商用車氣壓電子駐車系統(tǒng)坡道輔助控制方法

楊 凡，顧 杰，黃 凡，李剛炎

(1.武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026)

引言

商用車電子駐車系統(tǒng)(Electronic Park Brake，EPB)[1]作為商用車電控氣壓制動系統(tǒng)的一部分，在常規(guī)手剎功能基礎(chǔ)上，還可以通過駐車制動系統(tǒng)ECU對當(dāng)前車輛狀態(tài)與駕駛員意圖進行綜合分析，在駕駛員忘記手動操作時，主動地進行駐車/釋放操作以及在特定工況下對駕駛員的操作進行輔助，降低駕駛難度，提升車輛的安全性。針對電控氣壓制動系統(tǒng)，通過合適的電控輔助技術(shù)，可防止駕駛員疏忽造成的車輛損失與人員傷亡，提升駕駛員的駕駛體驗與行車安全，對降低交通事故及人員傷亡的概率具有重要意義[2-4]。

坡道起步輔助功能作為電子駐車的輔助功能之一，國內(nèi)外對利用駐車制動系統(tǒng)進行坡道輔助控制進行了大量的研究。王洪亮等[5-6]針對車輛坡道輔助起步過程中制動力釋放滯后的問題，提出坡道輔助起步過程中電控氣壓駐車制動系統(tǒng)電磁閥的PID和Bang-Bang控制算法，實驗結(jié)果表明，兩方法均達到良好的坡道起步效果。TRAVAGLIA C[7]提出一種專門開發(fā)的Hill啟動輔助系統(tǒng)，通過與ABS控制單元的通信，在車輛起步時，駕駛員無需保持制動踏板的情況下將制動力維持。谷文豪[8]針對氣壓式EPB坡道輔助起步過程，提出車輛坡道輔助起步電磁閥的邏輯門限控制與Bang-Bang控制策略，實驗證明，邏輯門限控制較Bang-Bang控制更適用坡道輔助起步控制。

本研究以商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)為研究對象，研究商用車坡道輔助起步控制策略中的扭矩識別方法，設(shè)計基于邏輯門限控制的商用車坡道輔助快速起步控制算法，并構(gòu)建基于IPG-MATLAB的商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)控制方法聯(lián)合仿真平臺，對商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)坡道輔助功能進行驗證。

1 坡道輔助起步模型搭建

商用車坡道輔助功能主要通過綜合分析，判斷當(dāng)前車況是否滿足起步釋放要求，從而適時的釋放駐車，使車輛在坡道上能夠平穩(wěn)起步。

1.1 商用車驅(qū)動力矩的數(shù)學(xué)模型

商用車的驅(qū)動力矩是發(fā)動機的輸出力矩經(jīng)過離合器、變速器、減速器等輸出到驅(qū)動輪，當(dāng)驅(qū)動輪所受驅(qū)動力矩大于車輛當(dāng)前所受阻力時，車輛便開始運動。車輛驅(qū)動力傳遞過程較為復(fù)雜，為了便于分析，對傳動系統(tǒng)進行一定的簡化，將各元件假設(shè)為無阻尼的剛性元件，忽略傳動系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力、運動間隙等[9]，簡化后的車輛扭矩傳遞系統(tǒng)示意圖，如圖1所示，we為發(fā)動機角速度；wc為從動軸角速度；Te為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩；Tc為從動軸阻力矩；Tfc為離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩；Je為主動軸轉(zhuǎn)動慣量；Jc為從動軸轉(zhuǎn)動慣量。

圖1 車輛扭矩傳遞系統(tǒng)示意圖

離合器是力矩傳遞的核心部件，根據(jù)離合器接合過程中車輛的運動狀態(tài)特點，本研究將離合器接合過程分為6個階段，車輛不同運動狀態(tài)對應(yīng)的離合器位置與作用扭矩的關(guān)系，如圖2所示：起步前階段AB、初始起步階段BC、起步階段CD、加速起步階段DE、同步階段EF以及起步后階段FG。商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)坡道輔助功能的作用效果反映在AB，BC階段，并在驅(qū)動力矩大于阻力矩時的CD段解除制動。

圖2 離合器結(jié)合位置與作用扭矩關(guān)系曲線

1) 起步前階段AB

該階段離合器主、從動盤兩部分未接觸，稱為起步前階段，在該階段Tfc=0，wc=0；發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度有關(guān)，此時we為初始怠速。在該階段僅需要考慮發(fā)動機的模型，且本研究建立發(fā)動機模型僅為了獲得發(fā)動機的輸出力學(xué)特性，故引用目前廣泛使用的基于發(fā)動機萬有特性試驗數(shù)據(jù)進行建模的方法。

根據(jù)發(fā)動機萬有特性[10]，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩曲線是發(fā)動機節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即：

Te=f(α,ne)

(1)

式中,α—— 節(jié)氣門開度，取值0～1

ne—— 發(fā)動機轉(zhuǎn)速

2) 初始起步階段BC

該階段離合器主、從動盤兩部分剛剛接觸，但是離合器的輸出力矩不足以克服車輛的阻力矩，汽車未動，稱為初始起步階段。在該階段Te>Tfc，但是Tfc

(2)

離合器主、從動盤的扭矩傳遞是通過摩擦帶動，其中最為重要的參數(shù)為主從動盤之間的壓緊力Ffc，可表示為：

(3)

式中,σ為壓力分布；R1，R2分別為摩擦盤的內(nèi)、外層半徑；ρ和φ分別是摩擦盤表面的徑向直徑和角度的幾何變量。由此，可推導(dǎo)出摩擦扭矩為：

(4)

式中,τ為沿離合器表面的切向應(yīng)力分布；n=2是摩擦面的對數(shù)。若定義摩擦片平均摩擦半徑為：

(5)

則摩擦扭矩與壓緊力關(guān)系可表述如下：

(6)

式中，μ為離合器表面摩擦系數(shù)。

對于正壓力的選取，由于該值與具體的離合器相關(guān)性不大，只是正壓力與離合盤形變量x的關(guān)系，引用經(jīng)驗公式[11]如下：

Ffc=9862.8x3-3106x2+3411x

(7)

可知離合器的扭矩傳遞與離合器結(jié)合的位移相關(guān)，由于自動擋汽車一般自帶離合傳感器，可直接獲得離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩Tfc，而對于手動擋汽車則需安裝離合傳感器來間接測量發(fā)動機傳遞的驅(qū)動力矩。

3) 起步階段CD

該階段離合器主、從動盤兩部分剛接觸不久，此時離合器的輸出力矩已經(jīng)可以克服車輛的阻力矩，汽車開始運動，稱為起步階段。在該階段Te>Tfc，且Tfc>Tc；we依然上升，wc也緩慢上升，起步階段CD阻力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系如下：

(8)

1.2 商用車阻力矩的數(shù)學(xué)模型

車輛起步過程除了發(fā)動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩外，還受到一定外部阻力的作用，這些外部阻力主要包括車輛自身重力G、加速阻力Fj、空氣阻力FW等，如圖3所示，汽車起步過程中的各部分阻力如下：

圖3 車輛起步受力分析

(1) 滾動阻力，重力垂直坡道向下的分力：

Ff=Gf·cosθ

(9)

式中,G—— 車輛重力

f—— 滾動摩擦系數(shù)

θ—— 坡道角度

(2) 坡道阻力，重力沿坡道方向的分力：

Fi=G·sinθ

(10)

(3) 加速度阻力，車輛加速過程中，需要克服加速運動時的慣性力，即加速阻力：

(11)

式中，δ—— 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)

m—— 汽車質(zhì)量

v—— 車速

(4) 最小起步扭矩，車輛起步過程中，發(fā)動機作為動力源經(jīng)過多級扭矩傳遞對車輪進行驅(qū)動，為保證車輛順利起步，對車輛起步過程中的最小扭矩要求如下：

Tmin=m·(gη0+amin)·rd/(igi0)

(12)

式中，g—— 重力加速度

η0—— 傳動效率

amin—— 最小起步加速度

rd—— 車輪半徑

i0,ig—— 主傳動比、變速器傳動比

因此，車輛起步過程中，總的阻力矩Tc可以表述為：

Tc=Tmin+(Ff+Fi+Fj)·rd/(ηigi0)

(13)

若車輛有空調(diào)Tair、外部拖車Tloss等消耗汽車的扭矩的情況，則需要在原外部阻力的情況下，加上相應(yīng)的內(nèi)部損失，即為：

(14)

2 商用車坡道輔助系統(tǒng)控制策略

2.1 總體控制原理

商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)點火后進入初始狀態(tài)，若無其他觸發(fā)條件時，駐車制動系統(tǒng)一直處于初始狀態(tài)；并在滿足坡道輔助起步所需的特定條件時系統(tǒng)進入相應(yīng)的駐車制動系統(tǒng)坡道輔助功能模塊，制動系統(tǒng)總體控制流程圖如圖4所示。

圖4 商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)總體控制流程圖

商用車坡道輔助起步功能是商用車駐車制動系統(tǒng)一個非常重要的拓展功能。在自動模式下，商用車坡道輔助功能在傾角傳感器檢測到一定的坡度時啟動，坡道輔助起步用到了車輛當(dāng)前狀態(tài)的大部分信息，其起步功能的平順與否直接影響了商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)的整體體驗。坡道輔助起步的難點就在于解除駐車制動的時機，即在車輛驅(qū)動力矩大于阻力矩時，實施駐車解除：

(15)

2.2 車輛起步過程扭矩識別算法

商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)坡道輔助功能的作用效果反映在AB，BC階段，并在驅(qū)動力矩大于阻力矩時的CD段解除制動，因此對于離合器扭矩的識別，如下式：

(16)

由于發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩Te以及角速度we可以通過CAN通訊實時采集，因此可以根據(jù)上式對離合器當(dāng)前的輸出扭矩進行識別，當(dāng)滿足式(16)時，離合器上產(chǎn)生的扭矩足以克服外部阻力，此時解除駐車制動扭矩應(yīng)滿足：

(17)

由于駕駛員的駕駛習(xí)慣各不相同，AB段為離合器未接觸的起步前階段，即使駕駛員猛踩油門，此時離合器并沒有進行扭矩傳遞，因此，此處假設(shè)離合器完全踩下，針對不同的踩油門方式進行仿真分析，驗證上述的判定條件是否會對駐車制動系統(tǒng)造成誤觸發(fā)。在離合器完全踩下時，在不同的油門踏板開度以及不同踩油門速度條件下進行實驗，可得Tfc的仿真結(jié)果如圖5所示，斜率指的是油門踏板開度的變化速率，由于油門開度的變化范圍為0～1，因此，該斜率即為1/tc，tc為踩油門時間，斜率值越大表示踩油門速度越快。在不同的油門開度以及不同踩油門速度條件下輸出扭矩的仿真結(jié)果均在35～48 N·m之間(萬有特性數(shù)據(jù)擬合誤差，存在波動)。

圖5 坡道輔助起步前階段離合器輸出扭矩變化曲線

商用車坡道輔助起步過程中，對于一般的商用車而言，外部阻力最小有(按照車重7 t計算)：

Tc=mg·rd·v/(ηigi0)+Tmin+Tloss

(18)

最小輸出力矩時，取Tloss=0，且θ=0°的平路上，則該最小值已經(jīng)達到84 N·m，故離合器未接合之前的AB段，油門開度對扭矩識別算法無影響。

2.3 基于邏輯門限的坡道快速起步控制算法

為減少坡道起步過程剎車盤與離合器的磨損，減少坡道起步時間，優(yōu)化駕駛體驗，可以在保證車輛不溜車的前提下，提前向制動氣室沖入一定壓縮氣體，進而減少制動力釋放延時。由于邏輯門限控制適用于商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)等非線性系統(tǒng)，在確定了合理的門限值后就可以獲得較為理想的控制效果[11]。因此，本研究選擇邏輯門限控制作為商用車坡道輔助快速起步的控制方法。

坡道輔助起步過程中，選擇期望壓力值pe與駐車制動氣室的當(dāng)前壓力值pc的差值pd作為邏輯門限控制的目標值來控制駐車制動氣室的升降壓，以獲得良好的起步效果,其關(guān)系式為：

pd=pe-pc

(19)

基于邏輯門限控制的控制策略，如圖6所示，其中，門限值th1>th2>th3；占空比A%>B%>C%。pd作為控制參考變量，當(dāng)pd>th1時，利用占空比A%控制氣室的升壓；當(dāng)th2≤pd

圖6 基于邏輯門限控制策略

2.4 商用車坡道輔助起步控制策略

商用車坡道輔助起步控制策略，如圖7所示，坡道輔助起步過程中，其最重要的評判標準是車輛驅(qū)動力矩是否大于阻力矩。當(dāng)ECU檢測到當(dāng)前車輛處于坡道上時，首先檢測是否按下Autohold按鍵，然后根據(jù)車輛是否駐車分別進行駐車和釋放，判斷當(dāng)前車輛是否處于D/R擋位，若是則繼續(xù)判斷當(dāng)前油門開度是否大于0，以及當(dāng)前驅(qū)動力矩是否大于車輛的阻力矩，若符合則判定當(dāng)前車輛滿足坡道起步條件，由ECU控制駐車釋放電磁閥對駐車制動氣室進行充氣解除制動，實現(xiàn)車輛順利起步；若當(dāng)前車輛處于非駐車制動狀態(tài)、驅(qū)動力矩?zé)o法克服車輛阻力矩且在車速處于安全車速范圍內(nèi)，則認為不符合坡道起步條件，車輛有溜車、甚至發(fā)動機熄火的可能性，此時由ECU控制駐車制動電磁閥對駐車制動氣室進行排氣，施加駐車制動。

圖7 商用車坡道輔助起步控制策略

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 坡道輔助起控制策略仿真

將商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)坡道輔助起步的控制策略、控制算法以及基于模型設(shè)計自動生成的控制系統(tǒng)代碼，聯(lián)合IPG/TruckMaker軟件進行控制方法的軟件在環(huán)(SIL)測試。將控制系統(tǒng)自動生成的嵌入式C代碼在Simulink中封裝成S-Function模塊，并通過Signal Builder子模塊模擬車輛坡道輔助起步過程中油門開度、擋位信號以及離合器接合情況，并結(jié)合當(dāng)前車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速與扭矩、車速與坡度信號，建立商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)坡道輔助起步控制方法仿真模型。

1) 仿真條件設(shè)置

對于商用車駐車制動系統(tǒng)坡道輔助起步而言，由于手動擋汽車大多無離合傳感器，需要依靠駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗進行起步，而自動擋汽車其控制邏輯的驗證可等同為手動擋汽車加上車輛扭矩識別后的控制邏輯驗證； 因此本研究主要對當(dāng)前商用車普遍使用的手動擋汽車進行驗證。離合器作為車輛發(fā)動機扭矩傳遞的主要影響機構(gòu)，離合器的接合情況是車輛坡道輔助起步扭矩傳遞的關(guān)鍵影響因素，本研究在保證油門開度一致的前提下，設(shè)置3種離合器的接合情況，情況1，在第3秒時開始由位置1勻速松離合，并在第8秒完全松完至位置0；情況2，在第6秒完全松完至位置0；情況3，在離合器位置0.7～1之間進行波動，即離合器并未接觸，車輛僅在發(fā)動機相同的油門開度作用下實現(xiàn)起步，商用車3種不同的離合器接合情況下的起步過程模擬如圖8所示。

圖8 商用車離合器不同接合情況的坡道輔助起步過程模擬

2) 仿真結(jié)果

離合器不同接合情況下車輛動力矩與駐車制動狀態(tài)的關(guān)系如圖9所示，其中橫坐標為驅(qū)動力矩Tfc與車輛阻力矩Tc之差ΔT，縱坐標表示駐車狀態(tài)，0為未駐車，1為駐車。離合器接合情況3由于離合器并未貼合，因此發(fā)動機扭矩?zé)o法傳遞到離合器部分，駐車制動不釋放；離合器接合情況2相對于情況1更快，因此駐車制動的釋放時間提前，符合坡道輔助起步控制邏輯，同理，離合器接合情況3車速一直維持在0，車輛不動；而離合器接合情況2和情況1，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在離合器接合時，由于驅(qū)動離合器從動端轉(zhuǎn)速先降低后逐漸平穩(wěn)，車輛在離合器動作后的第1秒和第2秒開始正常起步，符合離合器接觸規(guī)律，離合器不同接合條件下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系如圖10所示。

圖9 離合器不同接合情況下車輛動力矩與駐車制動狀態(tài)的關(guān)系

圖10 離合器不同接合情況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系

3.2 坡道輔助快速起步控制方法驗證

設(shè)計基于邏輯門限控制的坡道輔助快速起步控制策略，目的是使車輛在不溜坡的前提下，輕踩油門準備起步的同時，往駐車制動氣室充入一定量壓縮氣體，使得車輛能夠更快、更平穩(wěn)的起步，減少離合器與車輪剎車片的磨損。由于每位駕駛員駕駛習(xí)慣以及熟練度的差異性，基于邏輯門限控制的坡道輔助起步控制是完全獨立于整體的坡道輔助起步控制策略，在坡道起步油門開度大于0的一刻啟動，且無論充氣是否達到目標壓力，駐車制動在總驅(qū)動力矩大于總阻力矩時解除。對坡道輔助起步邏輯門限值的選擇直接決定了車輛坡道起步的平穩(wěn)性與快速性，因此將通過試驗求解出合適的邏輯門限值。

1) 試驗原理

根據(jù)商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)搭建商用車坡道輔助快速起步基于邏輯門限控制的測試回路，如圖11所示。系統(tǒng)由氣源1、三聯(lián)件2、開關(guān)閥3、精密調(diào)壓閥4、儲氣罐5、電磁閥6、繼動閥7、駐車制動氣室8及壓力傳感器9組成，通過dSPACE調(diào)節(jié)PWM占空比，使得駐車制動氣室得到較為穩(wěn)定的目標壓力；PC機對采集的數(shù)據(jù)進行后處理。

2) 試驗結(jié)果

通過設(shè)定不同的目標壓力，測試在不同門限值、占空比以及動作頻率下的穩(wěn)壓效果，由前期試驗測得：0.15 MPa時，駐車制動氣室制動推桿開始運動，0.5 MPa 壓力下，駐車制動氣室制動桿完全縮回，因此試驗可設(shè)置測試目標壓力在0.1～0.5 MPa，通過dSPACE試驗平臺控制電磁閥在不同的門限值、占空比條件下動作以獲得較為理想的目標壓力穩(wěn)壓效果，試驗測得駐車制動氣室較為理想的壓力變化，如圖12所示。

1.氣源 2.氣動三聯(lián)件 3.開關(guān)閥 4.精密調(diào)壓閥5.儲氣罐 6.二位三通雙電控電磁閥 7.繼動閥8.駐車制動氣室 9.壓力傳感器圖11 基于邏輯門限控制的商用車坡道輔助快速起步控制策略測試原理

由圖12可知，利用基于邏輯門限控制策略對商用車駐車制動氣室坡道快速起步控制，通過控制單個二位三通雙電控電磁閥，設(shè)置不同門限值及占空比如表1所示，實際測得壓力與所設(shè)置的目標壓力之間存在一定的波動，但均在0.05 MPa內(nèi)，且未超過目標壓力，因此車輛坡道輔助起步時并不會發(fā)生溜坡，滿足駐車制動系統(tǒng)的性能要求。

圖12 基于邏輯門限控制商用車坡道輔助快速起步控制策略測試結(jié)果

表1 基于邏輯門限控制的控制參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)論

本研究以商用車氣壓電子駐車制動系統(tǒng)為研究對象，以理論研究和仿真試驗相結(jié)合的方式，研究了電子駐車制動系統(tǒng)坡道輔助過程中的扭矩識別及控制方法，主要研究結(jié)果如下：

(1) 通過對離合器位置-扭矩關(guān)系曲線的分段處理及仿真測試，提出了手動擋車輛的扭矩識別算法，并通過仿真試驗驗證了方法的有效性；

(2) 基于扭矩識別方法，設(shè)計了基于邏輯門限控制的商用車坡道輔助快速起步控制策略； 構(gòu)建了基于IPG/TruckMaker-MATLAB的氣壓電子駐車系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺，驗證了商用車電控氣壓駐車制動系統(tǒng)坡道輔助起步控制策略；

(3) 針對坡道輔助快速起步控制策略，對比分析了不同邏輯門限值、頻率及占空比等關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律，為商用車電控氣壓駐車制動控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論參考。