CN114701467B - 一种高精度的全液压制动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的全液压制动系统及其控制方法，所述系统包括二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B、控制器、第一压力检测系统、第二压力检测系统和位移检测系统；二位二通数字开关阀A做主油路的稳定性控制，同时形成阻尼，可以通过占空比调制进行节流控制，二位二通数字开关阀B对其所在油路进行控制，从而在提高制动油腔压力响应的前提下，降低制动油腔的压力波动，实现高精度制动控制。

Description

一种高精度的全液压制动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压制动领域，具体涉及一种高精度的全液压制动系统及其控制方法。

背景技术

制动系统是指对车辆的行驶速度进行强制降低的一系列装置，由供能装置、控制装置、传动装置和制动器四部分组成。主要功用是使行驶中的车辆减速甚至停车和使下坡行驶的车辆速度保持稳定。但是由于各类车辆的工况不一，对制动系统的通用性提出了高要求。尤其在制动过程中的建压波动和控压时的流量脉动、压力冲击，将进一步影响制动需求的紧急性和制动车辆的安全性。

目前全液压制动的最高技术为电液比例式制动控制技术，由于比例阀存在中位死区，导致制动器的压力响应慢，制动过程滞后。比例阀存在内泄漏，导致制动压力难以长期稳定，控制精度低。同时，比例阀的滑阀结构对油液清洁度的要求极高，油液污染会导致阀芯的卡滞，导致制动器无法有效制动，可靠性差，难以满足复杂工况下全液压制动的要求。而数字液压技术采用数字开关阀为核心控制元件，频响快，高频启闭生成的离散流体在管路中融合后可以比拟连续流体控制的效果，控制精度高，而且只有开和关两种状态，对油液的清洁度不敏感，所以抗污染能力更强，响应更快。但是，单纯的将比例阀改为数字开关阀，虽然提高了响应速度，但是容易造成油腔内的压力波动，从而影响制动压力的精度。

传统分离式的控制阀和制动器连接方式，两者液压元件通过油管连接，导致压力损失，响应慢，制动过程滞后等一系列问题，无法实现对制动压力的高精度控制。传统的制动模式是制动系统接收到制动指令信号后，制动压力从0MPa开始建压至目标制动压力P₀，而在此过程中，制动时间过长，严重影响了制动需求的紧急性和制动车辆的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高精度的全液压制动系统及其控制方法。本发明利用二位二通数字开关阀B对其所在油路进行控制，从而在提高制动油腔压力响应的前提下，降低制动油腔的压力波动，实现高精度制动控制。

本发明首先提供了一种高精度的全液压制动系统，包括二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B、控制器、第一压力检测系统、第二压力检测系统和位移检测系统；

所述的控制器分别与位移检测系统、第一压力检测系统、第二压力检测系统相连以获取相应的检测信号；控制器与二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B相连分别对其进行控制，控制器还用于对外部充液系统进行控制；

位移检测系统用于获取外部踏板装置的位移信号；第一压力检测系统用于获取外部制动器的制动缸压力信号和二位二通数字开关阀B的阀前压力；第二压力检测系统用于获取二位二通数字开关阀A的阀前压力；

二位二通数字开关阀A的进油口与外部充液系统连接，二位二通数字开关阀A的进油口还与蓄能器相连，二位二通数字开关阀A的出油口连接制动缸的制动油腔；二位二通数字开关阀B的进油口连接制动缸的制动油腔，二位二通数字开关阀B出油口与外部油箱连接。

进一步的，所述的制动器包括制动缸、制动摩擦块和制动盘；其中制动缸设有制动油腔和输出端，制动缸的输出端压缩制动缸的负载弹簧并将制动压力传输到制动摩擦块；当制动压力达到目标制定压力P₀时，制动摩擦块与制动盘之间挤压摩擦。

进一步的，所述的二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B固定安装在制动器上，二位二通数字开关阀A的出油口和二位二通数字开关阀B的进油口直接与制动油腔相连，省去了油管连接，进一步保障了制动压力的高精度控制。

进一步的，所述控制器还能获取外部蓄能器的压力信号。

本发明还公开了一种上述多模式的液压制动系统的控制方法，其包括如下步骤：

预加载状态：当车辆启动时，控制器根据第一压力检测系统和第二压力检测系统的反馈信号向二位二通数字开关阀A传输最适占空比β₁、驱动频率信号f₁；二位二通数字开关阀A快速响应建压，油液经过高频启闭的二位二通数字开关阀A后进去制动油腔当中，并迅速建压；随着压力的升高，负载弹簧逐渐被压缩至目标预压缩量Δl₁将制动压力提升至预加载制动压力P_pre，

当制动压力达到P_pre时，控制器向二位二通数字开关阀B传输最适占空比β₂和最适驱动频率信号f₂的大小，使得多余的油液通过二位二通数字开关阀B出油口回油箱，在高频启闭驱动下，主油路的流量脉动和制动器的稳态压力波动减小，从而达到精准控压的效果。

开启状态：当控制器接收来自位移检测系统获取的踏板装置的位移信号时，控制器更新二位二通数字开关阀A的最适占空比β₁、驱动频率信号f₁，二位二通数字开关阀A快速响应信号，并迅速建压，负载弹簧从目标预压缩量Δl₁进一步压缩至目标压缩量Δl₂，制动器的制动摩擦块与制动盘之间挤压摩擦，达到制动效果；制动压力从预加载制动压力P_pre上升至目标制定压力P₀，控制器通过更新二位二通数字开关阀B的最适占空比β₂、驱动频率信号f₂，保障制动压力维持在目标制动压力P₀，将制动压力冲击的稳态波动最大范围控制在ε(0.2MPa)以内，实现了精准控压。

当制动指令信号撤销时，从开启状态切换至预加载状态；制动系统开始卸压，从上一个目标制动压力P₀下降至预加载制动压力P_pre，负载弹簧的压缩量回归至目标预压缩量Δl₁，为下一次制动指令信号来临时最好准备。

关闭状态：当控制器检测到车辆熄火时，二位二通数字开关阀A关闭，制动系统从预加载状态切换至关闭状态，油液通过二位二通数字开关阀B回油箱，负载弹簧的压缩量从目标预压缩量Δl₁回归至压缩量0。进一步的，所述驱动频率信号f₁和f₂的范围为100-300Hz，占空比β₁和β₂的范围为0-100％。

进一步的，所述预加载制动压力P_pre为目标制定压力P₀的70％～85％。

进一步的，控制器检测蓄能器的压力，当蓄能器压力不足时，向充液系统传输控制信号α，充液系统向蓄能器充液补充压力。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：

1.本发明提出一种可将数字开关阀直接插装在制动器上的集成式结构，解决了由于油管连接所造成的压力响应滞后、制动压力控制精度低等问题；

2.本发明使用数字开关阀在主油路进行稳定性控制，保证了精准控压的安全环境，避免各类干扰下的压力冲击和流量脉动等问题；同时对二位二通数字开关阀B所在油路进行节流控制，减少油压扰动，提高了建压和控压的稳定性；

3.本发明具备预加载状态，提前将制动压力上升至预加载制动压力，使其略小于目标制动压力，在制动信号来临时，通过数字开关阀高频启闭，在可极短的时间内，快速达到目标制动压力，减小了制动响应时间，并提高了制动阶段的动态响应性能，解决了现有技术中的压力响应滞后的难题。

附图说明

图1为一种高精度的全液压制动系统的示意图；

图2为制动压力控制原理图；

图3为制动器摩擦块与摩擦盘在不同阶段对比图；

图4为集成式数字开关阀控制动器结构示意图；

图5为制动压力信号响应图；

图6为高精度制动压力示意图；

其中，1-二位二通的数字开关阀A，2-蓄能器，3-制动缸，4-制动盘，5-制动块，6-二位二通的数字开关阀B。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1-3所示，本实施例的高精度的全液压制动系统包括二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B、控制器、第一压力检测系统、第二压力检测系统和位移检测系统；控制器根据所获取的检测信号，生成充液系统的输入信号α，二位二通的数字开关阀A1的占空比调制信号β₁(0-100％)，驱动频率信号f₁(100-300Hz)，二位二通的数字开关阀B6的占空比调制信号β₂(0-100％)，驱动频率信号f₂(100-300Hz)。在本发明的实施例中，控制器内部已经预设有控制数据库，控制数据库存储有相应检测信号下的最优占空比调制信号β₁、驱动频率信号f₁、占空比调制信号β₂、驱动频率信号f₂。

位移检测系统用于获取外部踏板装置的位移信号；第一压力检测系统用于获取外部制动器的制动油腔压力信号和二位二通数字开关阀B的阀前压力；第二压力检测系统用于获取二位二通数字开关阀A的阀前压力；

二位二通数字开关阀A1的进油口与外部充液系统连接，二位二通数字开关阀A1的进油口还与蓄能器2相连，二位二通数字开关阀A1的出油口连接外部制动器的制动缸3；二位二通数字开关阀B6的进油口连接外部制动器的制动缸3，二位二通数字开关阀B6出油口与外部油箱连接。

其中，充液系统是给蓄能器2充液，保障蓄能器2可以提供足够的制动压力，当控制器检测到蓄能器2压力不足时，通过向充液系统传输控制信号α，充液系统向蓄能器2充液补充压力。目标制动压力P₀的大小由踏板装置的行程决定，即行程距离越大，目标制动压力P₀也就越大。

预加载状态：当车辆启动时，控制器根据第一压力检测系统和第二压力检测系统的反馈信号向二位二通数字开关阀A1传输最适占空比β₁、驱动频率信号f₁；二位二通数字开关阀A1快速响应建压，油液经过高频启闭的二位二通数字开关阀A1后进去制动腔当中，并迅速建压；随着压力的升高，负载弹簧逐渐被压缩至目标预压缩量Δl₁将制动压力提升至预加载制动压力P_pre；

当制动压力达到P_pre时，控制器向二位二通数字开关阀B6传输最适占空比β₂和最适驱动频率信号f₂的大小，使得多余的油液通过二位二通数字开关阀B6出油口回油箱，在高频启闭驱动下，主油路的流量脉动和制动器的稳态压力波动减小，从而达到精准控压的效果。

开启状态：当控制器接收来自位移检测系统获取的踏板装置的位移信号时，控制器更新二位二通数字开关阀A1的最适占空比β₁、驱动频率信号f₁，二位二通数字开关阀A1快速响应信号，并迅速建压，负载弹簧从目标预压缩量Δl₁进一步压缩至目标压缩量Δl₂，制动器的制动摩擦块4与制动盘5之间挤压摩擦，达到制动效果；制动压力在极短的时间内从预加载制动压力P_pre上升至目标制定压力P₀，控制器通过更新二位二通数字开关阀B6的最适占空比β₂、驱动频率信号f₂，保障制动压力维持在目标制动压力P₀，将制动压力冲击的稳态波动最大范围控制在ε(0.2MPa)以内，实现了精准控压。

当制动指令信号撤销时，从开启状态切换至预加载状态；制动系统开始卸压，从上一个目标制动压力P₀下降至预加载制动压力P_pre，负载弹簧的压缩量回归至目标预压缩量Δl₁，为下一次制动指令信号来临时最好准备。

关闭状态：当控制器检测到车辆熄火时，二位二通数字开关阀A1关闭，制动系统从预加载状态切换至关闭状态，油液通过二位二通数字开关阀B6回油箱，负载弹簧的压缩量从目标预压缩量Δl₁回归至压缩量0。

如图4所示，本发明提出了一种数字开关阀控制动器的创新型结构，二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B固定安装在制动器上，二位二通数字开关阀A的出油口和二位二通数字开关阀B的进油口直接与制动油腔相连，省去了油管连接，进一步保障了制动压力的高精度控制。

如图5所示，为本发明制动系统在三种状态下的信号响应状况：当在t₁时刻车辆启动时，二位二通数字开关阀A1在t₂时刻开始建压，制动压力逐渐上升，于t₃时刻达到预加载制定压力P_pre，此时二位二通数字开关阀B6开始响应，通过二位二通数字开关阀B对其所在油路节流的方式，将多余的油液排入油箱，实现了对预加载制定压力P_pre的精准控制。当在t₄时刻制动指令信号来临时，控制器实时更新二位二通数字开关阀A1的驱动频率f₁和占空比β₁，在t₅时刻制动系统迅速建压，并在t₆时刻到达目标制动压力P₀，此时控制器再次调控二位二通数字开关阀B6的驱动频率f₂和占空比β₂使得多余的油液经过二位二通数字开关阀B6流向油箱，实现了对目标制动压力P₀的精准控制，将制动压力冲击的稳态波动最大范围控制在ε(0.2MPa)以内，可比拟甚至优于传统比例阀控制的稳态效果，进一步保障了车辆制动的安全性。当在t₇时刻制动指令信号为“0”时，二位二通数字开关阀A1和二位二通数字开关阀B6在t₈时刻开始响应，多余的油液通过二位二通数字开关阀B62回到油箱，并在t₉时刻达到预加载制定压力P_pre，为下一次制动响应做好准备。当在t₁₀时刻车辆关闭时，二位二通数字开关阀A在t₁₁时刻关闭，而二位二通数字开关阀B6继续接收来自控制器的调制信号，系统内的油液通过二位二通数字开关阀B6回到油箱。

如图6所示，为本发明制动系统高精度制动压力控制方法原理：当流量过大或者流量突变导致主油路的流量突然增大的时候，在T₁时刻第二压力检测系统检测到二位二通数字开关阀A的阀前压力P₁急速上升至P₁′，超出了安全阈值，二位二通数字开关阀A1迅速将占空比大小从β₁减小至β₁′，减少进入主油路的流量，从而确保二位二通数字开关阀B6进行高精度控压的安全环境，并在T₁′时刻将二位二通数字开关阀A1的阀前压力稳定在P₁。

当制动油腔的压力突变，第一压力检测系统检测到二位二通数字开关阀B6的阀前压力从P₂急速上升至P₂′，超出了安全阈值时，二位二通数字开关阀B6迅速将占空比大小从β₂减小至β₂′，将多余的油液排入油箱，从而减小制动油腔的压力，并在T₂′时刻将二位二通数字开关阀B6的阀前压力稳定在P₂，实现对制动压力的高精度控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高精度的全液压制动系统的控制方法，其特征在于，所述高精度的全液压制动系统包括二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B、控制器、第一压力检测系统、第二压力检测系统和位移检测系统；

所述的控制器分别与位移检测系统、第一压力检测系统、第二压力检测系统相连以获取相应的检测信号；控制器与二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B相连分别对其进行控制，控制器还用于对外部充液系统进行控制；

制动器包括制动缸、制动摩擦块和制动盘；其中制动缸包括制动油腔和输出端，制动缸的输出端压缩制动缸的负载弹簧并将制动压力传输到制动摩擦块；当制动压力达到目标制定压力P₀时，制动摩擦块与制动盘之间挤压摩擦；

位移检测系统用于获取外部踏板装置的位移信号；第一压力检测系统用于获取外部制动器的制动缸压力信号和二位二通数字开关阀B的阀前压力；第二压力检测系统用于获取二位二通数字开关阀A的阀前压力；

二位二通数字开关阀A的进油口与外部充液系统连接，二位二通数字开关阀A的进油口还与蓄能器相连，二位二通数字开关阀A的出油口连接制动缸的制动油腔；二位二通数字开关阀B的进油口连接制动缸的制动油腔，二位二通数字开关阀B出油口与外部油箱连接；

所述全液压制动系统的控制方法包括如下步骤：

1)控制器通过位移检测系统第一压力检测系统和第二压力检测系统对相应的检测信号进行实时采集；

2)预加载状态：当车辆启动时，控制器根据第一压力检测系统和第二压力检测系统的反馈信号向二位二通数字开关阀A传输最适占空比β₁、驱动频率信号f₁；二位二通数字开关阀A快速响应建压，油液经过高频启闭的二位二通数字开关阀A后进入制动油腔当中，并迅速建压；随着压力的升高，负载弹簧逐渐被压缩至目标预压缩量Δl₁制动缸内的制动压力提升至预加载制动压力P_pre；

当制动压力达到P_pre时，控制器向二位二通数字开关阀B传输最适占空比β₂和最适驱动频率信号f₂的大小，使得多余的油液通过二位二通数字开关阀B出油口回油箱，在高频启闭驱动下，主油路的流量脉动和制动器的稳态压力波动减小，从而达到精准控压的效果；

3)开启状态：当控制器接收来自位移检测系统获取的踏板装置的位移信号时，控制器更新二位二通数字开关阀A的最适占空比β₁、驱动频率信号f₁，二位二通数字开关阀A快速响应信号，并迅速建压，负载弹簧从目标预压缩量Δl₁进一步压缩至目标压缩量Δl₂，制动器的制动摩擦块与制动盘之间挤压摩擦，达到制动效果；制动压力从预加载制动压力P_pre上升至目标制定压力P₀，控制器通过更新二位二通数字开关阀B的最适占空比β₂、驱动频率信号f₂，保障制动压力维持在目标制定压力P₀，实现精准控压；

当制动指令信号撤销时，从开启状态切换至预加载状态；制动系统开始卸压，从上一个目标制定压力P₀下降至预加载制动压力P_pre，负载弹簧的压缩量回归至目标预压缩量Δl₁，为下一次制动指令信号来临时做好准备；

4)关闭状态：当控制器检测到车辆熄火时，二位二通数字开关阀A关闭，制动系统从预加载状态切换至关闭状态，油液通过二位二通数字开关阀B回油箱，负载弹簧的压缩量从目标预压缩量Δl₁回归至压缩量0。

2.根据权利要求1所述高精度的全液压制动系统的控制方法，所述控制器还能获取外部蓄能器的压力信号。

3.根据权利要求1所述的高精度的全液压制动系统的控制方法，所述的二位二通数字开关阀A、二位二通数字开关阀B固定安装在制动器上，二位二通数字开关阀A的出油口和二位二通数字开关阀B的进油口直接与制动油腔相连。

4.根据权利要求1所述高精度的全液压制动系统的控制方法，其特征在于，所述驱动频率信号f₁和f₂的范围为100-300Hz，占空比β1和β2的范围为0-100％。

5.根据权利要求1所述高精度的全液压制动系统的控制方法，其特征在于，所述预加载制动压力P_pre为目标制定压力P₀的70％～85％。

6.根据权利要求1所述高精度的全液压制动系统的控制方法，其特征在于，控制器检测蓄能器的压力，当蓄能器压力不足时，向充液系统传输控制信号α，充液系统向蓄能器充液补充压力。

7.根据权利要求1所述高精度的全液压制动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，控制器通过更新二位二通数字开关阀B的最适占空比β₂、驱动频率信号f₂，保障制动压力维持在目标制定压力P₀，且制动压力相对目标制定压力P₀的波动范围控制在0.2MPa内。

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