商用车气压电子驻车系统坡道辅助控制方法

杨 凡，顾 杰，黄 凡，李刚炎

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.金龙联合汽车工业(苏州)有限公司，江苏 苏州 215026)

引言

商用车电子驻车系统(Electronic Park Brake，EPB)[1]作为商用车电控气压制动系统的一部分，在常规手刹功能基础上，还可以通过驻车制动系统ECU对当前车辆状态与驾驶员意图进行综合分析，在驾驶员忘记手动操作时，主动地进行驻车/释放操作以及在特定工况下对驾驶员的操作进行辅助，降低驾驶难度，提升车辆的安全性。针对电控气压制动系统，通过合适的电控辅助技术，可防止驾驶员疏忽造成的车辆损失与人员伤亡，提升驾驶员的驾驶体验与行车安全，对降低交通事故及人员伤亡的概率具有重要意义[2-4]。

坡道起步辅助功能作为电子驻车的辅助功能之一，国内外对利用驻车制动系统进行坡道辅助控制进行了大量的研究。王洪亮等[5-6]针对车辆坡道辅助起步过程中制动力释放滞后的问题，提出坡道辅助起步过程中电控气压驻车制动系统电磁阀的PID和Bang-Bang控制算法，实验结果表明，两方法均达到良好的坡道起步效果。TRAVAGLIA C[7]提出一种专门开发的Hill启动辅助系统，通过与ABS控制单元的通信，在车辆起步时，驾驶员无需保持制动踏板的情况下将制动力维持。谷文豪[8]针对气压式EPB坡道辅助起步过程，提出车辆坡道辅助起步电磁阀的逻辑门限控制与Bang-Bang控制策略，实验证明，逻辑门限控制较Bang-Bang控制更适用坡道辅助起步控制。

本研究以商用车电控气压驻车制动系统为研究对象，研究商用车坡道辅助起步控制策略中的扭矩识别方法，设计基于逻辑门限控制的商用车坡道辅助快速起步控制算法，并构建基于IPG-MATLAB的商用车电控气压驻车制动系统控制方法联合仿真平台，对商用车电控气压驻车制动系统坡道辅助功能进行验证。

1 坡道辅助起步模型搭建

商用车坡道辅助功能主要通过综合分析，判断当前车况是否满足起步释放要求，从而适时的释放驻车，使车辆在坡道上能够平稳起步。

1.1 商用车驱动力矩的数学模型

商用车的驱动力矩是发动机的输出力矩经过离合器、变速器、减速器等输出到驱动轮，当驱动轮所受驱动力矩大于车辆当前所受阻力时，车辆便开始运动。车辆驱动力传递过程较为复杂，为了便于分析，对传动系统进行一定的简化，将各元件假设为无阻尼的刚性元件，忽略传动系统的内部摩擦阻力、运动间隙等[9]，简化后的车辆扭矩传递系统示意图，如图1所示，we为发动机角速度；wc为从动轴角速度；Te为发动机输出转矩；Tc为从动轴阻力矩；Tfc为离合器的摩擦转矩；Je为主动轴转动惯量；Jc为从动轴转动惯量。

图1 车辆扭矩传递系统示意图

离合器是力矩传递的核心部件，根据离合器接合过程中车辆的运动状态特点，本研究将离合器接合过程分为6个阶段，车辆不同运动状态对应的离合器位置与作用扭矩的关系，如图2所示：起步前阶段AB、初始起步阶段BC、起步阶段CD、加速起步阶段DE、同步阶段EF以及起步后阶段FG。商用车电控气压驻车制动系统坡道辅助功能的作用效果反映在AB，BC阶段，并在驱动力矩大于阻力矩时的CD段解除制动。

图2 离合器结合位置与作用扭矩关系曲线

1) 起步前阶段AB

该阶段离合器主、从动盘两部分未接触，称为起步前阶段，在该阶段Tfc=0，wc=0；发动机转速和油门开度有关，此时we为初始怠速。在该阶段仅需要考虑发动机的模型，且本研究建立发动机模型仅为了获得发动机的输出力学特性，故引用目前广泛使用的基于发动机万有特性试验数据进行建模的方法。

根据发动机万有特性[10]，发动机输出转矩曲线是发动机节气门开度和发动机转速的函数，即：

Te=f(α,ne)

(1)

式中,α—— 节气门开度，取值0～1

ne—— 发动机转速

2) 初始起步阶段BC

该阶段离合器主、从动盘两部分刚刚接触，但是离合器的输出力矩不足以克服车辆的阻力矩，汽车未动，称为初始起步阶段。在该阶段Te>Tfc，但是Tfc

(2)

离合器主、从动盘的扭矩传递是通过摩擦带动，其中最为重要的参数为主从动盘之间的压紧力Ffc，可表示为：

(3)

式中,σ为压力分布；R1，R2分别为摩擦盘的内、外层半径；ρ和φ分别是摩擦盘表面的径向直径和角度的几何变量。由此，可推导出摩擦扭矩为：

(4)

式中,τ为沿离合器表面的切向应力分布；n=2是摩擦面的对数。若定义摩擦片平均摩擦半径为：

(5)

则摩擦扭矩与压紧力关系可表述如下：

(6)

式中，μ为离合器表面摩擦系数。

对于正压力的选取，由于该值与具体的离合器相关性不大，只是正压力与离合盘形变量x的关系，引用经验公式[11]如下：

Ffc=9862.8x3-3106x2+3411x

(7)

可知离合器的扭矩传递与离合器结合的位移相关，由于自动挡汽车一般自带离合传感器，可直接获得离合器的摩擦转矩Tfc，而对于手动挡汽车则需安装离合传感器来间接测量发动机传递的驱动力矩。

3) 起步阶段CD

该阶段离合器主、从动盘两部分刚接触不久，此时离合器的输出力矩已经可以克服车辆的阻力矩，汽车开始运动，称为起步阶段。在该阶段Te>Tfc，且Tfc>Tc；we依然上升，wc也缓慢上升，起步阶段CD阻力矩与转速关系如下：

(8)

1.2 商用车阻力矩的数学模型

车辆起步过程除了发动机产生的驱动力矩外，还受到一定外部阻力的作用，这些外部阻力主要包括车辆自身重力G、加速阻力Fj、空气阻力FW等，如图3所示，汽车起步过程中的各部分阻力如下：

图3 车辆起步受力分析

(1) 滚动阻力，重力垂直坡道向下的分力：

Ff=Gf·cosθ

(9)

式中,G—— 车辆重力

f—— 滚动摩擦系数

θ—— 坡道角度

(2) 坡道阻力，重力沿坡道方向的分力：

Fi=G·sinθ

(10)

(3) 加速度阻力，车辆加速过程中，需要克服加速运动时的惯性力，即加速阻力：

(11)

式中，δ—— 汽车旋转质量转换系数

m—— 汽车质量

v—— 车速

(4) 最小起步扭矩，车辆起步过程中，发动机作为动力源经过多级扭矩传递对车轮进行驱动，为保证车辆顺利起步，对车辆起步过程中的最小扭矩要求如下：

Tmin=m·(gη0+amin)·rd/(igi0)

(12)

式中，g—— 重力加速度

η0—— 传动效率

amin—— 最小起步加速度

rd—— 车轮半径

i0,ig—— 主传动比、变速器传动比

因此，车辆起步过程中，总的阻力矩Tc可以表述为：

Tc=Tmin+(Ff+Fi+Fj)·rd/(ηigi0)

(13)

若车辆有空调Tair、外部拖车Tloss等消耗汽车的扭矩的情况，则需要在原外部阻力的情况下，加上相应的内部损失，即为：

(14)

2 商用车坡道辅助系统控制策略

2.1 总体控制原理

商用车电控气压驻车制动系统点火后进入初始状态，若无其他触发条件时，驻车制动系统一直处于初始状态；并在满足坡道辅助起步所需的特定条件时系统进入相应的驻车制动系统坡道辅助功能模块，制动系统总体控制流程图如图4所示。

图4 商用车电控气压驻车制动系统总体控制流程图

商用车坡道辅助起步功能是商用车驻车制动系统一个非常重要的拓展功能。在自动模式下，商用车坡道辅助功能在倾角传感器检测到一定的坡度时启动，坡道辅助起步用到了车辆当前状态的大部分信息，其起步功能的平顺与否直接影响了商用车电控气压驻车制动系统的整体体验。坡道辅助起步的难点就在于解除驻车制动的时机，即在车辆驱动力矩大于阻力矩时，实施驻车解除：

(15)

2.2 车辆起步过程扭矩识别算法

商用车电控气压驻车制动系统坡道辅助功能的作用效果反映在AB，BC阶段，并在驱动力矩大于阻力矩时的CD段解除制动，因此对于离合器扭矩的识别，如下式：

(16)

由于发动机的转矩Te以及角速度we可以通过CAN通讯实时采集，因此可以根据上式对离合器当前的输出扭矩进行识别，当满足式(16)时，离合器上产生的扭矩足以克服外部阻力，此时解除驻车制动扭矩应满足：

(17)

由于驾驶员的驾驶习惯各不相同，AB段为离合器未接触的起步前阶段，即使驾驶员猛踩油门，此时离合器并没有进行扭矩传递，因此，此处假设离合器完全踩下，针对不同的踩油门方式进行仿真分析，验证上述的判定条件是否会对驻车制动系统造成误触发。在离合器完全踩下时，在不同的油门踏板开度以及不同踩油门速度条件下进行实验，可得Tfc的仿真结果如图5所示，斜率指的是油门踏板开度的变化速率，由于油门开度的变化范围为0～1，因此，该斜率即为1/tc，tc为踩油门时间，斜率值越大表示踩油门速度越快。在不同的油门开度以及不同踩油门速度条件下输出扭矩的仿真结果均在35～48 N·m之间(万有特性数据拟合误差，存在波动)。

图5 坡道辅助起步前阶段离合器输出扭矩变化曲线

商用车坡道辅助起步过程中，对于一般的商用车而言，外部阻力最小有(按照车重7 t计算)：

Tc=mg·rd·v/(ηigi0)+Tmin+Tloss

(18)

最小输出力矩时，取Tloss=0，且θ=0°的平路上，则该最小值已经达到84 N·m，故离合器未接合之前的AB段，油门开度对扭矩识别算法无影响。

2.3 基于逻辑门限的坡道快速起步控制算法

为减少坡道起步过程刹车盘与离合器的磨损，减少坡道起步时间，优化驾驶体验，可以在保证车辆不溜车的前提下，提前向制动气室冲入一定压缩气体，进而减少制动力释放延时。由于逻辑门限控制适用于商用车电控气压驻车制动系统等非线性系统，在确定了合理的门限值后就可以获得较为理想的控制效果[11]。因此，本研究选择逻辑门限控制作为商用车坡道辅助快速起步的控制方法。

坡道辅助起步过程中，选择期望压力值pe与驻车制动气室的当前压力值pc的差值pd作为逻辑门限控制的目标值来控制驻车制动气室的升降压，以获得良好的起步效果,其关系式为：

pd=pe-pc

(19)

基于逻辑门限控制的控制策略，如图6所示，其中，门限值th1>th2>th3；占空比A%>B%>C%。pd作为控制参考变量，当pd>th1时，利用占空比A%控制气室的升压；当th2≤pd

图6 基于逻辑门限控制策略

2.4 商用车坡道辅助起步控制策略

商用车坡道辅助起步控制策略，如图7所示，坡道辅助起步过程中，其最重要的评判标准是车辆驱动力矩是否大于阻力矩。当ECU检测到当前车辆处于坡道上时，首先检测是否按下Autohold按键，然后根据车辆是否驻车分别进行驻车和释放，判断当前车辆是否处于D/R挡位，若是则继续判断当前油门开度是否大于0，以及当前驱动力矩是否大于车辆的阻力矩，若符合则判定当前车辆满足坡道起步条件，由ECU控制驻车释放电磁阀对驻车制动气室进行充气解除制动，实现车辆顺利起步；若当前车辆处于非驻车制动状态、驱动力矩无法克服车辆阻力矩且在车速处于安全车速范围内，则认为不符合坡道起步条件，车辆有溜车、甚至发动机熄火的可能性，此时由ECU控制驻车制动电磁阀对驻车制动气室进行排气，施加驻车制动。

图7 商用车坡道辅助起步控制策略

3 仿真与结果分析

3.1 坡道辅助起控制策略仿真

将商用车电控气压驻车制动系统坡道辅助起步的控制策略、控制算法以及基于模型设计自动生成的控制系统代码，联合IPG/TruckMaker软件进行控制方法的软件在环(SIL)测试。将控制系统自动生成的嵌入式C代码在Simulink中封装成S-Function模块，并通过Signal Builder子模块模拟车辆坡道辅助起步过程中油门开度、挡位信号以及离合器接合情况，并结合当前车辆发动机转速与扭矩、车速与坡度信号，建立商用车电控气压驻车制动系统坡道辅助起步控制方法仿真模型。

1) 仿真条件设置

对于商用车驻车制动系统坡道辅助起步而言，由于手动挡汽车大多无离合传感器，需要依靠驾驶人员的经验进行起步，而自动挡汽车其控制逻辑的验证可等同为手动挡汽车加上车辆扭矩识别后的控制逻辑验证； 因此本研究主要对当前商用车普遍使用的手动挡汽车进行验证。离合器作为车辆发动机扭矩传递的主要影响机构，离合器的接合情况是车辆坡道辅助起步扭矩传递的关键影响因素，本研究在保证油门开度一致的前提下，设置3种离合器的接合情况，情况1，在第3秒时开始由位置1匀速松离合，并在第8秒完全松完至位置0；情况2，在第6秒完全松完至位置0；情况3，在离合器位置0.7～1之间进行波动，即离合器并未接触，车辆仅在发动机相同的油门开度作用下实现起步，商用车3种不同的离合器接合情况下的起步过程模拟如图8所示。

图8 商用车离合器不同接合情况的坡道辅助起步过程模拟

2) 仿真结果

离合器不同接合情况下车辆动力矩与驻车制动状态的关系如图9所示，其中横坐标为驱动力矩Tfc与车辆阻力矩Tc之差ΔT，纵坐标表示驻车状态，0为未驻车，1为驻车。离合器接合情况3由于离合器并未贴合，因此发动机扭矩无法传递到离合器部分，驻车制动不释放；离合器接合情况2相对于情况1更快，因此驻车制动的释放时间提前，符合坡道辅助起步控制逻辑，同理，离合器接合情况3车速一直维持在0，车辆不动；而离合器接合情况2和情况1，发动机转速在离合器接合时，由于驱动离合器从动端转速先降低后逐渐平稳，车辆在离合器动作后的第1秒和第2秒开始正常起步，符合离合器接触规律，离合器不同接合条件下发动机转速与车速的关系如图10所示。

图9 离合器不同接合情况下车辆动力矩与驻车制动状态的关系

图10 离合器不同接合情况下发动机转速与车速的关系

3.2 坡道辅助快速起步控制方法验证

设计基于逻辑门限控制的坡道辅助快速起步控制策略，目的是使车辆在不溜坡的前提下，轻踩油门准备起步的同时，往驻车制动气室充入一定量压缩气体，使得车辆能够更快、更平稳的起步，减少离合器与车轮刹车片的磨损。由于每位驾驶员驾驶习惯以及熟练度的差异性，基于逻辑门限控制的坡道辅助起步控制是完全独立于整体的坡道辅助起步控制策略，在坡道起步油门开度大于0的一刻启动，且无论充气是否达到目标压力，驻车制动在总驱动力矩大于总阻力矩时解除。对坡道辅助起步逻辑门限值的选择直接决定了车辆坡道起步的平稳性与快速性，因此将通过试验求解出合适的逻辑门限值。

1) 试验原理

根据商用车电控气压驻车制动系统搭建商用车坡道辅助快速起步基于逻辑门限控制的测试回路，如图11所示。系统由气源1、三联件2、开关阀3、精密调压阀4、储气罐5、电磁阀6、继动阀7、驻车制动气室8及压力传感器9组成，通过dSPACE调节PWM占空比，使得驻车制动气室得到较为稳定的目标压力；PC机对采集的数据进行后处理。

2) 试验结果

通过设定不同的目标压力，测试在不同门限值、占空比以及动作频率下的稳压效果，由前期试验测得：0.15 MPa时，驻车制动气室制动推杆开始运动，0.5 MPa 压力下，驻车制动气室制动杆完全缩回，因此试验可设置测试目标压力在0.1～0.5 MPa，通过dSPACE试验平台控制电磁阀在不同的门限值、占空比条件下动作以获得较为理想的目标压力稳压效果，试验测得驻车制动气室较为理想的压力变化，如图12所示。

1.气源 2.气动三联件 3.开关阀 4.精密调压阀5.储气罐 6.二位三通双电控电磁阀 7.继动阀8.驻车制动气室 9.压力传感器图11 基于逻辑门限控制的商用车坡道辅助快速起步控制策略测试原理

由图12可知，利用基于逻辑门限控制策略对商用车驻车制动气室坡道快速起步控制，通过控制单个二位三通双电控电磁阀，设置不同门限值及占空比如表1所示，实际测得压力与所设置的目标压力之间存在一定的波动，但均在0.05 MPa内，且未超过目标压力，因此车辆坡道辅助起步时并不会发生溜坡，满足驻车制动系统的性能要求。

图12 基于逻辑门限控制商用车坡道辅助快速起步控制策略测试结果

表1 基于逻辑门限控制的控制参数设置

4 结论

本研究以商用车气压电子驻车制动系统为研究对象，以理论研究和仿真试验相结合的方式，研究了电子驻车制动系统坡道辅助过程中的扭矩识别及控制方法，主要研究结果如下：

(1) 通过对离合器位置-扭矩关系曲线的分段处理及仿真测试，提出了手动挡车辆的扭矩识别算法，并通过仿真试验验证了方法的有效性；

(2) 基于扭矩识别方法，设计了基于逻辑门限控制的商用车坡道辅助快速起步控制策略； 构建了基于IPG/TruckMaker-MATLAB的气压电子驻车系统联合仿真平台，验证了商用车电控气压驻车制动系统坡道辅助起步控制策略；

(3) 针对坡道辅助快速起步控制策略，对比分析了不同逻辑门限值、频率及占空比等关键参数的影响规律，为商用车电控气压驻车制动控制系统的开发提供了理论参考。