CN1295952A - 汽车防抱制动***参考车速确定方法及其制动控制程序 - Google Patents

Abstract

本发明是一种汽车防抱制动***参考车速的确定方法及其制动控制程序。本发明是通过确定轮缸压力函数P_I(t),利用轮速传感器信号ω_i、计算出dω_i/dt结合轮缸压力函数p_i(t)求出车轮地面制动力F_bi,再求出平均减速度dv/dt,最后计算出参考车速V_ref及控制参数滑移率S_i,

;

;然后编制控制程序进行实时确定和控制。本发明克服和解决了现有ABS技术的缺点和问题,能适用各种车型,且能直接获得制动过程控制参数,便于实时合理控制,提高控制精度,节约新车型ABS开发成本。

Description

汽车防抱制动***参考车速 确定方法及其制动控制程序

本发明是一种汽车防抱制动***ABS(anti-lock braking system)参考车速的确定方法及其制动控制程序，属汽车主动安全技术。

汽车防抱制动***ABS是汽车紧急制动时，防止车轮抱死，使之能较充分利用道路附着系数φ，增加制动力F_bi，缩短制动距离，并保持制动时汽车方向稳定，使车轮能承受一定侧向力。循环压力控制式的ABS***主要由制动踏板、制动总缸、压力调节器、控制单元、轮速传感器、车轮制动器构成。当汽车紧急制动时，驾驶员踩下制动踏板，施加压力于制动总缸，从而给压力调节器提供压力源。压力调节器包括高压和低压的供应源，在制动过程中，压力源压力基本保持不变。压力调节器在控制单元的控制下调节供给车轮制动器的轮缸的压力，使车轮制动力矩增加或减少，使道路的附着力得到合理利用。各轮轮速传感器轮速脉冲输入ABS控制单元，由控制单元判断车辆制动状态、车轮制动强度和地面附着系数范围，对每个车轮(或某一车轴)对应的压力调节器发出相应控制信号，改变各轮制动器的制动压力，以实现对地面附着系数合理有效的利用。汽车未制动时，四个车轮轮速传感器测得的轮速基本一致，可以选取其均值作为汽车速度，制动开始后的车速由控制***调节各轮的制动力矩和相应的道路附着系数决定。为了保证ABS控制***的故障不影响常规制动能力，车辆启动时对ABS***进行自检，若ABS控制***有故障则断开ABS控制***，恢复常规制动。制动过程中若车速小于某预定值，也将ABS控制***恢复常规制动，保证车辆可靠停车。汽车ABS***控制的方法是通过对车轮制动力矩的调节，防止出现车轮抱死并获得尽量高的平均附着系数利用率，减少制动距离，并保持较大的抗侧偏能力，防止制动时车辆跑偏超出允许的道路宽度。汽车减速运动主要受车轮纵向附着系数的限制，转向和抵抗外界横向力作用的能力则主要由车轮横向附着系数的影响。车轮滑移率S_i描述车轮运动中滑动所占比例。车轮纵向、横向附着系数与滑移率变化状态曲线图如图1所示，滑移率较小时，附着系数φ与滑移率S成正比，滑移率约为15％～25％时纵向附着系数到达峰值φ_p。滑移率超过附着系数峰值点后再增加，纵向附着系数反而减小，直至趋于定值即滑动附着系数φ_s，也就是说滑移率为100％(即车轮抱死拖滑)时纵向附着系数为φ_s。纵向附着系数峰值点附近的滑移率值实质上反映轮胎接地面大部分处于拉伸状态，少部分处于滑移状态，此时的纵向附着系数较接近轮胎与地面的静摩擦系数。当轮胎完全抱死拖滑时，纵向附着系数为滑动摩擦系数，因此φ_s总是小于φ_p的。在高附着系数路面上，φ_p在S约10～20％处；在低附着系数路面上，φ_p在S约20～40％处。当纵向附着系数处于峰值点附近时，横向附着系数也保持在最大横向附着系数的50～75％，车轮保持较大的抗侧偏能力(保持转向能力)；当车轮滑移率处于纵向附着系数峰值点左侧时，纵向附着系数随着滑移率的增大而增大，横向附着系数保持较大数值，此时车轮制动处于稳定状态。当车轮滑移率超过纵向附着系数峰值点后，车轮制动进入不稳定状态，附着系数的减小，使得一定制动力矩下车轮减速度增大，车轮滑移率进一步增大，车轮迅速抱死；相应横向附着系数下降很快到零，偶然的外界横向力作用在后轴上将导致严重的侧滑，作用到前轴将失去方向操纵能力，汽车有可能出现严重的安全事故。

ABS的工作原理是：根据车轮与地面的滑移率-附着系数的关系，控制各车轮的制动强度，合理、有效地利用地面纵向、横向附着系数，将车轮滑移率控制在纵向附着系数峰值点左侧附近，获得最大的纵向附着系数和较大的横向附着系数。在防止出现车轮抱死的前提下，提高制动效能(较小的制动距离)，保证一定的转向操纵能力和方向稳定性；要充分且合理利用道路的附着系数，就必须调节制动车轮的滑移率S_i，使之处于合理范围。 $S_i=\frac{V-{\mathrm{\ω}}_i*R}{V}----\left(1\right)$

式中ω_i为车轮角速度，R为车轮半径，V为车速。一般汽车ABS仅有车轮转速传感器，只能获取车轮转速信号，无法直接利用轮速讯号进行车速信号的计算。已公开介绍的ABS制动技术，参考车速V_ref的确定均指出利用ω_i，dω_i/dt、道路特点、车型及制动系结构进行适当的组合，可以用初速度V_o和平均减速度dv/dt，求出车速(即参考车速)： $V_{\mathrm{ref}}=V_0+\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}*\mathrm{\Δt}----\left(2\right)$

实际上平均减速度dv/dt及初速度V_o均为时间函数，无法用较明确简便的算法求得，必须通过大量道路制动实验来确定其有效算法，这是现有ABS技术成本高的关键-必须根据不同车型特点实现控制。

本发明的目的就是为了克服和解决现有ABS技术中存在必须根据不同车型分别通过大量道路制动实验来确定参考车速，花费时间长、计算复杂、成本太高等的缺点和问题，研究发明一种能适用不同车型的汽车防抱制动***参考车速的确定方法及其制动控制程序，以便进而计算出主控制参数滑移率，确定防抱制动过程在合理范围内，缩短时间、提高效率、降低成本。

本发明是通过下述技术方案来实现的：它是利用车轮轮速传感器信号ω_i计算出dω_i/dt，再结合轮缸压力函数P_i(t)求出车轮地面制动力F_bi，再求出车辆平均减速度dv/dt，进而计算出参考车速V_ref，然后算出主控参数滑移率S_i以便确定汽车防抱制动***的制动过程是否在控制范围内；首先确定轮缸压力函数P_i(t)，轮缸压力函数P_i(t)采用台架试验的方法获得；轮缸压力函数P_i(t)的确定计算框图如图2所示，轮缸压力函数P_i(t)受到制动轮缸、管路的结构材料、容积、电磁阀开关特性、制动媒介性能及制动管路布置等众多因素的影响，理论分析已经确定压力函数的阶次，有限的台架试验和计算可以获得不同调节模式下的压力函数，其步骤如下：(1)按结构布置设计，装好控制单元、压力调节器及制动总缸、车轮制动器并连接好管路、轮速传感器、压力传感器等电路；(2)按需要将压力调节模式分为升压、慢升压、保压、慢降压、降压五种模式；(3)测量不同压力调节模式下的压力源压力与轮缸压力的变化曲线，多次测量，直至一定的调节模式的持续时间Δt内，其积分均值稳定； $\frac{1}{N}{\∫}_0^{\mathrm{\Δt}}{P}_i\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^{\mathrm{\Δt}}{P}_i^{-}\left(t\right)\mathrm{dt}$ 上式中：N为测量的次数，p_i(t)是实测曲线，p_i ^-(t)为拟合曲线；某种调节模式的轮缸压力函数拟合得到轮缸压力函数，结合各车轮的ω_i、 $\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}}$ 和结构参数，便可计算各轮的地面制动动力F_bi，进而获得整车减速度平均值dv/dt，就能算出ABS控制过程的关键参数-参考车速V_ref；在制动过程中单轮受力如图3所示，根据牛顿定律，紧急制动时，车轮受地面制动力F_bi和制动器制动力矩M_bi作用，车轮的转动惯量J_i的角加速度 $\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}}$ 可用式(3)表示： $\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{M_{\mathrm{bi}}-F_{\mathrm{bi}}*R}{J_i}----\left(3\right)$

式中：M_bi是制动器制动力矩；F_bi是单轮道路制动力；R为车轮半径；而制动器制动力矩与制动轮缸压力函数P_i(t)的关系如式(4)：              M_bi=K_i ^*P_i(t)    (4)

式中：K_i为系数；整车制动过程受力情况如图4所示，汽车防抱制动***紧急制动时计算参考车速可以不计滚动阻力和空气阻力的影响，整车平均减速度可以由(5)式得出： $m\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{bi}}----\left(5\right)$ 其中m为整车质量；(3)、(4)式联立可求出某一单轮道路制动力F_bi， $F_{\mathrm{bi}}=(K_i*P_i\left(t\right)-J_i\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}})/R----\left(6\right)$ 并可以判定此时该轮的道路附着系数： ${\mathrm{\Φ}}_i=\frac{F_{\mathrm{bi}}}{N_i}----\left(7\right)$ $\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{bi}}}{m}----\left(8\right)$

利用已确定的制动过程各轮缸压力函数P_i(t)，便能计算出F_bi，从式(1)和(2)便能导出参考车速V_ref和滑移率S_i的计算式： $V_{\mathrm{ref}}=V_0+\frac{\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{bi}}}{m}*\mathrm{\Δt}----\left(9\right)$ $S_i=\frac{V_{\mathrm{ref}}-{\mathrm{\ω}}_i*R}{V_{\mathrm{ref}}}----\left(10\right)$

具体实施时，采用稳定的高压制动压力源以及能完成轮缸压力P_i(t)、轮角速减速度dω_i/dt、地面制动力F_bi、道路附着系数φ_i、参考车速V_ref和滑移率S_i的计算，并与设定门限值、滑移率设定范围进行比较的控制单元，实施对压力调节器的升压、慢升压、保压、慢减压、减压等五种方式的控制以达到制动控制的目的；制动控制程序流程框图如图5所示，其制动控制程序流程如下：开始制动时，总缸压力增加，制动压力调节电磁阀未接到控制信号时保持常通状态，等效于常规制动，各车轮制动分缸压力随之增大；受到制动力矩的作用，车轮转速ω_i减少，车轮相对路面产生滑移的运动趋势，同时路面反作用产生制动力F_bi车轮；整车制动力是所有车轮的地面制动力之和，在整车制动力作用下获得减速度(紧急制动时，忽略空气阻力和车轮滚动阻力)；同时，在制动力矩ω_i和地面制动力的共同作用下，车轮角速度变化，产生角减速度；ABS控制***采集到轮速信号，分析其变化趋势，即可得到ω_i和dω_i/dt；ABS控制模块可以在各轮轮速信号的基础上计算出该汽车此时参考车速V_ref和各轮滑移率S_i，与控制门限比较后发出下一轮控制信号；将参考车速与ABS最低作用车速V_min比较，若小于最低作用车速5～10km/h，即使车轮抱死也不会发生安全事故，可关闭ABS控制，恢复常规制动。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：(1)本发明解决了现有ABS必须根据不同车型通过大量道路制动实验来确定参考车速问题，降低成本；(2)通过本发明能直接获得制动过程主控制参数S_i和道路附着系数φ_i，可提高控制精度；(3)减少了ABS控制逻辑参数所必须进行的各种车型的大量道路试验工作量，节约了新车型ABS的开发成本。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是滑移率S_I与附着系数φ_i关系曲线图；图2是轮缸压力函数P_i(t)确定框图；图3是ABS制动过程中单轮受力示意图；图4是ABS制动过程中整车受力示意图；图5是本汽车防抱制动***制动控制程序流程框图。各图中：φ_i为道路附着系数；S_i为制动车轮的滑移率；P为总泵制动压力；P_h为高压源；P_L为低压源；P_i(t)为轮缸力函数；J_i为车轮转动惯量；F_bi为车轮受地面制动力；M_bi为制动器制动力矩；N_i为单轮正压力； $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$ 为整车平均减速度；mg为汽车重量；hg是汽车重心高度；F_bf为前轮制动力；F_br是后轮制动力；N_f是前轮正压力；N_r是后轮正压力；L_f是车辆重心到前轮轴中心距离；L_r是车辆重心离后轮轴中心距离；L是前后轮中心距。

本发明的实施方式可为如下：(1)实施本发明的条件是：①有稳定的高压制动压力源，如可选用TOYOTA汽车用DENSO型油泵；②有满足控制要求的控制器，能实施对压力调节器的升压、慢升压、保压、慢减压、减压等五种方式的控制，而且控制器能完成轮缸压力P_i(t)、轮减速度dω_i/dt、地面制动力F_bi、道路附着系数φ_i、参考车速V_ref和滑移率S_i的计算，并与设定门限值、滑移率设定范围进行比较，发出下一轮控制讯号以达到控制目的；(2)按图5所示程序流程框图编控制程序软件并输入控制器的控制芯片。发明人实施本发明已在中国广东南海汽车厂生产的富迪牌NHQ1036QJ型汽车上实施成功。实施过程中，采用日本本田公司生产的轮速传感器，日本本田公司佳美车型专用的DENSD防抱制动***的执行器及控制器，控制器采用了Microchip公司生产的pic16c73控制芯片，实验结果表明，通过本发明确定的参考车速进行的防抱制动控制可明显缩短制动距离，防止车轮抱死。

Claims (2)

1、一种汽车防抱制动***参考车速的确定方法，其特征在于：它是利用车轮轮速传感器信号ω_i计算出dω_i/dt，再结合轮缸压力函数P_i(t)求出车轮地面制动力F_bi，再求出车辆平均减速度dv/dt，进而计算出参考车速V_ref，然后算出主控参数滑移率S_i以便确定汽车防抱制动***的制动过程是否在控制范围内；首先确定轮缸压力函数P_i(t)，轮缸压力函数P_i(t)采用台架试验的方法获得；有限的台架试验和计算可以获得不同调节模式下的压力函数，其步骤如下：(1)按结构布置设计，装好控制单元、压力调节器及制动总缸、车轮制动器并连接好管路、轮速传感器、压力传感器等电路；(2)按需要将压力调节模式分为升压、慢升压、保压、慢降压、降压五种模式；(3)测量不同压力调节模式下的压力源压力与轮缸压力的变化曲线，多次测量，直至一定的调节模式的持续时间Δt内，其积分均值稳定； $\frac{1}{N}{\∫}_0^{\mathrm{\Δt}}{P}_i\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^{\mathrm{\Δt}}{P}_i^{-}\left(t\right)\mathrm{dt}$ 上式中：N为测量的次数，p_i(t)是实测曲线，p_i ^-(t)为拟合曲线；某种调节模式的轮缸压力函数拟合得到轮缸压力函数，结合各车轮的ω_i、dv/dt和结构参数，便可计算各轮的地面制动动力F_bi，进而获得整车减速度平均值dv/dt，就能算出ABS控制过程的关键参数-参考车速V_ref；根据牛顿定律，紧急制动时，车轮受地面制动力F_bi和制动器制动力矩M_bi作用，车轮的转动惯量J_i的角加速度 $\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}}$ 可用式(3)表示： $\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{M_{\mathrm{bi}}-F_{\mathrm{bi}}*R}{J_i}----\left(3\right)$

式中：M_bi是制动器制动力矩；F_bi是单轮道路制动力；R为车轮半径；而制动器制动力矩与制动轮缸压力函数P_i(t)的关系如式(4)：

   M_bi=K_i ^*P_i(t)                     (4)

式中：K_i为系数；汽车防抱制动***紧急制动时计算参考车速可以不计滚动阻力和空气阻力的影响，整车平均减速度可以由(5)式得出： $m\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{bi}}----\left(5\right)$ 其中m为整车质量；(3)、(4)式联立可求出某一单轮道路制动力F_bi， $F_{\mathrm{bi}}=(K_i*P_i\left(t\right)-J_i\frac{d{\mathrm{\ω}}_i}{\mathrm{dt}})/R----\left(6\right)$ 并可以判定此时该轮的道路附着系数： ${\mathrm{\Φ}}_i=\frac{F_{\mathrm{bi}}}{N_i}----\left(7\right)$ $\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{bi}}}{m}----\left(8\right)$

利用已确定的制动过程各轮缸压力函数P_i(t)，便能计算出F_bi，从式(1)和(2)便能导出参考车速V_ref和滑移率S_i的计算式： $V_{\mathrm{ref}}=V_0+\frac{\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{bi}}}{m}*\mathrm{\Δt}----\left(9\right)$ $S_i=\frac{V_{\mathrm{ref}}-{\mathrm{\ω}}_i*R}{V_{\mathrm{ref}}}----\left(10\right)$

具体实施时，采用稳定的高压制动压力源以及能完成轮缸压力P_i(t)、轮角速减速度dω_i/dt、地面制动力F_bi、道路附着系数φ_i、参考车速V_ref和滑移率S_i的计算，并与设定门限值、滑移率设定范围进行比较的控制单元，实施对压力调节器的升压、慢升压、保压、慢减压、减压等五种方式的控制以达到制动控制的目的。

2、一种汽车防抱制动***参考车速确定的制动控制程序，其特征在于：开始制动时，总缸压力增加，制动压力调节电磁阀未接到控制信号时保持常通状态，等效于常规制动，各车轮制动分缸压力随之增大；受到制动力矩的作用，车轮转速ω_i减少，车轮相对路面产生滑移的运动趋势，同时路面反作用产生制动力F_bi给车轮；整车制动力是所有车轮的地面制动力之和，在整车制动力作用下获得减速度；同时，在制动力矩和地面制动力的共同作用下，车轮角速度变化，产生角减速度；ABS控制***采集到轮速信号，分析其变化趋势，即可得到ω_i和dω_i/dt；ABS控制模块可以在各轮轮速信号的基础上计算出该汽车此时参考车速V_ref和各轮滑移率S_i，与控制门限比较后发出下一轮控制信号；将参考车速与ABS最低作用车速V_min比较，若小于最低作用车速5～10km/h，即使车轮抱死也不会发生安全事故，可关闭ABS控制，恢复常规制动。

Images