开关流量技术车辆稳定控制

在稳控系统技术发展过程中，压力调节方式的变革起着重要的意义。在早期的稳控系统控制中，采用模拟阀调节压力，由于模拟阀的流量可以连续调节，因此稳控系统压力调节是连续的。但由于模拟阀的成本较高，限制了稳控系统的推广应用。直到稳控系统采用开关阀替代模拟阀，系统成本才得到较好的控制，并实现大规模应用。但利用开关阀进行稳控系统控制面临的主要问题就是开关控制中的流量非连续性，由此导致液压系统中存在压力突变，因而稳控系统工作时会产生相对较大的噪声和振动，影响车辆驾驶舒适性。为改进车辆舒适性，一方面是通过稳控系统参数匹配来降低系统产生的压力突变，一方面是研究新的控制方式和结构。近年来，随着电控与液压技术的进步，开关阀的控制也在不断改进。稳控系统开关阀基本都是采用电磁线圈驱动阀芯运动，利用阀芯对阀口进行开关，阀芯受力为

式中 F_m——电磁力；

F_p——液压力；

F_s——弹簧力。

以增压阀作为研究对象，其所受电磁力F_m始终与弹簧力F_s反向，在主缸压力高于轮缸压力时，液压力F_p与弹簧力F_s同向。当F_m＞F_p+F_s时，阀芯在电磁力作用下会向关闭阀口的方向移动，而在F_m＜F_p+F_s时阀芯向打开阀口的方向移动。增压阀通电时的线圈工作电流较大，除了通电初期的动态响应过程外，电磁力都会远大于其他作用力，使增压阀彻底关闭。在稳控系统中，增压阀的缓增压一般都是从线圈通电阶段转入到线圈断电阶段。线圈断电时，线圈中电流逐渐减小，电磁力F_m变小，当F_m＜F_p+F_s时，阀芯在液压力和弹簧力的合力作用下移动打开阀口，使制动液流入轮缸。开关阀在断电过程中电磁力衰减很快，阀口在很短的时间里就会全开，此时阀口流量特性就是全开的特性。稳控系统控制参数中，增压速率是比较关键的参数，这在HCU硬件选型时也进行过相应的研究。由于阀口全开的增压速率很快，为限制增压速率，增压阀采取PWM开关控制方式，利用脉冲增压和保压周期过程来调节增压的速率。一般的PWM载频在200Hz以内，一方面是控制软件算法决定的，一方面也是受到阀的特性影响。增压阀口一次脉冲增压过程中，增压时间为τ₁，流过的制动液由两个阶段的流量构成：一是阀动态响应阶段，定义阀口动态响应时间为τ₀，即阀从关闭到全开所需的时间，在t＜τ₀时，阀口越开越大，流量逐渐加大；二是阀口全开阶段，τ₀≤t≤τ₁时，动态响应完成，阀口完全打开，流量基本保持稳定。综合两部分流量，制动液在一次脉冲增压中流过的体积如式（5-39）所示。

式中 V_τ——制动液体积；

ξτ₁——阀口等效全开的时间，ξ＜1；

C_d——流量系数；

ρ——制动液密度；

Δp——阀口两端压力差；

A——阀口截面积。

通过调节保压周期τ₂的时间长短，得到等效流量如式（5-40）所示。(www.xing528.com)

在PWM开关控制中，时间τ₁和τ₂是稳控系统重点控制的参数，PWM载频f=1/（τ₁+τ₂），载频通常低于阀的动态响应频率1/τ₀。通过调节τ₁和τ₂，就能得到不同的增压速率，从而满足不同工况下的要求。在脉冲增压方式下，制动液的流量是非连续变化的，尤其是开关的切换过程中液体流速会发生较大变化，在管路中产生的冲击压力如式（5-41）所示。

式中 Λp——冲击压力；

Δ_v——流速变化；

c——液压波的传播速度。

式（5-41）中的液压波传播速度为系统等效体积弹性模量。

对于开关控制而言，每次开关切换，都会导致一次流速的突增和突减，而且在阀口全开的情况下，阀口附近的制动液流速高达每秒数十米，因此开关时的速度突变就达到同样的数值，由此导致的压力冲击较大。为减少开关控制导致的冲击，考虑降低开关时阀口的最高流速。

流经阀口的制动液流速如式（5-42）所示：

式中 v——制动液流速；

ζ——局部阻力损失系数。

对于全开的阀口，Δp是主缸与轮缸的压差，由工况决定，而ζ由阀口结构决定。由式（5-42）可知，增大ζ可以降低流速，ζ增大一般需要进一步减小节流孔，但在硬件匹配时对节流孔的选型需要照顾到常规制动增压速率，因此不可再减小。由于全开阀口的ζ不能改变，流速实际上无法限制。但是如果阀口开度可控，那么不同阀口开度下，节流的局部阻力损失系数相差很大，也就是ζ将能够得到很好的控制，从而可以有效限制流速。因此，研究使阀口工作在部分开度将是改进液压冲击的途径。当阀的增压时间τ₁＜τ₀，则阀将工作在部分开度下，阀等效全开时间ξτ₁＜τ₀，导致Vτ过小。为保证流量q满足控制要求，需要缩短保压周期τ₂。随着τ₁和τ₂的减小，f会显著上升，远高于阀的动态响应频率，PWM工作过程发生改变，从以原先的全关和全开为主要工作状态的情况，过渡到以全关和部分开度为主的工作状态，并最终可以实现完全部分开度的工作状态。阀的流量控制就由最初的脉冲流量变化，过渡到缓变的流量变化，并最终实现流量的连续变化。开关阀的连续流量控制由于需要很高的载频，需要硬件能够提供较高频的PWM信号。传统的IO端口驱动阀的方式下，PWM载频比较低，因此，需要在稳控系统控制算法中利用定时器产生更高的载频。通过输出高频的PWM信号，调节PWM的占空比，可以得到阀口不同的部分开度，ζ值也就不同，由此产生的流量特性和系统增压速率就不同。

利用开关阀实现连续流量控制时，结合原有的开关控制算法，根据稳控系统不同工况的增压速率要求，调整连续流量的PWM占空比就能实现稳控系统主要的压力控制。在连续流量控制下，减少了增压过程中高压端的压力振荡，可以有效降低稳控系统工作时的噪声。而且，由于增压流量的连续性，在主缸端的流量变化也是连续的，从而制动踏板由脉冲式的振动转变为连续的波浪形起伏，踏板感会更加柔和。