一种基于蓄能器补偿的线控电子液压制动系统及控制方法与流程

本发明属于电子液压制动系统技术领域，尤其是涉及一种以高压蓄能器作为建压补偿的电子液压制动系统及控制方法。

背景技术：

电子液压制动系统目前主要分为两类，一种是以蓄能器和电磁阀为主要执行机构的泵式电子液压制动系统(p-ehb)，另一种是以电机和减速机构为主要执行机构的集成式电子液压制动系统(i-ehb)。在p-ehb系统中，电子控制单元识别驾驶员制动意图后，通过使用高压蓄能器和低压蓄能器分别建立高压液压源和低压液压源，针对车辆当前横摆稳定性要求，电子控制单元开闭各个制动轮缸与高压液压源及低压液压源的电磁阀，使得各个制动轮缸得到不同的液压力，从而实现车辆制动和车辆制动时的横摆稳定性。在i-ehb中，电子控制单元识别驾驶员制动意图后，向电机控制器发出指令，电机控制器控制电机输出相应的转速和转矩，经过制动减速装置输出到制动主缸活塞杆，从而实现建压、制动。上述两种系统，分别利用了电磁阀的高速开关特性和电机的精确控制特性，提高了制动系统的制动特性。

然而，现有的p-ehb系统中，由于制动液粘度等因素造成的流体滞后性，使得p-ehb整体制动响应呈现一定滞后，影响制动效果；此外，现有i-ehb系统中，由于减速机构之间存在摩擦，力矩传递效率降低，引起制动主缸建压不足，难以获得精准的制动压力。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于蓄能器补偿的线控电子液压制动系统及控制方法，以解决现有技术中电子液压制动系统制动滞后以及制动液压建压不足的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于蓄能器补偿的线控电子液压制动系统，包括：电子踏板模块、电子控制单元、集成式线控制动模块、液压缸模块及高压蓄能器补偿模块；其中，

所述电子踏板模块包括：制动踏板、输入杆、反馈减速装置、反馈电机、反馈电机控制器、踏板位移传感器及踏板力传感器；其中，制动踏板与输入杆连接；电子控制单元、反馈电机控制器与反馈电机依次电气连接，反馈减速装置连接到反馈电机输出轴，并将反馈电机输出的力和运动传递到与之机械连接的输入杆上；踏板位移传感器和踏板力传感器均置于输入杆上，并均与电子控制单元电气连接；

所述集成式线控制动模块包括：制动电机控制器、制动电机、制动减速装置、转速传感器及转矩传感器；电子控制单元、制动电机控制器和制动电机依次电气连接，制动减速装置与制动电机输出轴机械连接，并将制动电机输出的力和运动传递到与之连接的液压缸模块上；转速传感器用于检测制动电机输出转速的大小，并与电子控制单元电气连接；转矩传感器用于检测制动电机输出转矩的大小，并与电子控制单元电气连接，实现制动电机的转矩闭环控制；

所述液压缸模块包括：串列双腔制动主缸、轮缸双向导通电磁阀组及制动器组；其中，串列双腔制动主缸包含第一腔和第二腔，第一腔与左前轮制动器、右前轮制动器相连通，第二腔与左后轮制动器、右后轮制动器相连通，且四个连通管路中均布置了一个双向导通电磁阀，控制连通管路的开闭，四个双向导通电磁阀组成了轮缸双向导通电磁阀组，轮缸双向导通电磁阀组与电子控制单元电气连接，四个制动器组成了制动器组，每个制动器中有一个轮缸；

所述高压蓄能器补偿模块包括：回流电磁阀组、增压电磁阀组、储液罐、液压泵电机、液压泵及高压蓄能器；回流电磁阀位于储液罐与串列双腔制动主缸的连通通道上，并与电子控制单元电气连接；液压泵电机与电子控制单元电气连接，并与液压泵机械连接并驱动液压泵；液压泵在液压泵电机驱动下，实现从储液罐抽出制动液到高压蓄能器，提高高压蓄能器制动液的压强；增压电磁阀组与电子控制单元电气连接，位于串列双腔制动主缸与高压蓄能器的连通管路上；

所述电子控制单元分别与踏板位移传感器、踏板力传感器、反馈电机控制器、制动电机控制器、增压电磁阀组、回流电磁阀组、液压泵电机、轮缸双向导通电磁阀组电气连接。

进一步地，所述集成式线控制动模块中的制动减速装置采用行星齿轮减速机构。

进一步地，所述第一腔和第二腔上方均开设有补偿孔，补偿孔为高压蓄能器和串列双腔制动主缸的连接通道，且两个连接通道分别布置了一个电磁阀，两个电磁阀均为增压电磁阀组，增压电磁阀组与电子控制单元电气连接。

进一步地，所述电子控制单元的工作流程包括以下步骤：

电子控制单元接收踏板位移传感器、踏板力传感器的踏板位移与踏板力信号；

电子控制单元根据接收到的踏板位移与踏板力信号向反馈电机控制器发送控制指令，使反馈电机控制器向反馈电机施加控制；

电子控制单元根据踏板位移和踏板力信号，识别出驾驶员制动意图，向制动电机控制器发送控制指令，使制动电机控制器向制动电机施加控制；

电子控制单元接收集成式线控制动模块的转速传感器信号，并根据该信号，在制动工况下，对增压电磁阀组施加控制；

制动工况下，电子控制单元控制轮缸双向导通电磁阀组的通/断；

制动结束工况下，电子控制单元控制回流电磁阀组的通/断。

本发明的一种基于蓄能器补偿的线控电子液压制动系统的控制方法，包括步骤如下：

1)驾驶员通过制动踏板向输入杆输入踏板位移和踏板力，踏板位移传感器和踏板力传感器采集踏板位移和踏板力信号；

2)电子控制单元根据接收到的踏板位移和力信号识别驾驶员的制动意图，并生成反馈电机控制器和制动电机控制器的控制指令，并分别发送指令到反馈电机控制器和制动电机控制；

3)反馈电机控制器根据接收到的指令，控制反馈电机输出力和运动，并通过反馈减速装置将力和运动输出到输入杆，进而输出力和运动到制动踏板，形成踏板感；

4)制动电机控制器接收到电子控制单元的指令后，控制制动电机输出力和运动到制动减速装置，制动减速装置将力和运动输入到主缸活塞，驱动主缸活塞做直线运动，实现主缸建立压强；

5)转速传感器采集制动电机的实际输出转速ω1，并将制动电机的转速信号传递到电子控制单元，电子控制单元计算出实际主缸液压力，并与目标液压力对比，计算出液压差，进而电子控制单元计算增压电磁阀组中各电磁阀的占空比，并通过控制增压电磁阀组，控制高压蓄能器与串列双腔制动主缸之间的通/断，从而实现高压蓄能器对串列双腔制动主缸液压力的补偿；

6)制动工况下，电子控制单元控制轮缸双向导通电磁阀组中各电磁阀的导通和截止，从而控制串列双腔制动主缸与制动器组之间的连通与截断，实现高压制动液从串列双腔制动主缸流向制动器组；

7)制动结束工况时，电子控制单元控制回流电磁阀组的通/断，实现高压主缸制动液回流到储液罐。

进一步地，所述步骤3)中，反馈电机转矩的计算表达式为：

式中，t1为反馈电机转矩，j1为反馈电机的转动惯量，b1为反馈电机的阻尼系数，ta1为反馈电机负载转矩，f1为反馈电机转子处库伦摩擦常数，ω1为反馈电机转速。

进一步地，所述步骤4)中，制动电机转矩的计算表达式为：

式中，t2为制动电机转矩，j2为制动电机的转动惯量，b2为制动电机的阻尼系数，ta2为制动电机负载转矩，f2制动电机转子处库伦摩擦常数，ω2为制动电机转速。

进一步的，所述步骤4)中制动电机采用转矩闭环控制，转矩传感器采集制动电机的输出转矩，并返回数据经过增益k1，到制动电机输入端，与制动电机的目标输出转矩t1对比，得到制动电机的输出力矩与目标输出力矩之间的差值：

et(t)＝t1-treal*k1(3)

将计算得到的误差作为转矩闭环控制的输入，转矩闭环控制选用pid控制器，控制器的输出模型为：

式中，kpt为比例系数，tt为微分常数，tdt为积分常数，u0t为控制常量。

进一步地，所述步骤5)中高压蓄能器对串列双腔制动主缸液压力的补偿的控制方法为：

51)电子控制单元根据转速传感器的信号，计算出实际主缸液压力变化量；转速传感器采集制动电机的实际输出转速ω2，并将信号传递到电子控制单元，电子控制单元计算活塞实际位移量x1：

式中，x1为长螺母位移，t为时间，i1为制动减速装置的传动比，p为长螺母螺距；

52)电子控制单元根据流体压缩性方程计算主缸液压力变化量δp，并计算目标主缸液压力变化量δpfinal与实际主缸液压力变化量δp之间的差值ep(t)：

δv＝x1*a(7)

ep(t)＝δpfinal-δp(8)式中，k为制动液压缩系数，v0为液体初试体积，δv为液体体积减小量；a表示主缸缸径；

53)电子控制单元根据压力差ep(t)计算增压电磁阀组中各电磁阀的占空比，实现高压蓄能器对主缸液压力的补偿。

本发明的有益效果：

本发明提供的高压蓄能器补偿的集成式线控电子液压制动系统，利用集成式电子液压制动系统的高速响应特性，弥补了由于液压滞后特性引起的制动响应速度的偏低，同时利用高压蓄能器以及高速导通电磁阀，实现了主缸建压的补偿，既实现了制动响应时间的较少，又使得主缸制动液压力的精确控制，制动效果得到了显著提升。

本发明采用转矩闭环控制的方法，使得转矩电机充分发挥其工作特性，较为准确的输出转矩，从而主缸液压力的可以达到良好的精度水平，然后通过调节pwm波占空比的方式控制增压电磁阀组的高速通、断，使主缸液压力控制更加精确。

附图说明

图1为本发明高压蓄能器补偿的集成式线控电子液压制动系统的结构图；

图2为本发明高压蓄能器补偿的集成式线控电子液压制动系统的原理图；

图3为本发明高压蓄能器补偿的集成式线控电子液压制动系统的控制流程图；

图中：a-电子踏板模块，b-集成式线控制动模块，c-高压蓄能器补偿模块，d-液压缸模块，1-制动踏板，2-输入杆，3-反馈减速装置，4-反馈电机，5-反馈电机控制器，6-踏板位移传感器，7-踏板力传感器，8-电子控制单元，91-制动电机控制器，92-制动电机，93-转速传感器，94-转矩传感器，10-制动减速装置，11-串列双腔制动主缸，12-轮缸双向导通电磁阀组，13-制动器组，141回流电磁阀组，142-增压电磁阀组，15-储液罐，16-液压泵电机，17-液压泵，18-高压蓄能器。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2所示，本发明的一种高压蓄能器补偿的集成式线控电子液压制动系统，其特征在于，包括：电子踏板模块a、电子控制单元8、集成式线控制动模块b、高压蓄能器补偿模块c、液压缸模块d；

所述电子踏板模块a包括：制动踏板1、输入杆2、踏板位移传感器6、踏板力传感器7、反馈电机控制器5、反馈电机4及反馈减速装置3；其中，制动踏板1与输入杆2连接，踏板位移传感器6和踏板力传感器7均置于输入杆2上，并均与电子控制单元8电气连接，踏板位移与踏板力经踏板1传入输入杆2，踏板位移传感器6与踏板力传感器7采集踏板位移与踏板力信号，并将信号传递到电子控制单元8，电子控制单元8向反馈电机控制器5输出指令，控制反馈电机4输出转速和转矩经反馈减速装置3、输入杆2到达踏板1，形成相应踏板感；

所述电子控制单元8(其核心为cpu，本实施例中使用的为飞思卡尔单片机，型号为16位的mc9s12xep100)。电子控制单元8根据接收到的踏板位移信号、踏板速度信号；计算反馈电机4目标输出转速与转矩以及制动电机92的目标输出转矩和输出转速，生成对反馈电机控制器5和制动电机控制器91的控制信号；

所述集成式线控制动模块b包括：制动电机控制器91、制动电机92、转速传感器93、转矩传感器94及制动减速装置10；其中，制动电机控制器91接收来自电子控制单元8的指令，控制制动电机92输出相应的转速和转矩，经过制动减速装置10减速增距，并将输入的旋转运动转变为直线运动、转矩输出转变为力输出，进而将直线运动和力传递到串列双腔制动主缸11活塞杆，活塞杆运动挤压串列双腔制动主缸11中的制动液，从而使串列双腔制动主缸11建立相应的压强；其中，制动电机控制器91由电机控制器mcu和电机驱动电路组成；本实施例中，电机控制器mcu选用nxp公司生产的16位电机控制器芯片mc9s12zvmrm；电机驱动电路为由六个n沟道mosfet组成的三相全桥驱动电路，mosfet由mcu的gdu模块驱动，pwm模块控制通断，mosfet采用infineon公司的irlr8743tr；在具体实施中，也可以使用其他本领域常规的控制芯片和驱动电路；所述制动减速装置10选用行星齿轮传动机构；

所述高压蓄能器补偿模块c包括：回流电磁阀组141、增压电磁阀组142、储液罐15、液压泵电机16、液压泵17及高压蓄能器18；该模块的工作模式有两种，分别是增压模式和降压模式；增压模式下回流电磁阀组141中的电磁阀处于截止状态，此时电子控制单元8控制液压泵电机16转动驱动液压泵17，从储液罐15中抽取制动液，输出到高压蓄能器18使制动液增压，这样的高压蓄能器18为已被公知的技术，因此省略详细说明；制动工况下，为补偿集成式线控制动模块b输出位移和力不足导致的串列双腔制动主缸11的建压不足，电子控制单元8控制增压电磁阀组142中两个电磁阀的通、断，将高压蓄能器18中的高压制动液输入到串列双腔制动主缸11的第一腔和第二腔，分别使串列双腔制动主缸11第一腔和第二腔增压；其中串列双腔制动主缸11的第一腔和第二腔上方分别开有两个补偿孔，连通高压蓄能器18和串列双腔制动主缸11的两腔；解除制动时，启动降压模式，增压电磁阀组142截止，电子控制单元8控制回流电磁阀组141中两个电磁阀的通、断，此时四个制动轮缸中高压制动液经串列双腔制动主缸11、补偿孔，回流到储液罐15；

所述液压缸模块d包括：串列双腔制动主缸11、轮缸双向导通电磁阀组12、制动器组13；其中，串列双腔制动主缸11包含第一腔和第二腔，第一腔与左前轮制动器、右前轮制动器相连通，第二腔与左后轮制动器、右后轮制动器相连通，此外第一腔和第二腔上方均开有补偿孔，补偿孔连通高压蓄能器18和串列双腔制动主缸11，这样的串列双腔制动主缸为已被公知的技术，因此省略详细说明；其中，轮缸双向导通电磁阀组12由四个双向导通电磁阀组成，四个电磁阀分别与左前轮轮缸、右前轮轮缸、左后轮轮缸、右后轮轮缸相连通，由电子控制单元8控制电磁阀的导通与截止，从而控制串列双腔制动主缸与制动轮缸的连通与断开连接；其中，制动器组由左前制动器、右前制动器、左后制动器、右后制动器组成，每个制动器中均包含一组制动轮缸。

参照图3所示，本发明的一种基于蓄能器补偿的线控电子液压制动系统的控制方法，基于上述系统，包括步骤如下：

1)驾驶员通过制动踏板向输入杆输入踏板位移和踏板力，踏板位移传感器和踏板力传感器采集踏板位移和踏板力信号；

2)电子控制单元根据接收到的踏板位移和力信号识别驾驶员的制动意图，并生成反馈电机控制器和制动电机控制器的控制指令，并分别发送指令到反馈电机控制器和制动电机控制；

3)反馈电机控制器根据接收到的指令，控制反馈电机输出力和运动，并通过反馈减速装置将力和运动输出到输入杆，进而输出力和运动到制动踏板，形成踏板感；

4)制动电机控制器接收到电子控制单元的指令后，控制制动电机输出力和运动到制动减速装置，制动减速装置将力和运动输入到主缸活塞，驱动主缸活塞做直线运动，实现主缸建立压强；；

5)转速传感器采集制动电机的实际输出转速ω1，并将制动电机的转速信号传递到电子控制单元，电子控制单元计算出实际主缸液压力，并与目标液压力对比，计算出液压差，进而电子控制单元计算增压电磁阀组中各电磁阀的占空比，并通过控制增压电磁阀组，控制高压蓄能器与串列双腔制动主缸之间的通/断，从而实现高压蓄能器对串列双腔制动主缸液压力的补偿；

6)制动工况下，电子控制单元控制轮缸双向导通电磁阀组中各电磁阀的导通和截止，从而控制串列双腔制动主缸与制动器组之间的连通与截断，实现高压制动液从串列双腔制动主缸流向制动器组；

7)制动结束工况时，电子控制单元控制回流电磁阀组的通/断，实现高压主缸制动液回流到储液罐。

其中，所述步骤3)中，反馈电机转矩的计算表达式为：

式中，t1为反馈电机转矩，j1为反馈电机的转动惯量，b1为反馈电机的阻尼系数，ta1为反馈电机负载转矩，f1为反馈电机转子处库伦摩擦常数，ω1为反馈电机转速。

其中，所述步骤4)中，制动电机转矩的计算表达式为：

式中，t2为制动电机转矩，j2为制动电机的转动惯量，b2为制动电机的阻尼系数，ta2为制动电机负载转矩，f2制动电机转子处库伦摩擦常数，ω2为制动电机转速。

其中，所述步骤4)中制动电机采用转矩闭环控制，转矩传感器采集制动电机的输出转矩，并返回数据经过增益k1，到制动电机输入端，与制动电机的目标输出转矩t1对比，得到制动电机的输出力矩与目标输出力矩之间的差值：

et(t)＝t1-treal*k1(3)

将计算得到的误差作为转矩闭环控制的输入，转矩闭环控制选用pid控制器，控制器的输出模型为：

式中，kpt为比例系数，tt为微分常数，tdt为积分常数，u0t为控制常量。

其中，所述步骤5)中高压蓄能器对串列双腔制动主缸液压力的补偿的控制方法为：

51)电子控制单元根据转速传感器的信号，计算出实际主缸液压力变化量；转速传感器采集制动电机的实际输出转速ω2，并将信号传递到电子控制单元，电子控制单元计算活塞实际位移量x1：

式中，x1为长螺母位移，t为时间，i1为制动减速装置的传动比，p为长螺母螺距；

52)电子控制单元根据流体压缩性方程计算主缸液压力变化量δp，并计算目标主缸液压力变化量δpfinal与实际主缸液压力变化量δp之间的差值ep(t)：

δv＝x1*a(7)

ep(t)＝δpfinal-δp(8)

式中，k为制动液压缩系数，v0为液体初试体积，δv为液体体积减小量；a表示主缸缸径；

53)电子控制单元根据压力差ep(t)计算增压电磁阀组中各电磁阀的占空比，实现高压蓄能器对主缸液压力的补偿。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。