電-液制動(dòng)系統(tǒng)高速開(kāi)關(guān)電磁閥的建模與動(dòng)態(tài)特性仿真*

初 亮,趙 迪,李文惠

(1.吉林大學(xué),汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022; 2.吉林東光奧威汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有限公司,長(zhǎng)春 130012)

電-液制動(dòng)系統(tǒng)高速開(kāi)關(guān)電磁閥的建模與動(dòng)態(tài)特性仿真*

初 亮1,趙 迪1,李文惠2

(1.吉林大學(xué),汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022; 2.吉林東光奧威汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有限公司,長(zhǎng)春 130012)

采用AMESim和ANSYS Maxwell建立了電 液制動(dòng)系統(tǒng)中高速開(kāi)關(guān)電磁閥的模型,對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真,并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,所建模型能很好地反映電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。

電-液制動(dòng);電磁閥;動(dòng)態(tài)特性

前言

電液制動(dòng)系統(tǒng)(electro-hydraulic braking systems,EHB)取消了真空助力器,以液壓泵和高壓蓄能器為高壓源,通過(guò)對(duì)電磁閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)[1]。EHB系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中,主缸與輪缸可實(shí)現(xiàn)完全解耦,能在進(jìn)行防抱死控制、穩(wěn)定性控制、制動(dòng)能量回收液壓協(xié)調(diào)控制等制動(dòng)系統(tǒng)壓力控制時(shí)提供很好的制動(dòng)踏板感覺(jué)[2]。EHB系統(tǒng)的壓力控制完全通過(guò)控制高速開(kāi)關(guān)電磁閥來(lái)完成,因此建立一套較為準(zhǔn)確的EHB系統(tǒng)電磁閥模型是開(kāi)發(fā)EHB系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

目前,國(guó)內(nèi)已有對(duì)ABS(制動(dòng)防抱死系統(tǒng))和ESC(電子穩(wěn)定系統(tǒng))電磁閥的建模方法和動(dòng)態(tài)特性的研究[3-6]。ABS液壓調(diào)節(jié)單元中的常開(kāi)閥和常閉閥通常均不具有比例調(diào)節(jié)能力;在ESC系統(tǒng)中,只有兩個(gè)常開(kāi)閥具有比例調(diào)節(jié)能力[4]。但在EHB系統(tǒng)中,所有的常開(kāi)閥和常閉閥均具有比例調(diào)節(jié)能力[1]。EHB系統(tǒng)中的帶有比例調(diào)節(jié)功能的常開(kāi)閥結(jié)構(gòu)和工作原理與ESC系統(tǒng)中的常開(kāi)閥類(lèi)似,文獻(xiàn)[5]中已對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,因此本文中主要針對(duì)EHB系統(tǒng)中帶有比例調(diào)節(jié)功能的常閉電磁閥的建模和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

為此,提出基于多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件AMESim和電磁場(chǎng)有限元分析軟件ANSYS Maxwell的EHB系統(tǒng)電磁閥建模方法。同時(shí),通過(guò)實(shí)際拆解測(cè)繪一款EHB系統(tǒng)的電磁閥,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并建立EHB系統(tǒng)電磁閥模型。最后,利用建立的模型進(jìn)行了EHB系統(tǒng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性分析并進(jìn)行相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn),從而驗(yàn)證了模型的可行性和有效性。

1 EHB電磁閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

EHB常閉閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。常閉電磁閥的線(xiàn)圈由銅絲繞制而成,并由軛鐵和線(xiàn)圈端蓋包裹,套在閥體上。閥體和動(dòng)鐵均由軟磁合金材料制成,矯頑力很小,容易磁化和退磁。閥芯由無(wú)磁性的不銹鋼制成,與動(dòng)鐵鉚接在一起,動(dòng)鐵外部包裹了一個(gè)光滑耐磨的套管,用于減小摩擦阻力。同時(shí),動(dòng)鐵上還開(kāi)有2個(gè)使制動(dòng)液在動(dòng)鐵上下來(lái)回流動(dòng)的通孔。由圖1可知,動(dòng)鐵和閥芯受電磁力、彈簧力、摩擦力、液壓力和阻尼力的影響。由于動(dòng)鐵外部包裹了減摩用的套管,且動(dòng)鐵上開(kāi)有用于減少阻尼力的孔,所以阻尼力和摩擦力在數(shù)量級(jí)上要比電磁力、彈簧力和液壓力小得多,故忽略這兩個(gè)力對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)的影響[3]。

圖1 EHB電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

不通電時(shí),動(dòng)鐵與閥芯在彈簧力的作用下將進(jìn)液口封住,此時(shí)的液壓力不足以克服彈簧力,電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。通電后,產(chǎn)生的電磁力與彈簧力方向相反,動(dòng)鐵與閥芯在電磁力和液壓力的共同作用下克服彈簧力向上運(yùn)動(dòng),同時(shí)拉動(dòng)閥芯向上升,此時(shí)電磁閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。閥芯的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可用方程來(lái)表示:

式中:m為閥芯質(zhì)量;x為閥芯升程;v為閥芯運(yùn)動(dòng)速度;t為時(shí)間;Fm為電磁力;Fh為液壓力;Fs為彈簧力。

根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力法[7],電磁力為

式中:φ為工作氣隙的磁通;μ0為真空導(dǎo)磁率;A為工作氣隙的極面積;B為工作氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度[8],即

式中:N為線(xiàn)圈匝數(shù);i為線(xiàn)圈電流;δ為氣隙長(zhǎng)度,即

式中x0為初始工作氣隙。

將式(3)和式(4)代入式(2)可得

由式(5)可知,電磁力是閥芯升程和線(xiàn)圈電流的函數(shù)。

由于電磁閥線(xiàn)圈是一個(gè)感性負(fù)載,所以在計(jì)算時(shí)必須考慮其電流的瞬態(tài)響應(yīng)特性。通過(guò)測(cè)量可知,電磁閥線(xiàn)圈的電容與其電阻和電感相比可以忽略不計(jì)。為方便分析,將電磁閥線(xiàn)圈視為一個(gè)等效RL串聯(lián)電路。電磁閥線(xiàn)圈通電后,電磁閥的動(dòng)鐵將在電磁力的作用下運(yùn)動(dòng),線(xiàn)圈的電感也會(huì)隨著動(dòng)鐵位置的變化而變化,因此線(xiàn)圈內(nèi)的電流和線(xiàn)圈兩端電壓的關(guān)系為

式中:Rs為電源內(nèi)阻;Rc為線(xiàn)圈的直流電阻;L(i,x)為線(xiàn)圈的電感;U為線(xiàn)圈兩端電壓。

2 磁場(chǎng)的有限元分析

圖2 電磁閥的有限元模型

由于閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且動(dòng)鐵在閥體內(nèi)部運(yùn)動(dòng),電磁閥線(xiàn)圈的電感也會(huì)隨著電流變化而變化,所以電磁力和線(xiàn)圈電感很難通過(guò)直接的計(jì)算得到。本文中通過(guò)有限元分析來(lái)獲得這兩組數(shù)據(jù)[5]。

根據(jù)電磁閥的結(jié)構(gòu)圖,可以在ANSYS Maxwell中建立電磁閥的有限元模型,如圖2所示,模型中忽略了彈簧、閥芯和線(xiàn)圈骨架。磁場(chǎng)計(jì)算中,須設(shè)定各部件的材料,其中線(xiàn)圈的材料為銅,軛鐵和線(xiàn)圈端蓋的材料為冷軋鋼,閥體、閥座和動(dòng)鐵的材料為一種軟磁合金材料[4],其B-H特性曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 軟磁合金的B-H曲線(xiàn)

為分析不同電流和閥芯升程下的電磁力和線(xiàn)圈電感,通過(guò)ANSYS Maxwell參數(shù)掃描功能生成參數(shù)掃描表,其中閥芯升程范圍為0～0.6mm,電流激勵(lì)范圍為0～1 050A。

電磁閥線(xiàn)圈電感和電磁力的有限元計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 電感計(jì)算結(jié)果

3 電磁閥仿真模型

根據(jù)電磁閥的結(jié)構(gòu)和工作原理,可在AMESim中建立電磁閥仿真模型,如圖6所示。

電磁閥的驅(qū)動(dòng)電源為一占空比可調(diào)的PWM電壓源,其內(nèi)阻用一個(gè)等效電阻替代。電磁閥的線(xiàn)圈用一個(gè)等效的RL串聯(lián)電路模擬,其中的電阻為電磁閥線(xiàn)圈的直流電阻,阻值通過(guò)測(cè)量得到。線(xiàn)圈的等效電感則用一個(gè)可變電感表示,其電感值通過(guò)查表獲得。模型中的電源與電磁閥線(xiàn)圈之間還并聯(lián)了一只二極管,用以抑制高速開(kāi)關(guān)時(shí)電磁閥線(xiàn)圈產(chǎn)生的反向電壓。

電磁閥的機(jī)械部分主要采用AMESim中Hydraulic Component Design庫(kù)的元件來(lái)搭建。線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁力通過(guò)查表獲得。電磁閥進(jìn)液口的壓力源為一個(gè)恒壓源,用于等效替代出口壓力恒定的液壓泵站。電磁閥的出液口連接了一個(gè)制動(dòng)器,制動(dòng)器模型采用實(shí)測(cè)的制動(dòng)器p-V特性(壓力-體積特性)數(shù)據(jù)進(jìn)行等效替代,相關(guān)的研究顯示這種等效替代可較精確地表示制動(dòng)器的特性[9]。

圖5 電磁力計(jì)算結(jié)果

圖6 電磁閥的仿真模型

4 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電磁閥模型的電氣響應(yīng)特性和液壓響應(yīng)特性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)架上的電磁閥用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的L9352B電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)。該芯片的輸入信號(hào)為一頻率是2kHz的PWM信號(hào),其占空比與最終穩(wěn)態(tài)電流有固定的比例關(guān)系,在99%的占空比下,芯片可達(dá)到的最大驅(qū)動(dòng)電流為2.5A。

4.1 電氣響應(yīng)特性驗(yàn)證

通過(guò)數(shù)字電橋的測(cè)量,電磁閥線(xiàn)圈的內(nèi)阻為3.96Ω。將有限元計(jì)算的電感和測(cè)量得到的電磁閥內(nèi)阻輸入模型,設(shè)置一個(gè)占空比為99%的階躍驅(qū)動(dòng)信號(hào),通過(guò)仿真獲得電磁閥線(xiàn)圈的電流響應(yīng)曲線(xiàn)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖7所示。

圖7 電流仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.2 液壓響應(yīng)特性驗(yàn)證

為驗(yàn)證電磁閥的液壓響應(yīng)特性,在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了輪缸的階躍增壓試驗(yàn)。試驗(yàn)中,恒定壓力源用液壓調(diào)節(jié)單元的蓄能器替代,蓄能器的壓力始終維持在10MPa,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比為99%。電磁閥密封部分的等效結(jié)構(gòu)如圖8所示。進(jìn)液口直徑Ds= 0.4mm,密封球面直徑Db=1.4mm,閥座夾角 θ= 60°。

圖8 電磁閥密封結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖9所示。由圖看出,仿真與試驗(yàn)結(jié)果很接近,說(shuō)明模型的精度較高。

圖9 壓力變化仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 動(dòng)態(tài)特性研究

EHB高速開(kāi)關(guān)閥有兩個(gè)非常重要的特性——比例溢流特性和比例流量特性。比例溢流特性,即電磁閥兩端的穩(wěn)態(tài)壓差與施加在電磁閥上的輸入電流的關(guān)系;而比例流量特性,即電磁閥的流量與施加在電磁閥上的輸入電流的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)電磁閥線(xiàn)圈施加不同占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),可獲得如圖10所示的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)。3組曲線(xiàn)按照最終穩(wěn)態(tài)壓力從大到小排列,對(duì)應(yīng)的占空比分別為36%,34%和32%。在壓力響應(yīng)曲線(xiàn)中,壓力上升的階段可以體現(xiàn)出電磁閥的比例流量特性,而最終的壓力穩(wěn)定階段則可以體現(xiàn)出電磁閥的比例溢流特性。

圖10 不同占空比驅(qū)動(dòng)信號(hào)下輪缸壓力的變化

在電磁閥的線(xiàn)圈上施加不同占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào),可使電磁閥線(xiàn)圈的電流發(fā)生變化,根據(jù)圖5可知,電流的變化會(huì)引起電磁力的變化。由于閥芯主要受電磁力、液壓力和彈簧力的作用,電磁力的變化會(huì)使閥芯受力平衡時(shí)的液壓力發(fā)生變化,從而引起壓差的變化,而改變電磁閥的比例溢流特性。

通過(guò)模型可以獲得EHB電磁閥的閥芯升程與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn),如圖11所示。對(duì)于傳統(tǒng)的低速開(kāi)關(guān)電磁閥,當(dāng)電磁閥開(kāi)啟后,其閥芯始終位于完全開(kāi)啟位置。根據(jù)圖11可看出,與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電磁閥不同,EHB系統(tǒng)中高速開(kāi)關(guān)電磁閥的閥芯在電磁閥開(kāi)啟時(shí),并不是總處于完全開(kāi)啟位置,而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。這種波動(dòng)使電磁閥的開(kāi)度處于一個(gè)中間位置,從而使電磁閥具有比例流量特性。

圖11 驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為34%時(shí)的閥芯升程

6 結(jié)論

通過(guò)分析EHB系統(tǒng)中高速開(kāi)關(guān)電磁閥的工作原理,提出了一種EHB高速開(kāi)關(guān)電磁閥的建模方法,并進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,該方法可以有效地反映出EHB高速開(kāi)關(guān)電磁閥的電氣特性和液壓特性。

以該模型為基礎(chǔ),結(jié)合試驗(yàn)分析了EHB高速開(kāi)關(guān)電磁閥的比例流量特性和比例溢流特性的成因。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真分析,觀測(cè)到試驗(yàn)當(dāng)中無(wú)法觀測(cè)的閥芯升程等變量,并以此推斷出產(chǎn)生比例流量特性和比例溢流特性的原因。

通過(guò)分析可知,EHB高速開(kāi)關(guān)電磁閥之所以具有比例溢流特性,是因?yàn)殡姶帕Φ淖兓瘯?huì)引起閥芯受力平衡時(shí)液壓力的變化,從而引起壓差的變化。而對(duì)于電磁閥所具有的比例流量特性,通過(guò)分析可知其產(chǎn)生原因是閥芯在電磁閥開(kāi)啟時(shí)會(huì)在某一中間位置附近快速上下跳動(dòng),從而使閥口的開(kāi)度保持在某一中間位置,從而使流量維持在某一中間位置附近。

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Modeling and Dynamic Characteristics Simulation for Fast-switching Solenoid Valves in Electro-hydraulic Braking Systems

Chu Liang1,Zhao Di1&Li Wenhui2
1.Jilin University,State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Changchun 130022; 2.Jilin Dongguang Aowei Automotive Brake System Co.,Ltd.,Changchun 130012

By using software AMESim and ANSYS Maxwell,a model for the fast-switching solenoid valves of electro-hydraulic braking system is set up,with which a simulation on its dynamic characteristics and a corresponding verification bench test are conducted.The results show that the model built can well reflect the dynamic characteristics of solenoid valves.

EHB;solenoid valve;dynamic characteristics

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.010

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA110903)資助。

原稿收到日期為2015年3月16日,修改稿收到日期為2016年2月2日。

初亮,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:chuliang@jlu.edu.cn。