基于AMESim的電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

金智林，段博文，王睿，楊維妙

(南京航空航天大學(xué)車輛工程系，南京 210016)

基于AMESim的電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

金智林，段博文，王睿，楊維妙

(南京航空航天大學(xué)車輛工程系，南京 210016)

為了提高汽車的主動(dòng)安全性，改善電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)行了基于AMESim的電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析。介紹了電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要模塊的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用AMESim軟件建立了電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的液壓模型，分析了制動(dòng)輪缸壓力動(dòng)態(tài)特性隨電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪缸結(jié)構(gòu)參數(shù)及制動(dòng)油性能參數(shù)變化的規(guī)律，為電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

電控液壓制動(dòng);AMESim模型;制動(dòng)壓力特性;汽車主動(dòng)安全

隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加，交通事故也逐步增加，安全問題已成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。制動(dòng)系統(tǒng)在車輛安全方面扮演著至關(guān)重要的角色。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，存在的安全問題中有67%是制動(dòng)方面的問題［1］，可見制動(dòng)系統(tǒng)在汽車安全性中的重要地位。

作為一種新型制動(dòng)系統(tǒng)，電控液壓制動(dòng)(EHB)的發(fā)展時(shí)間較短，但應(yīng)用前景廣闊。相比電子機(jī)械制動(dòng)(EMB)系統(tǒng)，EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，無需提供單獨(dú)的42 V電源，因而在短期內(nèi)有極佳的發(fā)展前景［2］。與傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，EHB系統(tǒng)除了具有基本制動(dòng)、ABS等功能外，還具有制動(dòng)效率高、可移植性好、易于實(shí)現(xiàn)4個(gè)車輪制動(dòng)力單獨(dú)控制、易于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收等優(yōu)點(diǎn)［3］。目前，EHB系統(tǒng)已成為汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)EHB系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。Analogy公司用Saber仿真模擬的方法開發(fā)出一套EHB系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓泵提供制動(dòng)壓力，制動(dòng)輪缸中的壓力由電磁閥的開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證對(duì)車輪施加合適的制動(dòng)壓力［4］。Milanes［5］設(shè)計(jì)出實(shí)用性較強(qiáng)的EHB系統(tǒng)，安裝在雪鐵龍C3 Pluriel上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可模仿駕駛員在不同情況下的制動(dòng)行為。汪洋等［6］基于AMESim和Simulink軟件建立EHB液壓系統(tǒng)輪缸壓力聯(lián)合控制仿真的研究平臺(tái)，分析比較了傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制在EHB系統(tǒng)輪缸壓力控制中的優(yōu)缺點(diǎn)。宗長(zhǎng)富等［7］進(jìn)行了EHB執(zhí)行機(jī)構(gòu)和EHB控制系統(tǒng)等在內(nèi)的硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)PID控制算法和控制策略對(duì)制動(dòng)壓力的跟隨特性進(jìn)行控制。Jin等［8］聯(lián)合AMESim和Matlab軟件對(duì)EHB系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，分析了蓄能器壓力、控制器的增益和閥的固有頻率對(duì)EHB系統(tǒng)制動(dòng)器壓力的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

本文介紹了EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，建立EHB系統(tǒng)主要模塊的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用AMESim軟件建立EHB系統(tǒng)的液壓模型，分析制動(dòng)輪缸壓力動(dòng)態(tài)特性隨結(jié)構(gòu)參數(shù)及制動(dòng)油性能參數(shù)變化的規(guī)律。

1 EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1為EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)由電控單元(ECU)、踏板模擬器(PFE)、液壓控制單元(HCU)3部分組成。該系統(tǒng)對(duì)電控單元采集和處理的傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，并將控制指令發(fā)送到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。踏板模擬器包括踏板、位移傳感器、壓力傳感器、制動(dòng)主缸、切換電磁閥，用以感知駕駛員制動(dòng)意圖。

圖1 EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

液壓控制單元包括高壓蓄能器、電機(jī)泵(電動(dòng)機(jī)和液壓泵)、單向閥、溢流閥、平衡閥、切換閥、增壓閥(進(jìn)油閥)、減壓閥(出油閥)、蓄能器壓力傳感器和輪缸壓力傳感器，其中單向閥和溢流閥確保蓄能器壓力處于安全范圍之內(nèi)。EHB正常工作時(shí)，切換閥處于關(guān)閉狀態(tài);增壓時(shí)，增壓閥打開，減壓閥關(guān)閉;減壓時(shí)，增壓閥關(guān)閉，減壓閥打開;保壓時(shí)，增壓閥和減壓閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。平衡閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)可以對(duì)左右輪缸壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，此時(shí)由相應(yīng)輪缸的一對(duì)增/減壓閥配合工作。

當(dāng)出現(xiàn)緊急情況(如線路故障或供電系統(tǒng)故障)使得EHB系統(tǒng)失效時(shí)，所有的電磁閥均處于初始設(shè)定狀態(tài)。駕駛員通過踩制動(dòng)踏板可直接將制動(dòng)主缸中的制動(dòng)液經(jīng)切換閥輸入輪缸，使得制動(dòng)輪缸增壓，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急制動(dòng)功能，保證汽車的安全運(yùn)行。

2 EHB系統(tǒng)的模型

AMESim軟件中包含豐富的液壓元件庫，在進(jìn)行汽車制動(dòng)系統(tǒng)建模和仿真分析時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)。根據(jù)EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在AMESim軟件建立EHB系統(tǒng)的模型，并做如下假設(shè):①為了研究EHB系統(tǒng)的壓力跟隨特性，需獲得各個(gè)制動(dòng)輪缸的壓力變化曲線，每個(gè)車輪不需要在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行仿真，因此可將車輪因素忽略，簡(jiǎn)化為制動(dòng)輪缸模型。②研究EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能時(shí)，考慮對(duì)每個(gè)輪缸的制動(dòng)壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，建模時(shí)應(yīng)忽略平衡閥的影響。③由于只考慮EHB系統(tǒng)正常工作時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，故建模時(shí)忽略切換閥的影響。④踏板模擬器在實(shí)際EHB正常工作中的主要作用是向電控單元傳送位置信號(hào)，因此使用給定的制動(dòng)力代替輸入。簡(jiǎn)化后的EHB系統(tǒng)包括高壓蓄能器、液壓泵、進(jìn)出液電磁閥、制動(dòng)輪缸、壓力傳感器、PID控制器。

電磁閥的數(shù)學(xué)模型為

式(1)中:K1為增益;τ為延遲時(shí)間;ωn為電磁閥自然頻率;ξ為電磁閥等效阻尼比。

電磁閥節(jié)流孔的數(shù)學(xué)模型為

式(2)中:Q為制動(dòng)液流量;A為節(jié)流孔面積;Cq為流量系數(shù)，與閥口形狀有關(guān);Δp為節(jié)流孔兩端壓力差;ρ為制動(dòng)液密度;η0為制動(dòng)液動(dòng)力黏度;χ為節(jié)流孔周長(zhǎng)。

蓄能器的數(shù)學(xué)模型為

式(3)中:P0和V0分別為蓄能器初始容積和充氣壓力;PA和VA分別為蓄能器工作壓力和工作容積。

電機(jī)泵的數(shù)學(xué)模型為式(4)中:Qout為泵的輸出流量;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速;Vc為泵的排量;Pin和Pout分別為泵輸入和輸出口壓力;E為制動(dòng)油體積模量;α為泵的壓力因子。

制動(dòng)輪缸的數(shù)學(xué)模型為

式(5)中:m，x分別是制動(dòng)鉗的質(zhì)量和位移;P為輪缸制動(dòng)壓力;Ceq為活塞運(yùn)動(dòng)的等效阻尼;Km為彈簧剛度;x0為彈簧初始位移;S為制動(dòng)輪缸橫截面積。

控制算法采用經(jīng)典的PID控制，其微分方程為

式(6)中Kp，KI和KD分別是比例、微分和積分控制系數(shù)。

根據(jù)各模塊的數(shù)學(xué)模型(1)～(6)，在AMES－im軟件環(huán)境下建立EHB系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 EHB系統(tǒng)模型

3 EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

考慮到4個(gè)輪缸的對(duì)稱性，選取其中任一制動(dòng)輪缸壓力動(dòng)態(tài)變化特性進(jìn)行分析。設(shè)定壓力輸入為8 MPa的階躍信號(hào)，調(diào)節(jié)控制參數(shù)為:Kp= 1.1×10－3，KI=9×10－6，KD=1.5×10－5，得到制動(dòng)輪缸壓力動(dòng)態(tài)變化特性曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3輪缸壓力動(dòng)態(tài)特性曲線，選取主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:輪缸壓力穩(wěn)定時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量。為設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)性能好的EHB系統(tǒng)，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制動(dòng)油的特性參數(shù)進(jìn)行分析，包括制動(dòng)輪缸死區(qū)容積、進(jìn)/出油閥的自然頻率、電磁閥的響應(yīng)壓降閥在最大開度時(shí)的特征流速、制動(dòng)油體積彈性模量和絕對(duì)黏度對(duì)制動(dòng)輪缸壓力動(dòng)態(tài)特性的影響。

圖3 EHB系統(tǒng)的輪缸壓力動(dòng)態(tài)特性

圖4可知制動(dòng)輪缸死區(qū)容積增加時(shí)，由于輪缸殘余壓力的作用，制動(dòng)輪缸壓力穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差都會(huì)增加，但超調(diào)量會(huì)隨之減小。

圖4 輪缸死區(qū)容積對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖5為電磁閥自然頻率對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響曲線?？梢钥闯?隨著進(jìn)/出油電磁閥自然頻率的增加，響應(yīng)速度隨之增加，輪缸壓力穩(wěn)定時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量隨之減小，但電磁閥頻率高會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增大。

電磁閥響應(yīng)壓降為電磁閥開關(guān)一次時(shí)輪缸的壓力變化，該參數(shù)與控制脈寬信號(hào)PWM頻率有關(guān)。由圖6可知:電磁閥的響應(yīng)壓降大，電磁閥作用的靈敏度就會(huì)減弱，則制動(dòng)輪缸的穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)增大，而超調(diào)量會(huì)減小。

圖5 電磁閥頻率對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖6 電磁閥響應(yīng)壓降對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖7為特征流速對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響曲線。由圖7可知:隨著電磁閥最大開度時(shí)特征流速增加，制動(dòng)輪缸壓力的穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)減小，即EHB系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力的靈敏度增加，但超調(diào)量變大。

圖8和圖9為制動(dòng)油特性參數(shù)對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響曲線?？梢钥闯?隨著制動(dòng)油體積模量及制動(dòng)油絕對(duì)黏度的增加，制動(dòng)輪缸壓力的穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差變化很小，超調(diào)量會(huì)逐漸減小。因此，制動(dòng)油的特性參數(shù)對(duì)制動(dòng)響應(yīng)速度和控制精度影響小，但改變制動(dòng)油的特性參數(shù)能改善制動(dòng)過程的沖擊效果。

圖8 制動(dòng)油體積模量對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖9 制動(dòng)油絕對(duì)黏度對(duì)EHB系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

4 結(jié)束語

為改善汽車電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，根據(jù)EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，應(yīng)用AMESim軟件建立了EHB系統(tǒng)的模型。參數(shù)分析結(jié)果表明:電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EHB系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響大;制動(dòng)油的特性參數(shù)不影響EHB系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，但可以改善制動(dòng)過程的沖擊效果。

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(責(zé)任編輯 何杰玲)

Research on Dynamic Performance of Electro Hydraulic Brake System Based on AMESim

JIN Zhi－lin，DUAN Bo－wen，WANG Rui，YANG Wei－miao
(Department of Vehicle Engineering，Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics，Nanjing 210016，China)

Braking system is an important component to ensure vehicle safety.As a new braking system，electro hydraulic brake(EHB)system is very popular in the field of vehicle active safety.In order to improve vehicle active safety，the dynamic performance of EHB system is analyzed based on AMESim in this paper.From the working principle of EHB system，the mathematical models are established to describe the main modules of EHB system，and the hydraulic model of EHB system is built by using AMESim software.Then the influence law of dynamic performance of EHB system is obtained，which affected by main parameters of the solenoid valve，wheel cylinders and brake fluid.The results can provide scientific basis for EHB system optimal design.

electro hydraulic brake;AMESim model;performance of brake pressure;vehicle active safety

U461.91

A

1674－8425(2014)03－0001－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.001

2014－01－05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11202096)

金智林(1978—)，男，江西人，博士后，講師，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)研究。

金智林，段博文，王睿，等.基于AMESim的電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(3):1－5.

format:JIN Zhi－lin，DUAN Bo－wen，WANG Rui，et al.Research on Dynamic Performance of Electro Hydraulic Brake System Based on AMESim［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014 (3):1－5.