CN1478685A - 制动系统的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于汽车、摩托车制动系统的控制方法，及使用该控制方法的控制器。该控制方法以整车加速度检测为控制基础，能实现总质量(重量)检测、地面附着系数检测、动态负荷分配、最佳滑移率控制、防抱死等功能。该控制方法特别适合于调制式制动系统，这种制动系统以脉冲宽度调制技术为基础，制动力易于由控制器控制。普通制动系统在增加制动力检测后也可以使用该控制方法。使用该控制方法的控制器由于不需使用轮速检测器，具有结构简单、成本低的优势。

Description

制动系统的控制方法及装置

所属技术领域

本发明涉及一种机动车的制动系统的控制方法及控制装置，尤其是用于汽车、摩托车的调制式制动系统的、具有防抱死、动态负荷调节等特性的控制方法及控制装置。

背景技术

现有的制动系统都是采用模拟方式工作的，即制动力和控制力都是连续变化的，不易实现自动控制。其自动控制系统有两大类——防抱死制动系统(ABS)和电子控制制动系统(EBS)，其共同特点是：需要检测车轮的转速(即轮速)，检测器较多，结构复杂。

中国专利02122371.8提出了调制式防抱死制动系统，该发明以开环控制为基本出发点，结构简单，但还不够完善。申请人后来又提出了调制式制动系统，其基本原理是脉冲宽度调制，即：制动器只产生一个固定大小的制动力F，在控制器的控制下，制动器不断在有制动力和无制动力状态变换，有制动力的时间为T1，无制动力的时间为T2，T1、T2都很小，制动器的平均制动力就是FT1/(T1+T2)，T1/(T1+T2)称为占空比，F称为脉冲幅度，控制器通过改变占空比和脉冲幅度调节制动力的大小，因而控制器能计算出制动器制动力的大小。该系统实际上实现了制动器的数字化。本发明即是用于该系统的控制方法和控制器。现有模拟方式的制动系统，增加制动器制动力检测后，也可以在一定程度上使用本发明的方法。

由于有关资料对相关术语的定义不太一致，特对几个关键术语定义如下：

制动器制动力F_μ：简称制动器力，是制动器的制动力矩在车轮滚动面的等效力，也是摩

                  擦片的摩擦力在车轮滚动面的等效力，等于制动力矩除以车轮半径。

地面制动力X_b：  制动时，地面对车轮的实际摩擦力。

地面附着力F_：  地面与车轮间的最大摩擦力，等于地面附着系数乘以压力。

另外，一般把制动分为行车制动和紧急制动，这是按功能区分，对应的力关系为：

行车制动：制动器制动力等于地面制动力，小于地面附着力，即：F_μ＝X_b＜F_

紧急制动：地面制动力等于地面附着力，小于或等于制动器制动力，即：F_μ≥X_b＝F_

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的车辆制动系统的控制方法及控制装置，它能实现动态负荷分配、防止车轮抱死等功能，改善车辆的制动性能。同时其结构相对简单。

本发明提供的方法描述如下：

首先，实时检测整车加速度a。从物理学角度看刹车时速度减小，加速度为负值。但在本发明中，加速度的方向是特定的，并不重要。因此，若无特别注明，本发明中所提到的加速度都是指其绝对值的大小，加速度的增加、减少也都指其绝对值的增加、减少。

其次，需计算或检测出总制动器制动力的大小(即全部车轮制动器制动力之和)。对调制式制动系统，由调制占空比和脉冲幅度通过简单计算即可得出。对现有模拟方式的制动系统，则可通过测量轮缸油压等方法实现。以下不特别指明，制动器制动力都是指总制动器制动力的大小。

然后，根据加速度与制动器制动力的变化关系，确定车辆是行车制动还是紧急制动：若加速度的大小随制动器制动力的增减而增减，确定为行车制动；若加速度的大小不随制动器力变化、或反向变化，确定为紧急制动。加速度a与制动器力F_μ的关系，是根据制动动力学原理推导出来的。根据牛顿第二定律有：a＝X_b/M，行车制动时，制动器制动力等于地面制动力，即：F_μ＝X_b，所以，加速度a与制动器力F_μ有正比关系；紧急制动时，地面制动力等于地面附着力，即：X_b＝F_，所以，加速度a不随制动器力F_μ变化，考虑到滑移率较大时地面附着系数会减小，加速度a还可能减小。因此，根据上述关系可以判断出车辆是行车制动还是紧急制动。

而后，根据制动状态和加速度，计算几个关键参数：若是行车制动，根据牛顿第二定律有：M＝X_b/a＝F_μ/a，可以计算出车辆的总质量M：若是急紧制动，计算出地面附着力F_＝X_b＝Ma和地面附着力系数＝a/g，式中g是重力加速度。

根据总质量M和车辆有关结构参数，可以计算出动态的制动力分配系数β；无论是行车制动还是紧急制动，都按分配系数β动态分配各车轮的制动器制动力。分配系数β因车型不同而异，对于双轴车，分配系数β＝[b+hF_μ/(Mg)]/L，式中L是轴距、h是质心高度、b是质心至后轴中心线的距离，F_μ是总制动力。三轴或以上车犁可选用制动动力学中的对应公式，此处不再罗列。根据分配系数β，就可以计算出各车轮的制动力，如：对两轮双轴车(如两轮摩托车)，前轮制动器制动力为βF_μ，后轮为(1-β)F_μ，四轮车减半，等等。

总质量M可以分为车质量M₁和载荷质量M₂，对应的质心高度分别是h₁和h₂，显然有M＝M₁+M₂，h＝(M₁h₁+M₂h₂)/M。车质量M₁及其质心高度h₁通常是固定不变的，载荷质量M₂及其质心高度h₂通常是变化的，可以用统计的方法，建立h₂与M₂的变化关系，该关系可以用一个函数h₂(M₂)描述，称载荷质心高度函数，该函数可以是解析式，也可以用表格的形式描述，于是有：M₂＝M-M₁，h＝[M₁×h₁+M₂×h₂(M₂)]/M。对质心高度h这样处理后，所计算的分配系数β更加准确。对某些车辆——如轿车、摩托车——载荷质心高度可以认为是不变的，即h₂(M₂)＝h₂，可以得到h＝h₂+(h₁-h₂)×M₁/M。

制动时，根据总质量M，可以计算出地面制动力X_b＝Ma，若发现地面制动力X_b与总制动器制动力F_μ相差过大，超出了正常范围，表明已处于紧急制动状态，应立即减小总制动器制动力F_μ到X_b。在正常情况下，若滑移率为O，地面制动力X_b与总制动器制动力F_μ的关系为： $F_u=X_b(1+\frac{1}{M}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{J_i}{r_i^2}),$ 式中J_i、r_i分别为各个车轮的转动惯量和车轮半径，因 较小，有F_μ稍大于X_b，F_μ≈X_b，若发现地面制动力X_b与总制动器制动力F_μ相差过大，超出正常范围，表明是由于某种突发原因所至(如地面附着系数突然减小、刹车过猛等)，减小F_μ使F_μ≈X_b，可以防止车轮抱死。紧急制动时，也可以利用类似方法，即：先设置一个足够大的制动器制动力F_μ(如F_μ＝Mg)，然后立即计算出地面制动力X_b＝Ma，再设置F_μ≈X_b。就既能快速制动，也能实现防抱死功能，因为此时X_b＝F_。由上述F_μ与X_b的关系式可以看出，所需的制动器制动力F_μ稍大于X_b，但由于制动系统的各部件不可避免存在误差，从安全性角度出发，适当减小制动器制动力F_μ是明智的，一个简单的方法就是选择F_μ＝X_b，选择F_μ稍小于X_b也是可以的，而且更加安全，但也可能使F_μ过小，影响制动效果。需要说明的是：只要时间足够短，紧急制动时初始设置的大的制动器制动力并不会使车轮抱死，因为各车轮都有一定的转动惯量J_i，其转动方程为 转速ω_i不会马上变为零，毕竟转速的减小也需要时间。

前述对车辆制动状态识别的方法中，有一个隐含的条件，即制动器制动力是变化的。在实际制动过程中，一段时间内制动器制动力可能是不变的，这时可以人为地引入一个较小的扰动，让制动器制动力发生一个较小的变化，通过变化来识别、检验制动状态，或完成其它任务，这种方法称为微扰法。

对处于行车制动状态的制动系统，可以用微扰法检验制动系统所处状态，具体方法为：当制动系统以某一制动强度进行制动时，再稍微增加(或减小)制动强度，以增大(或减小)制动器制动力，若加速度相应增加(或减小)，说明仍处于行车制动状态；若加速度不发生变化，甚至反向变化，说明已处于紧急制动状态。

需要进行紧急制动时，用前文所述方法可以快速使F_μ≈F_，但还不足以使制动系统处于最佳滑移率状态。对已处于紧急制动状态的系统，用微扰法可以搜索最佳滑移率，具体方法为：制动系统处于紧急制动状态后，不断进行下列微扰搜索：

步骤1：稍微增加制动强度，以增大制动器制动力和滑移率：若加速度增加，说明原有滑移率偏小，以增加后的制动强度为基础，重复步骤1，继续尝试增加制动强度和滑移率；若加速度减小，说明滑移率偏大，恢复原有制动强度或适当减少后，进行步骤2，进行反向尝试；若加速度不变，恢复原有制动强度，进行步骤2，进行反向尝试。

步骤2：稍微减小制动强度，以减小制动器制动力和滑移率：若加速度增加，说明原有滑移率偏大，以减小后的制动强度为基础，重复步骤2，继续尝试减小制动强度和滑移率；若加速度减小，说明滑移率偏小，恢复原有制动强度或适当增加后，进行步骤1，进行反向尝试；若加速度不变，恢复原有制动强度，进行步骤1，进行反向尝试。

微扰法搜索最佳滑移率的原理，实质上是基于地面纵向附着系数与滑移率的关系图。因紧急制动时，地面附着系数＝a/g，加速度a的变化，就代表了地面附着系数的变化；而滑移率是随制动强度(即制动器制动力)同向变化的，增加制动强度，滑移率增加随之增加，减小制动强度，滑移率增加随之减小。所以，微扰法搜索最佳滑移率的过程，实质上就是在附着系数与滑移率的关系图上，搜索最大附着系数的过程。紧急制动过程中持续进行微扰法搜索，不仅可以找到最大附着系数，当地面状况发生变化时，还可以跟踪最大附着系数。

为实现上述控制方法，本发明提供一种控制器，控制器由信号输入电路、信号输出电路、信号处理电路等基本电路构成，也可以加入键盘、显示电路等附属电路。信号输入电路接收加速度传感器送来的信号，也接收操作器、其他传感器的信号，如油压、轮速、轮胎磨损量、温度等。信号输出电路输出制动器制动力控制信号，对调制式制动系统，控制信号为PWM电压电流；输出电路也可以输出其他信号(如制动力脉冲幅度选择信号)，或给其他系统(如发动机)。信号处理电路可以由单片机(MCU)、数字信号处理器(DSP)、存储器及相关电路构成，单片机(MCU)或数字信号处理器(DSP)内有控制程序，可以根据各输入信号，产生相应的输出，如根据操作器信号，选择固定力的大小和占空比。显示电路显示各种状态和参数。键盘用于输入各种系统配置和参数。

加速度传感器是必须的，可以安装在控制器内，也可以外接。对于非调制时制动系统，还应有制动器制动力的检测器或接口，除非控制器能计算出制动器制动力的大小。控制器的控制程序中，可以加入上述全部控制方法，以实现动态制动负荷分配、最佳滑移率搜索和防抱死等功能，从而改善制动性能。当然，也可以只加入部分控制方法，实现部分功能。

本发明的有益效果是，由于充分利用了加速度与制动器制动力的各种关系，实现了制动力动态分配、最佳滑移率控制和防抱死等功能，制动性能好；由于采用加速度作为控制的依据，可以无需车轮转速检测器等装置，结构简单。附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的实施例电路原理图。

图中：U1.单片机，U2.加速度传感器，K1.制动开关，K2.紧急制动开关，W1.制动电阻，

      J1.前轮调制式制动器的控制继电器，J2.后轮调制式制动器的控制继电器，

      R1.偏压电阻

具体实施方式

下面结合附图说明本发明提出的控制器的实施例。

图1是根据本发明提出的控制器的电路原理图，是一种两轮摩托车的调制式制动系统的控制器。图中[U1]是单片机P87LPC767，其OTP EPROM中写入了控制程序，该控制程序中包含有前述的各种控制方法。[U2]是加速度传感器ADXL202AE，加速度信号由4、5脚送到单片机。[J1]、[J2]分别是前、后轮调制式制动器的控制继电器；制动电阻[W1]是可调电阻，其电阻值与制动踏板的角度关联，表示制动强度的大小，它与偏压电阻[R1]构成分压电路，其电压由单片机[U1]转换为数字信号；[K1]、[K2]是与制动踏板关联的开关，只要踩动制动踏板，制动开关[K1]闭合，代表开始制动，制动踏板踩到底时，紧急制动开关[K2]闭合，表示紧急制动。

加速度传感器ADXL202AE以脉冲宽度调制(PWM)方式输出，其两路输出脚4、5都接单片机的比较器正端，比较器负端接内部1.23伏参考电压，正端电压变化时产生中断，中断服务程序测出脉冲宽度，计算出加速度。摩托车启动后，先在平坦处进行一次行车制动，由M＝F_u/a计算出总质量M。

控制程序以0.1秒为周期循环运行，它定期检查开关制动开关[K1]、紧急制动开关[K2]、制动电阻[W1]所给出的信号，采取相应的操作：

制动时，制动开关[K1]首先闭合，单片机控制程序便根据制动电阻[W1]的大小，决定总制动器制动力的大小F_u；然后，根据总质量M和车辆有关结构参数，计算制动力分配系数β，按分配系数β动态分配前、后车轮的制动器制动力，前轮为βF_u，后轮为(1-β)F_u；并通过继电器[J1]、[J2]向制动器提供调制脉冲，控制制动器的制动力。制动后，控制程序根据加速度a与制动器制动力F_u的关系，判断制动状态。控制程序还定时检查制动器制动力与地面制动力Xb＝Ma之差，如果发现差超出正常范围，立即进行紧急制动处理。行车制动中，还用微扰法继续检查制动状态。

紧急制动时，紧急制动开关[K2]闭合，控制程序先送出一个较大的制动力F_u，然后通过加速度a测出地面制动力Xb＝Ma，如果Xb＜F_u，减小F_u到Xb，否则，进一步加大F_u，直到有Xb＜F_u出现，再减小F_u到Xb。然后，控制程序用微扰法搜索和跟踪最佳滑移率及对应的制动强度。

Claims (10)

1.一种车辆制动系的控制方法，它实时检测整车加速度a，实时检测或计算出总制动器制动力F_μ，其特征在于：

根据加速度a与总制动器制动力F_μ的变化关系，确定车辆是行车制动还是紧急制动：若加速度的大小随制动器制动力的增减而增减，确定为行车制动；若加速度的大小不随制动器制动力变化、或反向变化，确定为紧急制动。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

紧急制动时，计算出地面附着力系数＝a/g，其中g是重力加速度。

3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

行车制动时，计算出车辆的总质量M＝F_μ/a。

4.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于：

制动时，根据总质量M和车辆有关结构参数，计算制动力分配系数β，无论是行车制动还是紧急制动，都按分配系数β动态分配各车轮的制动器制动力。

5.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于：

对于双轴车，分配系数β＝[b+hF_μ/(Mg)]/L，

式中：L是轴距、h是质心高度、b是质心至后轴中心线的距离，F_μ是总制动力；

质心高度h＝[M₁×h₁+M₂×h₂(M₂)]/M，

式中：M₁是车质量，M₂是载荷质量，h₁是车质心高度，h₂(M₂)是载荷质心高度函数，

      对某些车辆，可以取h₂(M₂)为常数h₂。

6.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于：

制动时，计算出地面制动力X_b＝Ma，若发现地面制动力与总制动器制动力F_μ相差过大，表明处于紧急制动状态，立即减小总制动器制动力F_μ，使F_μ≈X_b。

7.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于：

需要进行紧急制动时，先使制动器产生一个足够大的总制动器制动力，然后立即计算出地而制动力X_b＝Ma，再控制总制动器制动力F_μ，使F_μ≈X_b。

8.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

对处于行车制动状态的制动系统，用微扰法检验制动系统所处状态，具体方法为：当制动系统以某一制动强度进行制动时，再稍微增加(或减小)制动强度，以增大(或减小)总制动器制动力，若加速度增加(或减小)，说明仍处于行车制动状态；若加速度不发生变化，甚至减小(或增加)，说明已处于紧急制动状态。

9.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：

对处于紧急制动状态的制动系统，用微扰法搜索最佳滑移率，具体方法是：

步骤1：稍微增加制动强度，以增大制动器制动力和滑移率：若加速度增加，说明原有滑移率偏小，以增加后的制动强度为基础，重复步骤1，继续尝试增加制动强度和滑移率；若加速度减小，说明滑移率偏大，恢复原有制动强度或适当减少后，进行步骤2，反向尝试；若加速度不变，恢复原有制动强度，进行步骤2，反向尝试。

步骤2：稍微减小制动强度，以减小制动器制动力和滑移率：若加速度增加，说明原有滑移率偏大，以减小后的制动强度为基础，重复步骤2，继续尝试减小制动强度和滑移率；若加速度减小，说明滑移率偏小，恢复原有制动强度或适当增加后，进行步骤1，反向尝试；若加速度不变，恢复原有制动强度，进行步骤1，反向尝试。

10.一种车辆制动系的控制装置，其特征在于：

控制装置中使用了权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的全部或部分控制方法。

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