汽車集成式真空助力主動制動系統和控制算法

王陸林，劉貴如

(1.奇瑞汽車股份有限公司 前瞻技術研究院， 安徽 蕪湖 241006； 2.安徽工程大學 計算機與信息學院， 安徽 蕪湖 241000)

隨著智能車技術的快速發展，市場對主動制動技術有著迫切需求。目前比較主流的主動制動系統是在傳統液壓制動系統的基礎上增加主動增壓裝置實現的。按照主動增壓裝置所采用的實現方式進行分類，目前的主動制動系統主要分為兩大類：第1類是基于電子液壓增壓裝置的主動制動系統，在原車制動主缸與ABS/ESP之間雙輸入管路上或者直接在4個輪缸管路上增加液壓主動增壓裝置實現主動增壓，文獻[1-4]分別給出了實現方案。該類方案主要采用液壓泵和高壓儲能器形成壓力源進行提前建壓，縮短制動響應時間，同時通過高速開關閥實現制動壓力調節。增壓閥普遍采用常閉閥、減壓閥普遍采用常開閥實現，保證制動結束后液壓缸制動力能完全釋放。但是保壓時需要減壓閥持續通電，時間過長容易導致電磁閥發熱燒壞，所以無法實現長時間保壓。第2類是基于電子機械增壓裝置的主動制動系統，在原車制動主缸上或者4個輪缸上增加增壓裝置實現主動增壓，文獻[5-6]分別給出了實現方案。該類方案采用機械減速增矩機構和滾柱絲杠在將電機輸出扭矩放大的同時將轉動轉化為平動，作用于液壓制動主缸或者輪缸實現制動。制動力保持也需要電機堵轉，時間過長容易燒壞，所以也無法提供長時間保壓。另外該類方案成本高，機械結構可能會出現鎖死的問題。除了以上兩類實現主動制動的方式外，目前還有一種基于真空助力器的主動助力制動方案。對傳統真空助力器進行改進，通過控制真空腔、工作腔和外部大氣之間的通斷實現助力增壓、保壓和減壓，完全模擬人工踩踏機械制動踏板的過程，實現主動制動。目前有兩種典型的實現方式：第1種是基于電磁鐵和套管的集成式真空助力器，文獻[7-10]分別給出了實現方案，通過增加的電磁鐵和套管對大氣閥和真空閥進行控制實現主動助力制動；第2種是基于兩位三通電磁閥的集成式真空助力器，文獻[11]給出了實現方案，通過兩位三通電磁閥對真空腔、工作腔和大氣之間的通斷進行控制，從而實現主動助力制動。以上兩種方案均能實現主動助力制動，但是也存在一個共性的問題，就是制動力保持時(即保壓)需要給電磁鐵或者電磁閥進行通電。長時間通電容易導致元件過熱損壞，故無法滿足極端工況下長時間制動和駐車制動需求。

本文充分分析了以上方案的原理、優點和缺點，并針對幾種方案存在的共性問題，提出了改進的集成式真空助力主動制動系統。在文獻[11]的基礎上，采用帶自鎖機構的三位三通電磁閥替換兩位三通電磁閥，實現掉電狀態下制動力的長時間保持，滿足行車過程中長時間持續制動和駐車制動需求，同時針對目前普遍采用的液壓力閉環控制算法控制過程復雜、響應慢的問題，提出了改進的制動控制算法。

1 典型的真空助力主動制動系統

1.1 基于電磁鐵的真空助力主動制動系統

在真空助力器中增加電磁鐵和套管對真空閥和大氣閥進行控制，文獻[7-10]對該方案的結構以及工作原理進行了詳細描述，并給出了電磁鐵的數學模型和參數設計。通過仿真試驗，所設計的電磁鐵在開環控制的前提下能實現對真空閥和大氣閥的控制，體積和原真空助力器相同，結構簡單，不占用額外安裝空間。系統結構示意圖見圖1。

1.制動主缸活塞； 2.真空源； 3.真空腔； 4.工作腔； 5.電磁鐵線圈；6.電磁鐵鐵芯； 7.閥座； 8.電動套管； 9.助力推桿

圖1 基于電磁鐵的真空助力主動制動系統結構示意圖

本方案通過給電磁線圈通電產生磁場，對磁鐵的位移進行控制，磁鐵再推動套管實現對真空閥和大氣閥的位移控制，通過改變電磁線圈的電流，控制電磁鐵位移的大小，實現真空閥和大氣閥的開閉，達到助力增加、保持和減小的目的。為實現助力保持，將2個閥門控制在一定位移范圍內，給電磁鐵線圈持續通電。長時間通電線圈會發熱燒壞，故無法滿足極端工況下長時間助力保持需求。另外，由于系統采用開環控制方式，所以在設計參數確定的前提下，在長時間的使用過程中會發生位移偏移，有可能導致主動制動功能失效。

1.2 基于電磁閥的真空助力主動制動系統

該方案不直接控制原真空閥和大氣閥，而是在原真空助力器的真空腔和工作腔上各引出一個通氣管路，通過一個兩位三通電磁閥實現對真空腔、工作腔和大氣之間的通斷，實現助力增加、保持和減小。文獻[11]對該方案的結構和工作原理進行了詳細介紹，系統結構見圖2。通過控制三位三通電磁閥實現完全模擬原車駕駛員踩踏制動踏板實現助力增壓、保壓和減壓的制動過程。另外，通過在液壓主缸外安裝的霍爾傳感器對主缸活塞所處位置進行檢測，確保主缸活塞在設定的位移范圍內運動。

1.真空腔；2.工作腔；3.真空腔管；4.工作腔管；5.真空源；6.兩位三通電磁閥；7.大氣管；8.助力推桿；9.液壓主缸；10.油壺；11.霍爾位置傳感器；12.液壓壓力傳感器

圖2 基于電磁閥的真空助力主動制動系統結構示意圖

當給兩位三通電磁閥通電時，工作腔和真空腔隔離，工作腔和大氣腔導通，系統處于助力增加階段。

當兩位三通電磁閥掉電時，工作腔和真空腔導通，工作腔和大氣腔隔離，系統處于助力減小階段。

由于該方案無法實現助力保持，所以文獻[11]引入了高壓儲能器，并通過高速常閉開關閥實現主動增壓和保壓，但是對和原車ABS/ESP制動系統如何集成，如何保證人工制動的有效性及可行性沒有做進一步的闡述。如果采用文獻[1-4]類似方案和原車制動系統集成，則存在無法長時間保壓的問題，唯一不同就是文獻[11]采用真空助力主動建壓，而不是通過液壓泵實現主動建壓，其控制過程更加復雜，主動制動時不僅要控制增壓閥和減壓閥，還要控制兩位三通電磁閥進行不斷的補能，同時采用了儲能器縮短了制動響應時間。該方案制動力的控制和調節仍然采用常閉增壓閥和常開減壓閥實現，當需要保持制動壓力時，需要給常開減壓閥通電保壓，存在長時間通電線圈發熱容易燒壞的問題，無法滿足極端工況下長時間持續制動的需求。另外，該方案引入了液壓減壓壓力閉環控制，增加了控制的難度。在實際使用過程中，如果反復制動，復雜的建壓過程可能會導致制動延遲和制動力有時偏軟的問題。

2 改進的真空助力主動制動系統

上述兩種方案雖然能實現主動助力制動，但均存在問題。文獻[7-10]所采用的圖1方案存在以下問題：① 通過控制電磁線圈電流實現電磁鐵的位置開環控制時，位置精度差，使用時間長后容易發生位移漂移，導致主動制動失效；② 電磁鐵線圈發熱導致無法實現長時間助力保持。文獻[11]采用的圖2方案存在以下問題：① 通過兩位三通電磁閥實現真空腔、工作腔和大氣之間的通斷時，只能實現助力增加和減小兩個過程，無法實現助力保持；② 采用高能儲壓器縮短了系統建壓時間，但是可能存在油液泄露的風險；③ 通過在制動主缸和原車ABS/ESP雙輸入管路上增加常閉增壓閥和常開減壓閥實現主動增壓裝置和原車制動系統的集成，通過控制常閉增壓閥和常開減壓閥實現制動力的調節，但仍存在文獻[1-4]類似的問題，即常開減壓閥需要通電才能實現助力保持，無法滿足極端工況下的長時間助力保持需求。

2.1 系統總體結構

本文針對以上兩個方案存在的問題，對圖2方案進行了改進，提出基于帶自鎖機構功能的三位三通電磁閥的真空助力主動制動方案，結構示意圖見圖3。

原真空助力器的真空腔和工作腔進入管分別和三位三通電磁閥的其中兩路接口連接，電磁閥的另外一路接口直接連通大氣。本文在文獻[11]的基礎上，針對其存在的問題做了如下改進：① 將其采用的兩位三通電磁閥替換為帶自鎖機構的三位三通電磁閥，在自鎖機構的配合下，三位三通電磁閥可以實現主動助力增力、助力保持和助力減力的控制；② 去掉了高壓儲能器、常閉增壓閥和常開減壓閥以及液壓壓力傳感器，避免了高壓儲能器液壓泄露的風險，保證了人工制動的有效性，同時結合預建壓，縮短了系統響應時間；③ 增加了冗余的真空腔和工作腔的機械隔離設計，在駕駛員踩踏制動踏板進入人工制動模式時，可以通過改進的三位三通閥復位，隔離工作腔和真空腔實現助力保持。另外，還采用了堵塞設計，當人工制動時，堵塞在復位彈簧的作用下將工作腔管堵上，隔離工作腔和真空腔，實現助力保持，但是這種改進必須斷開助力推桿和助力盤的連接，即主動制動時，機械踏板在復位彈簧的作用下一直處于復位狀態。這種改進會帶來另外一個問題，即主動制動過程中切換到人工制動時存在踏板踏空的現象。在實際工程設計時，需要在安全與踏空現象之間進行取舍。以上兩種方式均可保證人工制動或者失效模式制動的有效性。

1.真空腔；2.工作腔；3.真空腔管；4.工作腔管；5.真空源；6.帶自鎖功能的三位三通電磁閥；7.大氣管；8.助力推桿；9.液壓主缸；10.油壺；11.霍爾位置傳感器；12.液壓壓力傳感器；13.堵塞；14.支撐軸；15.杠桿；16.復位彈簧

圖3 改進的真空助力主動制動系統結構示意圖

2.2 系統工作原理

通過對電磁閥兩端A和B線圈以及自鎖機構線圈的通斷電控制實現對閥芯的位置控制和限位保持，進而對真空腔、工作腔和大氣之間的連通進行控制。圖4為帶自鎖機構的三位三通電磁閥的結構及4種工作狀態示意圖。當主動助力增加時，工作腔管與大氣連通，與真空腔管隔離，電磁閥工作狀態見圖4(a)。當主動助力需要保持時，給電磁閥線圈A掉電，閥芯在A,B兩端復位彈簧的作用下復位，此時真空腔和工作腔以及大氣完全隔離，電磁閥工作狀態見圖4(b)。當主動助力需要減力時，先給自鎖機構線圈通電，將磁芯銷吸起，然后給電磁閥線圈B通電，閥芯向右置位，真空腔管和工作腔管接通，真空腔和工作腔壓力差減小，助力減小，此時電磁閥的工作狀態見圖4(c)。如果減壓時間較短，則自鎖機構一直通電，如果減壓時間較長，為了避免線圈B和自鎖機構線圈發熱燒壞，磁芯可以在自鎖機構的作用下實現掉電位置保持，電磁閥工作狀態見圖4(d)。當車輛不進行主動制動或者制動結束時，給自鎖機構線圈掉電，自鎖機構鎖死，然后給電磁線圈B掉電，閥芯被自鎖機構鎖死，無法在回位彈簧的作用下復位，以實現電磁閥和自鎖機構均掉電的情況下真空腔和工作腔的連通，完全消除助力，電磁閥的狀態示意圖見圖4(d)。制動踏板在復位彈簧的作用下復位。當系統再次進入主動制動模式時，首先給電磁閥線圈B通電，閥芯向右置位，然后給自鎖機構線圈通電將磁芯銷吸起，見圖4(c)。再給線圈B掉電，然后給線圈A通電，閥芯向左置位，自鎖機構掉電，此時電磁閥工作狀態見圖4(b)，進入主動助力增加狀態。當系統出現故障或者在人工制動干預的情況下，可以給自鎖機構線圈通電，將自鎖機構解鎖并持續200 ms后，閥芯在A,B兩端復位彈簧的作用下處于復位狀態，此時真空腔和工作腔完全隔離，進入人工制動模式，工作原理和原車助力器工作原理相同，此時電磁閥的工作狀態見圖4(b)。同時，該方案在工作腔內設置了一個裝置，包括堵塞、杠桿和支撐軸，當人工干預時，與推桿連接的助力盤盤肩對杠桿的壓力取消，堵塞在復位彈簧的作用下將工作腔管堵上，保證了真空腔和工作腔的隔離。雙重隔離冗余設計保證了人工制動的有效性和可靠性。當人工制動結束后，制動踏板在復位彈簧的作用下復位，助力盤盤肩作用于杠桿，將堵塞打開，此時真空腔和工作腔的連通可由三位三通電磁閥控制，系統進入真空助力主動制動模式。

圖4 電磁閥結構及4種工作狀態示意圖

2.3 主動制動控制算法

針對制動管路液壓壓力控制，普遍通過控制增壓和減壓高速開關閥的開啟時間，進而控制進入和流出雙管路的制動液流量，達到調節管路壓力的目的。通過在液壓主缸或者輪缸上增壓的液壓力傳感器進行壓力反饋，由于油液具有彈性和滯后性，壓力PID閉環控制很容易形成振蕩[6]，所以液壓壓力閉環控制過程復雜、不實用、響應慢。駕駛員在實際制動過程中并不關注主缸或者管路液壓壓力，而是通過控制車輛的制動減速度和目測與前方障礙物的相對距離不斷調節踩踏制動踏板的力，控制車輛的制動減速度，從而實現最小跟車距離的控制。本文借鑒以上人工制動過程，將制動力控制過程與避撞或者跟車控制過程相結合，提出了基于減速度和最小跟車距離的雙閉環制動控制算法。

假設Dr和vr分別為根據雷達和視覺檢測前方障礙物的相對距離(m)和相對速度(m·s-1)；ab_o和ta_o分別為本車(目標)制動減速度 (m·s-2)和響應時間(s)；D為本車制動時與前車安全距離實時估計值(m)；vb為本車實時車速(m·s-1)；ab為本車制動減速度實時反饋值(m·s-2)；PWM1為控制電磁閥開啟時間的占空比；PWM2為控制泵電機運行時間的占空比。雙閉環制動控制模型見圖5。

圖5 基于距離和減速度的雙閉環制動控制模型

雙閉環外環控制實現最小安全跟車距離的閉環控制，其控制算法運行流程見圖6。

圖6 最小安全跟車距離閉環控制算法流程

假設d為本車和前車最小安全跟車距離(m)。根據vr、vb和ab實時估計D，根據Dr與D的偏差，不斷調整ab_o，實現最小安全跟車距離的精確控制。

前車靜止工況下本車與前車最小安全跟車距離D的估計公式為

(6)

前車減速行駛工況下本車與前車最小安全跟車距離D的估計公式為

(7)

式中：t為雷達和視覺傳感器檢測周期(s);vf為前車車速(m·s-1);af為前車制動減速度 (m·s-2)。式(6)(7)中相關參數初始值的確定:ab,af取值范圍為3.0～9.6 m·s-2,轎車的制動減速度典型值為5.6 m·s-2;卡車的制動減速度典型值為3.6 m·s-2，d的取值范圍為1.00～2.00 m。af無法準確測量也無法控制，可以根據視覺感知系統進行初步判斷后預設初值。ab可測量。本文提出的控制方法主要通過動態調節ab實現對最小跟車安全距離d的精確控制。

雙閉環內環控制算法實現制動減速度閉環控制，其控制算法運行流程見圖7。

圖7 制動減速度閉環控制算法流程

系統上電后，首先執行主動增壓，通過液壓傳感器壓力反饋值進行故障自檢，然后通過捕獲制動踏板位移或者開關信號判斷是否進行了人工制動干預。如果人工干預，則進入人工制動模式；否則，循環等待直到上層發出主動制動請求，系統進入主動制動模式。根據上層感知系統和控制策略算法需要的目標制動減速度ab_o和響應時間ta_o進行減速度的PID閉環控制，根據ab與ab_o的偏差以及響應時間ta，不斷調整控制電磁閥和電機的PWM1和PWM2，以調整電磁閥的開啟時間和電機的轉速/輸出扭矩、雙管路液壓壓力，實現減速度ab的精確控制。內環和外環控制算法可以集成在制動系統軟硬件平臺上運行，也可以分開在不同的平臺上運行，之間通過CAN或者其他通信方式進行實時交互。本文將應用系統上層控制算法和本制動系統控制算法相結合，通過最直接的減速度和最小安全跟車距離的閉環控制進行集成融合，取代了復雜的制動管路液壓壓力閉環控制，降低了控制的復雜度，縮短了響應時間，也保證了制動平順性和舒適性。同時，通過實時調節本車制動減速度調整與前車的最小安全跟車距離，克服行駛路況以及制動系統性能差異導致的制動干預距離估計偏大或偏小的問題，實現了最小跟車安全距離的精確控制，既保證了行車安全性，也提高了道路行車效率。

3 試驗驗證與分析

針對本文提出的基于雙閉環的最小安全跟車距離控制算法開發的智能自動跟車系統，在前車靜止和減速運行工況下進行了實際場景測試。兼顧行車安全和道路行車效率，在實際應用中，最小安全跟車距離d的理想值為1.00～2.00 m。當兩車距離由遠而近時，距離越近，相對車速越小，最小安全跟車距離控制更容易。

本系統通過視覺和雷達系統實時檢測本車和前車的相對距離Dr，并實時調整本車的目標制動減速度ab_o，確保本車車速vb為0時和前車的最小安全跟車距離d保持在1～2 m。為了確保測試的安全性，在測試時將式(7)(8)中的d值設定為6.00～7.00 m，測量的d值減去5.00 m作為實際控制的最小安全跟車距離。本車與前車的最小安全跟車距離采用激光測距儀進行實時測量跟蹤。為了保證制動舒適性，在正常行駛工況下，制動減速度不大于0.3g,從而保證駕乘舒適性。根據當前本車車速、前車車速以及本車一般不大于0.3g的減速度的情況設定本車與前車的目標安全距離。一般情況下ab≤0.3g。只有當緊急情況下，比如有行人突然切入前方車道或者其他車輛突然切入前方車道的情況下，為了保證行駛安全，允許本車減速度大于0.3g，從而盡可能縮短制動距離，避免碰撞事故的發生。

3.1 前車靜止工況下測試與分析

在前車靜止工況下，自主跟車系統在多次接近前方靜止車輛的過程中，記錄了20次(每個初始車速測試4次)測試過程的最小安全跟車距離d，測試數據見表1。從表1測試數據看，最小安全跟車距離控制精度高，具有很好的魯棒性，不依賴于初始車速。最小安全跟車距離的控制不受初始車速的影響，克服了本車在不同車速下最小安全跟車距離偏大或者偏小的問題。

表1 前車靜止工況下最小安全距離實測結果

3.2 前車減速運行工況下測試分析

在前車減速運行工況下，本自主跟車系統在多次接近前方減速車輛的過程中，記錄了20次(每對初始車速測試4次)測試過程的最小安全跟車距離d的測試數據，見表2。前車在減速運行工況下，由于采用了最小安全跟車距離的閉環控制，所以克服了安全距離估算時前車制動減速度無法預知所帶來的問題。從表2的測試數據看，在本車和前方車輛均處于減速運行工況下，本車和前車相對速度小于等于0時，最小安全跟車距離保持在1.00～2.00 m，表現出了較穩定的控制效果,克服了在本車和前車不同初始車速下最小安全跟車距離偏大或偏小的問題。利用常閉減壓閥的掉電關閉功能，實現了不限時長的保壓功能，滿足了長時間制動和自動駐車的需求，解決了車輛無電子駐車制動時無法實現自動駐車的問題。

表2 前車運行工況下最小安全跟車距離實測結果

本車/前車初始車速/(km·h-1)100/8080/6060/4040/3020/10最小安全跟車距離d/m 1.951.841.771.691.461.911.851.791.641.361.891.811.751.681.451.921.871.781.661.43

另外，本文將主動制動系統和最小安全跟車距離閉環控制相結合，不僅保證了行車安全，提高了道路行車效率，也降低了制動系統控制的難度。車輛在制動減速過程中，表現出了較好的平順性和舒適性，具有很好的實用性。

4 結束語

本文所提出的線控真空助力主動制動系統，克服了目前基于真空助力(包括電磁鐵和電磁閥)的方案無法實現長時間通電保壓的問題。通過采用目前現有的或者本文提出的帶自鎖功能的三位三通電磁閥能在掉電的情況下保持兩種狀態，實現方法簡單、控制精度高。通過增加的位置霍爾傳感器，將助力控制在可控范圍，提高了系統的安全性。結合實際工程應用和人工踩踏制動踏板制動，設計了基于最小安全車距和減速度以及電磁閥PWM控制的雙閉環控制方法。經過實際測試驗證，本文所提出的線控真空助力主動制動系統以及控制方法不僅能滿足長時間持續制動需求，而且能實現安全車距的穩定控制，保證了行車安全性，同時提高了道路行車效率，可以滿足ADAS系統和智能車主動制動需求。