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发表于 2020-6-30 08:51:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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集成式电子驻车系统起步辅助控制策略研究

初 亮1 马文涛1 祁富伟1 陈 箭1,2 杨小雨2

(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室, 长春 130022; 2.苏州萨克汽车科技有限公司, 苏州 215000)

【中国汽车材料网】摘要:为了减小汽车起步时对驾驶员驾驶技术的要求和驾驶员误操作造成的驻车制动系统寿命的缩短,在集成式电子驻车制动系统的基础上研究汽车起步时的辅助控制。通过对车辆起步受力工况的详细分析,归纳了车辆起步的工况,同时详细计算得出车辆起步时的阻力,为控制策略的研究提供基础。对集成式EPB系统的结构和工作特点进行研究,分析实现车辆起步控制的可行性。通过实车试验,验证了集成式电子驻车系统起步控制策略的正确性,实现了起步时的辅助控制,解决了车辆起步时对驾驶员技术的依赖,提高了驻车制动系统的寿命。
关键词:电子驻车制动; 起步辅助; 控制策略; 实车试验

引言
车辆行驶工况中的起步过程是驾驶过程中比较难控制的工况之一。对于装有传统机械拉索式驻车制动系统的车辆存在以下问题:起步前驻车释放,车辆起步时需要离合、制动踏板、油门配合驾驶员,操作繁琐;起步时驻车释放,释放点不容易把握,发动机油耗较高;驻车释放不完全,则会造成制动器在行驶过程中的磨损以及车辆的油耗增加[1-4]。
坡道起步在电子驻车系统中一直是研究的重点,本文基于集成式的电子驻车制动系统(Electronic parking brake,EPB)研究汽车起步时的控制策略[5-7]。通过分析车辆起步过程的工况以及车辆的受力状况,结合EPB的结构以及原理实现车辆在起步过程中的辅助控制功能[8-10]。

1 汽车坡道起步工况与受力分析
车辆静止的驻车工况可以分为有坡道与无坡道两种情况,车辆在起步时又有两种情况:直线起步与弯道起步。根据车辆状态总结车辆的起步工况为:工况1,车辆水平直线起步;工况2,车辆水平转弯起步;工况3,车辆坡道直线起步;工况4,车辆坡道转弯起步。
基于以上工况的受力分析过程如下。车辆起步是指车辆从静止到运动的过程,车辆静止说明车辆能够稳定驻车,所以在起步过程中可以忽略车轮的滑转、空气阻力等因素的影响。由于滚动阻力是由车轮的滚动引起的,在起步阶段的车轮轮速低,滚动阻力也可以忽略。
(1)车辆静止时,车辆坐标系绕y轴的转动角度为α1(α1的数值在车辆上坡时为正、下坡时为负),x轴方向的车辆阻力如图1所示。
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图1 车辆静态纵向受力示意图

Fig.1 Diagram of longitudinal force for static vehicle


图1中,FZ1为车辆前轮的正压力;FZ2为后轮的正压力;FZb为车辆静止时的后轮地面制动力;α1为车辆所处位置的坡度角;Tb为前轮驱动力矩;mg为车辆的重力。
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图2 车辆起步驱动力受力示意图

Fig.2 Diagram of started driving force for vehicles


从图1中可以看出,车辆静止时在x轴方向的受力方程式为
FZb-mgsinα1=0(1)
(2)车辆静止时,方向盘转动角度为α2(α2的数值遵守右手系标准),x轴方向的车辆阻力如图2所示。
图2中,FT为两个前轮驱动力FT1、FT2合力的等效力;Fa为加速阻力;a为车辆加速度;Mz为车辆横摆力矩;α2为车轮转向角。
驱动力在x轴方向的受力方程式为
FT-Fa=FTcosα2-ma=0(2)
由上面分析可知,车辆起步总的受力公式为
FZb+FTcosα2=mgsinα1+ma(3)
针对工况1,车辆处于水平位置且车辆没有转向角度,则公式中的α1、α2为0,根据公式(3)驱动方程为
FT=ma-FZb(4)
车辆的驱动力只需要克服惯性就能起步。
针对工况2,车辆处于水平位置且车辆起步时有方向盘转角,说明车辆是在平地转弯起步,根据公式(3),这时车辆的驱动方程式为
FZb=ma-FTcosα2(5)
车辆的驱动力在车辆坐标系x轴方向上的分力克服车辆惯性就能起步。
针对工况3,车辆处于有角度的坡路上且车辆起步时没有方向盘转角,说明车辆在x轴方向坡起,根据公式(3),这时的车辆驱动方程式为
FZb=mgsinα1+ma-FT(6)
车辆的驱动力与车辆重力分力的合力在x轴方向的大小能克服车辆的惯性就能起步。其中根据α1值的正负可以判定车辆是在上坡还是下坡,这时释放策略是不同的。
针对工况4,车辆处于有角度的坡路上且车辆起步时有方向盘转角,说明车辆转向坡起,根据公式(3),这时的车辆驱动方程式为
FZb=mgsinα1-FTcosα2+ma(7)
车辆的驱动力与车辆重力分力的合力在x轴方向与工况3一致,同时根据α2值设定是左转还是右转制定不同的控制策略。
2 EPB系统结构与工作原理分析
2.1 集成式EPB系统结构
集成式EPB系统代替了原来的拉锁式手刹,是线控制动的典型代表。其系统结构如图3所示。
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图3 集成式EPB结构图

Fig.3 Structure of integrated EPB


如图3所示,EPB系统由控制器、按钮、通信网关、执行器卡钳构成。
控制器中包含按键识别电路,与按键内部电路一起识别当前按键的状态,由控制器中的程序检测驾驶员当前需要执行什么动作;H桥驱动电路可以通过不同的通路来实现驻车制动执行器电动机的正反转,实现卡钳的夹紧释放[11]。
通信网关用于接收整车CAN网络的信号,其中包括变速箱挡位信号、轮速信号、整车扭矩信号、ESP加速度传感器信号、发动机转矩信号、加速踏板信号[12-13]。相关CAN信号的精度如表1所示。
表1 接收的CAN总线信号

Tab.1 Received CAN bus signal

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注:int型值为CAN信号十六进制原始数值。例如:精度为0.068 75 m·s-2/bit表示原始值int乘以精度0.068 75,信号单位是m·s-2。
执行器卡钳是指电动机集成到卡钳上的后制动器,其具体结构如图4所示。
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图4 执行器剖面图

Fig.4 Profiles of actuator

1.电动机 2.齿形带传动 3.活塞 4.双级行星排减速机构 5.丝杠螺母机构 6、7.摩擦片


其中执行器结构部分参数如表2所示。
2.2 EPB的工作原理
EPB系统的控制器上电后,通过CAN通信网关接收外部的信号并分析判断是否能满足EPB工作的条件。如果信号满足EPB控制正常工作的要求,控制器会监控按钮的状态以及CAN通信网关的信号状态。
表2 执行器参数

Tab.2 Parameters of actuator

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如果监控到EPB按钮的状态满足夹紧状态,控制器会控制H桥电动机驱动电路实现电动机的正转。电动机正转会驱动齿形带进而带动行星排减速机构来实现降速增扭。电动机的扭矩经过放大后通过丝杠螺母机构将丝杠的旋转运动转换成螺母的直线运动,从而推动制动缸使制动摩擦片夹紧制动盘实现制动过程,相反如果EPB的按钮状态满足释放时,执行器会相应实现制动摩擦片释放制动盘减小制动力。

3 起步辅助控制策略
3.1 车辆状态识别策略
车辆驻车时,停靠在不同路面状态的车辆有不同的起步过程,所以首先要识别车辆起步时的状态[14-15]。车辆状态主要通过车辆加速度信号,以及EPB上一次工作时的状态来识别。其中车辆加速度信号从ESP节点得到,EPB的上次工作状态从控制器得到。其中加速度传感器中的信号如表3所示。
表3 加速度传感器参数

Tab.3 Parameters of acceleration signal

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其中坡度角的计算公式为
α=arcsinax_or_y(8)
式中 ax_or_y——车辆轴向加速度
根据加速度信号可以判断车辆处于坡道上还是平路面上。
车辆上次工作状态主要包括EPB的状态以及状态的数值,如表4所示。
根据当前车辆的状态和EPB上次工作状态可判断车辆的初始状态是否为夹紧,进而判断EPB是否进入起步辅助控制,根据驾驶员制动意图来实现相应的控制。
表4 EPB上电初始状态

Tab.4 Initial state of EPB charged with electricity

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3.2 驾驶员的意图识别策略
当知道车辆的状态后,可以根据驾驶员的意图实现车辆正常的起步控制。驾驶员的意图识别可以通过有关驾驶员操作的信号来实现,如图5所示。
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图5 驾驶员意图识别逻辑

Fig.5 Intention recognition logic for driver


通过以上信号可以实现识别驾驶员在起步时的驾驶意图,驾驶意图是车辆最终达到的目标。
3.3 EPB协调控制策略
车辆起步时,只要驱动力大于坡道阻力后驻车制动即可解除,根据前文的分析,在车辆的起步过程中由于车辆状态或者驾驶员的起步意图不同则会有不同的车辆表现形式。根据EPB的系统特点可以得知EPB系统从制动状态到释放状态过程需要的时间,如图6所示。
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图6 执行器特性曲线

Fig.6 Characteristic curve of actuator


从图6中可以看出,EPB在释放时,电动机内电流的数值为负。启动时会有一个反向脉冲,是由电动机启动时负载较大引起的。随后电流缓慢下降,EPB的夹紧力下降。从EPB的夹紧力开始减小到零的时间为0.49 s。
图7所示车辆驻车阻力是指车辆的重力在车辆坐标系x轴上分力为负(车辆上坡即车辆前行)时,EPB夹紧状态下车辆所受的起步阻力。车辆的驱动力矩是指车辆动力系统传递到驱动轮使车辆产生驱动力的力矩大小。根据红色曲线分成上下两部分。当车辆驱动力曲线处于红色曲线下的区域1时,车辆驱动力小于车辆的驻车阻力,不满足释放的标准。
在驾驶员踩加速踏板使车辆驱动力矩增加时,网关会通过CAN网络转发发动机的输出力矩到EPB的控制器。实车EPB控制软件的计算周期为10 ms,EPB控制软件会监控10个循环的发动机输出力矩数值,根据其变化来估算整车驱动力矩的增长速率,而后EPB软件每执行一次即10 ms整车驱动力矩的数值被重新计算,进而监控驱动力矩达到图7中红色分界线的时刻。
车辆在这种条件下,其驱动力矩按照图中曲线b增长,则EPB控制器释放时间点为t1+t3-t2。如果车辆的驱动力矩按照图7中曲线a增长,则EPB的释放时间点为t1。
图8所示车辆驻车阻力是指车辆的重力在车辆坐标系x轴为正(车辆上坡即车辆倒行)时,EPB夹紧状态下车辆所受的起步阻力。由红色曲线与蓝色曲线分成上下两部分。在时间区域t1内时,EPB产生的驻车阻力减小,车辆的驱动力矩增加,车辆静止不动;在时间区域t3内时,EPB产生的驻车阻力仍在减小,车辆的驱动力矩继续增加,当车辆驱动力矩大于阻力矩时,车辆起步。
但是车辆的重力在车辆坐标系x轴上分力为负(车辆下坡即车辆倒行)与车辆的重力在车辆坐标系x轴上分力为正(车辆下坡即车辆前行)时,EPB根据CAN总线网接收加速踏板信号,当识别信号有效、稳定并且车辆的驱动力矩增加时,执行EPB的释放,其释放点为识别到驾驶员踩加速踏板车辆转矩增加的时间。

4 实车试验
4.1 试验条件与过程
根据所提出的电子驻车系统的起步辅助控制策略,在北安冬季试验场进行试验,试验车辆为装有集成式EPB控制系统和液力机械式自动变速器的SUV车型,试验车辆的总质量为1.44 t,前制动器为盘式液压制动器,后制动器为EPB集成式液压制动盘式制动器。由于试验场所限未拍摄到车辆在坡道上的图片。图9所示为试验车辆在雪路面、冰路面、分离路面等起步复杂的路面上进行起步测试。
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图7 上坡释放策略图

Fig.7 Release strategy diagram of uphill


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图8 下坡释放策略图

Fig.8 Release strategy diagram of downhill


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图9 试验现场图片

Fig.9 Test pictures


4.2 试验结果分析
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图10 平路车辆起步信号1

Fig.10 Start signal 1 of vehicles on flat road


选取的实车试验数据为水平起步与坡道起步,如图10~13所示。
图10中车辆的状态是从动态到制动停车,主缸压力从有数值到零然后车辆完全静止。驾驶员踩加速踏板发动机转矩稳步上升,最终实现起步,然后驾驶员制动车辆减速停车。
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图11 平路车辆起步信号2

Fig.11 Start signal 2 of vehicles on flat road


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图12 坡路车辆起步信号1

Fig.12 Start signal 1 of vehicles on hill road


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图13 坡路车辆起步信号2

Fig.13 Start signal 2 of vehicles on hill road


从图11中可以看出,x方向的加速度由制动时的负数到零,车辆通过EPB来实现车辆驻车制动,这时车辆由于存在惯性,x方向的加速度在零上下波动,最终稳定在零值,车辆静止。然后驾驶员踩踏加速踏板,车辆转矩升高达到EPB算法释放的要求,车辆实现起步。
图12中车辆的状态是在坡度为15%的坡道上驾驶员通过踩踏制动踏板使车辆停止,然后通过EPB按钮实现车辆的驻车制动,主缸压力从有数值到零。然后驾驶员踩加速踏板,这时发动机转矩稳步上升,最终实现起步,然后驾驶员制动车辆减速停车。
从图13中可以看出,x方向的加速度数值始终在3 m/s2左右,同时车辆在起步过程中x方向的加速度数值始终保持不变,说明通过驾驶员踩踏加速踏板车辆转矩升高达到EPB算法释放的要求,车辆可以实现坡道平稳起步过程。

5 结论
(1)分析了汽车起步的详细受力过程,划分了车辆起步的各种工况,为车辆起步工况识别奠定了理论基础。
(2)详细介绍了集成式EPB的结构,对集成式EPB执行器进行试验,并分析得到执行器的工作特性。
(3)研究了车辆起步辅助的详细控制策略,并通过实车验证了控制策略的正确性。

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