浅谈磁流变和液压联合制动控制策略

徐斐

摘 要：相比于传统的液压盘式制动器，磁流变制动器具有能耗低、制动系统结构简单、制动延迟短、易于控制等优点，但传统液压式制动器技术成熟，安全、可靠。创新性地将2种制动器联合在一起，制定了多种工况下的联合控制方案，根据磁流变制动器观测到的路面附着系数，确定了高、低附着系数路面防抱死联合控制策略。

关键词：磁流变制动；液压制动；联合制动；防抱死控制

中图分类号：U463.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.081

1 磁流变和液压联合制动器方案设计

传统的液压制动系统由制动主缸、ABS/ES液壓控制单元、制动轮缸等部件组成，制动力靠液力传输。由于管路复杂、制动液惯性等因素而导致制动力传输延迟，特别是防抱死系统工作时，需要根据多种路面多种工况匹配阀体开启时间，匹配较繁杂，但传统液压式制动器技术成熟、安全、可靠。相比于传统的液压盘式制动器，磁流变制动器有着能耗低、制动系统结构简单、制动延迟短、易于控制等优点。长春工业大学张贺、武汉理工大学华文林等人已完成乘用车车用磁流变制动器的结构设计、散热等仿真分析、制动力矩计算等，制作出模型。本文创新性地将2种制动器结合在一起。

结合方式：每个车轮包含一个传统的液压制动器和一个磁流变制动器，2个制动器都套在轮毂上，并列放置。以常见A级车为例，车重约1.2 t，轮胎型号为205/55 R16。因本文以磁流变制动器为辅助制动，据分析，单个磁流变制动器只需提供最大200 NM左右的制动力矩，根据张贺、华文林等人设计的磁流变制动器模型和计算公式，计算出本文所需磁流变制动器外形是半径12 cm、高5 cm的圆柱体，车辆轮毂只需稍加改动，完全可以集成安装液压制动器的旁边。

2 磁流变和液压联合制动控制策略

2.1 制动模式切换过程分析

磁流变制动器外圈绕有多股漆包线，当通电时，周围会产生磁场，电流越强，穿过磁流变液中的磁通量越多，载液类固态现象越明显，制动力也就越大。根据宾汉模型，在颗粒磁化饱和之前，摩擦力和电流是线性关系，而最大的3 A电流远小于磁化饱和电流，因此控制器调节漆包线电流大小就能精确、迅速地调整磁流变制动器制动力大小。液压制动器和磁流变制动器可以单独地控制制动力，所以制动模式一共分为3种，即液压制动器单独工作、磁流变制动器单独工作、液压制动和磁流变制动器协调工作。

2.2 制动模式切换控制策略

本文所讨论的联合制动器设计方案中磁流变制动器提供较小的制动力矩，不承担主要的制动作用，但因磁流变制动器反应极快，制动力变化快，滞后时间短，因此可作为液压制动的辅助制动。

具体控制策略如下：①当非紧急状态制动且无ABS介入时，磁流变制动器不工作，仅液压制动器工作。其优点是提供线性的刹车脚感，让驾驶员更好地控制刹车状态。②当刹车位置传感器探测到刹车踏板初始位移速度超过一定的门限值并且主缸压力传感器探测到压力上升速率超过一定的门限值时，逻辑判断驾驶员为紧急制动，电磁制动控制单元以最快的速度提供系统允许的最大电流，增加整体制动力矩，减少进入ABS控制门限的时间。此控制策略特别适合女性等脚力较小的人群。③当ABS介入时，液压制动和磁流变制动开始联合制动。这时的控制策略会在下一节讨论。

2.3 ABS工况下，联合制动的控制策略

由汽车理论知识可知，随着车轮滑移率的增加，纵向附着系数有一个峰值，制动时地面制动力就会有一个峰值。当地面制动力趋向于峰值时，制动力对时间的倒数趋向于零。而此时滑移率不大，地面制动力和制动器制动力是线性关系。基于这个原理，当进入ABS工况时，逐步加大磁流变制动器中的励磁电流，控制器实时观测地面对车轮产生最大制动力的时刻。一旦制动力对时间的倒数趋向于零，立刻计算此时的磁流变制动器制动力，再根据这时的轮缸压力传感器测出的轮缸压力，结合附着系数和车轮滑移率的曲线图，即可估算出此时的路面附着系数。

如果估算的附着系数属于高附着状态，此时ABS控制进入循环式控制。开始制动到车轮减速度超过了ECU估算的门限值-a时，液压单元里的进液阀关闭，液压制动系统进入保压状态，磁流变系统开始增加电流，再次估算路面附着系数，并与之前的估算作对比。第一阶段结尾到达滑移率门限值时，液压单元出液阀开启，轮缸开始减压，磁流变系统关闭。第二阶段结尾到车轮减速度大于门限值-a时，出液阀关闭，轮缸保压，可以算出第二阶段末尾轮缸压力和现在轮缸压力之差，再算出此压力差产生的制动力矩，磁流变系统把这个制动力矩再转换为所需电流并立刻产生此电流。此时，如果路面附着系数不变，此制动力为最佳滑移率制动力，但通常路面会有扰动，后续应通过模糊PID控制让电磁制动调节的制动压力不断变化，产生尽量接近于最佳滑移率的制动力。

如果估算的附着系数属于低附着状态，与良好的路面相比，在光滑路面上制动时，对制动踏板稍加一点制动力就很容易使车轮抱死，从高滑移率到车轮再加速就需要很长一段时间。从第一阶段到第三阶段与高附着系数路面的控制过程一致。当第三阶末尾车轮减速度大于门限值-a时，磁流变系统算出所需电流I，但不立刻增加至I，而是分多次增加至I，每增加一点后电流不变，持续一段固定的时间。当轮速仍小于滑移率门限值时，再增加一点电流，保持一段时间，直到车轮加速超过门限值+a，后续再通过模糊PID控制调节磁流变电流，使轮胎滑移率在最佳滑移率处波动。

3 总结与展望

本文在充分调研和了解了传统制动和磁流变制动系统的结构、原理等相关知识的基础上，先阐述了合理的联合制动执行机构的布置方案，然后给出了制动模式切换策略，再通过电磁观测确定路面附着系数，分高、低附路面详细介绍了联合控制策略。

本文虽给出了高、低附两种典型工况下的控制策略，但路面附着系数瞬息万变。当附着系数有所变化时，控制策略也应及时调整，如何在附着系数突变的情况下，平滑地切换控制策略是未来研究的方向。

参考文献

[1]张贺.磁流变制动器结构设计与性能研究[D].长春：长春工业大学，2016.

[2]华文林.磁流变液制动器的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2002.

[3]何仁.电磁与摩擦制动集成系统切换控制策略[J].江苏大学学报，2013，36（2）：125，129.

〔编辑：刘晓芳〕