CN113859197B - 一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法和***，方法包括：基于确定的电磁阀类型，获得该电磁阀阀芯的受力平衡方程式；基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值；基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。本发明充分利用了电磁阀上、下游的液压力信息、实际线圈电流信息以及期望液压力信息，获得阀芯位置预估信息，可广泛用于线控液压制动***在复杂动态工况下的电磁阀液压力精密控制任务。

Description

一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法和***

技术领域

本发明涉及一种制动***的液压力控制方法和***，特别是关于一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法和***，属于汽车制动技术领域。

背景技术

制动***是车辆底盘***的重要组成部分，直接保证了整车的行驶安全性、能量经济性、驾驶舒适性等方面的水平。由于在电子架构、硬件技术、生产成本和运行可靠性上的优势，线控液压制动***作为制动***的主流在车辆电动化和智能化的发展潮流中占据了车辆底盘***执行器层面的核心地位。线控液压制动***的液压力调节功能的核心部件是电磁阀。电磁阀通过电控信号(如开关信号、PWM信号或电流信号)驱动线圈实现对阀芯开度的控制，进一步实现对流过电磁阀阀口的制动液的流量控制，最终实现对制动轮缸内制动液压力水平的调节。

线控液压制动***使用的电磁阀分为开关型电磁阀和比例型电磁阀；前者应用场景较为普遍，后者由于成本较高而尚未大量推广。线控液压制动***的液压力精密控制功能需要电磁阀具有较好的流量可控性，即电控信号与被控流量之间具有较高的线性关系，因此，现有最优的解决方案是通过理想的比例型电磁阀进行电磁阀开度的线性控制。目前，通过高频PWM信号或电流信号对开关型电磁阀进行液压力闭环控制的方法改善了传统低频PWM信号控制的振动、噪声、发热和调压精度较低的问题，甚至在部分稳态工况下实现了电磁阀线圈电流与阀口压差的线性控制效果，但在液压力控制目标发生快速变化时，上述方法的液压力调压精度和稳定性明显降低，液压力控制算法的鲁棒性较差，无法适应动态变化的制动工况，直接影响车辆的制动性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是针对线控液压制动***广泛使用的外流式开关型电磁阀，基于阀芯位置的实时预估值并结合目标液压力与实际液压力信息，提供一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法和***，克服或解决现有线控液压制动***电磁阀在液压力控制精度和稳定性方面的不足，实现动态制动工况下制动轮缸液压力的精密控制功能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，包括以下步骤：基于确定的电磁阀类型，获得该电磁阀阀芯的受力平衡方程式；基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值；基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。

所述获得阀芯的受力平衡方程式的方法，包括：建立直角坐标系；将运动质量组件作为研究对象进行受力分析；基于建立的直角坐标系和受力分析结果，获得电磁阀阀芯的受力平衡方程式。

所述将运动质量组件作为研究对象进行受力分析的方法，包括：确定运动质量组件所受的所有外力，确定每一外力的方向。

所述电磁阀阀芯的受力平衡方程式为：

式中，m为阀芯质量，F_e为电磁力，F_h为液压力，F_s为弹簧力，F_n为阀座支持力，θ为阀座半锥角。

所述基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值的方法，包括：根据阀芯的受力平衡方程式，求解获得阀芯运动平衡状态下的阀芯位移变量、线圈电流信号及阀芯两侧压差之间的关系式；根据该关系式以及电磁阀线圈组件的电流信号和电磁阀上、下游的液压力信号，求解得到当前时刻的阀芯位置预估值。

所述基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制的方法，包括：基于目标液压力，求解得到线圈电流的前馈命令值；根据阀芯位置预估值，以及目标液压力、电磁阀上、下游的液压力信号及制动轮缸液压力变化率模型，求解得到线圈电流的反馈命令值；基于线圈电流的前馈命令值和反馈命令值，对制动轮缸的液压力进行控制。

所述前馈命令值为：

式中，u_ff为线圈电流的前馈命令值；k_h1、k_h2为液压力系数；

为阀芯位置预估值；p_m为电磁阀上游液压力；

为目标液压力；k_s为弹簧力系数；z₀为回位弹簧的预压缩量；k_e1、k_e2为电磁力系数。

所述线圈电流的反馈命令值为：

式中，u_fb为线圈电流的后馈命令值；k_h1、k_h2为液压力系数；

为阀芯位置预估值；λ为滑模面参数；p_m为电磁阀上游液压力；p_w为实际液压力；

为目标液压力；

为制动轮缸液压力变化率的估计值；k_s为弹簧力系数；z₀为回位弹簧的预压缩量；k_e1、k_e2为电磁力系数。

所述基于线圈电流的前馈命令值和反馈命令值，对制动轮缸的液压力进行控制的方法，包括：将线圈电流的前馈命令值和反馈命令值求和，得到电磁阀的线圈组件的电流命令值；将电流命令值作用到电磁阀的线圈组件，根据所需的目标液压力对制动轮缸的液压力进行控制。

一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制***，包括：受力平衡方程式获取模块，用于基于确定的电磁阀类型，获得阀芯的受力平衡方程式；阀芯位置预估值获取模块，用于基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值；液压力控制模块，用于基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明通过建立阀芯阀座坐标系，获得阀芯运动稳定状态下的受力平衡方程式，求解得到阀芯位移、线圈电流及阀芯两侧压差之间的关系式，并将其用于阀芯位置预估、阀芯预估电流前馈和液压闭环滑模控制模块。

(2)本发明将制动轮缸液压力变化率模型结合上述“阀芯位移-线圈电流-两侧压差”的关系式，获得了制动轮缸液压力变化率的显式表达式。

(3)本发明充分利用了电磁阀上、下游的液压力信息、实际线圈电流信息以及期望液压力信息，获得阀芯位置预估信息，该方法通过前馈模块和反馈模块的结合，使得液压力控制精度和稳定性均可得到明显改善。

(4)本发明无需采用专用电流驱动芯片，无需使用线性阀或比例阀作为电控液压执行器，可实现成本和性能的综合优化，工况适应性和技术实用性强。

因此，本发明可以广泛应用于汽车制动技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电磁阀液压力控制方法液压力控制流程示意图；

图2为本发明实施例采用的外流式开关型电磁阀结构示意图；

图3为本发明实施例采用的电磁阀的阀芯阀座坐标系示意图；

图4为本发明实施例提供的电磁阀液压力控制方法液压力控制***示意图；

图中各部件如下：1、隔磁套筒；2、线圈组件；3、阀体；4、基座；5、动磁铁；6、阀芯；7、回位弹簧；8、阀座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和技术特点的表述更加清晰，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所述实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所述的本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，该方法以外流式开关型电磁阀为例，进行介绍，具体包括以下步骤：

S1、基于电磁阀类型，获得该电磁阀阀芯的受力平衡方程式。

如图2、图3所示，本实施例以外流式开关型电磁阀为例进行介绍，该外流式开关型电磁阀包括隔磁套筒1、线圈组件2、阀体3、阀座8、动磁铁5、阀芯6、回位弹簧7、基座4。其中，动磁铁5外部一侧套装有隔磁套筒1，隔磁套筒1外部套装有线圈组件2，且隔磁套筒1与动磁铁5在轴向预留有运动间隙；动磁铁5内部设有第一空腔，阀芯6一端由第一空腔穿入并与动磁铁5通过过盈配合或者焊接方式固定连接；阀体3间隔设置在动磁铁5的另一侧，与隔磁套筒1共同将动磁铁5围设在内；阀体3在纵向设有互相连通且直径不同的第二空腔和第三空腔，且在横向设有第四空腔，第四空腔与第三空腔垂直连通，制动液由在第三空腔流入第四空腔，阀芯6另一端由第二空腔和第三空腔穿入，并能在阀体3内沿轴向移动；第二阀体本体内部设置有阀座8，阀座8上部设置有回位弹簧7，该回位弹簧7另一端穿入第三空腔内，并套设在阀芯6的另一端外部，并与阀芯6外壁设置的环状凸缘紧密接触；基座4与阀体3端面焊接固定。

其中，外流式开关型电磁阀的线圈组件2由电流信号控制，可通过电流芯片或高频PWM信号模拟输出线圈控制电流，且线圈电流信号可以实时获取。外流式开关型电磁阀的上、下游液路均设置有液压力传感器。其中，电磁阀的上游液路指的是第三空腔的外部入口及其连接的液压管路部分；电磁阀的下游液路指的是第四空腔的外部出口及其连接到制动轮缸入口的液压管路部分。

具体地，上述步骤S1可以通过如下步骤来实现：

步骤S11、建立直角坐标系。

可选地，本发明实施例中建立的直角坐标系，以外流式开关型电磁阀在无电流信号驱动时阀芯球头顶点位置为原点，以阀芯关闭时的运动方向为参考正向。

步骤S12、将运动质量组件作为研究对象进行受力分析。

在一个实施例中，以阀芯和动磁铁构成的运动质量组件作为研究对象进行受力分析时，通过如下步骤来实现：确定运动质量组件所受的所有外力；确定每一外力的方向。

在一些实施例中，确定的运动质量组件所受的外力包括：电磁力、液压力、弹簧力和阀座支持力。

在另一些实施例中，确定每一外力的方向时，根据参考正向的约定，电磁力方向与参考正向方向相同，液压力、弹簧力及阀座支持力方向与参考正向方向相反。

步骤S13、基于建立的直角坐标系和受力分析结果，获得电磁阀阀芯的受力平衡方程式。

在一些实施例中，阀芯的受力平衡方程式为：

式中，m为阀芯质量，F_e为电磁力，F_h为液压力，F_s为弹簧力，F_n为阀座支持力，θ为阀座半锥角。

其中，电磁力、液压力、弹簧力和阀座支持力的计算公式分别为：

F_e＝k_e1·i+k_e2·iz (2)

F_h＝k_h1·Δp+k_h2·Δpz (3)

F_s＝k_s·z+k_s·z₀ (4)

F_n≥0 (5)

式中，k_e1、k_e2为电磁力系数；k_h1、k_h2为液压力系数；k_s为弹簧力系数，z₀为回位弹簧的预压缩量；i为线圈电流；z为阀芯位置；p_m为电磁阀上游液压力；p_w为电磁阀下游液压力；Δp为电磁阀阀口压差，且Δp＝p_m-p_w。

S2、基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值。

具体地，上述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、根据阀芯受力平衡方程式，求解获得阀芯运动平衡状态下的阀芯位移变量、线圈电流信号及阀芯两侧压差之间的关系式。

在一个实施例中，电磁阀阀芯在电磁力、液压力、弹簧力、阀座支持力的联合作用下进入运动平衡状态，阀芯将相对稳定地处于某一位置z处，即阀芯加速度

阀座支持力F_n＝0，电磁力和弹簧力的形式不变，阀芯受力平衡方程式变为：

0＝F_e-F_h-F_s (6)

结合上述各分力表达式(即公式(2)-公式(4))，可得：

0＝k_e1·i+k_e2·iz-k_h1·Δp-k_h2·Δp·z-k_s·z-k_s·z₀ (7)

根据上式(7)可求得阀芯两侧压差Δp、线圈电流i与阀芯位置z三者之间的关系式为：

S22、根据该关系式，以及线圈组件的电流信号和外流式开关型电磁阀上、下游液压力信号的反馈信息，求解得到当前时刻的阀芯位置预估值。

在另一个实施例中，根据公式(8)，结合线圈组件的电流信号i和外流式开关型电磁阀上、下游液压力信号的反馈信息Δp＝p_m-p_w，可求解得到当前时刻的阀芯位置预估值

为：

S3、基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈电流的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。

具体地，上述步骤S3可以通过如下步骤实现：

步骤S31、根据该关系式以及目标液压力，求解得到线圈电流的前馈命令值。

在一个实施例中，外流式开关型电磁阀下游的目标液压力

所对应的线圈电流的前馈命令值u_ff可通过以下方法获得：结合步骤S3中求得的阀芯位置预估值

将

代入Δp，得到对应的i即为线圈电流的前馈命令值u_ff，其计算公式为：

步骤S32、根据阀芯位置预估值，以及目标液压力、电磁阀上、下游液压力信号的反馈信息及制动轮缸液压力变化率模型，求解得到线圈电流的反馈命令值。

在一个实施例中，外流式开关型电磁阀下游的目标液压力

所对应的线圈电流的反馈命令值u_fb可通过以下方法获得：基于制动轮缸液压力变化率模型，得到目标液压力与实际液压力之差e；根据滑模控制原理，对目标液压力与实际液压力之差e进行处理；根据处理结果以及阀口压差Δp、线圈电流i与阀芯位置z三者之间的关系式，结合目标液压力、电磁阀上、下游液压力信号的反馈信息，最终可得线圈电流的反馈命令值u_fb。

可选地，制动轮缸液压力变化率模型为：

式中，

为制动轮缸液压力变化率；k_wv为制动轮缸液压力变化率系数；z为阀芯位置；Δp为电磁阀阀口压差。

根据阀芯位置预估值，得到制动轮缸液压力变化率的估计值

为：

目标液压力与实际液压力之差e为：

式中，p_w为实际液压力；

为目标液压力。

根据滑模控制原理，选择滑模面变量S＝e+λ∫edt，其一阶导数为

在满足滑模收敛条件时，

阀芯位置z无法直接测量，使用阀芯位置预估值

近似替代真实的阀芯位置，因此

因此，有：

式中，λ为滑模面参数。

同时，根据步骤S2中的阀口压差Δp、线圈电流i与阀芯位置z三者之间的关系式，可得，

根据公式(14)和(15)，结合目标液压力

电磁阀上、下游液压力信号的反馈信息Δp，最终可得线圈电流的反馈命令值u_fb为：

S33、基于线圈电流的前馈命令值和反馈命令值，对制动轮缸的液压力进行精确控制。

具体地，上述步骤S5可以通过如下步骤实现：将线圈电流的前馈命令值和反馈命令值求和，得到外流式开关型电磁阀的线圈组件的电流命令值；将电流命令值作用到外流式开关型电磁阀的线圈组件，即可根据所需的目标液压力对制动轮缸的液压力进行精确控制。

在一个实施例中，将步骤S3中所得的线圈电流的前馈命令值u_ff和反馈命令值u_fb进行求和，得到外流式开关型电磁阀的线圈组件的电流命令值时，其计算公式为：

u＝u_ff+u_fb (17)

在另一个实施例中，将电流命令值作用到外流式开关型电磁阀的线圈组件时，可以将电流命令值u作为线圈电流的控制信号，通过电流芯片或高频PWM信号模拟输出线圈控制电流。

实施例2

上述实施例1提供了基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，与之相对应地，本实施例提供一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制***。本实施例提供的控制***可以实施实施例1的基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，该控制***可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该***可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例1各方法中的对应步骤。由于本实施例的识别***基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例的***的实施例仅仅是示意性的。

如图4所示，本实施例提供的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制***，包括：

受力平衡方程式获取模块，用于基于确定的电磁阀类型，获得阀芯的受力平衡方程式；

阀芯位置预估值获取模块，用于基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值；

液压力控制模块，用于基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于确定的电磁阀类型，获得该电磁阀阀芯的受力平衡方程式；

基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值；

基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。

2.如权利要求1所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述获得阀芯的受力平衡方程式的方法，包括：

建立直角坐标系；

将运动质量组件作为研究对象进行受力分析；

基于建立的直角坐标系和受力分析结果，获得电磁阀阀芯的受力平衡方程式。

3.如权利要求2所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述将运动质量组件作为研究对象进行受力分析的方法，包括：

确定运动质量组件所受的所有外力，

确定每一外力的方向。

4.如权利要求1所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述电磁阀阀芯的受力平衡方程式为：

式中，m为阀芯质量，

为阀芯加速度，F_e为电磁力，F_h为液压力，F_s为弹簧力，F_n为阀座支持力，θ为阀座半锥角。

5.如权利要求1所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值的方法，包括：

根据阀芯的受力平衡方程式，求解获得阀芯运动平衡状态下的阀芯位移变量、线圈电流信号及阀芯两侧压差之间的关系式；

根据该关系式以及电磁阀线圈组件的电流信号和电磁阀上、下游的液压力信号，求解得到当前时刻的阀芯位置预估值。

6.如权利要求1所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制的方法，包括：

基于目标液压力，求解得到线圈电流的前馈命令值；

根据阀芯位置预估值，以及目标液压力、电磁阀上、下游的液压力信号及制动轮缸液压力变化率模型，求解得到线圈电流的反馈命令值；

基于线圈电流的前馈命令值和反馈命令值，对制动轮缸的液压力进行控制。

7.如权利要求6所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述前馈命令值为：

式中，u_ff为线圈电流的前馈命令值；k_h1、k_h2为液压力系数；

为阀芯位置预估值；p_m为电磁阀上游液压力；

为目标液压力；k_s为弹簧力系数；z₀为回位弹簧的预压缩量；k_e1、k_e2为电磁力系数。

8.如权利要求6所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述线圈电流的反馈命令值为：

式中，u_fb为线圈电流的反馈命令值；k_h1、k_h2为液压力系数；

为阀芯位置预估值；λ为滑模面参数；p_m为电磁阀上游液压力；p_w为实际液压力；

为目标液压力；

为制动轮缸液压力变化率的估计值；k_s为弹簧力系数；z₀为回位弹簧的预压缩量；k_e1、k_e2为电磁力系数。

9.如权利要求2所述的一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制方法，其特征在于，所述基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制的方法，包括：

将线圈电流的前馈命令值和反馈命令值求和，得到电磁阀的线圈组件的电流命令值；

将电流命令值作用到电磁阀的线圈组件，根据所需的目标液压力对输入电磁阀的液压力进行控制。

10.一种基于阀芯位置预估的电磁阀液压力控制***，其特征在于，包括：

受力平衡方程式获取模块，用于基于确定的电磁阀类型，获得阀芯的受力平衡方程式；

阀芯位置预估值获取模块，用于基于电磁阀阀芯的受力平衡方程式、电磁阀线圈组件的电流信号以及电磁阀上、下游的液压力信号，计算得到当前时刻的阀芯位置预估值；

液压力控制模块，用于基于当前时刻的阀芯位置预估值，求解得到线圈组件电流信号的前馈命令值和反馈命令值，并对制动轮缸的液压力进行控制。

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