淺談磁流變和液壓聯(lián)合制動(dòng)控制策略

徐斐

摘 要：相比于傳統(tǒng)的液壓盤(pán)式制動(dòng)器，磁流變制動(dòng)器具有能耗低、制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制動(dòng)延遲短、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)液壓式制動(dòng)器技術(shù)成熟，安全、可靠。創(chuàng)新性地將2種制動(dòng)器聯(lián)合在一起，制定了多種工況下的聯(lián)合控制方案，根據(jù)磁流變制動(dòng)器觀測(cè)到的路面附著系數(shù)，確定了高、低附著系數(shù)路面防抱死聯(lián)合控制策略。

關(guān)鍵詞：磁流變制動(dòng)；液壓制動(dòng)；聯(lián)合制動(dòng)；防抱死控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.081

1 磁流變和液壓聯(lián)合制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)主缸、ABS/ES液壓控制單元、制動(dòng)輪缸等部件組成，制動(dòng)力靠液力傳輸。由于管路復(fù)雜、制動(dòng)液慣性等因素而導(dǎo)致制動(dòng)力傳輸延遲，特別是防抱死系統(tǒng)工作時(shí)，需要根據(jù)多種路面多種工況匹配閥體開(kāi)啟時(shí)間，匹配較繁雜，但傳統(tǒng)液壓式制動(dòng)器技術(shù)成熟、安全、可靠。相比于傳統(tǒng)的液壓盤(pán)式制動(dòng)器，磁流變制動(dòng)器有著能耗低、制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制動(dòng)延遲短、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)張賀、武漢理工大學(xué)華文林等人已完成乘用車(chē)車(chē)用磁流變制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱等仿真分析、制動(dòng)力矩計(jì)算等，制作出模型。本文創(chuàng)新性地將2種制動(dòng)器結(jié)合在一起。

結(jié)合方式：每個(gè)車(chē)輪包含一個(gè)傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器和一個(gè)磁流變制動(dòng)器，2個(gè)制動(dòng)器都套在輪轂上，并列放置。以常見(jiàn)A級(jí)車(chē)為例，車(chē)重約1.2 t，輪胎型號(hào)為205/55 R16。因本文以磁流變制動(dòng)器為輔助制動(dòng)，據(jù)分析，單個(gè)磁流變制動(dòng)器只需提供最大200 NM左右的制動(dòng)力矩，根據(jù)張賀、華文林等人設(shè)計(jì)的磁流變制動(dòng)器模型和計(jì)算公式，計(jì)算出本文所需磁流變制動(dòng)器外形是半徑12 cm、高5 cm的圓柱體，車(chē)輛輪轂只需稍加改動(dòng)，完全可以集成安裝液壓制動(dòng)器的旁邊。

2 磁流變和液壓聯(lián)合制動(dòng)控制策略

2.1 制動(dòng)模式切換過(guò)程分析

磁流變制動(dòng)器外圈繞有多股漆包線，當(dāng)通電時(shí)，周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流越強(qiáng)，穿過(guò)磁流變液中的磁通量越多，載液類(lèi)固態(tài)現(xiàn)象越明顯，制動(dòng)力也就越大。根據(jù)賓漢模型，在顆粒磁化飽和之前，摩擦力和電流是線性關(guān)系，而最大的3 A電流遠(yuǎn)小于磁化飽和電流，因此控制器調(diào)節(jié)漆包線電流大小就能精確、迅速地調(diào)整磁流變制動(dòng)器制動(dòng)力大小。液壓制動(dòng)器和磁流變制動(dòng)器可以單獨(dú)地控制制動(dòng)力，所以制動(dòng)模式一共分為3種，即液壓制動(dòng)器單獨(dú)工作、磁流變制動(dòng)器單獨(dú)工作、液壓制動(dòng)和磁流變制動(dòng)器協(xié)調(diào)工作。

2.2 制動(dòng)模式切換控制策略

本文所討論的聯(lián)合制動(dòng)器設(shè)計(jì)方案中磁流變制動(dòng)器提供較小的制動(dòng)力矩，不承擔(dān)主要的制動(dòng)作用，但因磁流變制動(dòng)器反應(yīng)極快，制動(dòng)力變化快，滯后時(shí)間短，因此可作為液壓制動(dòng)的輔助制動(dòng)。

具體控制策略如下：①當(dāng)非緊急狀態(tài)制動(dòng)且無(wú)ABS介入時(shí)，磁流變制動(dòng)器不工作，僅液壓制動(dòng)器工作。其優(yōu)點(diǎn)是提供線性的剎車(chē)腳感，讓駕駛員更好地控制剎車(chē)狀態(tài)。②當(dāng)剎車(chē)位置傳感器探測(cè)到剎車(chē)踏板初始位移速度超過(guò)一定的門(mén)限值并且主缸壓力傳感器探測(cè)到壓力上升速率超過(guò)一定的門(mén)限值時(shí)，邏輯判斷駕駛員為緊急制動(dòng)，電磁制動(dòng)控制單元以最快的速度提供系統(tǒng)允許的最大電流，增加整體制動(dòng)力矩，減少進(jìn)入ABS控制門(mén)限的時(shí)間。此控制策略特別適合女性等腳力較小的人群。③當(dāng)ABS介入時(shí)，液壓制動(dòng)和磁流變制動(dòng)開(kāi)始聯(lián)合制動(dòng)。這時(shí)的控制策略會(huì)在下一節(jié)討論。

2.3 ABS工況下，聯(lián)合制動(dòng)的控制策略

由汽車(chē)?yán)碚撝R(shí)可知，隨著車(chē)輪滑移率的增加，縱向附著系數(shù)有一個(gè)峰值，制動(dòng)時(shí)地面制動(dòng)力就會(huì)有一個(gè)峰值。當(dāng)?shù)孛嬷苿?dòng)力趨向于峰值時(shí)，制動(dòng)力對(duì)時(shí)間的倒數(shù)趨向于零。而此時(shí)滑移率不大，地面制動(dòng)力和制動(dòng)器制動(dòng)力是線性關(guān)系。基于這個(gè)原理，當(dāng)進(jìn)入ABS工況時(shí)，逐步加大磁流變制動(dòng)器中的勵(lì)磁電流，控制器實(shí)時(shí)觀測(cè)地面對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生最大制動(dòng)力的時(shí)刻。一旦制動(dòng)力對(duì)時(shí)間的倒數(shù)趨向于零，立刻計(jì)算此時(shí)的磁流變制動(dòng)器制動(dòng)力，再根據(jù)這時(shí)的輪缸壓力傳感器測(cè)出的輪缸壓力，結(jié)合附著系數(shù)和車(chē)輪滑移率的曲線圖，即可估算出此時(shí)的路面附著系數(shù)。

如果估算的附著系數(shù)屬于高附著狀態(tài)，此時(shí)ABS控制進(jìn)入循環(huán)式控制。開(kāi)始制動(dòng)到車(chē)輪減速度超過(guò)了ECU估算的門(mén)限值-a時(shí)，液壓?jiǎn)卧锏倪M(jìn)液閥關(guān)閉，液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入保壓狀態(tài)，磁流變系統(tǒng)開(kāi)始增加電流，再次估算路面附著系數(shù)，并與之前的估算作對(duì)比。第一階段結(jié)尾到達(dá)滑移率門(mén)限值時(shí)，液壓?jiǎn)卧鲆洪y開(kāi)啟，輪缸開(kāi)始減壓，磁流變系統(tǒng)關(guān)閉。第二階段結(jié)尾到車(chē)輪減速度大于門(mén)限值-a時(shí)，出液閥關(guān)閉，輪缸保壓，可以算出第二階段末尾輪缸壓力和現(xiàn)在輪缸壓力之差，再算出此壓力差產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，磁流變系統(tǒng)把這個(gè)制動(dòng)力矩再轉(zhuǎn)換為所需電流并立刻產(chǎn)生此電流。此時(shí)，如果路面附著系數(shù)不變，此制動(dòng)力為最佳滑移率制動(dòng)力，但通常路面會(huì)有擾動(dòng)，后續(xù)應(yīng)通過(guò)模糊PID控制讓電磁制動(dòng)調(diào)節(jié)的制動(dòng)壓力不斷變化，產(chǎn)生盡量接近于最佳滑移率的制動(dòng)力。

如果估算的附著系數(shù)屬于低附著狀態(tài)，與良好的路面相比，在光滑路面上制動(dòng)時(shí)，對(duì)制動(dòng)踏板稍加一點(diǎn)制動(dòng)力就很容易使車(chē)輪抱死，從高滑移率到車(chē)輪再加速就需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。從第一階段到第三階段與高附著系數(shù)路面的控制過(guò)程一致。當(dāng)?shù)谌A末尾車(chē)輪減速度大于門(mén)限值-a時(shí)，磁流變系統(tǒng)算出所需電流I，但不立刻增加至I，而是分多次增加至I，每增加一點(diǎn)后電流不變，持續(xù)一段固定的時(shí)間。當(dāng)輪速仍小于滑移率門(mén)限值時(shí)，再增加一點(diǎn)電流，保持一段時(shí)間，直到車(chē)輪加速超過(guò)門(mén)限值+a，后續(xù)再通過(guò)模糊PID控制調(diào)節(jié)磁流變電流，使輪胎滑移率在最佳滑移率處波動(dòng)。

3 總結(jié)與展望

本文在充分調(diào)研和了解了傳統(tǒng)制動(dòng)和磁流變制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理等相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，先闡述了合理的聯(lián)合制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布置方案，然后給出了制動(dòng)模式切換策略，再通過(guò)電磁觀測(cè)確定路面附著系數(shù)，分高、低附路面詳細(xì)介紹了聯(lián)合控制策略。

本文雖給出了高、低附兩種典型工況下的控制策略，但路面附著系數(shù)瞬息萬(wàn)變。當(dāng)附著系數(shù)有所變化時(shí)，控制策略也應(yīng)及時(shí)調(diào)整，如何在附著系數(shù)突變的情況下，平滑地切換控制策略是未來(lái)研究的方向。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕