所述制动主缸(13)上安装有储液壶(5)；所述电子稳定控制系统(6)设置在电控助力制动系统(4)的前端并且固定在实验台架主体(2)上；所述制动主缸(13)通过两路液压管路(7)与电子稳定控制系统(6)的两个液压入口连接；所述第一制动轮缸(8)、第二制动轮缸(9)、第三制动轮缸(10)、第四制动轮缸(11)分别安装在对应的左前盘式制动器、右前盘式制动器、右后盘式制动器、左后制盘式制动器上；所述左前盘式制动器、右前盘式制动器、右后盘式制动器、左后制盘式制动器通过四个钳盘式制动器支承板(12)固定在实验台架主体(2)的前部；所述PC机和底层控制器通过以太网线TCP/IP协议连接；所述底层控制器通过信号线束采集电控助力制动系统(4)的电机转角位置信号和输入推杆位置信号；所述底层控制器通过信号线束与功率驱动器连接；所述功率驱动器通过线束与电控助力制动系统(4)和电子稳定控制系统(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统，其特征在于，所述底层控制器为MicroAutoBox1401或MicroAutoBox1512或MicroAutoBox1513。
3.根据权利要求1所述的一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统，其特征在于，所述功率驱动器为RapidPro。
4.根据权利要求1所述的一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统，其特征在于，所述实验台架主体(2)采用铝质型材。
5.根据权利要求1所述的一种具有制动失效冗余功能的车辆制动系统的制动方法，其特征在于，该制动方法包括以下步骤：
步骤一、所述PC机及安装在PC机上的上位机软件ControlDesk初始化；
步骤二、给底层控制器及各个传感器供电，供电电源选择12V蓄电池，并检查各部件连接状态是否正确。然后在上位机PC中打开上位机软件ControlDesk，将编写好的控制程序下载到控制器MicroAutoBox 1401中，通过控制程序使电控助力制动系统(4)和电子稳定控制系统(6)进入工作状态，控制程序具体流程如下：
步骤三、首先设定电控助力制动系统(4)未失效的情况下进行实验，驾驶员脚踩制动踏板(3)，产生基础制动助力请求；此时，电控助力制动系统(4)内部的踏板位移传感器读取到踏板位移，控制器发出驱动信号，电控助力制动系统(4)内部电机转动，完成基础制动助力；其次设定电控助力制动系统(4)失效的情况下进行基础制动助力冗余实验；驾驶员脚踩制动踏板，产生基础制动助力请求，此时电控助力制动系统(4)完全不能响应制动请求，无法完成制动助力功能；因此，控制程序将立刻使电子稳定控制系统(6)介入工作，其处于基础制动助力模式，完成制动压力补偿，实现制动失效冗余功能；对于电子稳定控制系统(6)，对其中电磁阀采用脉冲宽度调节即PWM控制，其压力补偿控制算法，采用比例积分即PI反馈控制算法，具体为：
PWM＝Kp(P*-P)+Ki∫(P*-P)
式中，PWM为控制变量，Kp、Ki为控制参数，P*为目标压力，P为实际压力；当驾驶员脚踩制动踏板(3)时，根据踏板位移传感器读取到的位移信号，会产生一个基础制动助力请求，也就是会产生一个目标制动压力P*，经过压力补偿控制算法决策出响应的PWM值，通过底层控制器发送到电磁阀，进而完成制动失效冗余功能。
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