摘要
本文中提出一种满足高级自动驾驶汽车功能需求的线控制动系统，包括两种工作模式：常规制动和冗余制动。无论哪种工作模式，该系统都能将制动踏板和制动压力解耦，并实现主动线控制动功能。针对占绝大部分工作区间的常规制动，采用了一种变等效活塞截面积控制方法，在保证压力控制精度的同时降低液压缸电机的性能要求，并延长其使用寿命。同时为了实现压力精确控制，针对两种工作模式下不同的硬件结构特点，分别提出了基于轮缸p-V特性和电磁阀溢流特性的压力控制算法。最后进行仿真分析与硬件在环试验，证明所提线控制动系统和压力控制算法的可行性和有效性。
1 线控制动系统设计
1.1 线控制动系统结构设计
本文所提出液压线控制动系统结构简图如图1所示，由主制动单元（MBU）和冗余制动单元（RBU）组成。其中PSU为踏板模拟单元，PBU为动力制动单元，MHCU为主液压控制单元，PSS为踏板行程模拟器，MC为制动主缸，SCV为模拟器截止阀，PBCV为电动液压缸截止阀，PBC为电动液压缸，MSV为模式切换阀，PBIV为电动液压缸隔离阀，MCIV为主缸隔离阀，HCV为管路联通阀，HSV为高压切换阀；PRV为压力调节阀，FLIV、FLOV分别为左前轮进、出液阀，RRIV、RROV分别为右后轮进、出液阀，FRIV、FROV分别为右前轮进、出液阀，RLIV、RLOV分别为左后轮进、出液阀。
图1 液压线控制动系统结构图
MBU包括PSU、PBU和MHCU 3个模块，其中：PSU包括制动踏板、制动主缸、制动液储液杯、PSS和2个踏板位移传感器；PBU包括PBC以及若干开关电磁阀，其中PBC前后两腔均装有压力传感器，PBC无刷驱动电机装有转子位置传感器；MHCU包括每个制动器的进出液阀。PSS由活塞和弹性元件组成，工作时其内部压力随输入液体的体积而变化，以模拟踏板感觉。PSS由SCV控制，SCV为常闭阀，以确保系统不通电时PSS保持关闭，主缸的输出接口直接与RBU相连。
MBU中高压制动液由PBC产生，其结构如图2所示。PBC由无刷电机通过传动机构驱动，电机旋转运动被转换为活塞直线往复运动，活塞上装有两个方向的皮碗，可以实现活塞往复双向建压。PBC配有6个电磁阀，分别是MSV、HCV、PBCV1和PBCV2、PBIV1和PBIV2，MSV用于切换PBC的压力调节模式，使液压缸可以在不同运动方向上增减压；由于PBC不是双腔结构，需要用HCV使PBC同时控制两组管路的压力；PBCV用于连接PBC和储液杯，可以为PBC补充制动液，或在活塞移动时从PBC排出制动液；PBIV用于确保系统不通电时，制动液不会流向PBC。
图2 电动液压缸PBC结构（不含电机和传动机构）
RBU是一个简化的ESC液压控制单元，它省去了进气阀、出气阀和低压蓄能器，只保留了液压泵、HSV和PRV。HSV是开关电磁阀，用于控制液压泵的开启和关闭；PRV是线性电磁阀，用于调节液压泵输出压力，通过控制电磁阀和液压泵，可以保证MBU发生故障时，RBU仍能进行主动制动并实现精确压力控制。
1.2 线控制动系统工作模式分析
上述线控制动系统包括两种工作模式：常规制动和冗余制动。常规制动时MBU工作，首先控制HCV打开，将两套独立的液压制动管路连接在一起，使PBC可以同步调节4个制动器压力。常规制动包括高压、中压和低压3种压力调节模式，通过控制电磁阀MSV、PBCV1和PBCV2、PBIV1和PBIV2，系统可以在不同压力调节模式之间切换，图3～图5是不同压力调节模式下四轮同步增压时PBU工作状态，图中箭头反向即为减压状态。在不同压力调节模式下，PBC等效活塞截面积不同，因此制动液排量和压力调节率也不同，这种设计能降低对PBC电机性能要求，提高中压和高压下的压力调节精度。
图3 低压模式下四轮同步增压时PBU工作状态
图5 高压模式下四轮同步增压时PBU工作状态
由图可见，随着压力调节模式的变化，实际承受液压的等效活塞截面积也随之变化，公式如下：
图4 中压模式下四轮同步增压时PBU工作状态
式中：A pbe为等效活塞截面积，mm2；A pis为活塞截面积，mm2；A rod为活塞杆截面积，mm2。
MBU出现单点故障时，冗余制动单元RBU将取代MBU进行制动压力控制。在冗余制动模式下，MCIV1和MCIV2打开，HCV、PBIV1和PBIV2关闭，压力控制由液压泵、HSV、PRV完成。
系统增压时RBU工作状态如图6所示，此时打开HSV关闭PRV，液压泵将制动液泵入轮缸，通过调整PRV1和PRV2的驱动电流从而调节压力。当系统减压时，打开PRV关闭HSV，制动液流回制动主缸以实现减压。
图6 主动增压时RBU工作状态
2 压力控制算法研究
精确液压制动力控制是线控制动系统的一项关键技术，压力控制效果的优劣直接影响系统最终控制品质。本文针对系统常规制动和冗余制动两种工作模式，分别提出基于轮缸p-V特性和基于电磁阀溢流特性的压力控制算法。两种压力控制算法均属于第二类控制算法，根据执行部件物理特性确定关键控制参数，并通过试验标定其与控制目标的关系数表，最终加以控制。
2.1 常规制动压力控制算法
PBU是本文线控制动系统的主要压力源。MBU未发生故障时，全部高压制动液均由PBU产生，并通过电磁阀和液压管线送至制动器。
因此控制PBU向制动器注入一定体积油液，便可在制动器中产生目标压力，所需制动液体积可根据轮缸p-V特性曲线插值得到。当目标压力为p时，所有制动器所需注入制动液体积为
然而无法直接对PBC活塞的位移进行控制，因此需要通过控制电机转矩间接控制。
将式（13）代入式（14），可得到减压状态下活塞杆电机推力为
2.2 冗余制动压力控制算法
高度自动驾驶汽车要求出现单点故障时仍能实现主动线控制动，这意味着制动系统应该有第2个独立制动部件。
本文所述第2个制动部件是冗余制动单元RBU。根据前文描述，RBU有2个线性常开电磁阀PRV，线圈通电后，电磁阀的动铁和定铁会因磁化而产生电磁力，电磁力推动动铁和阀芯，克服液压力和弹簧力，使电磁阀关闭。PRV阀芯运动方程可表示为：
式中：A pv为工作气隙的面积，m2；μ0为真空渗透率，N/A2；N c为线圈匝数；i c为线圈电流，A；x cpv0为阀芯初始工作气隙，mm。
如图7所示，本文在AMESim中建立PRV电磁阀仿真模型，电磁阀的电磁力和线圈电感通过查表得到，线圈模型由RL串联电路表示，电源为直流电，由PWM信号控制。
图7 PRV电磁阀AMESim模型
在仿真模型中，使用不同占空比的PWM信号来驱动电磁阀，得到图8压力响应曲线。可见在一定驱动信号占空比范围内，电磁阀表现出良好的比例溢流特性，即通过调节驱动信号占空比，可以得到目标稳态溢流压力。通过试验台架所得压力响应曲线如图9所示，与仿真模型表现特性相似。
图8 电磁阀溢流特性仿真曲线
图9 电磁阀溢流特性试验曲线
根据图6，PRV电磁阀溢流压力与主缸压力的差值即为轮缸液压力，因此可以通过控制PWM信号占空比得到目标轮缸液压力，公式表示为：
式中：K prv为PRV溢流压力p prv与PWM信号占空比D c的比例系数，mL/MPa；p wc为轮缸液压力，MPa；p mc为主缸压力，MPa。
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