基于滑移率的電控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配算法

基于滑移率的電控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配算法

ebs制動(dòng)性能半掛車列車以其大的裝載能力、低的運(yùn)輸成本和方便的交通方式而聞名，在商用車中占有重要地位。常規(guī)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)由于管路較長(zhǎng),制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。電控制動(dòng)系統(tǒng)(electroniccontrolledbrakingsystem,EBS)實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)過(guò)程的電子控制,可以大幅縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間,從而縮短制動(dòng)距離。EBS未來(lái)還可應(yīng)用于電動(dòng)車等新能源車,從而提高制動(dòng)性能。國(guó)外對(duì)于EBS系統(tǒng)的開發(fā)始于20世紀(jì)末。1993年,BOSCH公司與SCANIA公司合作開發(fā)的EBS系統(tǒng)應(yīng)用于SCANIA牽引車和掛車上;1996年,WABCO公司的EBS應(yīng)用于奔馳ACTROS系列車型上,克諾爾制動(dòng)器制造股份公司也開發(fā)了商用車電子控制制動(dòng)系統(tǒng)。目前,EBS系統(tǒng)集成了ABS、ASR和ESP等多種控制功能。該系統(tǒng)正在歐美商用車市場(chǎng)上快速普及,國(guó)內(nèi)還處于研究階段。EBS系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中,主、掛車均在駕駛員的控制下產(chǎn)生制動(dòng)力。汽車列車各個(gè)車軸理想的制動(dòng)力分配應(yīng)與車輪的垂直載荷成正比,與路面附著系數(shù)、汽車載荷和制動(dòng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。合理的制動(dòng)力分配可提高車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性,同時(shí)可使各個(gè)車輪均有較高的附著系數(shù)利用率,從而充分利用路面的附著條件,增大制動(dòng)減速度,縮短制動(dòng)距離。本文中主要針對(duì)半掛汽車列車提出了制動(dòng)力分配控制算法。根據(jù)不同情況,使?fàn)恳嚭筝喓桶霋燔囓囕喌哪繕?biāo)滑移率隨前輪滑移率而變化。在Matlab/Simulink環(huán)境中根據(jù)控制算法建立控制器模型,并與Trucksim軟件中的車輛模型聯(lián)合仿真。通過(guò)對(duì)比安裝常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)和EBS系統(tǒng)車輛模型在高附著和低附著路面上直線制動(dòng)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制算法。1半掛式汽車列車控制算法研究表明:牽引車前輪先抱死時(shí),汽車將失去轉(zhuǎn)向能力,如果受到側(cè)向力干擾,可能出現(xiàn)跑偏,此時(shí)可通過(guò)操縱制動(dòng)踏板及加速等方式恢復(fù)穩(wěn)定行駛;牽引車后輪先抱死時(shí),可能出現(xiàn)折疊現(xiàn)象,此時(shí)車輛無(wú)法恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài),處于危險(xiǎn)工況;半掛車車輪先抱死時(shí),可能出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象,如果操作適當(dāng),可恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài)。根據(jù)車輛制動(dòng)時(shí)的可控制性,以上3種情況的危險(xiǎn)程度由高到低依次為折疊、甩尾和失去轉(zhuǎn)向能力。因此當(dāng)車輪無(wú)法同時(shí)抱死時(shí),理想的抱死順序?yàn)闋恳嚽拜?、半掛車車輪和牽引車后輪。根?jù)以上分析,提出如下控制算法。(1)制動(dòng)開始時(shí),隨著制動(dòng)踏板位移的增加,制動(dòng)器的制動(dòng)力不斷增大。半掛汽車列車因各個(gè)車輪的垂直載荷不同,車輪的滑移率不同。當(dāng)某個(gè)車輪的滑移率達(dá)到8%時(shí),電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)開始起作用。(2)如果是前軸車輪先達(dá)到8%的滑移率,使后兩軸車輪的滑移率跟隨前軸車輪的滑移率?？紤]到車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性,同時(shí)保證車輛較高的制動(dòng)效能,使?fàn)恳嚭筝喌哪繕?biāo)滑移率為前輪的90%,半掛車車輪的目標(biāo)滑移率為前輪的95%。當(dāng)牽引車后輪或半掛車車輪先達(dá)到8%的滑移率時(shí),將這兩軸車輪的目標(biāo)滑移率均設(shè)為8%。當(dāng)制動(dòng)踏板行程繼續(xù)增加,前輪滑移率超過(guò)8%時(shí),另外兩軸車輪的目標(biāo)滑移率開始跟隨前輪滑移率并且大于8%。前軸車輪的制動(dòng)力由駕駛員通過(guò)制動(dòng)踏板控制,這樣既可以使汽車列車充分利用路面的附著系數(shù),又可以控制牽引車后輪和半掛車車輪的滑移率在安全范圍內(nèi),保證行車安全。(3)電子制動(dòng)力分配控制的車輪滑移率范圍為8%~15%,當(dāng)任何一個(gè)車輪的滑移率超過(guò)15%時(shí),各個(gè)車輪均增加制動(dòng)壓力,直至ABS系統(tǒng)起作用。當(dāng)車速低于5km/h時(shí),由制動(dòng)踏板控制制動(dòng)壓力。通過(guò)以上過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了從常規(guī)制動(dòng)到制動(dòng)力分配控制,再到ABS系統(tǒng)起作用的平穩(wěn)過(guò)渡。在進(jìn)入ABS系統(tǒng)控制時(shí),各個(gè)車輪對(duì)路面附著系數(shù)的利用率均達(dá)到了較高的水平,不僅縮短了制動(dòng)距離,而且提高了制動(dòng)時(shí)半掛汽車列車的穩(wěn)定性?？刂扑惴鞒虉D如圖1所示。圖中s為所有車輪最大滑移率,s1為牽引車前輪最大滑移率,s2為牽引車后輪滑移率,s3為半掛車車輪滑移率。2聯(lián)合模擬模型2.1制動(dòng)控制模塊在Matlab/Simulink環(huán)境中建立EBS的控制器模型。該模型由車速判斷模塊、滑移率計(jì)算模塊、制動(dòng)踏板模塊、制動(dòng)力分配控制器、常規(guī)制動(dòng)控制器、簡(jiǎn)化的ABS控制器和邏輯判斷模塊等組成。其輸入為車速和輪速信號(hào),輸出為牽引車后輪和半掛車車輪制動(dòng)氣室壓力信號(hào)?？刂破骺驁D見(jiàn)圖2。2.2汽車列車車輛模型本文中的車輛模型采用Trucksim軟件中的半掛汽車列車車輛模型。整車模型分為車身模型、空氣動(dòng)力學(xué)模型、傳動(dòng)系模型、制動(dòng)系模型、輪胎模型、懸架模型和轉(zhuǎn)向系模型7部分。部分整車參數(shù)見(jiàn)表1。3制動(dòng)氣室壓力信號(hào)仿真采用Simulink與Trucksim聯(lián)合仿真。車輛模型為控制器模型提供輪速及車速信號(hào),控制器模型通過(guò)計(jì)算為車輛模型提供制動(dòng)氣室壓力信號(hào)。仿真條件為緊急制動(dòng),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為0°,車輛空載。為了驗(yàn)證控制算法在不同附著系數(shù)路面上的控制效果,聯(lián)合仿真時(shí)選擇附著系數(shù)為0.8、初速為80km/h和附著系數(shù)為0.3、初速為40km/h兩種工況進(jìn)行直線制動(dòng)仿真,并對(duì)比常規(guī)制動(dòng)、ABS制動(dòng)和EBS制動(dòng)3種條件下的仿真結(jié)果。3.1abs制動(dòng)車輛車輪抱死原因分析圖3為高附著路面制動(dòng)距離仿真曲線,常規(guī)制動(dòng)、ABS制動(dòng)和EBS制動(dòng)的制動(dòng)距離分別為48.25、36.93和33.95m。與常規(guī)制動(dòng)和ABS制動(dòng)相比,EBS均可有效縮短制動(dòng)距離。圖4、圖5和圖6為高附著路面輪速與車速變化仿真曲線。由圖可見(jiàn):常規(guī)制動(dòng)車輛車輪迅速抱死,車輛處于危險(xiǎn)狀況;安裝ABS車輛車輪未抱死,但進(jìn)入ABS控制前,各個(gè)車輪滑移率相差較大,未能充分利用路面的附著條件;安裝EBS的車輛在進(jìn)入ABS控制以前就開始進(jìn)行制動(dòng)力分配控制,使各個(gè)車輪的滑移率相近,可充分利用路面的附著條件。進(jìn)入ABS控制后可以防止車輪抱死。圖7、圖8和圖9為高附著路面制動(dòng)氣室壓力變化仿真曲線。由圖可見(jiàn):常規(guī)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)氣室壓力很快上升到最大值,并未根據(jù)制動(dòng)工況進(jìn)行調(diào)節(jié);ABS控制對(duì)制動(dòng)氣室壓力進(jìn)行了調(diào)節(jié),從而防止車輪抱死;EBS比ABS更早介入控制,可以在制動(dòng)開始時(shí)合理分配制動(dòng)力。3.2abs制動(dòng)力分配功能仿真分析圖10為低附著路面制動(dòng)距離仿真曲線。常規(guī)制動(dòng)、ABS制動(dòng)和EBS制動(dòng)的制動(dòng)距離分別為30.39、25.20和24.01m。與常規(guī)制動(dòng)和ABS制動(dòng)相比,EBS均縮短了制動(dòng)距離,但縮短的百分比小于在高附著路面制動(dòng)工況。這主要是由于路面附著系數(shù)低,緊急制動(dòng)時(shí)車輪很快進(jìn)入ABS控制,制動(dòng)力分配功能作用時(shí)間較短,因而未能充分利用路面附著條件。圖11、圖12和圖13為低附著路面輪速與車速變化仿真曲線。由圖可見(jiàn):安裝常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)的車輛車輪迅速抱死;安裝ABS車輛車輪未抱死,但進(jìn)入ABS控制前,各個(gè)車輪滑移率相差較大,未能充分利用路面的附著條件;安裝EBS的車輛在進(jìn)入ABS控制以前就開始進(jìn)行制動(dòng)力分配控制,使各個(gè)車輪的滑移率相近,可以充分利用路面附著條件。進(jìn)入ABS控制后可以防止車輪的抱死。圖14、圖15和圖16為低附著路面制動(dòng)氣室壓力變化仿真曲線。由圖可見(jiàn):常規(guī)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)氣室壓力很快上升到最大值,這將導(dǎo)致車輪抱死;ABS控制對(duì)制動(dòng)氣室壓力進(jìn)行了調(diào)節(jié),從而防止車輪抱死;EBS比ABS更早地介入控制,可以在制動(dòng)初期合理分配制動(dòng)力。4車輛動(dòng)態(tài)制動(dòng)工況根據(jù)對(duì)半掛汽車列車制動(dòng)穩(wěn)定性的研究,提出了一種基于滑移率的電