汽车线控液压制动系统特性及控制研究

摘要

线控液压制动系统（Electro-Hydraulic Brake system，EHB）是随着人们对车辆性能需求的增加而提出的一种新型制动系统，最初主要用以提高车辆的安全性能。近些年，随着电动汽车的发展，作为能够协同电机制动获得良好制动感觉和提高制动能量回收效果的系统，线控液压制动系统已在电动汽车和混合动力汽车上获得了广泛应用。本文的研究工作是在国家自然科学基金“融合制动感觉一致性和制动稳定性多目标协调控制的纯电动汽车电液复合制动耦合系统机理研究”的需求下提出的，主要研究线控液压制动系统的特性和控制问题。不论在传统汽车上，还是电动汽车上，线控液压制动系统的压力精确控制问题都十分重要，线控液压制动系统的优势之一也是其压力可以实现精确控制。本文将在系统研究线控液压制动系统特性的基础上，对压力控制问题进行深入研究，论文的主要研究内容和创新如下：
　　（1）设计并实现了采用高速开关阀的线控液压制动系统结构，为本文的研究打下了基础。进行了阀控系统的逻辑结构设计，确保系统实现多种操纵模式和失效时的可靠性。计算了液压系统的选型参数，实现了线控液压制动系统的基本结构。通过试验表明，搭建的线控液压制动系统能够满足制动系统的基本性能指标。
　　（2）对高速开关阀的开关滞后特性和流量特性进行了研究，重点研究了高速开关阀滞后时间随压差变化的特性。提出将开关阀的滞后分为固有滞后和压差滞后，采用理论推导与试验估计的方法，得到了不同压差下的开启滞后时间计算表达式。由于线控液压制动系统调节压力时往往处于小占空比区间，压差引起的滞后时间变化对压力调节精度影响较大，所以该表达式有助于解决压力调节中出现的有效工作时间随压差变化的问题。研究了开关阀基础流量参数的试验辨识方法，发现采用高压阶段的数据辨识开关阀流量参数将更加准确，解决了减压辨识过程中出现的表达式奇异值问题，最终获得了开关阀的流量参数。另外在滞后特性和流量特性研究的基础上，选定了高速开关阀的工作频率为50Hz。
　　（3）提出了线控液压制动系统电磁阀低功耗开环控制方法，以减少功耗和发热、提高开关阀的寿命。针对高频PWM的工作频率、占空比计算方法等问题进行了试验研究和分析，重点研究了嵌套PWM的实现方法，该控制方法不仅有助于提高节能效果，还可以降低开关阀关闭时的滞后时间，从而有助于提高开关阀的响应速度。
　　（4）进行了线控液压制动系统轮缸压力动态特性研究。提出了稳态压力变化值的概念，用以表征轮缸压力变化速率。通过对液压制动系统特性进行理论分析，得到了轮缸压力变化速率与高速开关阀驱动信号占空比和轮缸初始压力有关的结论。对轮缸压力变化率随占空比和轮缸初始压力变化的特性进行试验测试，得到了稳态压力变化值MAP图。
　　（5）提出了轮缸压力精确调节的自适应预测控制算法。采用预测控制算法解决了本系统面临的非线性、滞后等问题；通过添加自适应环节，提高了系统在外界温度变化时的控制精度。试验结果表明，设计的自适应预测控制算法可以实现压力的精确控制。
　　（6）设计了线控液压制动系统的控制器，建立了线控液压制动系统测试和半物理仿真试验平台。基于CAN总线设计了线控液压制动系统的测试系统；为了验证本文设计的控制器功能，在测试系统基础上引入了由STM32单片机实现的车辆单轮制动模型计算模块，组成了半物理仿真平台，并进行了常规制动试验和复合制动试验；制动模型计算时采用实时四阶龙格—库塔算法，以保证系统的实时性。试验结果表明，设计的控制算法能够满足制动压力控制要求。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 线控液压制动系统的发展过程

1.3 线控液压制动系统的关键问题及研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第二章 线控液压制动系统结构设计及实现

2.1 引言

2.2 线控液压制动系统基本结构设计

2.3 线控液压制动系统工作模式设计

2.4 液压系统关键参数计算和选型

2.5 线控液压制动系统基本结构实现

2.6 本章小结

第三章 线控液压制动系统高速开关阀滞后及流量特性研究

3.1 引言

3.2 高速开关阀基本工作原理

3.3 高速开关阀阀芯运动特性分析

3.4 高速开关阀压差滞后理论分析与试验研究

3.5 高速开关阀工作频率的确定

3.6 高速开关阀流量特性试验辨识方法研究

3.7 本章小结

第四章 高速开关阀低功耗控制方法研究

4.1 引言

4.2 高速开关阀低功耗控制分析

4.3 高速开关阀低功耗控制实现

4.4 高速开关阀低功耗控制试验测试与分析

4.5 本章小结

第五章 线控液压制动系统轮缸压力变化特性研究

5.1 引言

5.2 线控液压制动系统压力调节过程

5.3 线控液压制动轮缸压力变化基本原理

5.4轮缸压力特性综合分析

5.5 轮缸压力特性试验设计

5.6 轮缸压力特性试验分析

5.7 MAP图的重复性检验

5.8 本章小结

第六章 线控液压制动系统轮缸压力自适应预测控制算法研究

6.1 引言

6.2 预测控制基本原理

6.3 轮缸压力自适应预测控制原理

6.4 轮缸压力自适应预测控制算法的简化实现

6.5 轮缸压力自适应预测控制试验结果

6.7 本章小结

第七章 线控液压制动试验台测控系统设计及半物理仿真试验

7.1 引言

7.2 试验台结构

7.3 机械系统设计

7.4 控制器及测量模块设计

7.5 监控模块设计

7.6 车辆模型计算模块设计

7.7 制动性能半物理仿真试验

7.8 本章小结

第八章 全文总结与展望

8.1 全文总结

8.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录 单轮制动模型STM32数值求解程序