集成式电控制动系统车辆稳定性控制研究

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当前汽车工业正面临着智能化和电动化的变革,传统的真空伺服助力制动系统已经不能满足要求车辆先进辅助驾驶功能的各项需求。与此同时,政府机构和汽车厂商都在大力推广电动汽车的使用,这就要求制动系统能够不依赖真空源,且具备制动能量回收、主动制动等功能。在此背景下,电控制动系统迎来了良好的发展前景。随着电控制动系统的不断发展,集成式电控制动系统即1-Box制动系统受到了广泛关注。这是因为其依靠高性能的电机作为动力源即可完成制动伺服助力,更重要的是它将制动伺服助力、轮缸压力调节和制动压力解耦等功能集成在一起之后,可以完成主动制动、复合制动、制动防抱死、车辆稳定性控制等功能,更好地适应了智能汽车对于制动系统提出的各项要求。本文以校企合作项目“智能驾驶制动控制算法研究”和“集成式制动控制算法开发”为基础,针对集成式电控制动系统以及车辆稳定性控制展开相关研究,主要包括以下几个部分:(1)集成式电控制动系统构型分析与建模。针对国内外主流的电控制动系统构型方案,首先对三种典型的电控制动系统构型方案进行分析,对制动系统的主要组成部分、工作原理和关键的零部件等进行了详细的分析。然后结合各个制动系统构型方案的优缺点如建压速度、可靠性等以及课题组的现有资源,确定本文所要研究的集成式电控制动系统构型方案。接着对制动系统中的永磁同步电机、减速传动机构以及液压系统进行动力学建模,并在实验台架上采集数据完成模型对比验证。(2)集成式电控制动系统控制策略研究。首先,在集成式电控制动系统主动压力控制策略中,设计了包括电流环、速度环和位置环的伺服三闭环控制策略,完成对电机伺服位置的闭环控制。接着,以伺服三闭环控制为内环,压力环控制为外环,压力环采用前馈补偿+PID反馈控制结构。然后对制动系统液压调节单元中线性电磁阀的电气、液压特性进行分析,通过试验确定了合适的控制基频,并通过多组试验完成进、出液阀的增减压速率标定。最后设计了集成式电控制动系统轮缸压力控制策略,包含单轮调压模式和多轮调压模式,实现轮缸压力差动制动控制,为车辆横向稳定性控制中响应各个轮缸的制动压力需求奠定基础。(3)车辆横向稳定性控制策略研究。首先,建立了“魔术公式”轮胎模型和二自由度车辆参考模型。通过车辆横向稳定性分析,针对车辆横摆控制选取了横摆角速度和质心侧偏角作为控制变量,然后考虑到车辆实际横摆角速度响应的延迟特性和车辆稳定性因数的变化,对横摆角速度理想值进行修正。本文设计的车辆横向稳定性控制器采用分层控制策略,包括决策层,计算层和分配层。决策层首先计算控制变量的理想值,然后通过质心侧偏角-质心侧偏角速度相平面法(-?)和不同车速下横摆角速度偏差的极限值作为稳定性判据,判断车辆是否横向失稳。计算层中通过设计两个参数自整定模糊PID控制器分别计算附加横摆力矩,并通过联合加权控制输出期望附加横摆力矩。分配层中,同时结合方向盘转角、方向盘转角速度和期望附加横摆力矩的正负来判断车辆的转向特性,接着通过单轮差动制动的方式,将制动压力分配至对应的制动轮缸,给车辆施加附加横摆力矩以纠正车辆的不足转向或者过度转向。(4)仿真测试及基于集成式电控制动系统的硬件在环实验验证。首先通过Matlab/Simulink和Car Sim RT搭建联合仿真环境,设置了多种测试场景和工况检验横向稳定性分层控制策略的有效性。接着,基于d SPACE快速控制原型工具链,搭建了硬件在环实验平台,硬件部分主要有乘用车液压制动系统、集成式电控制动系统、实时控制器Micro Auto Box、实时仿真机SCALEXIO等;软件部分主要有Matlab/Simulink、Control Desk、Configuration Desk等。硬件在环实验验证设置方向盘角阶跃、双移线和正弦延迟等测试工况,实验结果表明车辆横向稳定性分层控制策略和集成式电控制动系统轮缸压力控制算法具有良好的控制效果。
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