基于电动轮汽车的制动踏板行程模拟器及制动平顺性研究
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摘要
随着汽车尾气排放及污染日趋严重，并逐渐成为大气环境最突出、最紧迫的问题之一，而且近几年成品油的价格变化成上涨的态势，全球不可再生能源日渐减少，用新能源汽车代替传统汽车是不可否认的事实，其中电动轮汽车有诸多优点，所以本文借助四轮独立驱动电动轮汽车为模型，对制动系统进行系统的研究，提出一些新颖的思想和方法来解决电动汽车制动过程中平顺性的问题。与传统汽车一样，电动汽车中的制动系统也是驾驶员主要的操纵机构，并且动作频繁，这影响并关系到驾驶员的安全和舒适度。通过深入研究制动踏板感觉和电动汽车制动模式的切换，设计符合常规制动感觉的行程模拟器，并保证电动轮汽车在制动模式切换过程中的平稳性，减少制动过程制动扭矩的波动，解决一些有关制动过程平顺性的实际问题。
本文选择电动轮汽车作为研究载体，设计了配有制动踏板行程模拟器的无真空助力器线控制动系统，建立了可以用于仿真测试的15自由度电动轮汽车动力学模型。根据传统制动系统的特性建立了踏板行程模拟器的模型，并采用轨迹跟踪控制算法并结合模糊-PID方法控制电磁阀来模拟制动感觉，实现与传统制动系统相似的制动感觉。由于电动轮汽车的制动系统存在两套制动结构，即电机制动和机械液压制动，在进行制动过程中，制动模式切换问题是电动汽车制动控制的关键问题，在对电机制动和机械液压制动分析基础上，运用动态协调控制的方法对制动模式切换过程进行控制并进行离线仿真。最后利用搭建的dSPACE硬件在环试验台架验证提出的设想。
根据上述思路展开如下研究：
第一，根据电动轮汽车的特征，对电动汽车中各个主要部分进行分析，包括车身模块、悬架模块、转向模型、轮胎模块、电机模块及液压模块等，并以此为依据利用AMESim软件建立了比较精确的15自由度非线性电动轮汽车整车动力学仿真平台。为了验证模型的准确性，采用了城市工况进行模拟仿真，仿真结果表明模型的精度达到了动态仿真的要求。该仿真平台模块里的参数可以根据车型而修改，仿真自由度多，精度相对较高，也可以对电动轮驱动汽车的各种工况进行仿真。
第二，首先介绍了传统制动系统，分析了主要组成部件，其中包括制动踏板、真空助力器、主动主缸和制动器等，描述了传统制动系统踏板感觉的特性。接着依据传统制动系统的踏板感觉特性，利用AMESim软件建立了行程模拟器模型并设计了结构方案。最后通过轨迹跟踪控制方法并结合模糊-PID控制方法控制电磁阀实现制动踏板行程模拟器的反馈制动踏板。在所建立的模型基础上进行离线仿真，结果表明通过上述方法实现与常规制动系统的制动脚感相近，即加入电机制动后该制动系统仍具有良好的制动踏板感觉。
第三，对影响汽车平顺性的因素进行分析，介绍了电动轮汽车制动系统的几种制动模式，分析了典型电机制动控制方法。由于电动轮汽车存在两套制动系统（电机制动和机械液压制动），制动过程中制动模式切换是复合制动系统中普遍存在的。提出了由制动扭矩管理策略和动态协调控制算法两部分组成的控制方法，解决制动过程制动模式切换制动扭矩波动大的问题。根据车速、制动踏板、油门踏板及其他信号识别驾驶员对制动扭矩的需求，再根据电池SOC值和行驶状态，决定制动模式的切换和切换过程中的制动扭矩的调节。在整车动力学模型的基础上，分别就连续切换过程仿真和某定工况下就行离线仿真。仿真表明，在经过动态协调控制算法控制之后，实现了制动模式切换过程对电机和液压系统进行了调控，达到了预期的效果，有效的减小了电机制动和机械液压制动切换过程的波动，实现制动过程的平顺性。
最后，介绍了硬件在环试验平台的特点，并设计了基于dSPACE实时平台的硬件在环试验台。该试验平台包括了硬件部分、软件部分和实时系统等，试验台中的制动系统无真空助力器，而且配有行程模拟器，利用搭建的硬件在环试验台对制动踏板行程模拟器和电动汽车制动模式切换控制策略进行试验和分析。根据硬件在环仿真试验结果可以看出，设计的踏板行程模拟器能够很好的模拟制动踏板的感觉，符合设计要求，同时通过动态协调控制算法有效的减小了制动模式切换过程中的制动扭矩的波动，保证了制动过程的平顺性，达到了预期的效果。
With the increasing of automotive exhaust emissions, the environmental pollutionbecomes more and more serious, and now it is the most outstanding one of the pressingproblems of environmental protection. Because of rising price in oil and less non-renewableresources, the traditional automobile will be replaced by new energy vehicles. Electric wheelvehicle can solve these problems. This article introduces4independently-driving andelectric wheel auto, and systemically studies Braking System. I propose some new ideas andmethods that can solve the ride comfort problem of electric vehicle braking process. Thesame as the traditional vehicle, the braking system of electric wheel vehicle is also the chiefmanoeuvre mechanism. Frequently movements will impact driver’s safety and comfort. Todispose of practical considerations on comfort during brake, I make an exhaustive studyabout switching on brake pedal feel and electric vehicle braking mode, and design the strokesimulator that accords with usual brake feel. During switchover on brake mode,we shouldkeep stability and reduce the brake torque fluctuations during brake.
This text aims at electric wheel car, designing without vacuum booster and includingbrake-by-wire system of brake pedal travel simulator,building electric wheel vehicledynamics model with15DOF that can be used for simulation test, using the trajectorytracking control algorithm to control braking feel, analysing the electric wheel car's brakingprocess, applying dynamic coordinated control method to control braking mode switchingprocess, at last dSPACE hardware in the loop test bench to verify the assumption.
Based on the above ideas to expand the study as follows:
Firstly, according to the characteristics of the electric wheel car, electric vehicles areanalyzed, including body modules, suspension modules, steering model, tire module, motormodule and hydraulic module, using AMESim software and as a basis to establish accurate15degrees of freedom nonlinear electric wheel automobile dynamics simulation platform.Urban conditions in order to verify the accuracy of the model simulation, the simulationresults show that the accuracy of the model the dynamic simulation requirements. Thesimulation platform module parameters can be modified depending on the model, simulationdegrees of freedom, a relatively high accuracy, the various conditions of the car to simulateelectric wheel drive.
Secondly, I will introduce a conventional brake system, analysis of the variouscomponent parts, including the brake pedal, the vacuum booster, active master cylinder andthe brake, etc. to describe the characteristics of the pedal feel of a conventional brake system.Then, based on the traditional brake pedal feel characteristics, using AMESim softwarestroke simulator model and designing the structure of the program. Later, trajectory trackingcontrol method and fuzzy-PID control method for controlling the solenoid valve feedbackbrake pedal brake pedal travel simulator. Offline simulation on the basis of the establishedmodel, the results show that by the above method to achieve with the braking Jiaogan of theconventional braking system similar to the braking system, i.e. adding motor brake still has agood brake pedal feel.
Thirdly, the analysis of factors affect car ride, several electric wheel car brake systembrake mode analysis of a typical motor brake control method. Electric wheel car there aretwo braking systems (motor brake and mechanical hydraulic braking) during braking thebraking mode switching is common composite braking system. The proposed control method,consisting of two parts, brake torque management strategy and dynamic coordinated controlalgorithm can solve the braking process Brake mode switching braking torque fluctuations.For braking torque according to the vehicle speed, brake pedal, accelerator pedal, and othersignals identifying the driver, according to the value and the traveling state of the batterySOC, resulting in the adjustment of the braking torque in the brake mode switching and theswitching process. Vehicle dynamics model based on the continuous the switching processsimulation and a condition on the simulation. Simulation results show that, behind dynamiccoordinated control algorithm control braking mode switching process regulation and controlof motor and hydraulic system, to achieve the desired effect, reduced motor brake andmechanical hydraulic brake switch fluctuations, the ride of the braking process.
Finally, it introduces the characteristics of the hardware in the loop test platform anddesigned dSPACE real-time platform-based hardware in the loop test rig. The test platformincludes a hardware part and software part and real-time systems, etc. The brake systemvacuum booster of the test with the stroke simulator build the hardware in the loop test standon the brake pedal travel simulator electric vehicle braking mode switching control strategiesfor test and analysis. According to the hardware, results of the loop simulation test can beseen, the design of the pedal travel simulator can be a good analog feel of the brake pedal,meeting the design requirements, through dynamic coordination control algorithmeffectively reduces the braking mode switching process braking torque fluctuations, I ensurethat the ride of the braking process achieving the desired effect.
本文选择电动轮汽车作为研究载体，设计了配有制动踏板行程模拟器的无真空助力器线控制动系统，建立了可以用于仿真测试的15自由度电动轮汽车动力学模型。根据传统制动系统的特性建立了踏板行程模拟器的模型，并采用轨迹跟踪控制算法并结合模糊-PID方法控制电磁阀来模拟制动感觉，实现与传统制动系统相似的制动感觉。由于电动轮汽车的制动系统存在两套制动结构，即电机制动和机械液压制动，在进行制动过程中，制动模式切换问题是电动汽车制动控制的关键问题，在对电机制动和机械液压制动分析基础上，运用动态协调控制的方法对制动模式切换过程进行控制并进行离线仿真。最后利用搭建的dSPACE硬件在环试验台架验证提出的设想。
根据上述思路展开如下研究：
第一，根据电动轮汽车的特征，对电动汽车中各个主要部分进行分析，包括车身模块、悬架模块、转向模型、轮胎模块、电机模块及液压模块等，并以此为依据利用AMESim软件建立了比较精确的15自由度非线性电动轮汽车整车动力学仿真平台。为了验证模型的准确性，采用了城市工况进行模拟仿真，仿真结果表明模型的精度达到了动态仿真的要求。该仿真平台模块里的参数可以根据车型而修改，仿真自由度多，精度相对较高，也可以对电动轮驱动汽车的各种工况进行仿真。
第二，首先介绍了传统制动系统，分析了主要组成部件，其中包括制动踏板、真空助力器、主动主缸和制动器等，描述了传统制动系统踏板感觉的特性。接着依据传统制动系统的踏板感觉特性，利用AMESim软件建立了行程模拟器模型并设计了结构方案。最后通过轨迹跟踪控制方法并结合模糊-PID控制方法控制电磁阀实现制动踏板行程模拟器的反馈制动踏板。在所建立的模型基础上进行离线仿真，结果表明通过上述方法实现与常规制动系统的制动脚感相近，即加入电机制动后该制动系统仍具有良好的制动踏板感觉。
第三，对影响汽车平顺性的因素进行分析，介绍了电动轮汽车制动系统的几种制动模式，分析了典型电机制动控制方法。由于电动轮汽车存在两套制动系统（电机制动和机械液压制动），制动过程中制动模式切换是复合制动系统中普遍存在的。提出了由制动扭矩管理策略和动态协调控制算法两部分组成的控制方法，解决制动过程制动模式切换制动扭矩波动大的问题。根据车速、制动踏板、油门踏板及其他信号识别驾驶员对制动扭矩的需求，再根据电池SOC值和行驶状态，决定制动模式的切换和切换过程中的制动扭矩的调节。在整车动力学模型的基础上，分别就连续切换过程仿真和某定工况下就行离线仿真。仿真表明，在经过动态协调控制算法控制之后，实现了制动模式切换过程对电机和液压系统进行了调控，达到了预期的效果，有效的减小了电机制动和机械液压制动切换过程的波动，实现制动过程的平顺性。
最后，介绍了硬件在环试验平台的特点，并设计了基于dSPACE实时平台的硬件在环试验台。该试验平台包括了硬件部分、软件部分和实时系统等，试验台中的制动系统无真空助力器，而且配有行程模拟器，利用搭建的硬件在环试验台对制动踏板行程模拟器和电动汽车制动模式切换控制策略进行试验和分析。根据硬件在环仿真试验结果可以看出，设计的踏板行程模拟器能够很好的模拟制动踏板的感觉，符合设计要求，同时通过动态协调控制算法有效的减小了制动模式切换过程中的制动扭矩的波动，保证了制动过程的平顺性，达到了预期的效果。
With the increasing of automotive exhaust emissions, the environmental pollutionbecomes more and more serious, and now it is the most outstanding one of the pressingproblems of environmental protection. Because of rising price in oil and less non-renewableresources, the traditional automobile will be replaced by new energy vehicles. Electric wheelvehicle can solve these problems. This article introduces4independently-driving andelectric wheel auto, and systemically studies Braking System. I propose some new ideas andmethods that can solve the ride comfort problem of electric vehicle braking process. Thesame as the traditional vehicle, the braking system of electric wheel vehicle is also the chiefmanoeuvre mechanism. Frequently movements will impact driver’s safety and comfort. Todispose of practical considerations on comfort during brake, I make an exhaustive studyabout switching on brake pedal feel and electric vehicle braking mode, and design the strokesimulator that accords with usual brake feel. During switchover on brake mode,we shouldkeep stability and reduce the brake torque fluctuations during brake.
This text aims at electric wheel car, designing without vacuum booster and includingbrake-by-wire system of brake pedal travel simulator,building electric wheel vehicledynamics model with15DOF that can be used for simulation test, using the trajectorytracking control algorithm to control braking feel, analysing the electric wheel car's brakingprocess, applying dynamic coordinated control method to control braking mode switchingprocess, at last dSPACE hardware in the loop test bench to verify the assumption.
Based on the above ideas to expand the study as follows:
Firstly, according to the characteristics of the electric wheel car, electric vehicles areanalyzed, including body modules, suspension modules, steering model, tire module, motormodule and hydraulic module, using AMESim software and as a basis to establish accurate15degrees of freedom nonlinear electric wheel automobile dynamics simulation platform.Urban conditions in order to verify the accuracy of the model simulation, the simulationresults show that the accuracy of the model the dynamic simulation requirements. Thesimulation platform module parameters can be modified depending on the model, simulationdegrees of freedom, a relatively high accuracy, the various conditions of the car to simulateelectric wheel drive.
Secondly, I will introduce a conventional brake system, analysis of the variouscomponent parts, including the brake pedal, the vacuum booster, active master cylinder andthe brake, etc. to describe the characteristics of the pedal feel of a conventional brake system.Then, based on the traditional brake pedal feel characteristics, using AMESim softwarestroke simulator model and designing the structure of the program. Later, trajectory trackingcontrol method and fuzzy-PID control method for controlling the solenoid valve feedbackbrake pedal brake pedal travel simulator. Offline simulation on the basis of the establishedmodel, the results show that by the above method to achieve with the braking Jiaogan of theconventional braking system similar to the braking system, i.e. adding motor brake still has agood brake pedal feel.
Thirdly, the analysis of factors affect car ride, several electric wheel car brake systembrake mode analysis of a typical motor brake control method. Electric wheel car there aretwo braking systems (motor brake and mechanical hydraulic braking) during braking thebraking mode switching is common composite braking system. The proposed control method,consisting of two parts, brake torque management strategy and dynamic coordinated controlalgorithm can solve the braking process Brake mode switching braking torque fluctuations.For braking torque according to the vehicle speed, brake pedal, accelerator pedal, and othersignals identifying the driver, according to the value and the traveling state of the batterySOC, resulting in the adjustment of the braking torque in the brake mode switching and theswitching process. Vehicle dynamics model based on the continuous the switching processsimulation and a condition on the simulation. Simulation results show that, behind dynamiccoordinated control algorithm control braking mode switching process regulation and controlof motor and hydraulic system, to achieve the desired effect, reduced motor brake andmechanical hydraulic brake switch fluctuations, the ride of the braking process.
Finally, it introduces the characteristics of the hardware in the loop test platform anddesigned dSPACE real-time platform-based hardware in the loop test rig. The test platformincludes a hardware part and software part and real-time systems, etc. The brake systemvacuum booster of the test with the stroke simulator build the hardware in the loop test standon the brake pedal travel simulator electric vehicle braking mode switching control strategiesfor test and analysis. According to the hardware, results of the loop simulation test can beseen, the design of the pedal travel simulator can be a good analog feel of the brake pedal,meeting the design requirements, through dynamic coordination control algorithmeffectively reduces the braking mode switching process braking torque fluctuations, I ensurethat the ride of the braking process achieving the desired effect.
引文
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