CN111497811A - 一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，在助力系统失效时通过结构冗余实现应急机械制动模式，正常助力模式下根据制动器强度需求分为一般制动和紧急制动，分别进行一般制动助力模式和紧急主动增压模式控制；一般制动时能够提供准确的助力使制动主缸压力精确跟随目标压力，紧急制动时能够更快的完成制动主缸建压，最大程度的输出制动力，减少紧急制动工况的系统反应时间，提升制动能力，避免交通事故。多模式助力系统设计能够准确的跟踪驾驶员制动意图，不同助力模式切换智能化程度高，提升了制动响应的快速性、准确性和车辆安全性，具有很高的实际应用价值。

Description

一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及车辆安全技术领域，尤其涉及的是，一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法。
背景技术
随着汽车电动化、智能化的发展，汽车线控化(X-By-Wire)成为趋势。其中线控制动(Brake by Wire)系统可实现踏板力与车轮制动力之间的解耦，制动力控制精度高、响应迅速，并且允许上层系统主动介入，成为未来汽车制动系统的发展方向。线控制动系统主要包括电子液压制动(Electronic Hydraulic Brake, EHB)和电子机械制动(ElectronicMechanical Brake, EMB)。
EHB系统可基于现有12V电源系统研制，应用方便，仍将是未来几年商业化应用的主流选择。而如何在保证人车安全性的基础上，给驾驶员带来更好的制动体验，是其商业化应用中的关键一环。
2013年，德国博世公司推出了电动机械助力器iBooster，该机构具有主动制动、可变助力比等多种功能。上海拿森汽车电子有限公司的 NBooster 线控制动也已经和北汽合作并实现了量产。
国内外相关学者也对EHB系统进行了大量探讨。在液压力控制算法方面，有传统PID，拓展PID，自适应和鲁棒控制等方法。丁海涛等搭建了基于dSPACE的EHB硬件在环仿真平台，测试了系统液压特性和电磁阀增压特性。赵克刚等引入制动踏板感觉评价标准，提出了模糊制动意图判断方法，并通过HIL仿真验证了助力方法的合理性。陈慧岩通过道路测试的方式测试了EHB系统的动态响应和控制特性。余卓平利用Simulink建立了带滞后环节一阶系统的电液复合制动模型，着重对复合制动系统中的匹配方法进行分析和研究。
但是上述现有技术均集中于液压力的分配与精确控制、和HCU的压力分配与协同控制。更重要的是，在目前的现有技术中，现有的液压制动助力系统中，驾驶员的制动操作与制动器制动力一一对应，在驾驶员驾驶不当或者仅靠驾驶员反应难以保证人车安全等紧急情况出现时，难以主动介入制动系统，无法保证驾驶员和车辆安全，难以实现主动安全的功能。因此，针对不同工况进行多模式EHB助力系统设计与控制显得尤为重要。
发明内容
本发明提供一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，主要应用解决背景技术中提及的缺陷和问题，为了在保证人车安全性的基础上给驾驶员带来更好的制动体验，并且在对EHB系统进行控制时，考虑多种助力模式，进而提高制动助力系统控制精度和制动舒适性，拥有很高的应用价值。
本发明的技术方案如下：
一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，EHB助力系统为相对位移传感器的非解耦式电子液压制动助力系统, 电子液压制动助力系统由小齿轮、电机、制动主缸、霍尔传感器、丝杠螺母、大齿轮、踏板、滚珠丝杠构成,电机通过小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与丝杠螺母固联，滚珠丝杠可沿丝杠螺母轴线滑动，踏板与滚珠丝杠一端联接，滚珠丝杠另一端装有霍尔传感器，永磁体嵌于制动主缸推头上;系统分为两种控制工作模式：电控液压助力模式和应急机械制动模式，其中，电机工作时旋转，通过小齿轮带动丝杠螺母旋转，丝杠螺母与滚珠丝杠相连，因而使得推动滚珠丝杠平动，进一步推动制动主缸增压，同时带动踏板前进，实现主缸建压，霍尔传感器检测滚珠丝杠与制动主缸推头底部距离，反馈信号给控制器进行助力电流控制，进行一般制动或紧急制动，此时为电控液压助力模式；
电控液压助力模式下，按照制动强度需求分为一般制动和紧急制动两类，当一般制动时，EHB助力系统按照预定的助力曲线根据霍尔传感器采集值进行助力大小调控，当紧急制动时，进入紧急增压主动控制模式，紧急增压主动控制模式时，控制器不再根据霍尔传感器采集值进行助力，而是直接通过压力主动控制，迅速驱动电机，将主缸压力增加到预设最大压力值；
当助力失效时即电机不工作时，小齿轮、电机、制动主缸、霍尔传感器、丝杠螺母、大齿轮、踏板、滚珠丝杠此时不再工作，驾驶员通过踏板产生作用力，作用力直接传递给滚珠丝杠的内芯，进而通过内芯与主缸推头直接接触将力传递给主缸推头，推动制动主缸增压，用于实现在助力失效的情况下仍能实现制动，此时为应急机械制动模式。
作为上述技术方案的优选，上述一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，电子液压制动助力系统还配有驾驶辅助系统，设有相对位移传感器、压力传感器和控制器，相对位移传感器用于采集踏板的制动动作、压力传感器用于采集制动主缸的压力数据，相对位移传感器、压力传感器的数据均上传至控制器，控制器与电机相连；
驾驶员制动动作由相对位移传感器采集到控制器，控制器再通过逻辑门限判断，将制动强度分为一般制动和紧急制动两类，分别采用不同的控制模式。
在上述技术方案中，当控制器识别制动强度为一般制动时，电子液压制动助力系统采用一般制动助力模式；当上层算法识别当前驾驶状况需紧急制动，则立即进入紧急主动增压模式，通过电机快速控制实现制动主缸迅速建压，进行制动，给定目标压力为预设的制动主缸最大压力，通过压力传感器实时反馈系统压力。
作为上述技术方案的优选，控制器为双闭环电控助力制动控制器，由PI控制器和模糊控制器组成，当目标压力设定后，由目标压力与当前主缸压力之间的误差Ep和通过微分环节得到的误差变化率dEp经滤波处理后，作为模糊控制器的输入，并根据模糊规则进行参数调整，得到PI控制器的两个参数的修正值、，经过于初始参数、线性组合后，得到控制器的最终参数、，对主缸压力进行PI控制。
本发明提供的一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，使用便捷，人工维护成本低，具有很高的实际应用价值，其有益效果如下：
1.给驾驶员提供稳定的制动感觉，当车辆制动强度为一般制动时，采用一般制动助力模式控制；当制动强度为紧急制动工况时，进入紧急主动增压模式，以最大速度增加主缸压力进行制动;
2.针对采用相对位移传感器的非解耦式的电子液压助力系统，设计了±100的开度范围，对传感器数值进行量化，并通过反向助力增强系统刚度。
3.实车试验验结果表明，双闭环压力控制器能够较好的跟随目标压力；在多次踏板动作实验下，控制器能够准确快速实现不同的制动控制。从而说明，本申请所设计的多模式电子液压制动器助力系统及控制方法比普通助力方法更具优越性，能够显著提高车辆安全性和驾驶性。
附图说明
图1为本发明的一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的EHB 助力系统结构示意图。
图2为本发明一种基于驾驶员意图识别的EHB助力系统及控制方法的基于驾驶员制动意图识别的控制方法示意图。图3为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的助力电流曲线图。
图4为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的双闭环电控液压助力模式下的控制器示意图。
图5为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的模糊PI控制器示意图。
图6为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的压力控制模式阶跃输入响应曲线示意图。
图7为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的压力控制模式阶跃输入误差曲线示意图。
图8为本发明一种基于驾驶员意图识别的EHB助力系统控及制方法的助力电流控制响应曲线示意图。
图9为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的助力电流控制误差曲线示意图。
图10为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法试验曲线示意图。
图11为本发明一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法的普通助力电流控制试验曲线示意图。
图中，
1-小齿轮；2-电机；3-制动主缸；4-霍尔传感器；5-丝杠螺母；6-大齿轮；7-踏板；8-滚珠丝杠。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
1 多模式EHB助力系统
一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，设有相对位移传感器的非解耦式电子液压制动（EHB，Electronic Hydraulic Brake）助力系统,如图1所示，EHB 助力系统由小齿轮1、电机2、制动主缸3、霍尔传感器4、丝杠螺母5、大齿轮6、踏板7、滚珠丝杠8构成，电机2通过小齿轮1与丝杠螺母5啮合，丝杠螺母5在滚珠丝杠8周围滑动，大齿轮6与丝杠螺母5啮合，踏板7与滚珠丝杠8的内芯相连，滚珠丝杠8末端通过霍尔传感器4与制动主缸3相连，其中，
电机2工作时旋转，通过小齿轮1带动丝杠螺母5旋转，丝杠螺母5与滚珠丝杠8相连，因而使得推动滚珠丝杠8平动，进一步推动制动主缸3增压，同时带动踏板7前进，实现制动主缸3建压，此时为电控液压助力模式；当电机2不工作时，驾驶员通过踏板7产生作用力，作用力直接传递给滚珠丝杠8的内芯，从而驱动丝杠螺母5与大齿轮6发生滑动，进而将力通过霍尔传感器4传递给制动主缸3，推动制动主缸3增压，用于实现在助力失效的情况下仍能实现制动，此时为应急机械制动模式。
2 制动助力控制方法
传统液压制动助力系统中，驾驶员的制动操作与制动器制动力一一对应。而EHB助力系统的一个重要功能就是可以实现制动主缸压力的主动控制，在驾驶员操作不当或者仅靠驾驶员反应难以保证人车安全等紧急情况出现时，可以主动介入制动系统，保证驾驶员和车辆安全，实现主动安全的功能。因此，进行多模式EHB助力系统设计与控制尤为重要。
图2中，HCU液压控制单元是控制器的执行机构。HCU是电子控制制动系统的执行机构，一般由增压阀（常开阀）、减压阀（常闭阀）、回液泵、储能器组成。增压阀和减压阀受控于ECU信号，实现液路的开关，从而实现常规、保压、减压、增压的制动过程。电动泵由柱塞式油泵和驱动电机组成，主要作用是主动增加制动液压力。
当控制器识别驾驶员意图为一般制动时，EHB助力系统采用一般制动助力模式，对助力电流进行控制；当识别驾驶员意图为紧急制动时，则立即进入紧急主动增压模式，通过快速控制电机实现制动主缸迅速建压，进行制动。需要注意的是，EHB系统电控液压助力控制器与高级驾驶辅助系统或无人驾驶场景结合时，当上层算法识别当前驾驶状况需紧急制动时，EHB系统需立即进入紧急主动增压模式，进行紧急制动，此处采用逻辑门限的方法对控制模式进行判断。
2.1 助力电流控制方法
助力电流控制的目标一是保证良好的踏板感，满足驾驶员的驾驶习惯，二是能够建立足够的液压力，满足制动需求。本申请将相对位移传感器位置量化为±100的数值，定义为阀开度。然后根据阀开度设计不同的目标电流值，产生助力,设计助力曲线如图3所示。
助力区间分为反向助力区，不助力区和正向助力区3段。当阀开度在AB范围时为空行程阶段，电机不助力。
当驾驶员踩下踏板克服AB段的空行程后进入BC段，助力电流开始产生，阀开度进入CE段后，助力电流开始以较大的速率升高。图中施加制动过程助力电流可行域，在此区间内可以根据实际系统特性设计任意形状的助力曲线。当驾驶员逐渐退出制动时，如图中液压补偿区域，由于液压存在滞后性，目标助力电流下降速率比上升速率更快，需通过减小助力来弥补液压滞后带来的影响。同样地，在此区间内可以根据实际系统特性设计任意形状的助力曲线。
如果系统刚度不够，即使踏板弹簧回弹力和液压反馈力同时作用，踏板回弹速率依然不能跟上驾驶员收脚时，就需要额外的主动控制来控制踏板，使其“跟脚”。因此阀开度设计了[−100,0]的位置，只有当驾驶员快速收脚时，传感器位置会变成负值，电机反向助力。
2.2 主动压力控制方法
当上层算法识别当前驾驶状况需紧急制动，控制器立即进入紧急主动增压模式，给定目标压力为预设的制动主缸最大压力，通过压力闭环控制以最短时间完成主缸建压过程进行紧急制动，保证人车安全性，实现主动安全功能。实际系统中，通过压力传感器可以实时反馈制动系统制动助力系统压力，实现闭环控制。精确的压力控制是保证主动压力控制性能的前提，因此设计了外环压力模糊比例积分(Proportional Integral, PI)控制内环电流PI控制的双闭环电控液压助力制动控制器，其结构如图4。
如图5所示，模糊PI控制器主要由PI控制器和模糊控制器组成。当目标压力设定后，由目标压力与当前主缸压力之间的误差Ep和通过微分环节得到的误差变化率dEp经滤波处理后，作为模糊控制器的输入，并根据模糊规则进行参数调整，得到PI控制器的两个参数的修正值、，经过于初始参数、线性组合后，得到控制器的最终参数、，对主缸压力进行PI控制。
4 实车试验及结果分析
为验证上述电子液压制动助力控制方法的控制效果，依托于配备本申请所设计EHB制动助力装置的四轮分布式驱动实验车，进行实车试验。
相对位移传感器信号、EHB系统状态等信号由控制器发出，制动主缸压力由压力传感器发出，并通过CAN总线采集。
4.1 压力主动控制效果试验
为验证本申请设计的多模式电子液压制动器助力系统控制效果，首先将控制器设为调试模式，进入电控液压助力模式，分别输入2-10MPa的目标压力值，时间间隔约为1s，采集当前主缸压力值并记录。如图6、图7所示。
图中曲线在第一段阶跃处有100ms左右滞后，其余阶跃段皆能够迅速跟随目标压力，响应时间小于100ms，当压力达到10MPa时，在轻微抖动后逐渐稳定。通过分析，由于所设计的EHB助力机构采用相对位移传感器，存在一段距离的“踏板空行程”，因此在第一段阶跃处会有一定的滞后，实际驾驶过程中不会出现这种现象。压力达到稳定后，压力误差能够控制在0.1MPa内。实验表明，本申请所设计电控液压助力模式的控制能够起到紧急制动时迅速完成制动主缸建压的作用。
4.2助力电流控制效果试验
如图8、图9所示，当将控制器的控制模式切换为一般制动助力模式时，连续踩下、保持、松开制动踏板，并采集助力电流期望值和当前实际助力电流。
助力电流误差在(-0.4,+0.3)A之间，且无明显滞后现象。此时踏板力无明显的抖振、顶脚现象。同样，在“踏板空行程”阶段电流误差相对较大，但此时踏板力和助力电流均很小，不会对驾驶员产生顶脚现象。实验表明，在一般制动助力模式下EHB助力系统能够起到较好的助力作用。
4.3多模式EHB助力系统及控制方法控制效果试验
为验证本申请所设计控制方法的控制效果，将该控制方法与仅具有助力功能的控制方法进行对比。驾驶员分别模拟紧急制动过程和一般制动过程，踩踏制动踏板百分之七十左右行程，采集制动主缸压力变化，并记录如图10及图11。
由图10可看出，在本申请所设计的助力控制方法试验中，当快速踩下制动踏板时（如图11中前3段压力峰曲线段），制动主缸压力可以迅速到达10MPa，主缸建压时间在100ms之内。此时踩踏制动踏板一定程度时，有轻微的踏空感；当较为平缓的踩下制动踏板时（如图10中后3段压力峰曲线段），不会进入紧急制动模式，压力随驾驶员的踏板动作变化到达7Mpa左右。而仅采用一般制动助力模式时，如图11所示的5段压力峰曲线段，在快速踩下制动踏板时，压力只随驾驶员踏板动作加深而增加，到达7Mpa左右，不能起到主动安全作用。
结果表明，电控液压助力模式下，制动主缸压力能够迅速跟随目标压力；助力电流控制模式下，助力电流能够较好的跟随目标电流；对比普通控制方法和本申请助力控制方法在迅速踩下制动踏板时的压力曲线，后者能够更快的完成制动主缸建压过程。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，其特征在于，设有相对位移传感器的非解耦式电子液压制动助力系统, 电子液压制动助力系统由小齿轮、电机、制动主缸、霍尔传感器、丝杠螺母、大齿轮、踏板、滚珠丝杠构成,电机通过小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与丝杠螺母固联，滚珠丝杠可沿丝杠螺母轴线滑动，踏板与滚珠丝杠一端联接，滚珠丝杠另一端装有霍尔传感器，永磁体嵌于制动主缸推头上;系统分为两种控制工作模式：电控液压助力模式和应急机械制动模式，其中，
电机工作时旋转，通过小齿轮带动丝杠螺母旋转，丝杠螺母与滚珠丝杠相连，因而使得推动滚珠丝杠平动，进一步推动制动主缸增压，同时带动踏板前进，实现主缸建压，霍尔传感器检测滚珠丝杠与制动主缸推头底部距离，反馈信号给控制器进行助力电流控制，进行一般制动或紧急制动，此时为电控液压助力模式；
电控液压助力模式下，按照制动强度需求分为一般制动和紧急制动两类，当一般制动时，EHB助力系统按照预定的助力曲线根据霍尔传感器采集值进行助力大小调控，当紧急制动时，进入紧急增压主动控制模式，紧急增压主动控制模式时，控制器不再根据霍尔传感器采集值进行助力，而是直接通过压力主动控制，迅速驱动电机，将主缸压力增加到预设最大压力值；
当助力失效时即电机不工作时，小齿轮、电机、制动主缸、霍尔传感器、丝杠螺母、大齿轮、踏板、滚珠丝杠此时不再工作，驾驶员通过踏板产生作用力，作用力直接传递给滚珠丝杠的内芯，进而通过内芯与主缸推头直接接触将力传递给主缸推头，推动制动主缸增压，用于实现在助力失效的情况下仍能实现制动，此时为应急机械制动模式。
2.根据权利要求1所述的一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，其特征在于，电子液压制动助力系统还配有驾驶辅助系统，设有相对位移传感器、压力传感器和控制器，相对位移传感器用于采集踏板的制动动作、压力传感器用于采集制动主缸的压力数据，相对位移传感器、压力传感器的数据均上传至控制器，通过采集数据对于制动工况和制动强度进行判断。
3.根据权利要求1所述的一种多模式电子液压制动器助力系统及控制方法，其特征在于，当一般制动时，EHB助力系统采用一般制动助力模式；当紧急制动时，则立即进入紧急主动增压模式，通过制动控制器快速控制电机实现制动主缸迅速建压，进行制动，给定目标压力为预设的制动主缸最大压力，通过压力传感器实时反馈系统压力。
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