基于高速开关阀的电控汽车辅助制动系统.pdf

ISSN 100020054 CN 1122223N 清华大学学报自然科学版 J TsinghuaU nivSci 该系统具有安装方便、 与原制动系统可以很好兼容的 优点。 关键词纵向控制;制动;脉宽调制PWM ; 高速开关阀 中图分类号 U 461. 6文献标识码 A 文章编号 10002005420041121532204 Electron ically assisted braki ng system for vehicles based on a high-speed onoff valve GAO Feng,WANG J ianqiang,HOU Dezao, LIKeqiang,LI AN Xiaomin State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beiji ng 100084, China Abstract Ahigh2speed onoff valve based electronically assisted braking system was developed to promote the response of the normally used electronic vacuum booster EVB in vehicle longitudinal motion control system.Pulse w idth modulation PWM was used to control the high2speed onoff valve. An open loop modelof the system was used to design a PI controller to control the braking pressure. Tests show that the system stable error is less than 0. 1M Pa and response ti me is less than 0. 2 s . The braking system is also easy to fix and is compatible w ith earlier braking system s . Key words longitudinal control;brake;pulse w idthmodulation PWM ; high2speed onoff valve 由于交通密度的不断提高,汽车长时间以固定 车速行驶的可能性越来越小,使得传统的巡航控制 系统CC的价值不断降低。目前各汽车厂商都致力 于开发具有自适应调节车速及车间距能力的智能巡 航系统ICC和带起停功能的巡航系统SG。这两 种辅助驾驶系统与CC的一个很大区别在于它们具 有主动制动功能,从而使其可以处理更多复杂工况。 要使汽车具有主动制动功能,就必须要有一套可以 电控的辅助制动装置。目前国外在辅助驾驶系统上 应用较多的辅助制动装置是电子真空助力器 EVB [1], 它利用发动机喉管处的真空推动制动踏 板产生制动力。 该系统虽然结构简单,但系统响应较 慢,适用范围较窄,且制动力调节过程中对发动机有 一定影响。 本文针对汽车辅助驾驶系统的特点,设计了一 种基于高速开关阀的电控汽车辅助制动装置。采用 脉宽调制PWM方法对高速开关阀进行控制,在对 开环模型进行辨识基础上设计P I控制器实现对制 动压力的控制。 1 制动系统结构 图1是安装新型电控辅助制动系统后的汽车制 动系统结构简图。 辅助制动系统硬件主要由3部分组成压力 源、 压力调节单元和连接机构。 压力源部分为后面的 压力调节单元提供一稳定且具有一定保压功能的高 压源;压力调节部分的功能是接收控制指令,一方 面在辅助制动装置输出口实现需要的制动压力,另 一方面利用输出口压力控制连接部分完成人制动和 辅助制动装置制动之间的转换;连接部分主要对辅 助制动装置和原车制动系统进行连接,以执行人制 动和辅助装置制动的切换工作。 压力源主要由油泵、 蓄能器、 单向阀和溢流阀组 成。其工作过程如下直流电机驱动油泵将制动液 从油箱泵到蓄能器中,油泵和蓄能器之间的单向阀 防止高压液体从蓄能器流回油箱,溢流阀将蓄能器 内制动液压力控制在一定范围内。这样就形成一个 能提供稳定压力并具有一定蓄能作用的压力源。 图1 汽车制动系统结构图 压力调节部分主要由两个高速开关阀组成一 个控制压力源至压力输出口的管路,一个控制压力 输出口至油箱的管路。当输出口的实际压力低于期 望压力时,则增加常闭高速开关阀进油阀的开启 时间而减小常开高速开关阀回油阀的开启时间, 以增加输出口的压力;相反,当输出口的实际压力 高于期望压力时,则增加回油阀的开启时间而减小 进油阀的开启时间,以降低输出口的压力。 通过控制 这两个高速开关阀的开关时间的长短就可以实现对 辅助制动装置输出口压力的调节。本文通过PWM 方式对两个高速开关阀进行控制。 连接部分通过两个梭阀实现。 当人不制动、 辅助 制动装置开始工作时,由控制器输出指令到调节部 分的两个高速开关阀,控制输出口的压力增加,将梭 阀内的滚珠推向主泵连接口一边,将主泵与分泵的 连接切断,此时辅助制动装置输出口与分泵相连接, 辅助制动装置可以对制动力进行调节。而当人开始 制动时,由控制器输出指令到调节部分的两个高速 开关阀,控制输出口的压力减小,主泵的压力相对增 加,将滚珠推回辅助装置连接口一边,将辅助装置与 分泵的连接切断,主泵与分泵连接,此时人可以对制 动力进行完全的控制,辅助制动装置停止工作。 通过以上3部分的协调工作,就实现了与原车 制动系统能自由切换、 能够对制动力进行电控的辅 助制动系统。该辅助制动系统结构简单,安装过程 中,除需重新连接制动管路外,基本无需对车辆做任 何改动。 可广泛应用于ICC, SG和主动避撞CA等 辅助驾驶系统。 2 制动系统模型辨识 将两个高速开关阀组合成一个两位三通阀使 用,采用PWM方法对其进行控制。 在电磁阀线圈上 作用图2所示的具有固定频率的脉冲信号。当信号 为高电平时,电磁阀打开;当信号为低电平时,电磁 阀关闭。通过控制占空比D,即高电平持续时间Th 占整个脉冲周期Tc的比例,就可以控制电磁阀开启 的时间从而控制流量,最终实现对输出口压力的 控制。 图2 作用于高速电磁阀的脉冲信号 采用PWM方式后,系统的输入为脉冲信号的 占空比,输出为出口压力p,图3是制动系统在某一 阶跃输入情况下的响应曲线。从系统响应曲线不难 看出,系统具有典型的一阶惯性环节的特征,而且具 有延时。 延迟是制动系统的一个重要参数,通过对比 输入与输出曲线,得到系统延迟约为0. 165 s。 图3 系统阶跃响应曲线 利用一系列阶跃输入的稳态输入输出值,通过 曲线拟合可以得到系统增益为6. 75。图4是由阶跃 输入得到的稳态输入输出离散点以及利用最小二乘 法拟合出的稳态输入 输出关系曲线。 由于电磁惯性 和机械惯性影响,当占空比很小时,阀芯来不及触 动,输出口无压力输出;只有当占空比大于一定值 时,阀芯才会打开,输出口才会有压力输出[2 4]。 因此 图4的曲线不经过原点,有一定偏移量。 由阶跃响应曲线,采用面积法[5],计算得到系统 3351 高 锋,等 基于高速开关阀的电控汽车辅助制动系统 图4 稳态输入 输出曲线 的时间常数约为0. 2 s,由此最终得到安装辅助制动 装置后制动系统传递函数为 Gs 6. 75e - 0. 165s 0. 2s 1 ,1 其中s为Laplace算子。图5为仿真结果与试验结果 的对比曲线。 图5 仿真和试验对比曲线 从图5所示的对比结果可以看出,辨识得到的 系统模型可以比较准确地描述制动系统的特性。下 面将基于该模型设计P I控制器以实现对制动压力 的控制。 3 控制器设计及试验验证 根据对制动系统模型辨识的结果,设计P I控制 器进行串连校正使闭环系统特性满足要求[6]。图6 是制动系统校正前后的Bode图。 从图6可以看出,校正前在幅值大于0的所有 角频率值下,相角范围超过了- 180,闭环系统不 稳定。采用比例增益和积分增益分别为0. 1和0. 2 的P I控制器进行串连校正后,系统的相角裕度约为 95,幅值裕度约为10 dB,对单位斜坡输入的稳态 误差ess 0. 3,满足设计要求。 为对辅助制动系统性能进行验证,用阶跃信号 作为辅助制动系统的输入,通过对比期望压力和实 际制动压力来验证辅助制动系统性能。图7为实车 试验曲线。 从试验结果看,最终设计完成的汽车辅助 制动系统可以快速、 精确地响应制动指令,可以满足 多种辅助驾驶系统对制动执行器的要求。 图6 开环系统Bode图 图7 辅助制动系统阶跃输入响应曲线 4 结 论 本文针对汽车辅助驾驶系统的特点,设计了基 于高速开关阀的电控汽车辅助制动系统。根据阶跃 响应曲线对系统传递函数进行辨识。在辨识模型基 础上采用P I控制器对系统进行串连校正,设计出满 足性能要求的P I控制器。 最后通过试验对该新型辅 4351 清 华 大 学 学 报自 然 科 学 版2004, 4411 助制动系统进行检验。试验结果表明该系统可以 快速、 精确地响应制动指令,同时还具有安装方便、 与原车制动系统具有很好兼容性的优点,可广泛应 用于ICC、SG和CA等辅助驾驶系统。 参考文献 References [1]Yi K, Kwon Y D. 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